分散劑對納米二氧化鈦分散穩定性的影響

王 超

（衡水學院 應用化學系，河北衡水 053000）

納米TiO2的粒徑很小，表面能高，很容易發生團聚，形成二次粒子，影響其應用。納米TiO2雖然是親水性的，但是在水介質中的分散性并不理想。在溶液中，TiO2表面吸附一些帶反電荷的離子形成雙電層，雙電層會產生庫倫斥力[1-2]。庫倫斥力與范德華力的大小將影響TiO2顆粒的分散狀態。二氧化鈦表面性能低，在有機體系中不易分散，而且易團聚和板結[3]。

二氧化鈦粒子之間的引力大于斥力，同時具有較大的比表面能，很容易發生團聚現象，另外二氧化鈦本身具有強極性且顆粒的粒徑較小，極不易分散在非極性介質中，且又極易凝聚在極性介質中，嚴重影響其優良性能的發揮[4]。因此，在使用和制備過程時既要控制好它的粒度，還要避免反應后期自行發生團聚，在實際應用中，必須要與應用體系的其他組分有較好的相容性，達到一定的分散性能[5]。解決上述問題的關鍵就是對二氧化鈦顆粒進行表面改性，因此表面改性技術是關系到二氧化鈦能否發揮它優良性能的關鍵因素。

1 二氧化鈦的用途

當前二氧化鈦市場需求量已近500萬t/a，二氧化鈦的銷售量中有62%用于涂料，油漆方面，14%用于塑料工業，13%用于造紙工業，7%用于油墨行業，4%用于其他方面：例如，化妝品、陶瓷等[6-10]。

1.1 涂料工業的應用

鈦白粉的第一大用戶是涂料工業，特別是R型鈦白粉。由于中國汽車行業和建筑業的迅猛發展，涂料和制漆業不僅從數量上需要較多的鈦白粉，而且對種類和質量也提出了較高的要求[1]。用鈦白粉制作的涂料，遮蓋力高，色彩鮮艷，附著力強，用料省，種類多，對物質的理化性質的穩定性可起到很強的保護作用，可以顯著提高涂膜的黏附力和機械力，可以屏蔽紫外線的直接照射，另外還可以防止出現浸水、裂紋等現象，延長涂膜的使用壽命。

1.2 塑料與橡膠工業的應用

鈦白粉的第二大用戶是塑料工業。在塑料中摻雜少量鈦白粉，可以提高塑料產品的耐光、耐熱、耐候性，顯著改善高分子塑料制品的物理化學性能，增強塑料的機械強度，延長塑料產品的使用壽命。

在橡膠工業中，鈦白粉既可作為著色劑，又具有防老化、充當填料的作用。在白色和彩色的橡膠制品中摻雜入少量的鈦白粉，在強日光直接照射下，不易產生裂紋裂、也不易變色褪色，提高橡膠產品的舒展率，增強產品的耐酸堿性。橡膠所用的鈦白粉，多為銳鈦礦型，主要用于橡膠鞋類和車輪胎、膠皮手套、運動健身器材等。

1.3 造紙工業方面的應用

鈦白粉第三大用戶是造紙工業。在紙張的制作生產中，常用鈦白粉用作填料，高級紙張和超薄紙最為常見。在紙張中摻雜少量的鈦白粉，可以使紙張有較高的白度，光澤和強度，紙張既薄又平滑，質量較輕，并且在印刷時很不易穿透。造紙工業通常使用沒有經過表面處理的銳鈦型鈦白粉，可以起到增白的作用。但層壓紙則要求使用經過表面處理的金紅石型鈦白粉，以滿足耐熱、耐光等性能要求。

1.4 其他方面的應用

鈦白粉在化妝品和醫藥方面也有較廣泛的應用。由于鈦白粉無毒，較鉛白粉好很多，所以通常的香粉中幾乎都使用鈦白粉，逐漸取代了鋅白粉和鉛白粉。由于鈦白粉的白度高，香粉中只需加極少的鈦白粉便可以做到保持永久白色，還可以使香料更平滑細膩，有較強的遮蓋力。在粉、霜中加入鈦白粉可減少油膩感。在其他用途中，例如：各種香料，防曬霜，香皂，剃須膏和牙膏中常常也使用鈦白粉。這些都是利用了鈦白粉的高遮蓋力和無毒的優點。

鈦白粉在油墨中也有不可取代的地位。含有鈦白粉的油墨可以放置很久但不會變色，表面仍有較好的潤濕性。金紅石型、銳鈦型鈦白粉都可以應用在油墨行業中，可以根據具體的需求選擇不同晶型的鈦白粉。

陶瓷通常都有較強的透明度，也具有較輕的質量、較強的抗打擊力、較大機械強度、色彩鮮艷、不易污染等特點。這些性質利用鈦白粉以后可以大大提高，所以，鈦白粉在搪瓷、陶瓷中也有較廣泛的使用。

2 分散劑在分散中的作用

TiO2粒子在水溶液中，顆粒表面力作用使它們很容易團聚，形成較大的團聚體，為了使納米TiO2顆粒長時間穩定地分散在液體介質中，一般在介質中加入分散劑。對常用分散劑分散機理進行分析[11-15]。

2.1 表面活性劑

表面活性劑主要由親水基團以及親油基團構成，親水基團與極性的無機納米粉體的親和性較好，而親油基團與非極性的聚合物基體的親和性好。表面活性劑可以增加粒子的電荷表面，增強粒子間的靜電排斥力。經表面活性劑改性后的納米粉體，其表面由親水性向親油性轉變，改性納米粉體填充聚合物時，能改善納米粉體在有機基體中的分散性以及相容性。表面活性劑可以分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑。

十二烷基苯磺酸鈉為陰離子表面活性劑，在溶液中發生電離，有機長鏈吸附到納米顆粒表面，形成雙電層，使得納米粒子因表面所帶電荷而相互排斥，抑制粒子的團聚，減少大粒徑團聚物，達到分散效果。

十六烷基三甲基溴化銨為陽離子表面活性劑，由于電性相反，可能形成不太穩定的單層吸附，隨著其加入量的增大反而使粒子粒徑加大。

聚乙烯吡咯烷酮為非離子表面活性劑，吸附于二氧化鈦粒子表面，其環狀結構形成空間位阻作用，可抑制粒子的互相靠近；但聚乙烯吡咯烷酮又會導致長的碳氫鏈結構互相締合成膠團，從而產生團聚作用，降低粒子的分散性能，因此，隨著聚乙烯吡咯烷酮加入量的增大，粒子團聚物的平均粒徑增大。

2.2 偶聯劑

偶聯劑法改性納米粉體時，其一部分官能團如氨基、環氧基等與無機納米粉體表面的功能基團反應，形成化學鍵結合在一起。

硅烷偶聯劑是一種常用的偶聯劑，其在水中發生分解，脫水縮合反應生成低聚物，這種低聚物很易與納米二氧化鈦表面的羥基形成氫鍵，在加熱干燥過程中脫水形成共價鍵，而使得硅烷偶聯劑覆蓋在納米二氧化鈦表面，達到分散的目的。

2.3 電解質類無機鹽

六偏磷酸鈉是一種常見的無機鹽分散劑，屬于強堿弱酸鹽，在水溶液中最基本的機構單元是PO3-。PO3-會發生兩種反應：一，它們相互聚合形成螺旋狀的長鏈，吸附在顆粒表面增強顆粒的親水性，并且顯著提高顆粒表面的負電位，使雙電層更加穩定，分散效果更好。六偏磷酸鈉在納米顆粒表面吸附部分電荷形成雙電層，雙電層之間的排斥力有利于微粒的分散[15]。二，在水中的水解反應，電離形成H2PO4-、HPO42-、PO43-，這些陰離子吸附在顆粒表面，形成保護層，使顆粒充分分散。

2.4 高分子聚合物

以聚乙二醇為例的高分子聚合物作為分散劑時，主要機理為高分子分散劑在顆粒表面吸附，使顆粒之間產生空間位阻效應，從而達到分散的目的。

4 結束語

由此可以看出，納米二氧化鈦的經濟價值很高，但是由于易團聚，分散性能不佳，常常會影響其使用效果。為了更好地體現納米二氧化鈦的經濟價值，我們應該積極探索其分散方法，探索不同的表面活性劑的分散機理。