塑料专用金红石型钛白粉的改性及机理研究

【摘要】纳米级二氧化钛俗称钛白粉，是最佳的白色颜料，具有白度极高、消色力极强、不透明性和化学稳定性好的优点，广泛应用于涂料、塑料、陶瓷和造纸等行业。但由于钛白粉颗粒本身具有光催化活性，使含钛白粉的塑料制品在波长小于387.5nm的光波中生成高化学活性的过氧化物和自由基，导致塑料发生氧化降解并加速塑料老化，具有耐候性差的严重缺陷。表面进行无机包覆处理的改性钛白粉用于塑料制品时，有利于钛白粉颗粒表面与塑料制品有机物隔开，大幅度降低钛白粉的光催化活性，有效提高塑料制品耐候性。研究塑料专用高档金红石型钛白粉的改性及其机理，揭示改性金红石型钛白粉纳米粒的结构-性能关系，对具有高附加价值的高耐候特性塑料制品的设计和开发具有重要意义。采用硫酸铝、硅酸钠和氧氯化锆作为包覆剂，六偏磷酸钠（SHMP)为分散剂，制备了无机包覆改性的金红石型钛白粉纳米粒。通过改进包覆剂的组成及正交试验设计，以粒径、电位和分散程度为评价指标，优化了改性金红石型钛白粉纳米粒的制备工艺。表征了单元包覆纳米粒的失光率、吸油量、遮盖力和白度等性能，评价了无机包覆改性钛白粉纳米粒的包覆效果。采用Nano-ZS、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）和能谱（EDS）等表征改性纳米粒的结构与性质，研究了金红石型钛白粉纳米粒的包覆机理，将改性包覆金红石型钛白粉纳米粒应用于PVC塑料并研究其抗降解、耐候性能。采用三氧化二铝、二氧化硅、二氧化锆包覆到金红石型钛白粉纳米粒表面形成ZrO2、SiO2和Al2O3包覆金红石型钛白粉纳米粒，研究结果表明，包覆颗粒平均粒径为450nm左右，分散性能好，包覆致密均匀；ZrO2包覆金红石型钛白粉后，失光率和吸油量下降最多，白度增加最多，失光率从70%下降到25%，吸油量从21.5g/100g下降到17.5g/100g，白度从86.7%增加到88.5%；但铝、硅、锆包覆对金红石型钛白粉遮盖力性能的影响较小。根据ZrO2、SiO2和Al2O3包覆金红石型钛白粉的包覆能力差异，设计和制备了ZrO2/Al2O3、ZrO2/SiO2和SiO2/Al2O3包覆金红石型钛白粉纳米粒。ZrO2/Al2O3、ZrO2/SiO2和SiO2/Al2O3包覆比ZrO2、SiO2和Al2O3包覆具有更好的包覆效果；ZrO2/Al2O3包覆金红石型钛白粉纳米粒的白度从86.7%增加到88.9%。该ZrO2/Al2O3、ZrO2/SiO2和SiO2/Al2O3包覆层通过化学键与二氧化钛层键合，其中ZrO2/Al2O3、ZrO2/SiO2包覆层的内层为二氧化锆层，SiO2/Al2O3包覆层的内层为二氧化硅层。ZrO2/Al2O3包覆金红石型钛白粉纳米粒的双层结构，不但增加了白度，还有效减少了ZrO2的用量，大大降低改性金红石型钛白粉纳米粒的成本。为进一步改善性能和降低成本，采用改进的溶胶-凝胶法，设计和制备了一种包覆层外层为三氧化二铝、中间层为二氧化硅和内层为二氧化锆的三元包覆金红石型钛白粉纳米粒，开发了一种ZrO2/SiO2/Al2O3包覆金红石型钛白粉的新合成工艺：水浴温度为60～65℃，搅拌速度350r/min，滴加速度5drop/min，包ZrO2时体系pH为8.5～9.0，包SiO2时体系pH为9.5～10.0，包Al2O3时体系pH为6.0～6.5，浆液浓度为400g/L，分散剂用量为0.3%，ZrO2含量为0.08%，SiO2含量为2%，Al2O3含量为4%。该ZrO2/SiO2/Al2O3包覆纳米粒颗粒表面的包覆率已达到98.3%，纳米粒失光率为24%，吸油量17.1g/100g，白度为89.2%；与ZrO2、SiO2和Al2O3和ZrO2/Al2O3、ZrO2/SiO2和SiO2/Al2O3包覆纳米粒相比，具有分散性能好、失光率低、吸油量低和白度高的优点，且原料成本更低，这样将更有效地应用于改善塑料制品的物理化学性能。对PVC塑料采用ZrO2/SiO2/Al2O3包覆金红石型钛白粉（R233)与国内外几种同类型产品分别改性，并对改性PVC塑料的应用性能进行评价。结果表明：添加了金红石型钛白粉的PVC塑料，钛白粉粒子分散均匀，颗粒团聚现象不明显，该PVC塑料制品具有优异的白度、光泽度以及耐候性等性能。金红石型钛白粉（R233)的应用性能优于国内同类产品，并达到国际优质金红石型钛白粉的水平。最后对无机包覆金红石型钛白粉改性PVC塑料的耐候性能进行研究，结合TiO2颗粒表面生成自由基的光催化活性过程，揭示无机包覆层对塑料/钛白粉之间光化学反应具有阻断作用，提出了无机包覆金红石型钛白粉改性PVC塑料的抗老化机理。
【作者】段海婷；
【导师】侯清麟；
【作者基本信息】湘潭大学，化学工程与技术，2014，博士
【关键词】金红石型；无机包覆；溶胶-凝胶法；PVC塑料；

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