二氧化钛在塑料中的应用研究
王 丽1， 2，汪颖军1，赵 伟2
(1.大庆石油学院，黑龙江大庆 163318； 2.大庆华科股份有限公司，黑龙江大庆 163318)
摘 要：研究了在塑料中添加二氧化钛后的分散性、耐候性、加工性能，结果表明，二氧化钛的粒径增大，分散性提高；金红石型二氧化钛的耐候性能较好；添加无机填料可以提高产量、降低成本。
关键词：二氧化钛；性能；分散性；塑料
中图分类号：O 612. 4，TQ 320
无机颜料在许多工业领域如涂料、塑料与造纸工业中用作遮光剂与着色剂。一般，颜料在这样的应用中的效果取决于其在涂料、塑料或纸张中可分散的是否均匀。其中，二氧化钛是当今工业上最广泛应用的白色颜料，由于其配制成产品时能赋予高的不透明度，并为了保持材料具有最高的不透明性，所以以细粉末形式处置。但是，二氧化钛粉末在粉末本身处置时，尤其在产品配制、混合和制造时有固有的起粉尘和常常显现的粉末流动性不好。虽然通过已知的制造实践可以获得起粉尘性低和能自由流动的粉末，但这些粉末常显示出不透明性降低。为此目的，本实验通过二氧化钛颜料表面的化学改性已经较佳的接近实现颜料不透明度与流动性的要求的平衡。在热塑性塑料方面，改进的颜料分散性可导致热塑性塑料的加工性和颜色均匀性得到改进，其中颜料分散均匀性是很重要的。
因此，在配合有机热塑性塑料方面，其中增强的热塑性塑料稳定性，最佳的热塑性塑料表面审美观，或更高的加工产率是需要的，本实验对改进二氧化钛颜料的方法进行研究，其中，在颜料加入到如塑料、涂料、油墨及纸张这样的最终材料之前，进行添加填料和表面改性剂的处理，以达到降低成本，提高产量的目的。
1 实验部分
1·1 主要原料
钛白粉锐钛型B101，上海跃江；金红石型Cr501，上海染化十二厂；低分子量聚乙烯，杭州一泰高分子；聚丙烯粉料，自制；表面改性剂，市售。
1·2 实验仪器和设备 双螺杆挤出机:TE-35，江苏科亚化工装备公司；高速混合机：SHR-10A，张家港亿利机械有限公司；气候仪:QUV/SPRAY，Q-Panel实验室；偏光显微镜：DM LM/P11888500，德国LEICA公司；粒径分析仪:英国。
1·3 试样的制备
将聚丙烯粉料，聚乙烯腊，钛白粉等放入高速混合机中进行高速搅拌，利用旋转叶片的高速剪切力和分散介质的摩擦力，把钛白粉的颗粒群和团聚体拆散开来，尽量使其回到原生粒子状态。钛白粉经细化后，粒径减小，表面积增大，为了使钛白粉在加工过程中不产生凝聚，必须进行分散处理。添加一定量的表面改性剂熔融包覆在钛白粉颗粒表面，使钛白粉表面性能由无机性向有机性过渡，增大钛白粉和有机树脂的亲和性[1]，经细化、分散后的微细钛白粉，成为较为稳定的分散体系，将最终得到与大量塑料树脂相容性良好的挤出制品。
2 结果与讨论
2·1 二氧化钛的粒径对原料分散性的影响二氧化钛的粒径对原料分散性的影响见图1。
由图1可以看出，当二氧化钛的粒径范围在14nm~58nm时[2]，随着二氧化钛粒径的增大，其分散性能逐渐提高。该无机颜料单独在聚丙烯中应用时，是以松散团聚体和颗粒群状出现的，尽管在使用过程中它们的产品可以加工成很细的粉末，但若不进行细化分散处理，除影响表面质量外，还对本应达到的产品强度有所削弱，使材料韧性降低，所以在生产中对较大颗粒必须保证其在树脂中能均匀分散，这样不仅能提高工作效率，并且会减少对某些性能的不良影响。
2. 2 不同的表面活性剂对分子粒径的影响
采用烷基磺酸盐、低分子量聚乙烯、含有稀土元素的分散剂进行二氧化钛的表面改性，由粒径分析仪测得数据见表1。
从表1可以看出，处于自由状态下的二氧化钛粒子，分子粒径较大，由于粒子表面能高、内聚集能力强，因而很难以原生粒子状态分散在低粘度的塑料熔体中。但添加了表面活性剂之后，因分子中同时含有极性和非极性基团，分散剂分散到二氧化钛粒子表面并包裹在粒子表面，达到阻碍粒子之间相互接触的目的，从而起到分散的作用。含有稀土元素的分散剂在改善粒子分散性能的同时，进一步抑制了二氧化钛粒子的生长。但从生产成本和产品性能进行考虑，选用低分子量聚乙烯作为原料的分散剂更合适。
2·3 二氧化钛添加量对耐候性的影响
本实验选用的是金红石型(R)和锐钛型(A)。QuV的灯管发出的紫外线接近于太阳光中的紫外光，模拟太阳光产生的损害，通过冷凝系统和水喷淋系统可以模拟雨淋和露水的影响，曝晒温度可自动控制。在几天或几个星期内，可以再现户外几个月或几年发生的褪变。对于二氧化钛的光化学稳定性来说，锐钛型二氧化钛的总色差变化较大，不适用于户外，仅5~7个月后制品表面就明显降解，而金红石型二氧化钛灰化则在11~13个月后才开始。由图2可知，在相同的基料体系中，金红石型(R)耐候性比锐钛型(A)好，随着时间的推移，材料会受到周围各种环境因素的影响，如受太阳光照射，潮湿、热氧等因素的作用，会出现老化现象，诸如表面泛黄、发灰，光泽下降，表面粗糙、粉化，直到最后脆裂。二氧化钛的作用一是可作为紫外线吸收剂，保护材料不直接受紫外线破坏；二是具有光化学稳定性，同时吸收紫外光，可以防止对塑料产生破坏作用。
2·4 无机填料在二氧化钛中的应用及生产过程中的加工温度
生产过程中，为了降低生产成本，在钛白粉中会添加一定的无机填料。本实验选用碳酸钙、硅酸铝作为无机填料加到钛白粉中，来代替部分的钛白粉。在不影响产品性能的情况下，碳酸钙、硅酸铝的添加量范围控制在20%以内。优点是增加了白度、降低了成本并且产品性能不会有太大的变动，具有一定的经济和实用价值。
同时钛白粉的分散是否均匀，直接影响到产品的外观和性能。因此在高速混合机中利用高速剪切力和分散介质的摩擦力，把钛白粉的颗粒群和团聚体拆散开来，使颗粒能均匀的分散到介质中。在加工过程中，挤出机辊筒温度、转速的控制对制品的质量有很大的影响[3]。在挤出过程中，物料的热量一部分由加热辊筒供给，另一部分热量是物料与辊筒之间摩擦产生及物料自身剪切力产生的能量。要使物料能逐渐达到熔融塑化和造粒下去，需考虑辊筒温度。本实验基料采用聚丙烯，为防止制品在加工过程中变黄，加工工艺温度宜控制在195~230℃[4]。
2. 5 二氧化钛的添加量对材料拉伸强度的影响
二氧化钛添加量对材料拉伸强度的影响见表2。
通常，加入形状系数很低的固体填料或球型填料，往往会使塑料的力学性能有所下降，特别是当填料的含量较高时。填料的含量很低时，由于其诱导结晶效应或阻碍裂纹扩展效应，使得塑料的拉伸强度可能有所增大。原因是随着二氧化钛含量的增加，聚丙烯复合材料的结晶度有所下降，导致其拉伸强度降低。同时二氧化钛具有较强的光化学活性，这会造成部分聚丙烯大分子降解，二氧化钛的含量越高，聚丙烯降解的程度也越高。使得分子量减小进而导致伸长率降低，强度也可能有所下降。因此二氧化钛在复合材料中的添加量易控制在3%以内。
3 结论
(1)二氧化钛的颗粒细度对于制品的分散效果至关重要。随着粒径的增大，钛白粉的分散性增强；选用不同种类的表面活性剂对二氧化钛粒子进行分散，宜选用低分子量聚乙烯来改善颜料的分散性。
(2)钛白粉的耐候性能是金红石型高于锐钛型。
(3)通过添加无机填料碳酸钙降低生产成本，并根据基料选择适宜的加工温度。同时在不影响材料拉伸强度的前提下，二氧化钛的添加量宜控制在3%的范围内。
参考文献:
[1] 卢鸣，等.塑料异型材[M]·北京:化学工业出版社， 2001·
[2] 吴立峰，等.色母料应用技术问答[M]·北京:化学工业出版， 2000·
[3] 钱汉英，等.塑料加工实用技术问答[M]·北京:机械工业出版社， 1999·
[4] 刘立华·纳米二氧化钛应用研究进展[J]·唐山师范学院学报， 2004， 26(5)：3~5.
[5] 陈冠荣，等·化工百科全书(专业版)[M]·北京:化学工业出版社， 2001·
