Диоксид титана (TiO₂), часто называемый «королем белых пигментов», широко используется в таких отраслях, как производство пластмасс, резины, покрытий, бумаги и керамики, благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокий показатель преломления, высокая прочность окрашивания и нетоксичность. Однако необработанный диоксид титана имеет ограничения, включая плохую фотохимическую стабильность, подверженность обесцвечиванию и плохую диспергируемость. Для решения этих проблем необходима обработка поверхности. Ниже приведено краткое изложение основных точек зрения и методов обработки поверхности диоксида титана:
Необходимость обработки поверхности
Фотохимическая нестабильность: необработанный TiO₂ имеет тенденцию к деградации под воздействием ультрафиолетового излучения, что приводит к изменению цвета, потере блеска и помутнению.
Плохая диспергируемость: без обработки поверхности частицы TiO₂ имеют тенденцию к агломерации, что приводит к таким проблемам, как всплытие, флокуляция и седиментация в таких областях применения, как краски и чернила.
Преимущества обработки поверхности: Обработка поверхности улучшает дисперсность, светостойкость и устойчивость к атмосферным воздействиям, расширяя область применения TiO₂.
Методы неорганической обработки поверхности
Неорганическая обработка поверхности включает покрытие TiO₂ слоем неорганических гидратированных оксидов для блокировки дефектов решетки и уменьшения прямого контакта между TiO₂ и органическими средами. Это повышает устойчивость к атмосферным воздействиям и коррозионную стойкость.
а. Покрытие из оксида алюминия (Al₂O₃)
Механизм: оксид алюминия действует как акцептор электронов, гася фотоэлектроны, генерируемые при поглощении УФ-излучения, и подавляя образование активных радикалов.
Процесс: Растворимые соли алюминия (например, NaAlO₂, Al₂(SO₄)₃) добавляются к суспензии TiO₂ при pH 9-10, образуя на поверхности слой гидратированного оксида алюминия.
Преимущества: Улучшает диспергируемость и стабильность в водных системах за счет:
Предотвращение агломерации частиц.
Повышение смачиваемости поверхности.
Усиление электростатического отталкивания между частицами.
б) Покрытие из диоксида кремния (SiO₂)
Механизм: Кремний образует барьер на поверхности TiO₂, блокируя фотокаталитическую активность и уменьшая прямой контакт с органической средой.
Процесс: Водорастворимые соединения кремния добавляются к суспензии TiO₂ при pH 8-9, образуя слой гидратированного кремнезема.
Преимущества: Повышает устойчивость к погодным условиям за счет:
Защита ядра TiO₂ от воздействия кислот.
Ингибирование трансформации кристаллической структуры и повышение термической стабильности.
в) Покрытие из циркония (ZrO₂)
Механизм: цирконий имеет высокий показатель преломления (2,170) и низкое поглощение УФ-излучения, что снижает фотокаталитическую активность TiO₂.
Процесс: Соли циркония гидролизуются в суспензии TiO₂, образуя на поверхности сплошную пленку диоксида циркония.
Преимущества: Улучшает светостойкость за счет:
Блокирование контакта активных радикалов с органическими средами.
Уменьшение генерации и миграции электронно-дырочных пар.
Снижение содержания поверхностных гидроксилов для замедления окислительной деградации.
г. Покрытие из фосфата алюминия (AlPO₄)
Механизм: Фосфат алюминия действует как акцептор электронов, гасит фотоэлектроны и улучшает светостойкость. Он также улучшает диспергируемость, регулируя поверхностный потенциал.
Преимущества:
Повышает устойчивость к свету, блокируя активные радикалы.
Улучшает диспергируемость в водных системах за счет повышения смачиваемости поверхности и электростатического отталкивания.
Органические методы обработки поверхности
Органическая обработка поверхности использует поверхностно-активные вещества или связующие агенты для улучшения совместимости и диспергируемости TiO₂ в различных средах.
а) Метод поверхностно-активных веществ
Механизм: Поверхностно-активные вещества адсорбируются на частицах TiO₂, при этом гидрофильные группы прикрепляются к поверхности, а гидрофобные группы взаимодействуют с органической средой.
Типы: катионные, анионные, неионогенные или смешанные поверхностно-активные вещества.
Преимущества: Улучшает диспергируемость за счет снижения поверхностной энергии и предотвращения агломерации частиц.
б) Метод связующего агента
Механизм: Связующие агенты (например, титанат, алюминат, силан) образуют химические связи с поверхностными гидроксильными группами TiO₂, улучшая совместимость с органическими полимерами.
Преимущества: Улучшает диспергируемость и стабильность в органических матрицах.
в) Органическое полимерное покрытие
Механизм: Полимеры наносятся непосредственно на частицы TiO₂ или образуются на месте путем полимеризации.
Преимущества: Улучшает диспергируемость за счет создания стерических препятствий и повышения совместимости с полимерными матрицами.
Другие покрытия
- Оксид циркония (ZrO₂): повышает светостойкость.
- Оксид олова (SnO₂): используется для производства проводящего диоксида титана.
Исследования и разработки
Эксплуатационные характеристики покрытого TiO₂ зависят от микроструктуры слоя покрытия.
Текущие исследования направлены на оптимизацию структур покрытий, изучение их взаимосвязи с эксплуатационными характеристиками и разработку более качественных изделий с покрытием TiO₂.
Заключение
Обработка поверхности имеет решающее значение для повышения производительности диоксида титана в различных приложениях. Различные покрытия, такие как оксид алюминия, кремний, цирконий и фосфат алюминия, предлагают уникальные преимущества, такие как улучшенная диспергируемость, светостойкость и устойчивость к атмосферным воздействиям. Органическая обработка дополнительно повышает совместимость и стабильность в органических средах. Продолжение исследований имеет важное значение для разработки передовых продуктов TiO₂, адаптированных к конкретным промышленным потребностям.
В настоящем обзоре представлен всесторонний обзор методов обработки поверхности диоксида титана, с описанием их механизмов, преимуществ и областей применения.
