顏料是一種有色的細顆粒粉狀物質(zhì)，一般不溶于水，能分散于各種油、溶劑和樹(shù)脂等介質(zhì)中。顏料的應用十分廣泛，各種有顏色的產(chǎn)品基本都添加了顏料。顏料有幾個(gè)重要的指標，分散性、著(zhù)色力、遮蓋力、吸油量等，吸油量表示100 g顏料完全達到潤濕狀態(tài)時(shí)所需要油的最低量。吸油量是顏料粉末與展色劑之間相互關(guān)系的體現，它不僅體現了顏料粉末與展色劑之間的混合比例、潤濕程度、分散性能，也關(guān)系到涂料的配方和成膜后的多種性質(zhì)。

    對于溶劑型涂料、塑料等領(lǐng)域，高吸油量會(huì )使基料的應用大大增加，產(chǎn)生增稠等現象，因此高吸油量在這些領(lǐng)域會(huì )造成很多弊端。但是在平光乳膠漆等領(lǐng)域，為了實(shí)現高的干遮蓋力，必須使用吸油量大的顏料才能滿(mǎn)足要求。在這些領(lǐng)域，通常會(huì )使用表面進(jìn)行高量疏松狀硅處理的鈦白粉，這些鈦白粉的吸油量通常為35，甚至40以上。

    目前，國內外對于鈦白粉吸油量的研究還處在初期階段。唐振寧研究了鈦白粉吸油量的測定及應用，考察了粒子的粒徑、粒度分布和顆粒性狀對吸油量的影響，并研究了吸油量與顏料體積濃度(PVC)的關(guān)系；金斌對金紅石型鈦白粉吸油量的增減趨勢進(jìn)行了研究，主要從研磨量、研磨時(shí)間、包膜工藝等方面系統地研究了吸油量的影響因素，并結合實(shí)際闡述了降低吸油量的方法；都紅濤等研究了填料用氫氧化鋁吸油量的測定方法，并對粒徑、溫度、時(shí)間等因素進(jìn)行了研究。

    雖然上述研究都闡述了影響吸油量的幾個(gè)因素，也給出了控制吸油量的幾個(gè)措施，但是都沒(méi)有給出一個(gè)定量的關(guān)系來(lái)說(shuō)明影響的程度，也沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗研究為吸油量確定一個(gè)合理的計算公式。因此，本研究從粒徑分布、顆粒形狀和二氧化鈦含量3個(gè)方面展開(kāi)，并根據試驗結果給出一個(gè)合理的計算公式以實(shí)現吸油量的定量計算。

    1試驗原料與方法

    1.1原料及設備

    本試驗原料為粒徑分布、顆粒形狀和二氧化鈦含量不同的金紅石型鈦白粉，均由山東道恩鈦業(yè)有限公司提供。型號為R-2195(硅鋁包膜)和R-2295(鋯鋁包膜)。

    APA2000粒度儀：德國馬爾文公司：Phenom pro專(zhuān)業(yè)版掃描電鏡：復納科學(xué)儀器有限公司；S8 TIGER X射線(xiàn)熒光儀(測試含鈦量)：BRUKER公司。

    1. 2吸油量的測定取5 g待測樣品，置于干凈的磨砂玻璃板或大理石板上，滴加精制亞麻仁油，用調刀充分擠壓混合，前期每次可滴加10滴甚至更多，以后每次滴加1滴，當顏料被潤濕成不破裂、不分散，能被調刀刮起的膏狀物時(shí)即達到充分潤濕的終點(diǎn)，此時(shí)記下所用亞麻仁油的量，并折合成100 g待測樣做好記錄。測試須在15～20 min內測量完畢。由于吸油量測量是手工操作，為減小誤差，測量時(shí)進(jìn)行3～5次平行測量，取算術(shù)平均值作為最終值。

    2試驗結果與分析

    2.1粒徑分布對吸油量的影響粒徑分布是影響

    吸油量的一個(gè)重要因素，選取5種鈦含量和形狀顆粒相同，粒徑不同的鈦白粉(粒徑分布見(jiàn)圖1及表1)進(jìn)行試驗，每個(gè)樣品進(jìn)行3～5次平行測試，結果取平均值(若多次結果相差很大，則繼續測試，舍去相差較大的數據)，考察粒徑分布對鈦白粉吸油量的影響，結果如圖2所示。

    從圖1可以看出，試樣1到試樣5粒徑分布越來(lái)越廣，粒徑越來(lái)越大。為了使粒徑分布更加數字化，引入D10、D50、D90 3個(gè)指標。D50表示1個(gè)樣品的累計粒徑分布百分數達到50%時(shí)所對應的粒徑。它的物理意義是粒徑大于它的顆粒占50%，小于它的顆粒也占50%，D50也叫中位粒徑或中值粒徑，常用來(lái)表示粉體的平均粒徑。D10和D90表示的意義與D50相似。通過(guò)檢測以上5個(gè)樣品的粒徑分布，具體數據如表1所示。

    由圖2可以看出，隨著(zhù)粒徑的增大，鈦白粉的吸油量逐漸減小。出現這種現象的原因主要與鈦白粉的比表面積有關(guān)，單位質(zhì)量的鈦白粉粒徑越小，其比表面積越大，亞麻仁油主要是包裹在鈦白粉顆粒的表面，較大的比表面積容易吸附更多的亞麻仁油，因此小粒徑的鈦白粉吸油量較大。

    2.2顆粒形狀對吸油量的影響顆粒形狀是影響吸油量的又一個(gè)重要因素，鈦白粉中的顆粒形狀按長(cháng)徑比的不同可分為球狀、桿狀和層狀。一般長(cháng)徑比大于3∶1即為桿狀，小于3∶1為球狀。但是這種區分方法只能針對橫截面為類(lèi)正方形或類(lèi)球形的顆粒，對于橫截面為不規則或扁長(cháng)方形的顆粒，如層狀顆粒，就不能單純用長(cháng)徑比來(lái)表示。本研究引入三維比這個(gè)量來(lái)形象地表示立體顆粒的形狀，三維比即立體顆粒的長(cháng)寬高比值，3個(gè)數相差越小，越接近球形或正方體型。比值3個(gè)數中任意2個(gè)數的平均值與第3個(gè)數之比即為一個(gè)長(cháng)徑比，通過(guò)3個(gè)長(cháng)徑比就能初步得到一個(gè)顆粒的大體形狀。如三維比為5∶2∶1的顆粒大體表現為一個(gè)層狀結構。圖3展示了3種不同形狀的顆粒，A顆粒的三維比為1.2∶1∶1，B的三維比為8∶1∶1，C的三維比為9∶7∶1。很明顯，A為球狀顆粒，B為桿狀顆粒，C為層狀顆粒。實(shí)驗測量了這3種顆粒形狀的鈦白粉的吸油量，結果如表2。

    從表2可知，層狀顆粒的吸油量最小，球狀次之，桿狀顆粒的吸油量最高。這是因為3種形狀的顆粒堆積起來(lái)對空間的利用率不同，層狀顆粒的空間利用率最高，顆粒之間能有效地疊加，相對比較緊密，剩余空間很少，填充在顆?？臻g的油狀液體就較少；球狀顆粒的空間利用率次之；桿狀顆?？臻g利用率最小，其不規則的排列使很多顆粒起到支撐效果，剩余空間大大增多，填充的油狀液體就增多，吸油量升高。

    2.3二氧化鈦含量對吸油量的影響鈦白粉的主要成分是二氧化鈦，其對吸油量的影響不容忽視。研究選取有代表性的幾組鈦白粉進(jìn)行吸油量測定，樣品中除二氧化鈦以外的成分主要是硅和鋁，硅鋁的包膜量按1∶2包膜，除此之外其他雜質(zhì)種類(lèi)和含量保持一致。二氧化鈦含量對吸油量的影響，結果如圖4所示。

    由圖4可以看出，吸油量與二氧化鈦含量呈比較明顯的線(xiàn)性關(guān)系，即隨著(zhù)二氧化鈦含量的增加，吸油量逐漸減少。產(chǎn)生這種現象的原因主要有2個(gè)，一是二氧化鈦是親水性的，二氧化鈦的增加必然會(huì )引起吸油量的減少；另一方面，二氧化鈦的增多導致鈦白粉中其他物質(zhì)減少，包括硅、鋁等水合物，由于硅、鋁等水合物大都是親油性物質(zhì)，它們的減少也會(huì )導致吸油量的減少。

    3吸油量理論與計算

    關(guān)于顏料是如何被油潤濕的，現階段主要存在包裹理論、填充理論和吸附理論3種解釋。

    3.1包裹理論吸油量包裹理論是指當顏料與油混合后，油會(huì )均勻包裹在顏料顆粒的表面，使顏料顆粒之間形成一層油膜，彼此之間粘附在一起形成膏狀物質(zhì)。此理論使用范圍比較窄，主要適用于顆粒形狀比較均勻、粒徑分布比較集中且包膜量比較少的情況。當亞麻仁油包裹在顆粒表面時(shí)通常是多層包裹，包裹層數視測量過(guò)程而定。其計算如式(1)。

    吸油量(OA)=a1 d1 n1 n2ρπr2式(1)

    式(1)中，a1—矯正系數，0.5≤a1≤1.5；

    d1—單個(gè)亞麻仁油分子厚度，cm；

    n1—包裹分子層數，2≤n1≤20；

    n2—100 g鈦白粉含有原級粒子(鈦白粉團聚顆粒)個(gè)數；

    ρ—油的密度，通常為亞麻仁油，密度為0.935 g／cm3；

    r—顆粒的平均粒徑，可用D50代替。

    此公式的計算值與實(shí)際值會(huì )有一定的誤差，通常只用于理論計算、研究物質(zhì)性質(zhì)等，也可為鈦白粉的研究提供初步的數據，并不作為吸油量的實(shí)際計算值。

    3.2填充理論吸油量填充理論是基于空間占有率的研究，其含義為當鈦白粉松散堆積時(shí)，顆粒之間會(huì )產(chǎn)生很大的縫隙與空間(空間利用率不是100%)，滴入亞麻仁油時(shí)會(huì )由于毛細現象，亞麻仁油會(huì )填充在顆粒之間的空間當中，直到空間被充滿(mǎn)，從而產(chǎn)生吸油。這種理論的興起與顆粒的形狀呈直接關(guān)系，因為顆粒的形狀關(guān)系到空間占有率。最簡(jiǎn)單的堆積方法就是等徑球的最密堆積方法，假設顆粒都是大小相等的標準球形，其空間占有率最高的堆積方式是按ABABAB和ABCABCABC形式的hcp和ccp堆積方法，這兩種方式的空間占有率最高，都為7405%。由于鈦白粉顆粒不都是標準的球形，絕大部分是桿狀和層狀，這就導致了空間利用率的變化。由填充理論演變的公式如式(2)。

    吸油量(OA)=a2ρ(V-100／ρ1)式(2)

    式(2)中，a2—矯正系數，根據顆粒形狀而定，0.5≤a2≤2.0；

    ρ—油的密度，通常為亞麻仁油，密度為0.935 g／cm3；

    V—100 g鈦白粉的松散體積，cm3；

    ρ1—二氧化鈦的密度，1.5≤ρ1≤3.8g/cm3。

    層狀顆粒的空間利用率高，0.5≤a2≤1.0；桿狀顆粒的空間利用率最低，1.5≤a2≤2.0；球狀顆粒的矯正系數滿(mǎn)足1.0≤a2≤1.5。純二氧化鈦的密度為3.8～4.3 g／cm3，由于進(jìn)行了表面處理，在鈦白粉表面包裹了水性氧化物，其密度會(huì )相應的減少，其實(shí)際密度為1.5 g/cm3≤ρ1≤3.8 g/cm3。此公式的計算值與實(shí)際測量值相差很小，基本可以代替實(shí)際值，有一定的應用價(jià)值。

    3.3吸附理論正如帶電體能吸附微小輕質(zhì)物體一樣，亞麻仁油也能選擇性地吸附在親油性的介質(zhì)上。吸附理論是基于鈦白粉顆粒的表面性質(zhì)而建立的，純二氧化鈦是親水性的，包膜劑則多為親油性。當表面是親水性時(shí)，吸油量就??；當表面是親油性的，吸油量就大。鈦白粉中二氧化鈦含量高，包膜劑含量就少，表面呈親水性，吸油量就??；反之，二氧化鈦含量低，包膜劑的含量就多，表面呈親油性，吸油量就多。根據這一理論衍生出的吸油量計算公式如式(3)。

    吸油量(OA)=a3C1+a4 C2式(3)

    式(3)中，a3—二氧化鈦矯正系數，0.5≤a3≤1.5；

    C1—二氧化鈦含量，%；

    a4—包膜劑矯正系數，-0.3≤a4≤1.5；

    C2—包膜劑含量，%。

    式(3)的應用價(jià)值比較大，完全可以通過(guò)計算來(lái)確定吸油量的大小，但缺點(diǎn)是a3、a4 2個(gè)系數隨著(zhù)包膜種類(lèi)和數量的變化而變化，計算之前需做大量的吸油量試驗來(lái)確定這2個(gè)系數的取值。對于同一類(lèi)產(chǎn)品(包膜劑種類(lèi)不變，數量呈微小波動(dòng)趨勢)，可在前期通過(guò)大量吸油量檢測數據確定系數的大小，再根據公式計算吸油量。C1、C2值的和是100，a4為包膜劑矯正系數，通常情況下為正值，只有在包膜劑親水性能很強的情況下才取負值，一般取值范圍為1.0～1.5。

    3.4綜合理論多數情況下，鈦白粉的顆粒粒徑、顆粒形狀以及顆粒的表面性質(zhì)均會(huì )影響其吸油量的大小，也就是說(shuō)，當一種鈦白粉與亞麻仁油混合時(shí)有包裹理論、填充理論和吸附理論同時(shí)參與作用，共同決定吸油量的大小。因此，用綜合吸油量來(lái)表示鈦白粉真實(shí)吸油量的大小更為確切，如式(4)。

    綜合吸油量(OA)=λ1a1 d1 n1 n2ρπr2+λ2 a2ρ(V-100／ρ1)+λ3(a3C1+a4 C2)式(4)

    式(4)中，λ1、λ2、λ3分別表示包裹理論、填充理論和吸附理論在吸油量的測試中占有的比例，3個(gè)系數的和為1。

    式(4)雖然精確，但是需要確定的系數太多，計算起來(lái)相當麻煩，實(shí)用性大大降低。

    式(1)～式(4)皆為本公司課題組根據近萬(wàn)條生產(chǎn)數據總結得出，并已驗證公式的準確性，而且在多個(gè)鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)得到推廣應用。

    3.5理論與實(shí)測值對比為了驗證上述4種理論的可行性，隨機選取3種不同的樣品進(jìn)行測試，并根據式(1)~式(4)進(jìn)行計算，樣品信息(表3)和對比結果(表4)如下。

    從表4的對比結果可以看出，以4種理論公式計算得出的吸油量值都比實(shí)測值高，其中，包裹理論的計算值比實(shí)測值高0.7左右；填充理論的計算值比實(shí)測值高0.7左右；吸附理論的計算值比實(shí)測值高0.5左右；綜合理論的計算值比實(shí)測值高0.2左右。所以，綜合理論比較接近實(shí)測值，但是綜合理論的參數確定比較麻煩，計算量比較大。

    4結語(yǔ)

    (1)吸油量與鈦白粉的粒徑分布、顆粒形狀和二氧化鈦的含量有關(guān)系，這3個(gè)因素的影響分別可以用包裹理論、填充理論和吸附理論來(lái)解釋。

    (2)粒徑分布是影響吸油量的重要因素，粒徑越小、分布越窄，吸油量越高，這主要是由于亞麻仁油吸附在鈦白粉的表面導致，粒徑越細，比表面積越大。

    (3)顆粒形狀是影響吸油量的又一個(gè)因素，層狀顆粒吸油量最小，球狀次之，桿狀顆粒吸油量最大，這是由于亞麻仁油填充顆粒間的空間所致。

    (4)二氧化鈦含量也能影響吸油量的大小，二氧化鈦含量越高，吸油量越小。這是因為，二氧化鈦是親水性的，能減少油的吸附。