钛白粉有机改性及对ABS工程塑料的性能影响

吴 琼 （中信钛业股份有限公司，辽宁锦州 121005）

0 前言

钛白粉，化学名称二氧化钛（TiO2），是最为常见的一种白色无机颜料，其具有独特的物理性能和稳定的化学性能，因而被视作为重要的无机功能材料，广泛应用于涂料、塑料等工业领域。但由于二氧化钛本身存在缺陷，表面具有强极性，未经表面处理的二氧化钛在生产、贮存和运输过程中易吸水凝聚，致使其在有机聚合物中因易团聚而限制了其应用。因此，对TiO2进行有效的表面改性，改善它在有机聚合物中的分散性能及与应用体系的相容性，成为了TiO2广泛应用的关键。为改善 TiO2在各种分散介质中的湿润、分散和流变性能，通常需要对其进行有机改性。

塑料是钛白粉的第二大应用领域，约占钛白粉总量的20 %［1］。近年来，随着国民经济迅速发展，我国已逐渐成为塑料领域的消费大国。随着塑料制品性能的不断提升，已在某些领域成功成为了金属和玻璃的替代品，致使塑料行业发展迅猛。因此，研究钛白粉的有机改性对塑料行业的发展具有重要意义。

1 试验部分

1.1 试验材料

金红石型钛白粉，中信钛业股份有限公司；

有机改性剂：聚硅氧烷A、聚硅氧烷B，上海赢创公司；

多元醇（TMP），科迪化工科技有限公司；

ABS（ TR-558AI）， LG 化学。

1.2 试验设备及仪器

SXJQ-I搅拌机，郑州长城科贸；YQ50实验室汽粉机，上海赛山；101-1B电热鼓风恒温干燥箱，西安明克斯；RL-Z1B1+熔体流速仪，上海思尔达；SJZS-10B微型双螺杆挤出机、SZS-20微型注塑机，武汉瑞鸣实验仪器有限公司；QT-5202悬臂梁冲击试验机、QT-6203S拉伸实验机，苏州谦通仪器设备有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 TiO2的有机表面改性

采用3种有机改性剂对二氧化钛进行有机表面改性：将钛白粉在去离子水中打浆分散，用注射器吸取有机改性剂，均匀地喷洒在钛白粉水浆中，并用高速搅拌机进行充分搅拌，将处理后的钛白粉置于电热鼓风恒温干燥箱中烘干，使用实验室汽粉机粉碎至微米级粒径，得到有机改性样品。

1.3.2 ABS色母粒的制备

以ABS（丙烯烃-丁二烯-苯乙烯共聚物）树脂为载体，将有机改性后的钛白粉与载体树脂按比例混合均匀，用双螺杆挤出机制备色母粒。

1.3.3 注塑样条的制备

按质量分数2%加入预先准备好的色母粒，通过注塑机注塑成条形样板。

1.4 性能测试及表征

钛白粉亲疏水性测试：将处理后的钛白粉置于100 mL去离子水中，观察其在水中的状态。

熔融指数（MFI）测试：取一定量的色母粒，按照标准GB/T 3682—2000 在熔融指数测定仪上进行 MFI测试。拉伸性能测试： 按照 GB 1040.1—2006 在拉伸机上测试材料的拉伸强度和断裂伸长率，测试结果取5个试样的算术平均值。

冲击强度测试：按照GB/T 1843—2008检测样条的冲击性能。

2 结果与讨论

2.1 不同有机改性钛白粉的理化指标

有机改性后钛白粉的理化指标见表1。

表1 有机改性后钛白粉的理化指标Table 1 Physical and chemical index of organically modified titanium dioxide

由表1可以看出，不同有机改性剂对产品的白度L值及色相、ab值、均无明显影响；经有机改性后钛白粉的吸油量显著降低，这说明有机改性剂已在钛白粉表面形成包覆；经改性聚硅氧烷(A)、改性聚硅氧烷(B)处理的样品表面呈现疏水性能。这是由于有机硅处理剂具有甲基等疏水亲油基团，钛白粉表面完全被其包覆后呈现疏水性能；多元醇改性剂中的醇羟基团具有亲水性，在钛白粉表面包覆后呈现亲水性能。可见，经改性聚硅氧烷处理后，将钛白粉由亲水性转化为亲油性性质［2］，增强了钛白粉与聚合物的相容性。

2.2 不同有机改性钛白粉在ABS塑料体系中的应用性能测试

钛白粉在体系中的应用性能指标能更直接地反映出钛白粉的适用性，本研究主要采用熔融指数、拉伸强度、冲击强度等指标评估钛白粉在ABS树脂中的应用性能。

2.2.1 熔融指数

熔融指数表征了聚合物在给定温度及剪切条件下的流动性，通常而言，熔融指数越大，则聚合物的加工流动性越好，但材料的耐老化性、韧性等下降［3］。

对不同有机改性钛白粉ABS母粒进行了熔融指数测试，结果见图1。

图1 不同有机改性钛白粉ABS母粒体系的熔融指数Figure 1 Melt index of different organically modified titanium dioxide ABS masterbatch

由图1可知，经改性聚硅氧烷处理后产品的熔融指数略有增加，但幅度较小，对材料的力学性能影响较小；而经多元醇类处理的钛白粉用于ABS树脂时，产品的熔融指数提高显著，可能会导致材料的力学性能降低。这可能是由于经过多元醇处理的TiO2与ABS聚合物树脂体系相容性不佳所致。

2.2.2 拉伸性能

拉伸性能主要测量材料的拉伸强度和断裂伸长率，其是聚合物力学性能的重要指标，一般拉伸强度越大，断裂伸长率越大，材料的力学性能越好。

不同改性钛白粉对ABS树脂拉伸性能的影响表2。

表2 不同有机改性钛白粉对ABC树脂拉伸性能的影响Table 2 The effects of different organically modified titanium dioxide on the tensile propertiy of ABS resin

从表2中可以看出，与纯ABS树脂相比，加入有机改性钛白粉后，树脂体系的拉伸强度、断裂伸长率均有所降低。其中采用改性聚硅氧烷A处理的钛白粉，树脂的拉伸强度不变，断裂伸长率略有降低；采用改性聚硅氧烷B和多元醇类包覆的钛白粉，ABS树脂的拉伸强度和断裂伸长率均有所降低。这可能是由于聚硅氧烷A中含有的改性基团与ABS树脂体系的相容性较好，并且性能稳定，处理后的产品在加工过程中不易发生断链反应，材料的抗拉性能较好；而聚硅氧烷B含有的基团较为活泼，易与ABS树脂发生反应，导致材料的抗拉性能下降；采用多元醇类改性的钛白粉表面含有较多的羟基，在树脂加工过程中，导致ABS树脂发生降解，降低了其抗拉伸性能。

2.2.3 冲击强度

材料的冲击强度用于表征材料抵抗冲击载荷的能力。不同有机改性钛白粉对ABS树脂冲击强度的影响见图2。由图2可见，加入改性钛白粉后，树脂的冲击强度均有降低趋势，其中加入聚硅氧烷A改性处理的钛白粉的树脂体系冲击强度值较高，加入多元醇处理的钛白粉的ABS树脂体系的冲击强度值最低。

图2 不同有机改性钛白粉对树脂冲击强度的影响Figure 2 The effects of different organically modified titanium dioxide on the impact strength of resin

材料的冲击强度与材料内部的结合键、结构及原子特性有关［4］，采用不同种类的有机处理剂改性，会在钛白粉表面形成不同的基团结构，在材料加工过程中发生化学结合或断链，会导致制品变黄、老化或强度降低。醇羟基化学活性强，可能会导致树脂发生降解反应，降低产品的强度。改性聚硅氧烷类改性剂与ABS树脂体系相容性较好，适用于对工程塑料用钛白粉进行有机改性。

3 结语

采用聚硅氧烷A、聚硅氧烷B、多元醇类有机改性剂处理钛白粉，对粉体的Lab值无显著影响，产品的吸油量指标均降低；经聚硅氧烷处理的钛白粉呈现疏水特性，增强了其与塑料树脂的相容性；经多元醇改性的钛白粉呈现亲水性，易吸收水分，影响塑料的应用性能；在ABS树脂体系中，加入聚硅氧烷A处理的钛白粉，对塑料制品的力学性能影响最小，材料的拉伸性能和冲击强度最好。

因此，建议工程塑料领域用钛白粉采用聚硅氧烷类改性剂进行改性处理，并根据不同的应用体系，选择含有不同基团的有机改性剂，提高材料的综合性能。