鈦白粉有機(jī)改性及在聚烯烴色母粒中的應(yīng)用

吳 瓊 （中信鈦業(yè)股份有限公司，遼寧錦州 121005）

0 引言

聚烯烴塑料已成為人們生活中的重要組成部分，且其需求量仍在不斷攀升，隨之推動(dòng)了聚烯烴色母粒的高速發(fā)展，市場(chǎng)的巨大拓展使得競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈［1］。色母粒也稱為顏料濃縮物，一般是利用分散劑將顏料均勻地載附于樹(shù)脂中而得到的聚集體［2］，而顏料則是形成色母粒的核心，顏料的性質(zhì)會(huì)直接影響色母粒的使用價(jià)值。二氧化鈦?zhàn)鳛榘咨钢凶钪匾臒o(wú)機(jī)顏料，具有白度好、著色能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但未經(jīng)包覆的二氧化鈦表面呈現(xiàn)強(qiáng)親水特性［3］，在聚烯烴等樹(shù)脂中不易分散，而且其表面容易含有吸附水而導(dǎo)致塑料制品表面出現(xiàn)縮孔等問(wèn)題，直接會(huì)影響制品的力學(xué)性能和美觀度，極大地限制了其應(yīng)用。因此，通過(guò)對(duì)二氧化鈦表面進(jìn)行有機(jī)改性，改善二氧化鈦界面與有機(jī)高分子樹(shù)脂界面間的相容性，可提高二氧化鈦顏料本身與樹(shù)脂的分散性，提高色母的材料性能，并為下游客戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

有機(jī)硅化合物，是指分子結(jié)構(gòu)中含有硅元素，且硅原子上連接有機(jī)基團(tuán)的聚合物［4］。其中，以硅氧鍵（—Si—O—Si—）為骨架組成的聚硅氧烷，是有機(jī)硅化合物中應(yīng)用最廣的一類，約占總用量的90%以上。聚硅氧烷因含有不同官能團(tuán)，使其具有各自獨(dú)特的性能。本研究采用不同的有機(jī)硅處理劑對(duì)鈦白粉進(jìn)行表面改性并進(jìn)行聚乙烯樹(shù)脂體系的應(yīng)用性能評(píng)估。為色母粒用鈦白粉的制備提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

金紅石型鈦白粉：中信鈦業(yè)股份有限公司；有機(jī)硅處理劑：含烷基改性聚硅氧烷A、聚硅氧烷B，瓦克化學(xué)上海有限公司；低密度聚乙烯（1F7B）：北京燕山石化公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

SXJQ-I攪拌機(jī)，鄭州長(zhǎng)城科貿(mào)；YQ50實(shí)驗(yàn)室汽粉機(jī)，上海賽山；101-1B電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，西安明克斯；SJZS-10B微型雙螺桿擠出機(jī)，SZS-20微型注塑機(jī)，武漢瑞鳴實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；QT-5202懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，蘇州謙通儀器設(shè)備有限公司；SJ25-MF260D實(shí)驗(yàn)室擠出機(jī)，北京澤島機(jī)械有限公司；S4800掃描電鏡，日本日立公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 TiO2有機(jī)改性

分別采用含烷基改性聚硅氧烷A，聚硅氧烷B兩種有機(jī)改性劑對(duì)二氧化鈦進(jìn)行有機(jī)改性。

將鈦白粉在去離子水中打漿分散，用注射器吸取有機(jī)硅改性劑均勻噴灑在鈦白粉水漿中，并用高速攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將處理后的鈦白粉置于熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干，除去其中的水分，用實(shí)驗(yàn)室汽粉機(jī)粉碎至微米級(jí)粒徑，得到有機(jī)改性樣品。

1.3.2 LDPE（低密度聚乙烯）色母粒的制備

以LDPE樹(shù)脂為載體，將有機(jī)改性后的鈦白粉與載體樹(shù)脂按比例混合均勻，用雙螺桿擠出機(jī)制備色母粒。

1.3.3 注塑樣條的制備

將TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的色母粒，通過(guò)注塑機(jī)注塑成條形樣板。

1.4 性能測(cè)試及表征

鈦白粉親疏水性測(cè)試：將2 g有機(jī)改性TiO2置于盛有去離子水的燒杯中，觀察其在水中的狀態(tài)；

分散性測(cè)試：采用實(shí)驗(yàn)室吹膜機(jī)檢測(cè)色母粒的過(guò)篩網(wǎng)能力，表征改性后鈦白粉的分散性能；

沖擊強(qiáng)度測(cè)試：按照GB/T 1843—2008檢測(cè)2%鈦白粉樣條的沖擊性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiO2改性前后的親疏水性能

圖1為改性前后的TiO2在去離子水中的分散狀態(tài)。由圖1可以看出，未經(jīng)有機(jī)改性的TiO2懸浮于水中，經(jīng)有機(jī)改性后的TiO2漂浮于水面之上。這是由于未經(jīng)表面處理的TiO2其表面含有羥基，呈現(xiàn)親水特性；經(jīng)有機(jī)表面改性后，有機(jī)改性劑的親油基團(tuán)包覆在TiO2表面，使TiO2的表面性質(zhì)發(fā)生改變，由親水性轉(zhuǎn)為親油性。親油性的表面更有利于TiO2與聚合物樹(shù)脂間的相容性和分散性。

圖1 改性前后的TiO2在水中的狀態(tài)Figure 1 The state of TiO2 in water before and after modification

2.2 色母粒分散性測(cè)試結(jié)果

顏料在載體樹(shù)脂中的良好分散是色母粒加工所要解決的根本問(wèn)題之一。只有良好的分散效果，才能更好地體現(xiàn)其顏料性能和加工性能［5］。濾壓值是反映TiO2分散性的重要指標(biāo)之一，一般濾壓值越低，其分散性能越好。

對(duì)不同有機(jī)改性TiO2在低密度聚乙烯中的濾壓值進(jìn)行測(cè)試，并將數(shù)據(jù)匯總于表1中。

表1 有機(jī)改性TiO2在LDPE樹(shù)脂中的濾壓值Table 1 Filtration pressure value of organically modified TiO2 in LDPE resin

由表1可以看出，經(jīng)有機(jī)硅改性后，TiO2的濾壓值顯著降低，約降低15～20 MPa。說(shuō)明經(jīng)有機(jī)硅改性可提高TiO2在LDPE等聚烯烴樹(shù)脂中的分散性。原因在于，經(jīng)過(guò)有機(jī)改性后，在TiO2表面形成有機(jī)基團(tuán)，改變了TiO2顆粒的表面性質(zhì)。改善了TiO2與樹(shù)脂間的相容性，增強(qiáng)其相互作用力，從而提升了其在樹(shù)脂中的分散性能。這樣，可間接地延長(zhǎng)濾網(wǎng)的使用壽命并提高生產(chǎn)效率。

2.3 沖擊強(qiáng)度檢測(cè)

沖擊強(qiáng)度是評(píng)價(jià)聚合物材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，用于表征材料的脆性和韌性，一般其數(shù)值越大，表明材料的韌性越好。表2為2% TiO2LDPE塑料注塑樣條的沖擊強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 2% TiO2 LDPE注塑樣條的沖擊強(qiáng)度Table 2 Impact strength of 2% TiO2 LDPE injection molded spline

由表2可以看出，加入有機(jī)改性TiO2后的LDPE與純LDPE相比，其沖擊強(qiáng)度均略有下降，但下降幅度不大。其中采用烷基改性聚硅氧烷A處理TiO2對(duì)LDPE樹(shù)脂的沖擊強(qiáng)度影響較小，這可能是由于烷基改性聚硅氧烷A與LDPE樹(shù)脂的相容性更好，對(duì)材料的力學(xué)性能影響較小。

2.4 注塑樣條的斷面形貌

通過(guò)SEM（掃描電子顯微鏡）對(duì)TiO2含量為2%的改性LDPE注塑樣條的斷面形貌進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 注塑樣條的斷面形貌（放大50 000倍）Figure 2 Cross section morphology of injection spline（enlarged by 50 000 times）

由圖2可見(jiàn)，采用烷基聚硅氧烷A處理的TiO2在樹(shù)脂中的分散性較好，采用聚硅氧烷B處理的TiO2在樹(shù)脂中的分散性較差，有團(tuán)聚粒子存在，從而可能會(huì)影響材料的力學(xué)性能，這也印證了上述沖擊強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 采用有機(jī)硅改性TiO2后，TiO2表面由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，與聚合物樹(shù)脂的相容性得到改善；

（2） 有機(jī)硅改性TiO2在LDPE中的濾壓值約降低15～20 MPa，分散性得到明顯改善；

（3） 兩種改性劑處理的TiO2加入LDPE后，LDPE的沖擊強(qiáng)度均有下降，其中采用烷基改性聚硅氧烷A處理的TiO2對(duì)LDPE樹(shù)脂沖擊強(qiáng)度的影響較??；

（4） 掃描電鏡微觀形貌觀測(cè)結(jié)果表明，采用烷基改性聚硅氧烷A處理的TiO2在樹(shù)脂中的分散性更好，采用聚硅氧烷B處理的TiO2在樹(shù)脂中有團(tuán)聚粒子存在，分散性略差。

（5） 通過(guò)對(duì)比分析，烷基改性聚硅氧烷A更適合用作聚烯烴色母粒用鈦白粉的有機(jī)改性劑，提高產(chǎn)品的綜合性能。