二氧化钛表面功能化及应用研究

【摘要】：二氧化钛表面处理技术已经成为二氧化钛行业最为重要的核心竞争能力。可以预期,在当前和今后相当长一段时间,二氧化钛行业的竞争在相当大的程度上将体现为二氧化钛表面处理技术的竞争。面对国际二氧化钛行业竞争加剧,而我国在二氧化钛表面处理技术方面的落后,已经使我国二氧化钛行业在国际竞争中处于十分不利的地位这一局面。本文从二氧化钛的表面无机纳米膜修饰机理,纳米膜结构对二氧化钛颜料性质影响,二氧化钛在聚酯催化中的应用等三个方面展开研究。希望本研究工作能对我国二氧化钛行业的发展提供积极的建设性贡献。 本文研究了以硅酸钠为原料,利用液相沉积法在金红石型二氧化钛表面包覆二氧化硅纳米膜。使用透射电镜分析了二氧化钛表面二氧化硅包覆膜的形貌,结合红外光谱、X-光电子能谱、Zeta电位分析技术研究了金红石型二氧化钛表面包覆二氧化硅纳米膜的成膜机理。以激光粒度测定仪分析了二氧化硅包覆二氧化钛样品在水溶液中的分散程度。研究表明,当反应温度、反应液pH值、二氧化硅包覆量较低时,二氧化钛表面形成了岛状二氧化硅包覆层；当反应温度、反应液pH值、二氧化硅包覆量较高时,二氧化钛表面形成了连续而均一的二氧化硅膜状包覆层；二氧化硅包覆层厚度随着硅酸钠与二氧化钛摩尔比的增加而增加。二氧化硅包覆层以Ti-O-Si键化学键合形式结合于二氧化钛表面。当硅酸钠与二氧化钛摩尔比大于1：75时,二氧化硅包覆二氧化钛样品的Zeta电位基本保持为-50 mV不变与纯金红石型二氧化钛的Zeta电位-24 mV相比带有更多的负电荷,在静电排斥的作用下有利于包覆样品在水中的分散。反应液pH值为9-10时,二氧化硅包覆二氧化钛样品在水中分散性优于纯金红石型二氧化钛在水中的分散性。当硅酸钠与二氧化钛摩尔比为1：15时,二氧化硅包覆二氧化钛样品在水中形成单分散。二氧化钛表面包覆二氧化硅后,提高了二氧化钛的白度、亮度及其在水中的分散性。包覆样品的光散射率与二氧化钛和二氧化硅本身性质及包覆样品分散性有关。 本文以硫酸铝为原料,利用液相沉积法在金红石型二氧化钛表面包覆氧化铝纳米膜。使用透射电镜分析了二氧化钛表面氧化铝包覆膜的形貌,通过红外光谱、X射线光电子能谱和粉末衍射分析技术研究了金红石型二氧化钛表面包覆的氧化铝纳米膜的化学组成与成膜机理。以激光粒度测定仪分析了氧化铝包膜后二氧化钛样品在水溶液中的分散程度。实验表明,氧化铝在二氧化钛表面包覆程度受反应液pH的影响,在pH=8-9的范围内,氧化铝在二氧化钛表面形成了连续包覆膜；氧化铝纳米膜以薄水铝石的形式存在；二氧化钛与包覆层薄水铝石之间形成Ti-O-Al键,使氧化铝包覆层结合在二氧化钛表面上；氧化铝包覆二氧化钛样品的包覆量随硫酸铝与二氧化钛的摩尔比的增加而增加；在二氧化钛表面包覆氧化铝可以改善二氧化钛粉体在水中的分散性,粉体在水溶液中的分散性随包覆程度提高而提高；氧化铝包覆二氧化钛样品的白度、亮度高于原料二氧化钛的白度、亮度；包覆样品的光散射率与氧化铝包覆量有关。 本文在进行二氧化钛催化聚酯反应的研究中,以硫酸法二氧化钛生产过程中二氧化钛的前驱体偏钛酸为原料,通过热处理工艺参数的调整制备一系列二氧化钛粉体；根据本论文前半部分的研究结果分别以九水硅酸钠和硫酸铝为无机包覆剂对二氧化钛粉体进行氧化硅、氧化铝包覆；用脂肪醇作为有机修饰剂分别对未进行无机包覆和无机包覆后的二氧化钛粉体进行表面修饰,制得在乙二醇体系中良好分散的二氧化钛催化剂。将所得催化剂用70升的装置进行聚酯合成实验。通过进行酯化反应动力学研究,评价该催化剂体系在聚酯合成中酯化阶段的催化活性。实验表明,催化剂酯化催化活性与粉体煅烧温度相关,高活性二氧化钛催化剂的最佳煅烧温度为600℃；酯化催化活性与二氧化钛粉体的包覆状态有关,氧化硅包覆组的酯化催化活性总体上高于氧化铝包覆组和未包覆组,主要是由于Ti02-Si02具有较强的酸性。催化剂缩聚催化活性研究发现,未包覆组明显比包覆组要高。氧化硅包覆组和氧化铝包覆组中粉体煅烧温度600℃时表现出高的催化活性。对二氧化钛粉体进行无机包覆会降低催化剂的缩聚催化活性,粉体煅烧温度也与催化剂的缩聚催化活性有一定的相关性。自制催化剂合成的聚酯样品与乙二醇锑合成的聚酯样品相比常规性能相近,热转变温度均有所升高,热稳定性较好。