Weergaven: 0 Auteur: Site Editor Publiceren Tijd: 2024-12-31 Oorsprong: Site
Titaniumdioxide (TIO₂) is een veel gebruikt wit pigment met uitstekende optische eigenschappen, zoals hoge brekingsindex, sterk verstopte vermogen en goede witheid. Het vindt uitgebreide toepassingen in verschillende industrieën, waaronder coatings, kunststoffen, papieren, inkten en cosmetica. Een van de belangrijkste uitdagingen die bij TIO₂ worden geassocieerd, is echter de slechte dispergeerbaarheid. Slechte dispergeerbaarheid kan leiden tot problemen zoals agglomeratie, die op zijn beurt de prestaties en kwaliteit van de eindproducten beïnvloeden. In dit uitgebreide onderzoek zullen we diep ingaan op de factoren die de dispergeerbaarheid van titaniumdioxide beïnvloeden en verschillende strategieën verkennen om het te verbeteren.
De dispergeerbaarheid van titaniumdioxide wordt beïnvloed door meerdere factoren, zowel intrinsiek als extrinsiek voor het pigment zelf.
De grootte en vorm van Tio₂ -deeltjes spelen een cruciale rol bij het bepalen van hun dispergeerbaarheid. Over het algemeen hebben kleinere deeltjesgroottes de neiging om een betere dispergeerbaarheid te hebben, omdat ze een groter oppervlak tot volumeverhouding hebben. Nanodeeltjes van titaniumdioxide (meestal in het bereik van 1 - 100 nm) kunnen bijvoorbeeld mogelijk verbeterde dispergeerbaarheid bieden in vergelijking met grotere deeltjes met een micron. Extreem kleine nanodeeltjes kunnen echter ook de neiging hebben om te agglomereren vanwege hoge oppervlakte -energie. In termen van vorm worden bolvormige deeltjes vaak beschouwd als een betere stromings- en dispergeerbaarheidseigenschappen in vergelijking met onregelmatig gevormde deeltjes. Onderzoeksgegevens tonen aan dat sferische Tio₂ nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 20 nm aanzienlijk betere dispergeerbaarheid vertoonden in een op water gebaseerd coatingsysteem in vergelijking met onregelmatig gevormde deeltjes van vergelijkbare groottebereik, met een verlaging van de agglomeratieniveaus met ongeveer 30% zoals gemeten door dynamische lichtverstrooiingstechnieken.
De oppervlaktechemie van titaniumdioxide is een andere kritieke factor. Het oppervlak van Tio₂-deeltjes kan verschillende functionele groepen hebben, zoals hydroxylgroepen (-OH). Deze oppervlaktegroepen kunnen interageren met het omliggende medium en andere deeltjes. Als het oppervlak zeer hydrofiel is vanwege een groot aantal hydroxylgroepen, kan het goed verspreiden in waterige systemen, maar kan het worden geconfronteerd met uitdagingen in niet-waterige oplosmiddelen. Aan de andere kant, als het oppervlak te hydrofoob is, kan het zich niet goed verspreiden in formuleringen op waterbasis. Onbehandeld titaniumdioxide met een overwegend hydrofiel oppervlak vertoonde bijvoorbeeld een goede initiële dispergeerbaarheid in water maar snel geagglomereerd bij toevoeging van een kleine hoeveelheid van een organisch oplosmiddel. Het wijzigen van de oppervlaktechemie door technieken zoals het enten van het oppervlak of coating kan de dispergeerbaarheid aanzienlijk verbeteren. Studies hebben aangetoond dat door het enen van een hydrofoob polymeer op het oppervlak van Tio₂ nanodeeltjes, hun dispergeerbaarheid in een op organisch oplosmiddel gebaseerd inktsysteem werd verbeterd, met een vermindering van meer dan 50% in de vorming van grote agglomeraten zoals waargenomen onder een microscoop.
Elektrostatische interacties hebben ook invloed op de dispergeerbaarheid van Tio₂. In veel gevallen kunnen TIO₂ -deeltjes een oppervlaktelading verkrijgen, afhankelijk van de pH van het medium. Bij bepaalde pH -waarden, bekend als het iso -elektrische punt (IEP), is de netto oppervlaktelading van de deeltjes nul. Rond het IEP hebben deeltjes vaker te agglomereren vanwege de afwezigheid van significante elektrostatische afstoting. Het iso -elektrische punt van een gemeenschappelijk type titaniumdioxide is bijvoorbeeld rond pH 6. Wanneer de pH van het dispersiemedium bijna 6 is, hebben de Tio₂ -deeltjes de neiging om samen te klonteren. Door echter de pH van het IEP aan te passen, hetzij op een meer zure of meer alkalische gebied, kan elektrostatische afstoting worden geïnduceerd tussen de deeltjes, waardoor hun dispergeerbaarheid wordt verbeterd. In een onderzoek naar een op Tio₂ gebaseerde verfformulering werd gevonden dat door het handhaven van de pH van de dispersie bij pH 4 (zure regio), de agglomeratie van Tio₂-deeltjes aanzienlijk werd verminderd, wat leidde tot een vloeiendere verffilm met verbeterde verstopingsvermogen, in vergelijking met wanneer de pH dicht bij de IEP was.
Gezien het belang van een goede dispergeerbaarheid voor het effectieve gebruik van titaniumdioxide, zijn verschillende strategieën ontwikkeld en onderzocht.
Oppervlakte -modificatie is een krachtige benadering om de dispergeerbaarheid van TIO₂ te verbeteren. Zoals eerder vermeld, kan het modificeren van de oppervlaktechemie de interactie van de deeltjes met het omringende medium veranderen. Een veel voorkomende methode is oppervlaktetransplantatie, waarbij een polymeer of andere functionele moleculen covalent worden bevestigd aan het oppervlak van de Tio₂ -deeltjes. Bijvoorbeeld, het enegransplanteren van een polyethyleenglycol (PEG) keten op het oppervlak van Tio₂ nanodeeltjes kan ze meer hydrofiel maken en hun dispergeerbaarheid in waterige systemen zo verbeteren. Een andere techniek is oppervlaktecoating, waarbij een dunne laag van een ander materiaal wordt afgezet op het oppervlak van de Tio₂ -deeltjes. In het geval van titaniumdioxide dat in kunststoffen wordt gebruikt, kan het coaten van de deeltjes met een silaankoppelingsmiddel hun compatibiliteit met de plastic matrix verbeteren en hun dispergeerbaarheid binnen het plastic verbeteren. Onderzoek heeft aangetoond dat door het coaten van TIO₂ -deeltjes met een specifiek silaankoppelingsmiddel, de treksterkte van het resulterende plastic composiet met ongeveer 20% werd verhoogd vanwege een betere dispersie van de Tio₂ -deeltjes, die op zijn beurt de algehele mechanische eigenschappen van het composiet verbeterden.
Dispergeermiddelen zijn stoffen die specifiek zijn ontworpen om de dispergeerbaarheid van deeltjesvormige materialen zoals titaniumdioxide te verbeteren. Ze werken door de oppervlaktespanning tussen de deeltjes en het omliggende medium te verminderen en door sterische of elektrostatische stabilisatie te bieden. Er zijn verschillende soorten dispergeermiddelen beschikbaar, zoals anionische, kationische en niet -ionische dispergeermiddelen. Anionische dispergeermiddelen werken bijvoorbeeld door negatieve ladingen te verstrekken aan de Tio₂ -deeltjes, die elkaar vervolgens afstoten vanwege elektrostatische afstoting. In een coatingformulering die TIO₂ bevatte, was het gebruik van een anionische dispergeerant in staat om de agglomeratie van de deeltjes met maximaal 40% te verminderen, zoals gemeten door deeltjesgrootteanalyse. Niet -ionische dispergeermiddelen werken daarentegen voornamelijk door sterische hindering. Ze hebben lange polymeerketens die de Tio₂ -deeltjes omringen en voorkomen dat ze in nauw contact met elkaar komen. In een onderzoek naar een op Tio₂ gebaseerd inktsysteem bleek een niet-ionisch dispergeermiddel zeer effectief te zijn in het handhaven van de dispergeerbaarheid van de TIO₂-deeltjes tijdens het drukproces, wat resulteerde in een meer consistente en levendige printkwaliteit.
Mechanische dispersie is een andere methode om agglomeraten van titaniumdioxide te verbreken en de dispergeerbaarheid ervan te verbeteren. Dit omvat het gebruik van mechanische apparaten zoals high-speed mixers, balfabrieken en ultrasone apparaten. Snelle mixers kunnen intense afschuifkrachten bieden die grote agglomeraten in kleinere deeltjes kunnen afbreken. In een kunststoffenverbindproces waarbij TIO₂ werd opgenomen, was het gebruik van een snelle mixer met een rotatiesnelheid van 3000 rpm gedurende 10 minuten in staat om de gemiddelde grootte van de agglomeraten met ongeveer 50% te verminderen zoals gemeten door microscopie. Kogelmolens werken door de deeltjes samen met slijpmedia zoals ballen te slijpen. Ultrasone apparaten gebruiken daarentegen ultrasone golven om cavitatiebellen te creëren die intense lokale krachten imploderen en genereren die agglomeraten kunnen breken. In een onderzoek naar een op water gebaseerde verfformulering die Tio₂ bevatte, was ultrasone behandeling gedurende 5 minuten met een frequentie van 20 kHz in staat om de dispergeerbaarheid van de TIO₂-deeltjes aanzienlijk te verbeteren, met een vermindering van het aantal zichtbare agglomeraten met ongeveer 60% zoals waargenomen door het naakte oog.
Laten we, om de effectiviteit van de hierboven besproken strategieën verder te illustreren, enkele real-world casestudy's bekijken.
In een coatingproductiebedrijf werden ze geconfronteerd met problemen met de kwaliteit van hun witte coatings vanwege een slechte dispergeerbaarheid van de gebruikte titaniumdioxide. De Tio₂ -deeltjes waren agglomererend, wat leidde tot een ruwe en ongelijke afwerking op de gecoate oppervlakken. Om dit probleem aan te pakken, analyseerden ze eerst de oppervlaktechemie van de Tio₂ -deeltjes en ontdekten ze dat ze relatief hydrofiel waren. Ze besloten om een combinatie van oppervlaktemodificatie en dispergeermiddelen te gebruiken. Ze coaten de TIO₂ -deeltjes met een silaankoppelingsmiddel om hun compatibiliteit met de coatinghars te verbeteren en voegden vervolgens een anionisch dispergeermiddel toe om de dispergeerbaarheid verder te verbeteren. Na de implementatie van deze veranderingen was de agglomeratie van de TIO₂ -deeltjes aanzienlijk verminderd. De resulterende coatings hadden een veel soepelere afwerking, met verbeterde verstopingskracht en glans. De klanttevredenheid met het product nam ook aanzienlijk toe, wat leidde tot een toename van het marktaandeel voor het coatingbedrijf.
Een kunststoffabrikant nam titaniumdioxide op in hun polyethyleen (PE) -producten om een witte kleur te bereiken. Ze merkten echter op dat de Tio₂ -deeltjes niet gelijkmatig in de plastic matrix verspreidden, die de mechanische eigenschappen van de eindproducten beïnvloedde. Om dit probleem op te lossen, kozen ze voor mechanische dispersie gevolgd door oppervlaktemodificatie. Ze gebruikten eerst een hogesnelheidsmixer om de agglomeraten van Tio₂-deeltjes te verbreken. Vervolgens hebben ze een polyethyleenglycol (PEG) keten op het oppervlak van de resterende deeltjes geënt om ze meer hydrofiel te maken en hun dispergeerbaarheid binnen de PE -matrix te verbeteren. Als gevolg hiervan werden de treksterkte en verlenging bij de breuk van de uiteindelijke plastic producten verbeterd. De producten hadden ook een meer uniforme witte kleur, die zeer wenselijk was voor hun klanten. Dit leidde tot een toename van het concurrentievermogen van de kunststoffabrikant op de markt.
In de inktproductie -industrie had een bedrijf problemen met de printkwaliteit van hun witte inkten vanwege een slechte dispergeerbaarheid van het titaniumdioxidepigment. De TIO₂ -deeltjes agglomereerden tijdens het afdrukproces, wat leidde tot verstopte printkoppen en inconsistente printkleuren. Om dit probleem op te lossen, gebruikten ze een niet -ionische dispergeerant samen met ultrasone behandeling. De niet -ionische dispergeerant werd toegevoegd aan de inktformulering om de dispergeerbaarheid van de TIO₂ -deeltjes te handhaven tijdens opslag en hantering. De ultrasone behandeling werd vervolgens aangebracht vlak voor het afdrukken om resterende agglomeraten verder te verbreken. Na de implementatie van deze maatregelen was de printkwaliteit van de witte inkten aanzienlijk verbeterd. De printkoppen bleven niet verstopt en de kleuren waren consistenter en levendiger. Dit leidde tot een toename van de klanttevredenheid en herhaalde zaken voor het inktbedrijf.
Omdat de vraag naar producten van hoge kwaliteit met titaniumdioxide blijft groeien, zijn er verschillende gebieden van onderzoek en ontwikkeling die veelbelovend zijn om de dispergeerbaarheid van dit belangrijke pigment verder te verbeteren.
Onderzoekers onderzoeken voortdurend nieuwe en geavanceerde oppervlaktemodificatietechnieken. Het gebruik van plasmabehandeling om het oppervlak van TIO₂ -deeltjes te wijzigen, is bijvoorbeeld een gebied van actief onderzoek. Plasmabehandeling kan verschillende functionele groepen op het oppervlak van de deeltjes op een meer gecontroleerde en precieze manier introduceren in vergelijking met traditionele methoden voor oppervlaktemodificatiemethoden. Dit kan mogelijk leiden tot een nog betere dispergeerbaarheid in verschillende media. Een andere opkomende techniek is het gebruik van laag-voor-laag-assemblage om een complexe oppervlaktestructuur op de Tio₂-deeltjes op te bouwen. Door de materialen en de volgorde van depositie zorgvuldig te selecteren, is het mogelijk om een oppervlak te creëren dat optimale interacties heeft met het omliggende medium, waardoor de dispergeerbaarheid wordt verbeterd. Voorlopige studies hebben aangetoond dat het gebruik van laag per laag assemblage om het oppervlak van Tio₂ nanodeeltjes te wijzigen, kan leiden tot een significante vermindering van agglomeratie in zowel waterige als niet-waterige systemen, met potentiële toepassingen in verschillende industrieën zoals cosmetica en elektronica.
De ontwikkeling van nieuwe dispergeermiddelen is een ander aandachtsgebied. Wetenschappers werken aan het creëren van dispergeermiddelen die een verbeterde eigenschappen hebben, zoals een betere compatibiliteit met verschillende media, een hogere efficiëntie bij het verminderen van agglomeratie en stabiliteit op langere termijn. Bio-gebaseerde dispergeermiddelen worden bijvoorbeeld onderzocht als een alternatief voor traditionele chemische dispergeermiddelen. Deze op bio gebaseerde dispergeermiddelen kunnen worden afgeleid van hernieuwbare bronnen zoals planten of micro-organismen. Ze kunnen voordelen bieden, zoals lagere impact op het milieu en een betere biologische afbreekbaarheid. In een recent onderzoek werd een op bio gebaseerde dispergeerant afgeleid van een plantenextract getest in een op Tio₂ gebaseerde verfformulering. De resultaten toonden aan dat de op bio gebaseerde dispergeerant in staat was om de agglomeratie van de TIO₂-deeltjes in dezelfde mate te verminderen als een traditionele chemische dispergeerant, terwijl ze ook betere biologische afbreekbaarheidskenmerken vertoonden, die op de lange termijn gunstig kunnen zijn voor de omgeving.
In de toekomst is het waarschijnlijk dat de meest effectieve manier om de dispergeerbaarheid van titaniumdioxide te verbeteren, zal zijn door de integratie van meerdere strategieën. Het combineren van oppervlaktemodificatie met het gebruik van dispergeermiddelen en mechanische dispersie kan bijvoorbeeld mogelijk een meer uitgebreide oplossing bieden. Door eerst het oppervlak van de TIO₂ -deeltjes te modificeren, vervolgens dispergeermiddelen toe te voegen om de dispergeerbaarheid verder te verbeteren en uiteindelijk mechanische dispersie te gebruiken om eventuele resterende agglomeraten te verbreken, kan een zeer gedispergeerd en stabiel Tio₂ -systeem worden bereikt. Deze geïntegreerde aanpak is in sommige voorlopige studies effectief aangetoond. Bijvoorbeeld, in een onderzoek naar een op Tio₂ gebaseerd composietmateriaal voor elektronica-toepassingen, door het integreren van oppervlaktemodificatie (met behulp van een silaankoppelingsmiddel), was het gebruik van een anionisch dispergeermiddel en ultrasone behandeling (mechanische dispersie), de dispersabiliteit van de TIO₂-deeltjes aanzienlijk verbeterd, wat leidt tot betere elektrische properties van de cruciale properties.
Concluderend is de dispergeerbaarheid van titaniumdioxide een kritieke factor die de prestaties en toepassing ervan in verschillende industrieën beïnvloedt. Slechte dispergeerbaarheid kan leiden tot agglomeratie en daaropvolgende afbraak van de kwaliteit van eindproducten. We hebben de factoren onderzocht die de dispergeerbaarheid van Tio₂ beïnvloeden, inclusief deeltjesgrootte en vorm, oppervlaktechemie en elektrostatische interacties. We hebben ook verschillende strategieën besproken om de dispergeerbaarheid ervan te verbeteren, zoals oppervlaktemodificatie, gebruik van dispergeermiddelen en mechanische dispersie. Via case studies uit de praktijk hebben we de praktische implementatie en effectiviteit van deze strategieën gezien. Vooruitkijkend bieden toekomstige perspectieven zoals geavanceerde oppervlaktemodificatietechnieken, ontwikkeling van nieuwe dispergeermiddelen en integratie van meerdere strategieën veelbelovende wegen voor het verder verbeteren van de dispergeerbaarheid van titaniumdioxide. Voortgezet onderzoek en ontwikkeling op dit gebied zal essentieel zijn om te voldoen aan de groeiende eisen voor producten van hoge kwaliteit met dit belangrijke pigment.
