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硅烷偶聯劑對中鉻黃顏料的表面改性 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2013-09-16 08:37:50 瀏覽次數: |
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(中國地質大學,北京/楊夢霞,索也兵,杜高翔,劉連花)中鉻黃是主要成分為鉻酸鉛的顏料,其化學組成是含量約為90%~94%的PbCrO4,外觀為淺紅黃色粉末,屬于單斜晶形,密度為5.1~6.0g/cm3,抗色滲性好。顏料分散性與流動性能的好壞是評價顏料好壞的主要因素之一,目前由于油漆行業分散設備的不斷更新,中鉻黃顏料在漆料中分散與流動性能的相對穩定提出了更高的要求,廠家生產的中鉻黃顏料在油漆中的分散性能要求也越來越高,分散性能不好直接影響到漆料的生產和質量,若中鉻黃顏料在漆料中分散性和流動性好能顯著地提高油漆產品的漆膜光澤鮮明度、著色力、機械性能、耐久性、不滲透性等,若中鉻黃顏料在漆料中分散性差,則易產生沉淀,流動性能差。提高中鉻黃顏料的分散性及流動性是提高其性能的關鍵所在。
目前, 表面改性的方法主要有: 無機包膜、有機包膜和表面活性劑處理。有機包膜中常用的偶聯劑有硅烷偶聯劑和鋁-鋯偶聯劑等。本文所用3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)是一種硅烷偶聯劑,可用于改性一些無機粉體改善其分散性、流動性能等等,并提高其在有機聚合物基體中的應用性能。本文通過測定改性處理前后粉體的吸油量及流動性、沉降時間等指標,對其改性效果進行了初步評價,并通過FTIR、SEM分析對改性機理進行了初步分析表征。
1 實驗部分
1.1 原料及儀器設備
1.1.1原料:中鉻黃,河北佳彩化工有限責任公司;硅烷偶聯劑(KH550),南京長虎化工有限公司;亞麻油,錫林郭勒盟紅井源油脂有限責任公司。
1.1.2儀器設備:數顯恒溫水浴鍋,江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;電熱鼓風干燥箱,北京中興偉業儀器有限公司;電子天平,上海精密科學儀器有限公司;磁力加熱攪拌器,常州國華電器有限公司;PE983Gfourier紅外分光光譜儀,(Fourier transform infrared microscope),FTIR,美國PERKIN ELMER;JSM-6701F冷場發射型掃描電鏡,(The ice scanning electron microscopy),SEM,日本電子株式會社。
1.2 樣品制備
稱取50g中鉻黃放入500mL的三口燒瓶中,置于85℃恒溫水浴鍋中攪拌預熱約10min后,稱取相應質量的硅烷偶聯劑KH550(加入的量分別為0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,3.0%)在300r/min低速攪拌中的情況下逐滴加入中鉻黃中。然后將攪拌器轉速調至1500r/min攪拌反應50min后,取出得改性中鉻黃,在烘箱中干燥后進行一系列的表征實驗。
1.3 測試
1.3.1吸油量測定方法:稱取一定質量(1g)的樣品于玻璃板上,用抹子研磨均勻后,用注射器加3~4滴亞麻油,用抹子不斷進行翻動研磨5min,重復滴加亞麻油研磨,起初試樣呈分散狀態,后逐漸成團直至全部被亞麻油所潤濕,所有樣品都快要積聚成團時,每次加一滴亞麻油,研磨5min,至最后一滴時,所有樣品均能粘接于抹子上,整個測定過程需約20-30min。吸油量=(滴加油之前注射器的質量m1-滴加油之后注射器的質量m2)/樣品的質量(m=1g)
1.3.2流動性測定方法:稱取0.3g樣品于玻璃板上,一次性加入0.2mL亞麻油,用抹子抹勻后,觀察流動性。
1.3.3沉降時間測定方法:稱取一定質量(0.25g)改性后的樣品,倒入100mL水中用磁力攪拌器攪拌10min后,用移液管移取25mL混合液入25mL刻度試管中靜置,并開始計時,試驗沉降高度為6cm,以能看清5mL刻度為試驗終點。此一段時間即為沉降時間。沉降時間越長,表明改性后的粉體在水中的分散穩定性越好。
1.3.4紅外FTIR測試:將改性前后中鉻黃粉體和溴化鉀混合研磨,然后通過溴化鉀壓片法制得測試試樣,經紅外光譜儀進行定性分析。
1.3.5掃描電鏡測試(SEM):將少量試樣分散于乙醇溶液中,吸取少量試液,滴于硅板上用于掃描測試。
2 結果與討論
2.1 硅烷偶聯劑用量對改性效果的影響
為了考察改性處理對中鉻黃的流動性和吸油量的影響,對改性前后樣品的相關指標進行了測試。測試結果見圖1。
吸油量用來表征和評判粉體的表面改性效果的一個指標,它反應了改性前后中鉻黃顆粒的分散程度。吸油量越小,說明改性后粉體在有機物中的分散性越好。
圖1 改性劑用量對吸油量的影響
由圖1可以看出加入改性劑后中鉻黃顏料的吸油量降低,隨著改性劑的增加,吸油量逐漸減少,當改性劑用量為原料的2.5%時,吸油量由原來的30g/100g降低到21g/100g,降低率為30%。綜上所述,KH550具有良好的改性效果,但經測試其流動性能都跟原樣差不多。
2.2 改性劑用量對沉降時間的影響
對改性劑用量分別為0%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,3.0%進行了試驗,為了分析表面改性前后樣品在水中的分散穩定性,對樣品在水中的沉降時間進行了測定。實驗結果見圖2。
圖2 改性劑用量對沉降時間的影響
影響顆粒在相關基體中的沉降速度的因素有顆粒粒度及其分布、顆粒形狀、漿體固含量、顆粒表面性質、顆粒含水率、基體性質以及顆粒與基體的相容性等等。本實驗在考察改性劑用量對沉降時間的影響時,首先將試驗中的顆粒粒度及其分布、顆粒形狀、漿體固含量、顆粒含水率等因素固定,從而假設沉降時間的變化僅僅是由于顆粒表面性質的變化以及顆粒表面與水的相容性引起。而這些變化又僅僅是由于改性劑用量的變化而引起的。因此,測定改性前后樣品在水中的分散性可以定性的表征改性劑對于提高中鉻黃粉體分散性的能力。由圖2可知,經過硅烷偶聯劑KH550表面改性處理后,中鉻黃粉體在水中的分散性有很大的變化。利用KH550改性處理后,隨著改性劑用量的增加沉降時間逐漸上升,由0.5h逐漸增加到27h左右,表明利用硅烷偶聯劑KH550改性處理中鉻黃顏料粉體可以明顯提高粉體與水的相容性,提高其在水中的分散穩定性。
2.3 改性中鉻黃的FTIR分析
為了研究KH550與中鉻黃表面的作用方式,對KH550改性前后的中鉻黃樣品進行了FTIR分析,結果見圖3。
圖3 中鉻黃改性前后FTIR光譜圖
由圖3可以看出,中鉻黃和經KH550改性后在852cm-1有一強吸收峰,歸結為CrO42-的伸縮振動吸收峰,中鉻黃原料中1059cm-1處的峰經改性后峰的位置發生偏移至1064cm-1,此處吸收帶為C-O伸縮振動吸收峰,1384cm-1為C-H彎曲振動吸收峰,1602cm-1為CONH2而經改性后在1631cm-1處為(SiR3)RC=O屬于有機團體,說明改性劑很好的吸附在中鉻黃粉體表面,在1732cm-1、1734cm-1處是COOH的伸縮振動吸收峰,2323cm-1、2324cm-1處為OH的伸縮振動吸收峰,改性前在3524cm-1處有一吸收峰,為Si-OH的伸縮振動,由于硅烷偶聯劑占據原來水的位置,導致表面吸附水減少,改性后吸收峰強度變弱,以上變化更好的說明中鉻黃表面存在硅烷偶聯劑,中鉻黃與硅烷偶聯劑之間的吸附為化學吸附。
2.4 改性中鉻黃的SEM分析
為了觀察研究改性前后顆粒在干燥狀態下的分散性,對經KH550改性前后的中鉻黃樣品進行SEM分析,結果見圖4。
圖4 中鉻黃改性前后SEM圖
圖4A為改性前中鉻黃原料圖4B為經油酸改性后的中鉻黃。從圖4A中可以看出,改性前的中鉻黃雖然基本能看出其中鉻黃為柱狀形狀,但團聚現象嚴重,基本上多個顆粒與顆粒之間粘接在一起,分散性很不好。由經KH550改性后的樣品圖4B可以看出,其分散性明顯提高,顆粒與顆粒之間能較為清楚地分開來,表明其改性效果好。
3結論
(1)使用硅烷偶聯劑對中鉻黃進行表面改性可改善其在干燥狀態下的分散性,吸油量由原來的30g/100g降低到21g/100g,沉降時間由0.5h增加到27h,考慮到經濟成本,其最優用量為中鉻黃質量的2.5%。
(2)經KH550 改性后的中鉻黃的紅外譜圖表明中鉻黃與KH550的表面作用方式為化學吸附,SEM表征顯示了KH550改性中鉻黃的尺度和分散性,結果表明分散性良好。
(桂林非金屬礦加工與應用技術交流會,發表于中國粉體技術雜志) |
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