Как выбрать пигменты диоксида титана для порошковых покрытий
Джо•
В статье обсуждается выбор пигментов диоксида титана для порошковых покрытий, подчеркиваются такие свойства, как тип, обработка поверхности, размер частиц, pH и содержание влаги. В статье подчеркивается важность диоксида титана в улучшении характеристик покрытия, включая укрывистость, блеск и устойчивость к атмосферным воздействиям, а также приводятся рекомендации по оценке его пригодности для различных применений.
Абстрактный
Порошковые покрытия обладают превосходными экологическими свойствами и великолепным эффектом покрытия. В этой статье рассматривается выбор подходящих пигментов на основе диоксида титана для порошковых покрытий, при этом рекомендуется учитывать следующие свойства диоксида титана:
- Тип диоксида титана;
- Обработка поверхности диоксида титана;
- Распределение частиц диоксида титана по размерам;
- Значение pH диоксида титана;
- Содержание влаги в диоксиде титана.
Введение
Порошковые покрытия, как представитель безрастворных покрытий с высоким содержанием твердых веществ, имеют значительно более низкие выбросы летучих органических соединений (ЛОС) по сравнению с традиционными покрытиями на основе растворителей, а некоторые продукты достигают нулевых выбросов ЛОС.
Порошковые покрытия состоят из полимеров, таких как полиэфирная смола, полиуретан, полиакриловая кислота и эпоксидная смола, равномерно смешанных с пигментами и добавками. Порошковые покрытия легко наносятся, часто достаточно одного слоя для выполнения требований к применению. При хорошем технологическом контроле пленочное покрытие, как правило, не имеет пор и обладает превосходной кислото- и щелочестойкостью, а также коррозионной стойкостью.
К отраслям, которые преимущественно используют порошковые покрытия, относятся производство мебели, бытовой техники и кухонной утвари, производство стальных труб, автомобильная промышленность, производство сельскохозяйственной техники, противопожарного оборудования, электротехническая промышленность и строительная промышленность.
Свойства диоксида титана
Основным компонентом диоксида титана является TiO2, который в настоящее время является наиболее эффективным белым пигментом. Благодаря высокому показателю преломления, диоксид титана обладает лучшей способностью рассеивать свет, чем другие белые пигменты, обеспечивая превосходное покрытие при нанесении покрытий.
Показатели преломления распространенных белых пигментов приведены в таблице 1. Покрытия на основе диоксида титана выполняют функцию покрытия, улучшения внешнего вида и защиты поверхностей, предотвращая ржавчину и коррозию, вызванные светом, теплом и влагой. В целом, основные функции диоксида титана в промышленности заключаются в “покрытии, улучшении внешнего вида и защите”.”
| Вещество | Показатель преломления | Вещество | Показатель преломления |
|---|---|---|---|
| Рутиловый диоксид титана | 2.71 | Основной карбонат свинца | 2 |
| Диоксид титана в форме анатаза | 2.52 | Основной сульфат свинца | 1.93 |
| Сульфид цинка | 2.37 | Сульфат бария | 1.64 |
| Оксид цинка | 2.02 | Тальк | 1.87 |
Таблица 1: Показатели преломления распространенных белых пигментов
Важная роль диоксида титана в порошковых покрытиях
При разработке рецептур порошковых покрытий сочетание смолы и сшивающего агента часто рассматривается как основной фактор, влияющий на эксплуатационные характеристики, что приводит к значительным усилиям в разработке смол и сшивающих агентов. Однако это не означает, что диоксид титана менее важен или его можно произвольно регулировать. Диоксид титана оказывает существенное влияние на производство, нанесение и свойства пленок порошковых покрытий.
В процессе производства диспергируемость диоксида титана напрямую влияет на эффективность смешивания и дисперсию расплава при экструзии, а также на производительность. В процессе отверждения поверхностные свойства диоксида титана влияют на текучесть расплава, скорость отверждения и пожелтение при перегреве.
С точки зрения характеристик пленки, диоксид титана влияет на укрывистость, блеск и устойчивость покрытия к атмосферным воздействиям. Поэтому выбор подходящего диоксида титана имеет решающее значение при разработке порошковых покрытий.
При выборе диоксида титана следует учитывать следующие свойства:
- Тип диоксида титана;
- Обработка поверхности диоксида титана;
- Распределение частиц диоксида титана по размерам;
- Значение pH диоксида титана;
- Содержание влаги в диоксиде титана.
(1) Тип диоксида титана
Коммерческий диоксид титана можно разделить на два основных типа: анатаз и рутил. Кристаллографические характеристики и физические константы диоксида титана приведены в таблице 2.
Из-за различий в химической структуре, хотя оба материала представляют собой диоксид титана, их характеристики различаются. Покрытия, изготовленные из диоксида титана в форме анатаза, склонны к образованию мелового налета под воздействием солнечного света, в то время как покрытия из диоксида титана в форме рутила обладают лучшими антимеловыми свойствами. Поэтому рекомендуется использовать диоксид титана в форме рутила.
| Свойство | Рутил | Анатаз |
|---|---|---|
| Кристаллическая система | Тетрагональный | Тетрагональный |
| Кристаллическая форма | Игольчатый | Конусообразный |
| д (мкм) | 0.2-0.5 | 0.1-0.5 |
| Относительная плотность | 4.2-4.3 | 3.8-3.9 |
| Показатель преломления | 2.71 | 2.52 |
| Твердость по шкале Мооса | 6-7 | 5.5-6 |
| Температура плавления | 1858℃ | Превращается в рутил |
| Удельная теплоемкость, кал/°C, г | 0.17 | 0.17 |
| Скорость поглощения УФ-излучения% | 90 | 67 |
| Покрытие м2/кг | 30.1 | 23.6 |
| Интенсивность тонирования (по Рейнольдсу) | 1650 | 1270 |
| Постоянная решетки | α=0,459 | α=0,378 |
| c=0,296 | c=0,95 |
Таблица 2: Кристаллографические характеристики и физические константы диоксида титана
(2) Обработка поверхности диоксида титана
Для обеспечения возможности выполнения диоксидом титана специфических функций в различных системах порошковых покрытий в процессе производства применяются различные виды обработки поверхности. Например, для улучшения диспергируемости и блеска используется гидратированный оксид алюминия (гидроксид алюминия), а для повышения атмосферостойкости — гидратированный диоксид кремния и гидратированный диоксид циркония.
Для улучшения смачиваемости и текучести используются органические средства обработки поверхности, такие как полиолы, амины или силаны. Белизна диоксида титана зависит от содержания TiO2; более высокие концентрации средств обработки поверхности снижают содержание TiO2, влияя на белизну. Поэтому для достижения большей белизны покрытий предпочтительнее использовать диоксид титана с более низким содержанием средств обработки поверхности.
Блеск покрытия зависит не только от смолы и состава, но и от обработки поверхности диоксидом титана. Обработка поверхности оксидом алюминия способствует диспергированию диоксида титана в смоляной системе, улучшая оптические свойства, такие как блеск и укрывистость. Кристалличность оксида алюминия также способствует улучшению блеска.
Для полуглянцевых или матовых покрытий можно выбрать диоксид титана с обработкой поверхности диоксидом кремния. Коммерческий диоксид титана часто имеет как обработку поверхности оксидом алюминия, так и диоксидом кремния, и подразделяется на глянцевые, глянцевые и матовые в зависимости от функциональных свойств.
Обработка поверхности диоксидом кремния может осуществляться либо путем рыхлой адсорбции, либо путем осаждения. Рыхлая адсорбция приводит к образованию рыхлой структуры поверхности, увеличению размера частиц, повышению эффективной площади поверхности и более высокой маслопоглощающей способности. Такая структура способствует улучшению покрытия сухой пленкой, предотвращая чрезмерное скопление частиц и пространственные эффекты.
Обработка осаждением предполагает плотное обволакивание частиц TiO2 диоксидом кремния, подобно шоколадной глазури. Такая плотная структура уменьшает взаимодействие активных ионов титана на поверхности TiO2 с внешними полимерами, предотвращая пожелтение, выцветание или образование мелового налета.
Таким образом, диоксид титана можно разделить на типы, устойчивые к воздействию погодных условий на открытом воздухе и внутри помещений, в зависимости от их атмосферостойкости, при этом различные области применения показаны на изображениях ТЭМ на рисунке 1.
Рисунок 1: Изображения диоксида титана, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ).
Свойства диоксида титана можно определить по обработке поверхности, однако для выбора подходящего диоксида титана для проектирования изделия необходимо обсудить подробные химические и структурные характеристики с техническим персоналом.
(3) Распределение частиц диоксида титана по размерам
Размер частиц диоксида титана определяет цветовой тон пленочного покрытия. Для достижения оптимальных оптических характеристик диоксид титана обычно изготавливается с размером частиц около 0,2 микрона, с распределением частиц от 0,15 до 0,3 микрона.
Более мелкие частицы рассеивают больше синего света, что приводит к “сине-белому” оттенку, в то время как более крупные частицы, как правило, имеют “желто-белый” оттенок. Зависимость между размером частиц и рассеивающей способностью показана на рисунке 2. Однако пожелтение порошка диоксида титана может происходить из-за остаточных ионов ванадия или железа, образовавшихся в результате неполной очистки в процессе производства.
Поэтому при выборе конкретного цветового тона порошковых покрытий следует обращать внимание на размер частиц и распределение диоксида титана. Помимо диспергируемости, размер частиц также влияет на укрывистость, как показано на рисунке 3.
(4) Значение pH диоксида титана
Значение pH диоксида титана, как правило, оказывает более существенное влияние на покрытия на водной основе, воздействуя на эффективность диспергаторов и загустителей. В порошковых покрытиях значение pH следует учитывать, исходя из концентрации свободной кислоты в смоле или типа используемого ускорителя.
В процессах с кислотным катализом диоксид титана с высоким pH может нейтрализовать катализатор, что приводит к неполному отверждению и снижению твердости пленки. Диоксид титана с низким pH может ускорить кислотный катализ, вызывая переотверждение и дефекты поверхности. Обычно рекомендуется значение pH 7-8.
(5) Содержание влаги в диоксиде титана
Порошок диоксида титана способен адсорбировать влагу из окружающей среды, увеличивая содержание влаги в нем. Высокое содержание влаги может привести к плохому диспергированию, снижению текучести, засорению трубопроводов и дефектам поверхности, таким как складки, точечные отверстия и «рыбий глаз» на пленочном покрытии.
Степень адсорбции влаги зависит от концентрации средств для обработки поверхности; как правило, более высокие концентрации этих средств увеличивают адсорбцию влаги. Поэтому крайне важно контролировать температуру и влажность в складском помещении. Рекомендуемая температура на складе — ниже 27°C, а относительная влажность не должна превышать 751°C. Для предотвращения “пылевых бурь” необходимо улучшить вентиляцию, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха и снизить концентрацию пыли в помещении.
Влажность порошков, включая диоксид титана и наполнители, не должна превышать 0,51ТП3Т.
4. Методы оценки пригодности диоксида титана для порошковых покрытий
Как и другие сырьевые материалы, диоксид титана не может удовлетворить всем проектным требованиям. Он может обладать превосходными свойствами в одних областях, но при этом оказывать негативное воздействие в других. Поэтому при выборе диоксида титана необходимо учитывать характеристики продукта.
Оценка пригодности диоксида титана обычно делится на три основных параметра:
- Свойства порошка: распределение по тонкости помола, текучесть порошка и гелеобразующая способность.
- Оптические характеристики покрытия: цвет, укрывистость, блеск (20°, 60°) и пожелтение при перегреве.
- Механические свойства покрытия: твердость, устойчивость к растворителям, гибкость и ударопрочность.
5. Заключение
При разработке рецептуры порошковых покрытий часто вносятся корректировки в зависимости от различных требований. Базовая рецептура обычно включает смолу, сшивающий агент, пигмент, наполнитель и другие добавки. Диоксид титана является важным компонентом порошковых покрытий.
Цель данной статьи — предложить иной взгляд на исследования и разработки в области лакокрасочных материалов и диоксида титана. Она представляет собой ценный источник информации для производства диоксида титана, разработки новых продуктов на его основе, а также применения диоксида титана в порошковых покрытиях.
