二氧化鈦( TiO2 )具有優異的白度、耐候能力、遮蓋力及化學安定性，為目前最為廣泛應用的白色微粉之一，常用於塗料、油墨。近年講求環保、效率與個性化的數位印刷產業成長快速。白色噴印墨水對於安定且不沉降性極為要求，其關鍵點在二氧化鈦粉體的分散安定技術。本篇探討 TiO2 微粒研磨分散技術，從理論機制到實驗試作，目前已批次生產 TiO2 平均粒徑 185 nm、含量 40 wt% 之 UV 白色漿料，並可客製化配製為各種應用之 UV 噴印白色墨水，提供業界試用及應用，共同建立台灣高值化噴印產業技術。
分散安定機制
粉體安定化分散是製造粉體分散液及其墨水的核心技術。在一個分散體系中，基本上含有粉體、溶媒與分散劑，分別代表分散相、連續相和分散相/連續相的界面。把粉體均勻地分佈在連續相中，以得到安定的分散液，與粉體、分散劑、溶劑三者的性質及其相互間的作用有關；因此，如何篩選彼此之間匹配性適當的粉體、分散劑、溶劑，決定了整個分散體系的安定性。尤其在分散過程中，當粉體粒徑小至奈米尺度後，比表面積及表面能顯著增大，微細顆粒相互團聚或絮凝的趨勢明顯增強。而對於TiO2 粉體來說，高密度( 3.96 g/cm3 )、高相互吸引力( Hamaker Constant = 43 )、大比表面積( 10.66 m2/g )，增加 TiO2 粉體分散的難度。
高分子分散劑
防止粉體絮凝的途徑有兩種，一種是增加能障的高度；另一種是防止顆粒互相接近，使它們不能接近具強大吸引力的範圍。本研究以UV硬化系統為主，故以透過高分子分散劑立體障礙為主要安定機制。為了有效利用空間位阻，獲得良好的分散體系，要注意下列幾點。①吸附層越厚越好，所以高分子比小分子界面活性劑好。②粒子吸附高分子的錨鏈節在溶劑中，若是可溶的是較不好，但伸展鏈節在溶劑中，則是以可溶的較好。③為獲得厚的吸附層，要注意吸附形態，鏈的伸長要適當，即對溶劑的溶解度要適當為佳。
圖一、高分子分散劑與粉體表面吸附之示意圖
二氧化鈦表面組成與性質分析
本研究探討兩支商品 TiO2 粉體研磨分散過程，其晶體結構皆屬金紅石結構，特性量測如表一，SEM 照片如圖二。工業二氧化鈦顏料的平均原級粒子大小在 0.15~0.35μm 左右，由於 TiO2 微粒具高相互吸引力，聚集在一起的粒子間結合力強，因此在 TiO2 微粒分散安定化採用分散劑濕式包覆，造成立體空間阻礙以維持其分散安定，工業上一般採用濕式珠磨機研磨分散 TiO2 粉體。
粉碎/分散基礎理論
粉碎基礎理論包括給定應力下的顆粒斷裂物理學；變形和破碎在內的顆粒破碎狀態；層或床中受力顆粒的衝撞；新增表面特性等等。粉碎操作的完成取決於物料的流動和受力現象，物料必須流到機內一些區域受力而破碎，這些區域被稱為有效區，它僅占整個粉碎機腔內的一部分，如在珠磨機中，物料僅在兩磨球間受力，因此該接觸區就是有效區；應力強度可由施加於有效區內物料的單位品質的能量來表徵；且取決於各種參數。
實驗與試量產
圖十為工研院材化所利用立式奈米珠磨機，研磨分散兩支 TiO2 粉體含量 40wt% 之分散液得到之平均粒徑( D50 )與研磨時間之關係，由圖中可知，當研磨時間超過 3 hr以上時，可以得到 Dz 粒徑小於 190nm 之 TiO2 分散液。將此條件換算成比能量( Em )公式，放大研磨容量至現場臥式珠磨機（圖四），進行 10 kg級 UV TiO2 分散液研磨分散試量產製程條件探討與製程能力分析。製程能力分析是依據……以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、TiO2分散液 C1與 R1之研磨時間與平均粒徑(D50)關係
作者：段啟聖、張信貞 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」360期，更多資料請見下方附檔。