二氧化钛表面涂层的研究

一、介绍

二氧化钛（TiO₂）是一种白色颜料，为重要的工业材料，广泛用于涂料、油墨、造纸、合成纤维甚至化妆品行业。经常被用于涂层、反射剂或光的散射/吸收，但它具有光敏性是一个明显的缺点，也就是说，当它受到光的作用时，在其表面会释放出一个电子，该电子可能会对周围的材料造成化学损伤。由于这个原因，二氧化钛颗粒通常覆盖着一些其他氧化物的薄涂层，如氧化硅、氧化铝或氧化锆或它们的组合。

二、使用美国Colloidal Dynamics公司的Zeta电位分析仪 ZetaProbe 进行滴定

我们可以通过酸碱滴定来识别外涂层，以确定 Zeta 电位变为零的位置。这个点称为等电点（即 IEP），对于表面洁净的二氧化钛，它的IEP的pH约为6，二氧化硅的IEP的pH约为2，氧化铝的IEP 的pH约为9。

图1显示了无涂层二氧化钛的zeta电位与pH值的关系曲线。用ZetaProbe进行酸碱滴定可以在半小时内获得这样的曲线。

图1. 无涂层二氧化钛的滴定曲线

在无涂层覆盖的情况下，等电点为pH6.2。图2显示了二氧化硅涂层样品的滴定曲线。IEP 已转移到典型的二氧化硅表面非常低的值。

图2. 覆盖二氧化硅涂层的二氧化钛的滴定曲线

三、遵循涂层工艺

图2的滴定曲线与纯二氧化硅颗粒的滴定曲线相同。显然，在这种情况下，涂层足够厚，可以完全掩盖下面的二氧化钛。涂层必须有多厚才能完全覆盖，如果涂层较薄会发生什么？

下图中的数据提供了第二个问题的答案。在本例中，AcoustoSizer IIx 用于跟踪氧化铝涂层在二氧化钛颗粒上的沉积。在这个实验中，逐渐增加铝的量（如氯化铝或硝酸铝）加入到二氧化钛溶胶中。每次添加后（在低pH值下），pH值升高，导致Al3+离子水解并以氧化物或氢氧化物的形式吸附在颗粒表面。最初的二氧化钛是无涂层的，其IEP 的pH值约为5。当涂层完成时，即IEP的pH已上升到 9.1，这是氧化铝覆盖表面的一个特征值。

图3. 用氧化铝涂覆二氧化钛

Djedjev等人结合了美国Colloidal Dynamics公司的 Zeta电位及粒度分析仪AcoustoSizer IIx、介电响应和涂层的 TEM 测试，对二氧化钛上的二氧化硅涂层进行了详细研究 [1]。他们发现，当涂层厚度小于1nm时，IEP 会下降到二氧化硅的极限值。涂层的进一步增加不会再改变滴定曲线。通过介电常数测量，确定了涂层的介电常数约为20，高于纯二氧化硅的值，作者认为这是二氧化硅涂层内有水解的迹象。

参考文献

1. Djerdjev, A. M., J. K. Beattie, O’Brien, R.W. 2005 "Coating of Silica on Titania Pigment Particles Examined by Electroacousstics and Dielectric Response." Chemistry of Materials 17 (15) 3844-9. 2005