分散剂对纳米二氧化钛分散稳定性的影响

王 超

（衡水学院 应用化学系，河北衡水 053000）

纳米TiO2的粒径很小，表面能高，很容易发生团聚，形成二次粒子，影响其应用。纳米TiO2虽然是亲水性的，但是在水介质中的分散性并不理想。在溶液中，TiO2表面吸附一些带反电荷的离子形成双电层，双电层会产生库伦斥力[1-2]。库伦斥力与范德华力的大小将影响TiO2颗粒的分散状态。二氧化钛表面性能低，在有机体系中不易分散，而且易团聚和板结[3]。

二氧化钛粒子之间的引力大于斥力，同时具有较大的比表面能，很容易发生团聚现象，另外二氧化钛本身具有强极性且颗粒的粒径较小，极不易分散在非极性介质中，且又极易凝聚在极性介质中，严重影响其优良性能的发挥[4]。因此，在使用和制备过程时既要控制好它的粒度，还要避免反应后期自行发生团聚，在实际应用中，必须要与应用体系的其他组分有较好的相容性，达到一定的分散性能[5]。解决上述问题的关键就是对二氧化钛颗粒进行表面改性，因此表面改性技术是关系到二氧化钛能否发挥它优良性能的关键因素。

1 二氧化钛的用途

当前二氧化钛市场需求量已近500万t/a，二氧化钛的销售量中有62%用于涂料，油漆方面，14%用于塑料工业，13%用于造纸工业，7%用于油墨行业，4%用于其他方面：例如，化妆品、陶瓷等[6-10]。

1.1 涂料工业的应用

钛白粉的第一大用户是涂料工业，特别是R型钛白粉。由于中国汽车行业和建筑业的迅猛发展，涂料和制漆业不仅从数量上需要较多的钛白粉，而且对种类和质量也提出了较高的要求[1]。用钛白粉制作的涂料，遮盖力高，色彩鲜艳，附着力强，用料省，种类多，对物质的理化性质的稳定性可起到很强的保护作用，可以显著提高涂膜的黏附力和机械力，可以屏蔽紫外线的直接照射，另外还可以防止出现浸水、裂纹等现象，延长涂膜的使用寿命。

1.2 塑料与橡胶工业的应用

钛白粉的第二大用户是塑料工业。在塑料中掺杂少量钛白粉，可以提高塑料产品的耐光、耐热、耐候性，显著改善高分子塑料制品的物理化学性能，增强塑料的机械强度，延长塑料产品的使用寿命。

在橡胶工业中，钛白粉既可作为着色剂，又具有防老化、充当填料的作用。在白色和彩色的橡胶制品中掺杂入少量的钛白粉，在强日光直接照射下，不易产生裂纹裂、也不易变色褪色，提高橡胶产品的舒展率，增强产品的耐酸碱性。橡胶所用的钛白粉，多为锐钛矿型，主要用于橡胶鞋类和车轮胎、胶皮手套、运动健身器材等。

1.3 造纸工业方面的应用

钛白粉第三大用户是造纸工业。在纸张的制作生产中，常用钛白粉用作填料，高级纸张和超薄纸最为常见。在纸张中掺杂少量的钛白粉，可以使纸张有较高的白度，光泽和强度，纸张既薄又平滑，质量较轻，并且在印刷时很不易穿透。造纸工业通常使用没有经过表面处理的锐钛型钛白粉，可以起到增白的作用。但层压纸则要求使用经过表面处理的金红石型钛白粉，以满足耐热、耐光等性能要求。

1.4 其他方面的应用

钛白粉在化妆品和医药方面也有较广泛的应用。由于钛白粉无毒，较铅白粉好很多，所以通常的香粉中几乎都使用钛白粉，逐渐取代了锌白粉和铅白粉。由于钛白粉的白度高，香粉中只需加极少的钛白粉便可以做到保持永久白色，还可以使香料更平滑细腻，有较强的遮盖力。在粉、霜中加入钛白粉可减少油腻感。在其他用途中，例如：各种香料，防晒霜，香皂，剃须膏和牙膏中常常也使用钛白粉。这些都是利用了钛白粉的高遮盖力和无毒的优点。

钛白粉在油墨中也有不可取代的地位。含有钛白粉的油墨可以放置很久但不会变色，表面仍有较好的润湿性。金红石型、锐钛型钛白粉都可以应用在油墨行业中，可以根据具体的需求选择不同晶型的钛白粉。

陶瓷通常都有较强的透明度，也具有较轻的质量、较强的抗打击力、较大机械强度、色彩鲜艳、不易污染等特点。这些性质利用钛白粉以后可以大大提高，所以，钛白粉在搪瓷、陶瓷中也有较广泛的使用。

2 分散剂在分散中的作用

TiO2粒子在水溶液中，颗粒表面力作用使它们很容易团聚，形成较大的团聚体，为了使纳米TiO2颗粒长时间稳定地分散在液体介质中，一般在介质中加入分散剂。对常用分散剂分散机理进行分析[11-15]。

2.1 表面活性剂

表面活性剂主要由亲水基团以及亲油基团构成，亲水基团与极性的无机纳米粉体的亲和性较好，而亲油基团与非极性的聚合物基体的亲和性好。表面活性剂可以增加粒子的电荷表面，增强粒子间的静电排斥力。经表面活性剂改性后的纳米粉体，其表面由亲水性向亲油性转变，改性纳米粉体填充聚合物时，能改善纳米粉体在有机基体中的分散性以及相容性。表面活性剂可以分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂。

十二烷基苯磺酸钠为阴离子表面活性剂，在溶液中发生电离，有机长链吸附到纳米颗粒表面，形成双电层，使得纳米粒子因表面所带电荷而相互排斥，抑制粒子的团聚，减少大粒径团聚物，达到分散效果。

十六烷基三甲基溴化铵为阳离子表面活性剂，由于电性相反，可能形成不太稳定的单层吸附，随着其加入量的增大反而使粒子粒径加大。

聚乙烯吡咯烷酮为非离子表面活性剂，吸附于二氧化钛粒子表面，其环状结构形成空间位阻作用，可抑制粒子的互相靠近；但聚乙烯吡咯烷酮又会导致长的碳氢链结构互相缔合成胶团，从而产生团聚作用，降低粒子的分散性能，因此，随着聚乙烯吡咯烷酮加入量的增大，粒子团聚物的平均粒径增大。

2.2 偶联剂

偶联剂法改性纳米粉体时，其一部分官能团如氨基、环氧基等与无机纳米粉体表面的功能基团反应，形成化学键结合在一起。

硅烷偶联剂是一种常用的偶联剂，其在水中发生分解，脱水缩合反应生成低聚物，这种低聚物很易与纳米二氧化钛表面的羟基形成氢键，在加热干燥过程中脱水形成共价键，而使得硅烷偶联剂覆盖在纳米二氧化钛表面，达到分散的目的。

2.3 电解质类无机盐

六偏磷酸钠是一种常见的无机盐分散剂，属于强碱弱酸盐，在水溶液中最基本的机构单元是PO3-。PO3-会发生两种反应：一，它们相互聚合形成螺旋状的长链，吸附在颗粒表面增强颗粒的亲水性，并且显著提高颗粒表面的负电位，使双电层更加稳定，分散效果更好。六偏磷酸钠在纳米颗粒表面吸附部分电荷形成双电层，双电层之间的排斥力有利于微粒的分散[15]。二，在水中的水解反应，电离形成H2PO4-、HPO42-、PO43-，这些阴离子吸附在颗粒表面，形成保护层，使颗粒充分分散。

2.4 高分子聚合物

以聚乙二醇为例的高分子聚合物作为分散剂时，主要机理为高分子分散剂在颗粒表面吸附，使颗粒之间产生空间位阻效应，从而达到分散的目的。

4 结束语

由此可以看出，纳米二氧化钛的经济价值很高，但是由于易团聚，分散性能不佳，常常会影响其使用效果。为了更好地体现纳米二氧化钛的经济价值，我们应该积极探索其分散方法，探索不同的表面活性剂的分散机理。