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一种高光泽、高遮盖锆铝包膜钛白粉的制备及应用评价刘丽；郭会良（道恩钛业有限公司山东龙口265700）摘要：本文主要阐述了一种通用性锆铝包膜钛白产品的制备，并对其主要应用性能指标进行了评价。通过试验数据和与其它产品对比，此种锆铝包膜产品表现出明显的性能优势，适用于对白度、遮盖力、光泽度的要求高的行业。关键词：钛白粉，白度，遮盖力，光泽度，粒度ApplicationofPerformanceEvaluationofaNewZirconiumAluminumCoatedTitaniumDioxideLiuLi；GuoHuiliang(DawnTitaniumIndustryCo.,Ltd.ShandongLongkou262700)Abstract:Thispaperdescribesageneralzirconiumaluminumcoatedtitaniumwhiteproductpreparation,anditsmainapplicationperformanceevaluation.Throughthetestdataandthecomparisonwithotherproducts,thezirconiumaluminumcoatedproductsshowedasignificantadvantageinperformance,suitableforwhiteness,opacity,glossdemandingindustry.Keywords:Ttitaniumdioxide,Whiteness,Gloss,Hidingpower,Granularity0前言钛白粉是一种无毒、对身体健康无害白色颜料，占全部白色颜料使用量的80%，由于其优异的性能使其广泛应用于涂料、塑料、油墨、造纸、化纤、搪瓷等行业领域。未经表面处理的TiO2由于其自身的晶格缺陷，存在许多光活化点，在阳光尤其是紫外线照射下会造成粉化、耐候性降低及介质中分散差等缺点[1]，因此必须对其进行特定的表面处理。目前应用较多的无机包膜剂有硅、铝、锆等化合物，其中锆铝包膜是一种具有较高光泽度及中等耐候性的包膜方式，锆包膜所形成的水合氧化锆以羟基的形式牢固地键合在TiO2表面，其比表面积及表面活性大、吸附力强，能提高TiO2基体与包膜层之间的结合力，[2]同时显著掩蔽TiO2晶格表面的光活性基团，提高其光泽度和耐候性；然后再在其上包一层致密的氧化铝膜，氧化铝膜能够反射大部分紫外线，从而提高了抗粉化性和耐候性。二氧化钛颜料在工业中最重要的作用，在于利用它被分散到介质中的不透明性能，从而达到遮盖的效果。只有将钛白粉制备成下游产品才能对其应用进行有效评价。本文主要从钛白粉在油墨体系中的应用方面进行评价。1试验部分1.1试验原料本试验原料取自某钛白粉生产厂，为砂磨后浆料，浓度在400g/L左右。取少量试验原料进行烘干，做油相白度和X射线荧光光谱分析，分析结果见下表。表1油相白度数值Tab.1Thevalueofoilrelativewhiteness指标Lab数值95.12-1.181.71表2X射线荧光光谱分析主要数据/%Tab.1X-rayfluorescencespectroscopyKeydata/%成分TiO2ZnOK2OSiO2P2O5Fe2O3含量98.33390.33250.21710.44130.14690.0052由表2可以看出，原料二氧化钛含量高;铁含量很低，含有一定量的P、K和Zn,因为此钛白粉厂酸解采用的是高钛渣为原料，盐处理时采用锌盐处理，锌盐处理煅烧温度相对较低，产生粒子细度较软，在油墨印刷时，会减少二氧化钛团聚颗粒对油墨刮刀的损伤，P和K是加入的盐处理剂。硅含量来自于分散剂，还有一些杂质离子的含量非常小对二氧化钛的影响可忽略不计,没有一一列出,如此整个体系主要表现出二氧化钛的性质。其他试剂有六偏磷酸钠、硫酸锆、稀硫酸、稀液碱、,偏铝酸钠、硫酸铝、有机处理剂等.1.2试验设备主要试验设备有蠕动泵、3000ml烧杯、搅拌器、梅特勒-托利多pH计PE20、梅特勒-托利多电导率仪PE30烘箱、涂膜仪、梅特勒-托利多电子天平CP2102、梅特勒-托利多电子天平AL204、马尔文激光粒度分布仪APA2000、上海赛山粉体机械气流粉碎机等。1.3试验原理与方法众所周知，粒子大小控制在可见光的波长范围（0.4-0.7μm）的一半时，即0.2-0.4μm之间时，才能获得高的散射力，从而获得高的遮盖力。影响二氧化钛颜料成膜后光泽度的主要原因是他的粒径和分散性，如果二氧化钛的粒径很细，并能均匀地分散到漆料中，则涂膜平整、光滑如镜，光泽度就好，相反，二氧化钛颗粒过粗，涂膜粗糙，光泽度就会降低，并会带有其他底色，着色后色调发暗。本文介绍一种既有高光泽度又有高遮盖力的钛白粉制作方法。因为蓝色底相的钛白粉的颗粒显然更细小一些，通常来说其遮盖力也就更高一些。[3]本钛白粉厂采用微正压的外加晶种，水解控制得到粒径分布窄的产品，在煅烧时要求得到落窑品的SCX在3.0-3.5之间,油相白度L值在95.0以上。通过试验得知，研磨强度对产品的SCX影响很大，从而会影响成品的光泽度，为了能达到SCX高的要求，车间进行了砂磨机串联和旋流器。由于TiO2颗粒的粒径较小，本身呈严重的凝重状态，为了提高包膜质量，必须将其分散成单颗粒状态，才能使每个TiO2粒子表面包膜均匀，所以我们在打浆时加入硅酸钠进行分散。在无机表面处理中，只采用一种表面处理剂，对TiO2耐候性、亮度、白度等性能的提高是有限的,在生产过程中总是应用两种或两种以上的表面处理剂进行包覆[4]。我们采用了锆、铝两种表面处理剂进行包膜。锆包膜可以提高产品的光泽度和耐候性，而铝包膜不仅提高产品的分散性和耐候性，还能大量反射紫外光线从而提高产品的抗粉化性和光泽度。取经砂磨后浆料，将浆料稀释到300g/l，升温至50-60℃，在一定时间内加入计量好的硫酸锆，熟化一段时间后，调整温度在60-70℃，先加入一定量的偏铝酸钠，然后缓慢加入计量好的硫酸铝进行中和，最后用液碱将pH调节至中性。2应用性能评价用平磨仪分析白度、用透射电镜和马尔文激光粒度分布仪分析分析粒径及其分布、用反射率测定仪测定遮盖力、用光泽度仪测定光泽度。2.1白度钛白粉作为最重要的白色的颜料之一，无论运用在哪个行业，白度是必须首先考虑的。所谓“白度”就是基于目视感知而判断反射物体所能显白的程度，白度具有光反射比（明度）高和色饱和度（彩度）低的特殊颜色属性。对白度的检测也是相对概念，只需在相同的分散介质中用色差仪对分散后的试样和标样进行色差比较即可。影响到白度的因素主要有钛白粉的杂质含量，TiO2晶体中的氧缺陷和颜料粒子的粒度分布。下面是本次样品与其他三家知名企业的锆铝产品白度对比。表2油相白度值Tab.2Thevalueofwhiteoil从上表可以看出，我们锆铝样品的L*值比其他三家锆铝样品A、B、C的高一些，说明我们的产品在亮度上好一些；在a*值上我们的样品比其他样品要小一些；从b*值看，我们的样品比A大，跟B差不多，比C要小很多，由此看来，我们公司的样品能满足光反射比高，色饱和度低样品L*a*b*本次样品95.38-1.101.92A94.97-1.211.93B95.14-1.171.75C94.71-1.112.23的要求。2.2遮盖力遮盖力的光学本质是颜料和存在其周围介质的折射率之差造成的，当颜料的折射率与基料的折射率相等时就是透明的，当颜料的折射率比基料的折射率大时就出现遮盖力，两者之差越大，则遮盖力越强[5]。，遮盖力一般都是将颜料制成涂膜后检测的，对于一个固定了配方的涂料产品，其对光的散射和吸收就取决于配方中颜料粒子对光的散射和吸收。要想有高的遮盖力必须有良好的分散性，低的吸油量和窄的粒度分布。遮盖力的测定用对比率表征更能符合客户的要求。采用反射率测定仪测定在标准黑板和标准白板上干涂膜反射率之比，该比值称为对比率。对比率是以反射率测定仪定量测定的，比较科学，避免了人为误差。按照某油墨公司给的遮盖力测试方法配料，然后用反射率测定仪进行对比率测量得到的数据见下图。图1对比率测试数据Fig.1Comparisonoftestdata从上图可以看出，我们此次的样品比其他三家样品的遮盖力（对比率）都要高很多，颜料遮盖力大，单位面积内用的颜料量少，这样对于颜料的下游企业来说就会节约成本，所以我们的产品能满足涂料、造纸、油墨等要求高遮盖力的行业。2.3光泽度物体的光泽度是指物质对投射来的光线的反射能力，反射能力越强，光泽度越大。在实际应用中颜料只是涂料组分中的一种，颜料本身无光泽，涂膜才有光泽，但是在实际生产中颜料特征的影响决定了涂膜的光泽[6]。影响涂膜光泽的主要因素是颜料的粒径和颜料在基料中的分散性，颗粒细且均匀则涂膜光泽度高。按照某油墨公司给的光泽度测量方法，将颜料粒子分散到漆料中制膜、晾干，然后采用光泽度仪测得其光泽度数值。图2光泽度数值Fig.2Glossvalues从上图比较可以看出，我们的产品的光泽度比A、B两家样品分别高出20、12，仅比样品C家产品差了0.7，我们的锆铝产品在漆料中分散均匀，粒径分布窄，能够满足各行业对金红石钛白粉高光泽度的要求。2.4粒径及粒度分布粒度是指一个颗粒的大小，对于规则的球形颗粒，我们可以用“直径”来精确描述其大小，在实际的生产中，由于控制的不稳定性，绝大多数情况下颗粒形状都不是球形的，无法用直径表示，因此表示颗粒的大小时引进了“粒径”的概念。现在一般都是用统计数学的方法来计算颗粒群平均粒径的，然后分段来进行描述颗粒的大小和分布，也就是粒度分布，即颜料粉体中不同粒度区间的颗粒含量[7]。我们用马尔文激光粒度分布仪APA2000测得其粒度分布。图3粒度分布数值Fig.3Sizedistributions众所周知，遮盖力与折射率和散射率有关，但是白色颜料的折射和散射（反射）是发生在颜料与展色剂之间的界面上，界面越大其不透明度越高，因面与二氧化钛颗粒的表面积有关表面积与粒径成反比，粒径越小表面积越大[8]，其遮盖力越大。对于一定波长的入射光，当颜料颗粒大小为波长的一半时，对光的散射率最高，白度越高，由于可见光的波长为0.4μm-0.7μm，所以理论上颜料颗粒的最佳粒径为0.2μm-0.35μm。经研究证明，散射系数在粒径为0.2μm时最高，此时颜料的消色力和遮盖力最优，。粒度分布越窄，制成的涂膜表面越光滑，光泽度越高。从上图可以看出，粒度分布较为集中，绝大多数分布在0.2~0.4μm的范围内，在小于0.1μm和大于0.5μm的范围分布很少，所以产品的光泽度和遮盖力都平衡在最佳状态。2.5透射电镜分析透射电镜是分析钛白粉性能的一个重要方法,用透射电镜不仅能直观的观察出钛白粉颗粒的大小及形状,而且能清楚的看出钛白粉表面的包膜情况,是分析微观世界的有力工具。下面是利用透射电镜观察的钛白粉颗粒的情况。ACB图4电镜照片Fig.4Photosofelectronmicroscopy上述四张图中A、B为本次试验样品的TEM像，C、D为其他厂家的样品。从四张图作对照可以看出，A、B样品颗粒大小均匀，形状均一，表层光滑，多为球形，且包膜量适中，薄膜厚度基本一致，C、D样品的形状变化很大，形状不规则，包膜不稳定，薄膜出现团聚现象，不能均匀覆盖在钛白粉颗粒表面，对钛白粉的光学性质影响很大。3结论综上所述，酸解时采用高钛渣使产品中带入杂质离子少，提高了产品的白度，水解采用微正压外加晶种的水解方式能很好的控制粒径，使粒径分布在一个在的范围内，对提高产品高的遮盖力和高光泽度提供条件，采用锌盐处理，煅烧强度降低，使落窑品不至于烧结影响到产品的颜料特性。对包膜前的落窑品要求有高的SCX，其次良好的分散，加强研磨强度也是必须考虑的因素，在包膜时，致密的氧化锆、氧化铝膜提高了产品的光泽度，如此制得的产品既能达到高的遮盖力也能满足高的光泽度。从与其他三家锆铝产品的应用性能相对比可以看出，我们的产品在白度、遮盖力、光泽度、粒度分布等应用性能方面表现出