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钛白粉色浆的制备及在聚氨酯防水涂料中的应用

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康杰分 褚建军 沈春林 王玉峰

(苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司)

摘要:本文通过高速剪切分散法制备油性钛白粉色浆,采用比吸光度表征钛白粉色体系的分散稳定性,探讨分散剂种类和用量对钛白粉色浆分散稳定性的影响。将色浆用于单组分聚氨酯防水涂料,试验结果表明色浆与聚氨酯防水涂料相容性好,能明显提升涂料的拉伸力学性能和储存稳定性。

关键词:钛白粉色浆;分散稳定性;聚氨酯防水涂料

钛白粉(英文名称:titanium dioxide),主要成分为二氧化钛(TiO2)的白色颜料,是一种多晶化合物,其质点呈规则排列,具有格子构造。钛白粉是一种重要的无机化工产品,在涂料、油墨、造纸、塑料橡胶、化纤、陶瓷等工业中有重要用途。二氧化钛的化学性质极为稳定,是一种偏酸性的两性氧化物。常温下几乎不与其他元素和化合物反应,对氧、氨、氮、硫化氢、二氧化碳、二氧化硫都不起作用,不溶于水、脂肪,也不溶于稀酸及无机酸、碱,只溶于氢氟酸

钛白粉在橡胶、涂料行业中既作为着色剂,又具有补强、防老化、填充作用。在白色和彩色橡胶制品中加入钛白粉,在日光照射下,耐日晒,不开裂、不变色,伸展率大及耐酸碱。用于耐候涂料生产时,常加入一定量的金红石型产品,以增强抗臭氧和抗紫外线能力。

在常用的白色颜料中,二氧化钛的相对密度最小,同等质量的白色颜料中,二氧化钛的表面积最大,钛白粉直接添加在橡胶、涂料中容易发生团聚,影响树脂材料的使用寿命,所以钛白粉在使用之前都要进行预分散或表面包覆处理1】

随着国家的宏观经济调控,新建工程项目逐渐减少,城市建设由高速趋于平缓,预示着中国已经全面进入后建筑时代。国内大部分的住宅屋面防水层采用的改性沥青卷材,已经全面进入维修阶段,黑色屋面在夏天会大大增加建筑的能耗。白色屋面涂料具有反射隔热功能,必将成为后建筑时代屋面维修的一种理想材料。聚氨酯涂料作为一款市场上最有发展前景的防水材料,已经得到越来越多的研发机构和企业的重视,但目前还没有针对外露聚氨酯防水涂料用的白色色浆的研究报道。

1.实验部分

1.1实验原料  

钛白粉960,工业纯,金浦钛业有限公司;DINP,工业纯,常州盛川化工有限公司;钛酸酯偶联剂NDZ-102,工业纯,市售;改性聚氨酯高聚物分散剂FT-2203,工业纯,苏州非特兄弟新材料科技有限公司;大分子脂肪酸酯类分散剂HK-6226,工业纯,青岛恒科新材料科技有限公司;单组分聚氨酯防水涂料,苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司实验室自制。

1.2实验仪器及设备

UV-1800型紫外可见光分光光度计,日本岛津;CMT6104型万能拉力试验机,美特斯工业系统(中国)有限公司;80-2S型台式电动离心机,常州梅香仪器有限公司;JFS-750型高速变频剪切分散机,常州泰勒仪器科技有限公司。

1.3油性钛白粉色浆的制备

将钛白粉置于研钵中磨细后,110°C下真空干燥8 h,取出放入干燥器,备用。将分散剂充分溶解于DINP中,搅拌并缓缓加入一定质量的钛白粉,然后采用高速剪切分散方式分散一定时间后便制备得钛白粉色浆2】。考察分散剂种类和用量、钛白粉用量等因素对钛白粉色浆分散稳定性的影响。

1.4色浆分散稳定性的测定

采用比吸光度来表征油性钛白粉体系的分散稳定性。取少量钛白粉色浆,用DINP稀释 2000 倍后,测定钛白粉在540nm处的吸光度A;将钛白粉色浆置于10mL离心管中,采用离心机离心30min,转速4000r/min,在距离离心管上层液面1mm处取0.2g分散液,用DINP稀释2000倍后测定其在540nm处的吸光度A1。按照1-1式计算比吸光度:

r=(A1/A)×100%   (1-1)

r值越接近1,表明钛白粉色浆分散体系的离心稳定性越好。

2.结果与讨论

2.1分散剂种类对钛白粉色浆分散稳定性的影响

采用高速剪切分散机通过剪切分散来制备钛白粉色浆,研究分散剂种类及用量对钛白粉色浆分散稳定性的影响。所采用的具体条件为:所加入的分散剂为钛白粉加入量的1%,钛白粉占总料浆重量的 30%,体系在3000 r/min的转速下剪切分散0.5h。

1.分散剂种类对钛白粉分散的影响

分散剂种类

比吸光度(%)

NDZ-102

48

HK-6226

69

FT-2203

75

1中所列分散剂中,NDZ-102为低分子的非离子型分散剂,HK-6226为脂肪酸改性聚酯大分子的非离子型分散剂,FT-2203为改性聚氨酯高分子铵盐分散剂。从表1可知,分散剂对油性钛白粉色浆的分散稳定效果为:同为非离子型分散剂,大分子的分散剂效果好于低分子的分散剂;同为大分子分散剂,离子型铵盐好于非离子型分散剂。

NDZ-102和HK-6226助剂通过空间位阻使颜料粒子不产生絮凝,分子量越大,空间位阻就越大,分散效果越好,色浆的稳定性也更好。FT-2203离子型分散剂比非离子型分散剂具有更好的分散效果,是因为分散剂吸附在钛白粉表面后,阴离子型分散剂除了具有空间位阻作用,还具有静电排斥力,阻止钛白粉颗粒间的聚集。

2.2分散剂用量对钛白粉色浆分散稳定性的影响

钛白粉占总料浆重量的 30%,体系在3000 r/min的转速下剪切分散0.5h,考察分散剂添加量对钛白粉色浆分散稳定性的影响。

1. 分散剂用量对钛白粉分散稳定性的影响

由图1可知,在高速剪切分散条件下,分散剂的用量对分散后钛白粉的比吸光度有较大的影响。在NDZ-102用量为2.5%时,分散后比吸光度为48%,在此条件下制备的钛白粉色浆稳定性最好。在HK-2662用量为2%时,分散后比吸光度为69%,在此条件下制备的钛白粉色浆稳定性最好。对于分散剂FT-2203添加量1.5%时比吸光度为75%,在此条件下制备的钛白粉色浆稳定性最好。从折线图来看,一开始随着分散剂用量的增加,钛白粉色浆的比吸光度明显增加。随着分散剂用量过大时,由于分散剂在钛白粉表面的吸附已经达到饱和,过多的分散剂进入液相中,在粒子之间重新桥接,重新让钛白粉粒子絮凝,也影响了体系的分散稳定性能。

3.钛白粉色浆在聚氨酯防水涂料中的应用

白色聚氨酯防水涂料制备方法:采用没有添加色浆,且符合GB/T 19250-2013标准I型的单组分聚氨酯防水涂料(标准试验条件下检测拉伸强度2.5MPa),在1000ml三口瓶中加入单组分涂料,通入氮气,加入涂料总量2%的的钛白粉色浆(分散剂添加量为钛白粉的最优添加量),在200 r/min的转速下分散30min,然后脱泡5min,出料密封储存。

白色单组分聚氨酯防水涂料置于标准实验条件储存24h后进行涂膜力学性能检测。另外对涂料储存稳定性进行加速试验:涂料用金属罐子密闭置于50℃恒温箱储存7天,然后置于标准实验条件24h后再进行涂膜力学性能检测。

3.1分散剂类型对聚氨酯防水涂料的影响

2.分散剂类型对聚氨酯防水涂料的影响

分散剂种类

起始拉伸强度

MPa

储存后拉伸强度

MPa

50℃/7d

涂料状态

无分散剂

2.0

1.4

白色颗粒,分层沉淀

NDZ-102

2.7

2.3

分层,无颗粒、未沉淀

HK-6226

2.8

2.6

分层、无颗粒、未沉淀

FT-2203

2.8

2.7

无分层、无颗粒、未沉淀

从表2可知,钛白粉色浆对聚氨酯防水涂料具有适当的补强作用,拉伸强度有一定的提高。未添加分散剂的色浆加入聚氨酯防水涂料,通过储存稳定性加速试验后,涂料拉伸强度衰减很明显,这是在储存过程中钛白粉粒子发生了团聚,造成涂料成型后的涂膜出现不连续缺陷,从而发生应力集中破坏。

对于小分子分散剂NDZ-102来说,由于分子量小,产生的空间位阻较小,且由于分子量小,在钛白粉表面的锚固基团数量较少,吸附力偏弱,容易发生解吸附现象,导致钛白粉例子重新聚集,从而发生分层现象,产品力学性能也出现了较明显的衰减。使用HK-6226和FT-2203大分子分散剂制备的钛白粉色浆,对单组分聚氨酯防水涂料具有明显的补强作用和较好的相容性,涂料储存过程中基本没有发生色浆团聚现象,从而保障了涂料体系的匀质性和稳定性。

3.2色浆用量对聚氨酯涂料的影响

选用FT-2203分散剂制备钛白粉色浆,分散剂用量为钛白粉重量的1.5%,研究钛白粉色浆用量对聚氨酯涂料的影响。

3.钛白粉色浆用量对聚氨酯防水涂料的影响

色浆添加量

%

起始拉伸强度

MPa

储存后拉伸强度

MPa

0

2.5

2.4

1

2.6

2.5

2

2.8

2.7

3

3.0

2.8

4

3.1

2.8

从表3可知,用FT-2203制备的钛白粉色浆对聚氨酯防水涂料具有明显的补强作用,且能改善聚氨酯防水涂料的沉淀和分层问题,提升单组分聚氨酯防水涂料的储存稳定性。随着钛白粉色浆用量的增加,聚氨酯防水涂料的拉伸强度也随之增加,涂料的防沉性能也提高,从产品的经济性来考虑,当色浆添加量为2%时,单组分聚氨酯防水涂料已经具备了优异的储存稳定性。

4.结论

本文以分散后的钛白粉比吸光度为评价指标,探索了高速剪切分散法对制备钛白粉油性分散体系的影响。分别探讨了分散剂种类及用量对钛白粉色浆分散体系分散稳定性的影响。主要结论如下:

1)非离子分散剂中,大分子的HK-6226对钛白粉的分散稳定性优于小分子的NDZ-102,主要是因为分子量越大,空间位阻作用就越大,色浆体系分散性越稳定。

2)大分子分散剂中,离子型的FT-2203好于非离子型HK-6226分散剂,这是因为离子型分散剂的电子排斥和空间位阻协同作用的结果;

3)每一种分散剂对钛白粉的分散稳定性添加量都不一样,在NDZ-102用量为2.5%时,分散后比吸光度为48%,在此条件下制备的钛白粉色浆稳定性最好。在HK-2662用量为2%时,分散后比吸光度为69%,在此条件下制备的钛白粉色浆稳定性最好。采用FT-2203用量为1.5%的,分散后比吸光度为75%,在此条件下制备的钛白粉色浆稳定性最好。

4)钛白粉色浆对聚氨酯防水涂料具有补强作用,未采用分散剂的钛白粉色浆在聚氨酯防水涂料体系中分散很不稳定,造成了团聚颗粒和沉淀问题。小分子分散剂制备的色浆用于聚氨酯防水涂料,储存稳定性不理想。采用大分子HK-6226和FT-2203处理的钛白粉色浆与聚氨酯防水涂料相容性好,能明显提升涂料的拉伸力学性能和储存稳定性。

5)采用钛白粉1.5%添加量的FT-2203制备的白色色浆,只要在单组分聚氨酯防水涂料中添加2%就能让其取得优异的力学性和储存稳定性。

参考文献:

[1] 邹薇.钛白粉的表面化学改性研究[D].南京:南京理工大学, 2005: 7.

[2] 张林雅.羧甲基半纤维素钠分散钛白粉色浆的制备研究.印染助剂,2017:13-15.