化纤级钛白粉
化纤级钛白粉
摘要
采用悬浮沉降的方法研究了锐钛型二氧化钛消光剂、六偏磷酸钠分散剂、温度、pH值等因素对二氧化钛悬浮液分散稳定性的影响，利用电空间稳定机制和静电稳定机制给予了解释，并结合生产实际，制备出用于消光尼龙66纤维的超细锐钛型二氧化钛悬浮液。
关键词
消光尼龙66纤维；化纤级钛白粉；悬浮液；分散稳定性
超细锐钛型二氧化钛具有光散射力强、着色力高、遮盖力大、白度好以及密度、硬度均比金红石型二氧化钛低等特点
[1,2]，除作为性能极好的白色颜料使用外，还普遍用作生产消光纤维的消光剂，具有消光效果好、对聚合及纺丝设备磨耗小等优点。由于超细二氧化钛本身的强极性和颗粒的微细化，使得超细二氧化钛不易在非极性介质中分散，在极性介质中易于凝聚，其分散性及分散稳定性直接影响着产品的质量和性能，在实际应用中一般先配制成悬浮液再加入到聚合原液中。祖庸等人
[3-6]侧重于实验理论方面的研究，考察了二氧化钛在水、六偏磷酸钠、硅酸钠、乙醇、聚丙烯酸钠、聚乙二醇等不同分散剂中的分散性和分散稳定性，在实际应用方面未作具体和深入的研究，任夕娟、刘爱明等人
[7,8]研究了二氧化钛在聚酯和聚丙烯腈纤维中的使用情况，但在尼龙66的应用研究尚未有文献报道。本文依据尼龙66聚合过程中以50 wt % 尼龙66盐水溶液为聚合原液溶液（pH值为7.5）、少量的醋酸为聚合物分子量调节剂的实际情况，以水为介质、六偏磷酸钠为分散剂、尼龙66盐溶液和醋酸为pH调节剂，研究了二氧化钛水分散体系稳定性的影响因素及其作用机理，制备了以锐钛型二氧化钛颗粒为消光剂的专用悬浮液，在实际应用中具有一定的参考价值。
实验部分
1.1 试剂与仪器超细化纤级钛白粉粉末：1074，工业级，德国KRONOS公司六偏磷酸钠：食品级，市售尼龙66盐溶液：50 wt%，pH值为8.0，中国神马集团尼龙化工有限责任公司己二酸：分析纯，市售实验用水为去离子水，自制超声波振荡器：79-2型，江苏金坛医疗机械厂恒温水浴：HZ-9212S型，江苏太仓市华利达实验设备公司酸度计：pH-25型，上海禾工科学仪器有限公司
1.2 实验方法准确称取一定质量的二氧化钛粉末，与一定量的六偏磷酸钠、尼龙66盐溶液和醋酸水溶液混合，在超声波中超声分散1 h，得到二氧化钛水悬浮液。然后将悬浮液移入刻度试管中，并加上胶塞，置于指定温度的恒温水浴中静置，观察并记录体系发生完全沉降时需要的时间，以此来表示分散体系的稳定性[9]。
结果和讨论
2.1 分散剂六偏磷酸钠浓度的影响按照实验方法，悬浮液的总量、20 wt%消光剂二氧化钛和其他添加剂的用量保持不变，仅改变分散剂六偏磷酸钠和水的用量，考察六偏磷酸钠的影响，结果见图1。由图可知，随着分散剂浓度的提高，悬浮液的稳定性也相应地提高，当分散剂的浓度增加到一定程度后，体系的稳定性随分散剂浓度的变化不大。在实际应用中，分散剂的用量应根据消光剂的用量来确定，不宜过多，否则将严重影响聚合物的性能。消光剂与分散剂的质量比可控制在30∶1。颗粒的凝聚过程是小粒子内作用的结合力不断形成、体系总能量不断降低的过程。在悬浮液中，微细的化纤级钛白粉颗粒不断地做无规则运动，颗粒之间不断发生碰撞，由于颗粒表面力的作用使它们很容易团聚在一起，形成较大的团聚体。使用超声波振荡将破坏团聚体中小颗粒之间的库仑力和范德华力，分散在液体介质中的团聚体被打开，从而使小颗粒分散在液体介质中。但超声波停止后，由于这种力的作用，团聚又可能重新发生[9]。六偏磷酸钠是链状高分子聚磷酸钠及少量环状无机物偏磷酸钠的混合物，是阴离子表面活性剂。通过吸附在粒子表面上的高分子聚电解质聚磷酸钠对周围粒子的电荷排斥作用和空间位阻效应阻止周围粒子的靠近，实现稳定分散的效果，这属于电空间稳定机制。加入的电解质六偏磷酸钠通过静电物理吸附、特性吸附、定位离子吸附等方式使粒子带上负电荷，正电荷吸附在颗粒表面而形成双电层，增大了粒子表面的静电斥力，从而使粒子在热运动、布朗运动过程中难以进一步靠拢、团聚，实现颗粒的稳定性分散，这属于静电稳定机制（又称双电层稳定机制）[10,11]。当分散剂六偏磷酸钠的浓度增加到一定程度时，吸附达到饱和，稳定性变化不大。
2.2 消光剂二氧化钛粉体浓度的影响按照实验方法，悬浮液的总量保持不变，粉体与分散剂六偏磷酸钠的质量配比（30∶1）保持一定，考察消光剂二氧化钛的影响，结果见图2。由图可知，二氧化钛水悬浮体系的稳定性随着二氧化钛浓度的升高而降低。这表明，虽然吸附在二氧化钛颗粒表面的分散剂能使颗粒之间产生斥力，达到一定的稳定性，但当二氧化钛粉体的浓度提高时，体系的黏度增大，二氧化钛颗粒的运动空间和颗粒之间的距离减小，导致颗粒间相互碰撞而发生凝聚或絮凝的几率增大，稳定性变差。在实际应用中，二氧化钛在半消光和全消光尼龙66纤维中的含量分别控制在0.3 %、1 %左右[13]。
2.3 悬浮液温度的影响按照实验方法，配制组成为20 %二氧化钛、0.8 %六偏磷酸钠、79.2 %水的悬浮液，考察温度对悬浮液的影响，结果见图3。由图可知，随着悬浮体系的温度升高，体系的稳定性变差。这是因为：温度越高，则体系的内能越大，二氧化钛颗粒的动能越大，运动速度加快，比低温时更容易发生碰撞而团聚。操作温度应控在尼龙66盐的析出稳定温度40 ℃以上，以50 ℃~70 ℃为宜；温度过高，则己二胺容易挥发，尼龙66盐将发生预聚合。
2.4 悬浮液pH值的影响通过调节悬浮液的pH值在其等电点以上或以下，相应地可以使粒子带上负电荷或正电荷，正电荷或负电荷吸附在颗粒表面而形成双电层，粒子间的静电斥力增强，颗粒的分散稳定性提高，属于静电稳定机制（双电层稳定机制）[6,10,11]。由于聚合原液为尼龙66盐水溶液，pH值为7.5，因此，用尼龙66盐溶液或醋酸调节悬浮液的pH值，不至于在聚合过程中引入新的杂质。但醋酸的量必须严格控制，过多的醋酸会大大降低聚合物的分子量。实践表明，悬浮液的pH值为7.8最为合适。
3 结 论根据消光剂、分散剂、温度和pH值对二氧化钛的分散性和稳定性的影响情况，制备了工业上生产消光尼龙66纤维用二氧化钛的水悬浮液，其中消光剂化纤级钛白粉和分散剂六偏磷酸钠分别为尼龙66盐的1.2 wt %和0.4 wt‰、悬浮液pH值和温度分别控制在7.8和50 ℃~70 ℃范围内为宜，此研究结果具有一定的指导意义。