二氧化钛（TiO2）是一种广泛使用的白色颜料，具有优异的光学性能，如折射率高、遮盖力强、白度好等。它广泛应用于各种行业，包括涂料、塑料、纸张、油墨和化妆品。然而，与 TiO2 相关的主要挑战之一是其分散性差。分散性差会导致团聚等问题，进而影响最终产品的性能和质量。在这项综合研究中，我们将深入研究影响二氧化钛分散性的因素，并探索各种改善分散性的策略。
二氧化钛的分散性受到多种因素的影响，包括颜料本身的内在因素和外在因素。
TiO2 颗粒的尺寸和形状在决定其分散性方面起着至关重要的作用。一般来说，较小的粒径往往具有更好的分散性，因为它们具有较大的表面积与体积比。例如，与较大微米尺寸的颗粒相比，二氧化钛纳米颗粒（通常在 1 - 100 nm 范围内）可以潜在地提供改进的分散性。然而，极小的纳米粒子也可能由于高表面能而具有团聚的倾向。就形状而言，与不规则形状的颗粒相比，球形颗粒通常被认为具有更好的流动性和分散性特性。研究数据表明，与相似尺寸范围的不规则形状颗粒相比，直径约为 20 nm 的球形 TiO2 纳米颗粒在水性涂料体系中表现出明显更好的分散性，通过动态光测量，团聚水平降低了约 30%散射技术。
二氧化钛的表面化学是另一个关键因素。 TiO2 颗粒的表面可以具有各种官能团，例如羟基 (-OH)。这些表面基团可以与周围介质和其他颗粒相互作用。如果表面由于大量羟基而具有高度亲水性，则它可以在水性体系中良好分散，但在非水溶剂中可能面临挑战。另一方面，如果表面疏水性太强，则可能无法在水基配方中正确分散。例如，具有主要亲水性表面的未经处理的二氧化钛在水中表现出良好的初始分散性，但在添加少量有机溶剂后迅速聚集。通过表面接枝或涂层等技术改变表面化学性质可以显着提高分散性。研究表明，通过将疏水性聚合物接枝到 TiO2 纳米粒子的表面，可以增强其在有机溶剂型油墨体系中的分散性，在显微镜下观察到，大团聚物的形成减少了 50% 以上。
静电相互作用也会影响 TiO2 的分散性。在许多情况下，TiO2 颗粒可以获得表面电荷，具体取决于介质的 pH 值。在某些 pH 值（称为等电点 (IEP)）下，颗粒的净表面电荷为零。在 IEP 周围，由于不存在明显的静电斥力，颗粒更容易聚集。例如，常见类型二氧化钛的等电点约为 pH 6。当分散介质的 pH 值接近 6 时，TiO2 颗粒往往会聚集在一起。然而，通过调节 pH 值使其远离 IEP，无论是酸性更强还是碱性更强的区域，都可以在颗粒之间引起静电排斥，从而提高它们的分散性。在对基于 TiO2 的 油漆 配方的研究中，发现通过将分散体的 pH 值维持在 pH 4（酸性区域），TiO2 颗粒的团聚显着减少，从而导致更光滑的 {[t16] ]} 与 pH 值接近 IEP 时相比，薄膜具有改进的遮盖力。
鉴于良好的分散性对于有效使用二氧化钛的重要性，已经开发和探索了几种策略。
表面改性是提高 TiO2 分散性的有效方法。如前所述，改变表面化学性质可以改变颗粒与周围介质的相互作用。一种常见的方法是表面接枝，其中聚合物或其他功能分子共价连接到 TiO2 颗粒的表面。例如，将聚乙二醇 (PEG) 链接枝到 TiO2 纳米粒子的表面可以使其更具亲水性，从而提高其在水性体系中的分散性。另一种技术是表面涂层，即在 TiO2 颗粒的表面沉积一层不同材料的薄层。在塑料中使用二氧化钛的情况下，用硅烷偶联剂涂覆颗粒可以增强它们与塑料基质的相容性并改善它们在塑料内的分散性。研究表明，通过用特定的硅烷偶联剂涂覆 TiO2 颗粒，由于 TiO2 颗粒更好的分散，所得的 塑料 复合材料的拉伸强度提高了约 20%，从而提高了整体机械性能的复合物。
分散剂是专门为提高二氧化钛等颗粒材料的分散性而设计的物质。它们的工作原理是降低颗粒与周围介质之间的表面张力并提供空间或静电稳定性。可用的分散剂有不同类型，例如阴离子、阳离子和非离子分散剂。例如，阴离子分散剂的工作原理是向 TiO2 颗粒提供负电荷，然后由于静电排斥而相互排斥。在含有 TiO2 的涂料配方中，使用阴离子分散剂能够将颗粒的团聚减少高达 40%（根据粒度分析测定）。另一方面，非离子分散剂主要通过空间位阻起作用。它们具有长聚合物链，围绕着 TiO2 颗粒，防止它们彼此紧密接触。在对基于 TiO2 的墨水系统的研究中，发现非离子分散剂在打印过程中非常有效地保持 TiO2 颗粒的分散性，从而实现更加一致和充满活力的打印质量。
机械分散是打破二氧化钛团聚体并提高其分散性的另一种方法。这涉及到机械设备的使用，例如高速混合器、球磨机和超声波设备。高速混合器可以提供强大的剪切力，将大的团聚物分解成更小的颗粒。例如，在掺入 TiO2 的混炼过程中，使用高速混合器以 3000 rpm 的转速搅拌 10 分钟，可以将附聚物的平均尺寸减小约 50%，如下所示：通过显微镜测量。球磨机的工作原理是将颗粒与研磨介质（例如球）一起研磨。另一方面，超声波设备使用超声波产生空化气泡，空化气泡内爆并产生强烈的局部力，从而打破团聚物。在一项针对含有 TiO2 的水基 油漆 配方的研究中，以 20 kHz 频率进行 5 分钟超声波处理能够显着改善 TiO2 颗粒的分散性，同时将可见团聚体的数量减少肉眼观察约60%。
为了进一步说明上述策略的有效性，让我们看一些现实世界的案例研究。
在一家涂料制造公司，由于所用二氧化钛的分散性差，他们面临着白色涂料的质量问题。 TiO2 颗粒发生团聚，导致涂层表面粗糙且不均匀。为了解决这个问题，他们首先分析了 TiO2 颗粒的表面化学，发现它们相对亲水。他们决定结合使用表面改性和分散剂。他们用硅烷偶联剂涂覆 TiO2 颗粒，以提高其与涂层树脂的相容性，然后添加阴离子分散剂以进一步增强分散性。实施这些改变后，TiO2 颗粒的团聚显着减少。所得涂层的表面更加光滑，遮盖力和光泽度也得到改善。客户对产品的满意度也显着提高，从而导致涂料公司的市场份额增加。
一家塑料的制造商将二氧化钛加入到他们的聚乙烯 (PE) 产品中以获得白色。然而，他们注意到 TiO2 颗粒并未均匀分散在 塑料 基体中，这影响了最终产品的机械性能。为了解决这个问题，他们选择了机械分散，然后进行表面改性。他们首先使用高速混合器来打碎 TiO2 颗粒的团聚物。然后，他们将聚乙二醇 (PEG) 链接枝到剩余颗粒的表面，使它们更具亲水性并提高它们在 PE 基质中的分散性。结果，最终塑料产品的拉伸强度和断裂伸长率得到改善。这些产品还具有更均匀的白色，这对于他们的客户来说是非常理想的。这导致塑料制造商在市场上的竞争力增强。
在油墨制造行业，一家公司由于二氧化钛颜料的分散性差而导致白色油墨的印刷质量出现问题。 TiO2 颗粒在打印过程中聚集，导致打印头堵塞和打印颜色不一致。为了克服这个问题，他们使用非离子分散剂和超声波处理。将非离子分散剂添加到油墨配方中是为了在储存和处理过程中保持TiO 2 颗粒的分散性。然后在打印之前进行超声波处理，以进一步打碎任何剩余的附聚物。实施这些措施后，白色墨水的打印质量显着提高。打印头保持畅通，颜色更加一致和鲜艳。这提高了油墨公司的客户满意度和回头客业务。
随着对含有二氧化钛的高质量产品的需求持续增长，多个研究和开发领域有望进一步提高这种重要颜料的分散性。
研究人员不断探索新的、先进的表面改性技术。例如，使用等离子体处理来改性 TiO2 颗粒的表面是一个活跃的研究领域。与传统的表面改性方法相比，等离子体处理可以以更受控和更精确的方式将各种官能团引入颗粒表面。这可能会导致在不同介质中更好的分散性。另一种新兴技术是使用逐层组装在 TiO2 颗粒上构建复杂的表面结构。通过仔细选择材料和沉积顺序，可以创建与周围介质具有最佳相互作用的表面，从而提高分散性。初步研究表明，使用逐层组装来修饰 TiO2 纳米粒子的表面可以显着减少水性和非水性体系中的团聚，在化妆品和电子等各个行业具有潜在的应用前景。
新型分散剂的开发是另一个关注领域。科学家们正在致力于开发具有增强性能的分散剂，例如与不同介质更好的相容性、减少团聚的更高效率以及长期稳定性。例如，正在探索生物基分散剂作为传统化学分散剂的替代品。这些生物基分散剂可以源自可再生来源，例如植物或微生物。它们可能具有诸如较低的环境影响和更好的生物降解性等优点。在最近的一项研究中，在基于 TiO2 的 油漆 配方中测试了一种源自植物提取物的生物基分散剂。结果表明，生物基分散剂能够以与传统化学分散剂相似的程度减少 TiO2 颗粒的团聚，同时还表现出更好的生物降解特性，从长远来看对环境有益。
未来，提高钛白粉分散性最有效的方法可能是多种策略的整合。例如，将表面改性与分散剂和机械分散相结合可以提供更全面的解决方案。首先对 TiO2 颗粒进行表面改性，然后添加分散剂以进一步增强分散性，最后使用机械分散打破任何剩余的团聚体，可以获得高度分散且稳定的 TiO2 体系。一些初步研究表明这种综合方法是有效的。例如，在用于电子应用的 TiO2 基复合材料的研究中，通过结合表面改性（使用硅烷偶联剂）、使用阴离子分散剂和超声波处理（机械分散），TiO2 颗粒的分散性显着改善，从而使复合材料具有更好的电性能，这对其在电子设备中的性能至关重要。
综上所述，钛白粉的分散性是影响其性能及在各行业应用的关键因素。分散性差会导致团聚并随后导致最终产品的质量下降。我们探索了影响 TiO2 分散性的因素，包括粒径和形状、表面化学和静电相互作用。我们还讨论了提高其分散性的各种策略，例如表面改性、分散剂的使用和机械分散。通过现实世界的案例研究，我们看到了这些策略的实际实施和有效性。展望未来，先进的表面改性技术、新型分散剂的开发以及多种策略的整合等未来前景为进一步提高二氧化钛的分散性提供了有希望的途径。为了满足对含有这种重要颜料的高质量产品不断增长的需求，该领域的持续研究和开发至关重要。
