二氧化鈦顏料的結(jié)晶顆粒(原級(jí)粒子、一次粒子)是很細(xì)的，金紅石型的平均粒徑約0.17~0.24μm，銳鈦型的平均粒徑約0.14~0.16μm，所以它們的表面積很大。經(jīng)計(jì)算粒徑為0.2μm的球形金紅石型二氧化鈦粒子的比表面積為7m2/g,與公認(rèn)的未處理二氧化鈦顏料的實(shí)際數(shù)值相接近，一般市售工業(yè)用二氧化鈦1g的表面積可達(dá)7~30m2，0.906kg(2磅)表面積為15m2/g的二氧化鈦[相當(dāng)于4.546dm3(1加侖)油漆中的二氧化鈦的數(shù)量]的表面積幾乎達(dá)到21.2畝(3.5英畝)，通常門(mén)窗上所用的白色有光漆，1cm2中含有大約300億個(gè)二氧化鈦分子，在這樣大的表面積上結(jié)合的自由能是相當(dāng)大的，一般為數(shù)百至數(shù)萬(wàn)10-3N/m.
根據(jù)DLVO理論，按照膠體化學(xué)的觀點(diǎn)，分子間的力主要分為引力和雙電層所產(chǎn)生的斥力，鄰近粒子間的引力主要是范德華引力和牛頓引力。由于這些力的作用，使相鄰不同表面的分子互相靠近在一起，因而自發(fā)地縮小了粒子間的表面積和單位面積內(nèi)自由能的數(shù)量，表面張力變大，于是二氧化鈦就會(huì)從一個(gè)分散體系自然而然地變成個(gè)絮凝體。這時(shí)除了有一個(gè)較高的ζ電位，或者在這些粒子周?chē)幸粋�(gè)吸咐保護(hù)層，才能防止其進(jìn)一步絮凝，這涉及到顏料表面被液體所濕潤(rùn)的程度，也就是說(shuō)濕潤(rùn)力要大到能夠打破固體粒子間的凝聚力，或液-固界面上的自由能要比固-固界面上的自由能小時(shí)才能分散。
當(dāng)二氧化鈦顏料在載色劑中研磨分散時(shí)，首先看到顏料粉末附集漂浮在載色劑上面，然后浸沒(méi)，接著被分散開(kāi)來(lái)，這一過(guò)程實(shí)際上是顏料表面的空氣和水被載色劑置換，顏料顆粒之間被充分濕潤(rùn)，顆粒的濕潤(rùn)代替了顏料與空氣、顏料與水、顏料與顏料粒子之間的界面，從而也縮小了這些界面上的自由能。研磨過(guò)程實(shí)際上聚集體和絮凝體的分散過(guò)程，隨著研磨輸入的能量，又增加了新的表面，因此顏料聚集體和絮凝體要在液體中完全分散，首先必須要充分濕潤(rùn)，其次才能很好地分散開(kāi)來(lái)。
固體能否在液體中很好的濕潤(rùn)以及濕潤(rùn)的程度，可以根據(jù)接觸角的大小來(lái)判斷，接觸角越小濕潤(rùn)的程度就越好，接觸角為零表示完全濕潤(rùn)、接觸角為180°表示完全不濕潤(rùn)。其次降低液體的沾度有利于液體向聚集體內(nèi)部滲透，但是純二氧化鈦是一種親水性的粉末，在水中的接觸為零，因此用接觸角來(lái)比較其在水中的分散程度就不太適合。除此以外還可以用固體浸漬在液體中所產(chǎn)生的濕潤(rùn)熱來(lái)表示，顏料中既有像二氧化鈦那樣極性高的固體，又有像酞菁藍(lán)和炭黑那樣極性低的固體;液體中有像水那樣極性高的液體，也有像庚烷那樣極性低的液體，一般極性高的固體在極性高的液體中濕潤(rùn)熱大，在非極性液體中濕潤(rùn)熱小，而極性低的固體無(wú)論在極性高或極性低的液體中(水除外)濕潤(rùn)熱大致相同。因此濕潤(rùn)熱不僅能定量的表明顏料的濕潤(rùn)程度，百且還能評(píng)介顏料的極性，表1為二氧化鈦在不同介質(zhì)中的濕潤(rùn)熱。
表1 二氧化鈦和石墨化炭黑的濕潤(rùn)熱
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液體
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濕潤(rùn)熱(25℃)/10-3N/m
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液體
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濕潤(rùn)熱(25℃)/10-3N/m
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金紅石型TiO2
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石墨化炭黑
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金紅石型TiO2
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石墨化炭黑
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水
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550±18
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32.6±6.1
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正丁胺
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330±40
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106±2
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甲醇
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426±11
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102±2
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乙醇
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397±3
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110±4
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已烷
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135±1
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103±3
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正丁醇
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410±1
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114±5
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辛烷
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140±5
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127±0
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除濕潤(rùn)熱外，還可用濕潤(rùn)值(WV)來(lái)表示：
從上式可知WV與表面張力(γ)、接觸角(cosθ)和密度(ρ)成反比，P為常數(shù)它取決于粒徑、粒徑分布和顆粒的形狀，金紅石型二氧化鈦在甲苯中的WV=1.2~1.21Ml/g.
表面自由能=表面積×表面張力，根據(jù)上式要降低表面自由能，用降低表面積的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)顯然是行不通，因?yàn)檫@樣就要增大顏料顆粒的粒徑來(lái)縮小表面積，與所需要的顏料性能恰恰相反，而表面張力與晶體珠構(gòu)造、分散介質(zhì)的性質(zhì)和顏料的表面性質(zhì)三者有關(guān)，改變晶體的結(jié)構(gòu)并不容易。
一般未經(jīng)表面處理的二氧化鈦表面積較小，經(jīng)過(guò)表面處理的二氧化鈦表面積較高，吸油量也較高，表2是經(jīng)過(guò)Al2O3、SiO2、TiO2表面處理后的表面積的變化。
表2 TiO2的表面處理與表面積
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顏料
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粒徑/μm
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表面積(計(jì)算)/m2/g
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表面積(BET法)
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未處理/m2/g
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處理后/m2/g
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1
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0.21
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6.8
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7.2
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13.8
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2
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0.17
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8.5
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9.0
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13.2
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3
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0.22
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6.5
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7.1
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14.2
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4
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0.26
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5.5
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6.2
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11.4
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顏料的濕潤(rùn)很費(fèi)時(shí)，因?yàn)榭諝獾闹脫Q發(fā)生在暴露在外表的顆粒表面上，因此細(xì)粒子的濕潤(rùn)更慢，這可以通過(guò)添加表面活性劑(濕潤(rùn)劑)來(lái)解決，表面活性劑吸附在液-固界面上，有助于降低表面張力，提高濕潤(rùn)性，常用的濕潤(rùn)劑有：烷基酚聚乙烯醚、烷基萘磺酸鈉、二烷基丁二酸鹽、土耳其紅油、三乙醇胺、單乙醇胺、二氨基二甲基丙醇、聚乙烯醇、羥甲基纖維素、聚丙烯酸鈉、硅酸鹽、多磷酸鹽等。
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