Просмотры: 0 Автор: Редактор сайта Публикайте время: 2024-12-31 Происхождение: Сайт
Диоксид титана (TIO₂) представляет собой широко используемый белый пигмент с превосходными оптическими свойствами, такими как высокий показатель преломления, сильная скрытая сила и хорошая белизна. Он находит обширное применение в различных отраслях, включая покрытия, пластмассы, бумаги, чернила и косметику. Однако одной из основных проблем, связанных с Tio₂, является его плохая рассеянность. Плохая рассеиваемость может привести к таким проблемам, как агломерация, что, в свою очередь, влияет на производительность и качество конечных продуктов. В этом комплексном исследовании мы углубимся в факторы, влияющие на рассеиваемость диоксида титана, и исследуем различные стратегии для его улучшения.
На рассеиваемость диоксида титана влияет множественные факторы, как внутренние, так и внешние для самого пигмента.
Размер и форма частиц Tio₂ играют решающую роль в определении их рассеиваемости. Как правило, меньшие размеры частиц имеют тенденцию иметь лучшую диспергируемость, поскольку они имеют большую площадь поверхности к объему. Например, наночастицы диоксида титана (обычно в диапазоне 1 - 100 нм) могут потенциально обеспечить улучшенную диспергируемость по сравнению с более крупными частицами размером с микрона. Тем не менее, чрезвычайно небольшие наночастицы также могут иметь тенденцию к агломерату из -за высокой поверхностной энергии. С точки зрения формы, часто считается, что сферические частицы имеют лучшие характеристики потока и диспергируемости по сравнению с частицами неправильной формы. Данные исследований показывают, что сферические наночастицы TIO₂ диаметром около 20 нм демонстрировали значительно лучшую диспергируемость в системе покрытия на водной основе по сравнению с частицами нерегулярной формы аналогичного диапазона размеров с снижением уровней агломерации приблизительно на 30%, как измеряются с помощью динамических методов рассеяния света.
Поверхностная химия диоксида титана является еще одним критическим фактором. Поверхность частиц Tio₂ может иметь различные функциональные группы, такие как гидроксильные группы (-OH). Эти поверхностные группы могут взаимодействовать с окружающей средой и другими частицами. Если поверхность очень гидрофильная из-за большого количества гидроксильных групп, она может хорошо рассеиваться в водных системах, но может столкнуться с проблемами в неводных растворителях. С другой стороны, если поверхность слишком гидрофобна, она может не рассеиваться должным образом в составах на водной основе. Например, необработанный диоксид титана с преимущественно гидрофильной поверхностью показал хорошую начальную диспергируемость в воде, но быстро агломерировалась при добавлении небольшого количества органического растворителя. Модификация химии поверхности с помощью таких методов, как поверхностная трансплантация или покрытие, может значительно улучшить диспергируемость. Исследования показали, что путем прививки гидрофобного полимера на поверхность наночастиц Tio₂ их диспергируемость в системе чернил на основе органических растворителей была увеличена, при этом более чем 50% снижение образования крупных агломератов, наблюдаемого под микроскопом.
Электростатические взаимодействия также влияют на рассеиваемость Tio₂. Во многих случаях частицы Tio₂ могут приобрести поверхностный заряд в зависимости от рН среды. При определенных значениях pH, известных как изоэлектрическая точка (IEP), чистый поверхностный заряд частиц равен нулю. Вокруг IEP частицы с большей вероятностью агломерации из -за отсутствия значительного электростатического отталкивания. Например, изоэлектрическая точка общего типа диоксида титана составляет около рН 6. Когда рН дисперсионной среды близок к 6, частицы тиоха имеют тенденцию к совокупности вместе. Однако, регулируя pH вдали от IEP, либо к более кислой, или более щелочной области, между частицами может быть вызвано электростатическое отталкивание, улучшая их рассеиваемость. В исследовании о составе краски на основе Tio₂ было обнаружено, что, поддержав pH дисперсии при pH 4 (кистная область), агломерация частиц Tio₂ значительно уменьшилась, что привело к более плавной краски
Учитывая важность хорошей рассеиваемости для эффективного использования диоксида титана, было разработано и изучено несколько стратегий.
Модификация поверхности является мощным подходом для улучшения рассеиваемости Tio₂. Как упоминалось ранее, модификация химии поверхности может изменить взаимодействие частиц с окружающей средой. Одним из распространенных методов является поверхностная прививка, где полимер или другие функциональные молекулы ковалентно прикреплены к поверхности частиц Tio₂. Например, прививка цепи полиэтиленгликоля (PEG) на поверхность наночастиц TiO₂ может сделать их более гидрофильными и, таким образом, улучшить их рассеиваемость в водных системах. Другой метод - это поверхностное покрытие, где тонкий слой другого материала осаждается на поверхности частиц Tio₂. В случае диоксида титана, используемого в пластмассах, покрытие частиц с помощью квадратного агента связывания может повысить их совместимость с помощью пластиковой матрицы и улучшить их диспергируемость в пластике. Исследования показали, что при покрытии частиц Tio₂ с конкретным агентом Silane Coubling прочность на растяжение полученного пластикового композита была увеличена примерно на 20% из -за лучшей дисперсии частиц Tio₂, что, в свою очередь, улучшило общие механические свойства композита.
Диспперты - это вещества, которые специально разработаны для улучшения диспергируемости материалов, таких как диоксид титана. Они работают, уменьшая поверхностное натяжение между частицами и окружающей средой и обеспечивая стерическую или электростатическую стабилизацию. Существуют различные виды диспергаторов, такие как анионные, катионные и неионовые диспергаторы. Например, анионные диспергаторы работают, предоставляя отрицательные заряды частицам Tio₂, которые затем отталкивают друг друга из -за электростатического отталкивания. В составе покрытия, содержащей Tio₂, использование анионного диспергатора могло уменьшить агломерацию частиц до 40%, что измеряется с помощью анализа размера частиц. Несовершенные диспергаторы, с другой стороны, работают в основном через стерические препятствия. У них есть длинные полимерные цепи, которые окружают частицы тиоха и не позволяют им вступить в тесный контакт друг с другом. В исследовании по системе чернил на основе Tio₂ был обнаружен неоночный диспергатор, который очень эффективен в поддержании диспергизируемости частиц Tio₂ во время процесса печати, что приводит к более последовательному и яркому качеству печати.
Механическая дисперсия является еще одним методом разбивания агломератов диоксида титана и улучшения его рассеиваемости. Это включает использование механических устройств, таких как высокоскоростные миксеры, шариковые мельницы и ультразвуковые устройства. Высокоскоростные смесители могут обеспечить интенсивные силы сдвига, которые могут разбить большие агломераты на более мелкие частицы. Например, в процессе составления пластмасс, в котором включали Tio₂, с использованием высокоскоростного миксера со скоростью вращения 3000 об / мин в течение 10 минут мог уменьшить средний размер агломератов примерно на 50%, измеренный с помощью микроскопии. Шаровые мельницы работают, измельчивая частицы вместе со шлифовальными средами, такими как шарики. Ультразвуковые устройства, с другой стороны, используют ультразвуковые волны для создания кавитационных пузырьков, которые втирают и генерируют интенсивные локальные силы, которые могут разбить агломераты. В исследовании оформления краски на водной основе, содержащей Tio₂, ультразвуковая обработка в течение 5 минут на частоте 20 кГц была способна значительно улучшить рассеиваемость частиц Tio₂ с уменьшением количества видимых агломератов примерно на 60%, что наблюдается обнаженным глазом.
Чтобы дополнительно проиллюстрировать эффективность стратегий, обсуждаемых выше, давайте посмотрим на некоторые тематические исследования в реальном мире.
В компании по производству покрытий они сталкивались с проблемами с качеством своих белых покрытий из -за плохой рассеиваемости используемого диоксида титана. Частицы Tio₂ были агломерирующими, что привело к грубой и неровной отделке на поверхностях с покрытием. Чтобы решить эту проблему, они сначала проанализировали химию поверхности частиц Tio₂ и обнаружили, что они были относительно гидрофильными. Они решили использовать комбинацию модификации поверхности и диспергаторов. Они покрыли частицы Tio₂ агентом Silane Coupling, чтобы улучшить свою совместимость с помощью смолы покрытия, а затем добавили анионный диспергатор для дальнейшего повышения диспергируемости. После реализации этих изменений агломерация частиц TIO₂ значительно уменьшилась. Полученные покрытия имели гораздо более плавную отделку, с улучшенной скрытой силой и блеском. Удовлетворенность клиента продуктом также значительно увеличилась, что привело к увеличению доли рынка для компании по покрытию.
Производитель пластмассы включал диоксид титана в свои продукты полиэтилена (PE) для достижения белого цвета. Тем не менее, они заметили, что частицы Tio₂ не рассеивались равномерно в пластиковой матрице, что влияло на механические свойства конечных продуктов. Чтобы решить эту проблему, они выбрали механическую дисперсию с последующей модификацией поверхности. Сначала они использовали высокоскоростный миксер, чтобы разбить агломераты частиц Tio₂. Затем они привили цепь полиэтиленгликоля (PEG) на поверхность оставшихся частиц, чтобы сделать их более гидрофильными и улучшить их диспергируемость в матрице PE. В результате прочность на растяжение и удлинение при разрыве конечных пластиковых изделий были улучшены. Продукты также имели более равномерный белый цвет, который был очень желательным для их клиентов. Это привело к повышению конкурентоспособности производителя пластмасс на рынке.
В индустрии изготовления чернил у компании были проблемы с качеством печати своих белых чернил из -за плохой рассеиваемости пигмента диоксида титана. Частицы TIO₂ агломерировали во время процесса печати, что приводило к забитым печатным головкам и противоречивым цветам печати. Чтобы преодолеть эту проблему, они использовали неионосный диспергатор наряду с ультразвуковым лечением. Неионный диспергатор был добавлен в составу чернил, чтобы поддерживать рассеиваемость частиц Tio₂ во время хранения и обработки. Ультразвуковая обработка затем была применена непосредственно перед печати, чтобы еще больше разбить оставшиеся агломераты. После реализации этих мер качество печати белых чернил было значительно улучшено. Печатные головки оставались безрассудными, а цвета были более последовательными и яркими. Это привело к увеличению удовлетворенности клиентов и повторного бизнеса для Ink Company.
По мере того, как спрос на высококачественные продукты, включающие диоксид титана
Исследователи постоянно изучают новые и передовые методы модификации поверхности. Например, использование лечения плазмы для модификации поверхности частиц Tio₂ является областью активного исследования. Обработка плазмы может вводить различные функциональные группы на поверхность частиц более контролируемым и точным образом по сравнению с традиционными методами модификации поверхности. Это потенциально может привести к еще одной рассеиваемости в разных СМИ. Другим новым методом является использование слоя за слоем сборки для создания сложной структуры поверхности на частицах Tio₂. Тщательно выбирая материалы и порядок осаждения, можно создать поверхность, которая имеет оптимальное взаимодействие с окружающей средой, тем самым улучшая рассеиваемость. Предварительные исследования показали, что использование сборки слоя за слоем для модификации поверхности наночастиц TIO₂ может привести к значительному снижению агломерации как в водных, так и в не втяжении, с потенциальными применениями в различных отраслях, таких как косметика и электроника.
Развитие новых диспергаторов - еще одна область сосредоточенности. Ученые работают над созданием диспергаторов, которые обладают повышенными свойствами, такими как лучшая совместимость с различной средой, более высокая эффективность в снижении агломерации и долгосрочную стабильность. Например, биологические диспергаторы изучаются в качестве альтернативы традиционным химическим диспергаторам. Эти биологические диспергаторы могут быть получены из возобновляемых источников, таких как растения или микроорганизмы. Они могут предлагать такие преимущества, как более низкое воздействие на окружающую среду и лучшая биоразлагаемость. В недавнем исследовании диспергатор на основе биографии, полученный из растительного экстракта, был протестирован в составе краски на основе Tio₂. Результаты показали, что диспергатор на основе биоизоля был в состоянии уменьшить агломерацию частиц Tio₂ в той же степени, что и традиционный химический диспергатор, а также демонстрировать лучшие характеристики биоразлагаемости, что может быть полезно для окружающей среды в долгосрочной перспективе.
В будущем вполне вероятно, что наиболее эффективный способ улучшить рассеиваемость диоксида титана будет посредством интеграции нескольких стратегий. Например, сочетание модификации поверхности с использованием диспергаторов и механической дисперсии может потенциально обеспечить более полное решение. Сначала модифицируя поверхность частиц Tio₂, затем добавив диспергаторы для дальнейшего улучшения диспергируемости и, наконец, используя механическую дисперсию для разрыва оставшихся агломератов, может быть достигнута высоко дисперсная и стабильная система Tio₂. Было показано, что этот интегрированный подход эффективен в некоторых предварительных исследованиях. Например, в исследовании композитного материала на основе Tio₂ для электроники, путем интегрирования модификации поверхности (с использованием агента-сочетания силанового соединения), использования анионного диспергатора и ультразвуковой обработки (механическая дисперсия), рассеиваемость частиц Tio₂ значительно улучшилась, что привело к лучшим электрическим свойствам компонентных материалов, которые являются ключевыми для его эффективности.
В заключение, рассеиваемость диоксида титана является критическим фактором, который влияет на его производительность и применение в различных отраслях. Плохая рассеиваемость может привести к агломерации и последующему деградации качества конечных продуктов. Мы исследовали факторы, которые влияют на диспергируемость TiO₂, включая размер и форму частиц, химию поверхности и электростатические взаимодействия. Мы также обсудили различные стратегии для улучшения его рассеиваемости, таких как модификация поверхности, использование диспергаторов и механическая дисперсия. Благодаря тематическим исследованиям в реальном мире мы наблюдали практическую реализацию и эффективность этих стратегий. Заглядывая в будущее, будущие перспективы, такие как передовые методы модификации поверхности, разработка новых диспергаторов и интеграция нескольких стратегий, предлагают многообещающие возможности для дальнейшего улучшения рассеиваемости диоксида титана. Продолжающиеся исследования и разработки в этой области будут иметь важное значение для удовлетворения растущих требований к высококачественным продуктам, включающим этот важный пигмент.
