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氯化法钛白粉培训材料(氧化部分)钛白粉的基础知识一、钛白粉晶体性质二、钛白粉物理性质三、钛白粉化学性质四、钛白粉光学特性课前提出的两个问题1、我们生产的钛白粉是什么晶型？有哪些特点？2、你认为钛白粉的粒度和粒度分布应该是多少？为什么？4钛白粉颜料的特性•钛白粉颜料有两种晶型，金红石型和锐钛型，其皆为四方晶型。它们具有较为理想的应用性能，其特点是：具有稳定的物理、化学性能，而且颜色纯白，颗粒细小，折射率高；分散到介质中，能够表现出较强的遮盖力和着色力，高的光泽和良好的耐候性、耐热性、耐光性。一、钛白粉的晶体性质•二氧化钛，是一种多晶体的化合物，在自然界中有3种晶体形态：金红石型、锐钛型、板钛型。•由于在自然界中板钛型很稀少，是不稳定的晶型，在650℃时转化为金红石型，因而没有工业价值。这里我们着重讨论金红石型和锐钛型的二氧化钛，它们都属于四方晶系，但具有不同的晶格。•无论是金红石型还是锐钛型，它们每个钛原子都位于八面体的中心，并且被6个氧原子环绕，但是锐钛型分子的八面体上只有两个共用边。也就是说金红石型的单体晶格，是有2个二氧化钛分子组成；而锐钛型是由4个二氧化钛分子组成。所以金红石型比锐钛型单位晶格较小而紧密，故具有较大的稳定性和相对密度较高，因此具有较高的折射率。•这两种晶型中，对光波中高能端（短波段）吸收程度是不同的，金红石型钛白粉对杀伤力较强的UV波长内（350-400nm)的紫外线的反射率要远远低于锐钛型钛白粉，这样情况下，它对成膜物、基料就可以起到很好的保护作用，能够延长有机物的使用寿命，这就是为什么金红石型钛白粉的耐候性要优于锐钛型钛白粉的原因。6锐钛型、金红石型晶格对比7R型和A型钛白粉的颗粒形状•锐钛型与金红石型钛白粉晶体具有非常不同的形状。•金红石型颗粒是块状和角状的，从而争强了它对光线散射能力。制造金红石型钛白粉的连续氧化法工艺紧密地控制了晶体的形状和大小。•锐钛型钛白粉是通过结晶化合沉淀法生产的，其结果是形成了一个由许多微小基本颗粒组成的大颗粒，从而导致了较低的密度和很不规则的形状，降低了光线的散射力。金红石型锐钛型不同光波中钛白粉的反射率反射率%•100•90•80A型R型•70•60•50•40•30紫外光谱可见光谱红外光谱•20•10•0•3004005006007008009001000•波长/nm二氧化钛的结晶特征及物理常数物性金红石型锐钛型结晶系四方晶系四方晶系相对密度4.2~4.33.8~3.9折射率2.712.52莫氏硬度6-75.5-6熔点1858℃高温时转变为金红石型沸点/K3200±300----------比热容（25℃）J/(g.K)0.710.71标准热容J/(mol.K)56.38456.890二、钛白粉的物理性质1、相对密度在常用的白色颜料中，二氧化钛的相对密度最小，同等质量的白色颜料中，二氧化钛的表面积最大，颜料体积最高。颜料名称密度/(g/cm3)颜料名称密度/(g/cm3)A型二氧化钛R型二氧化钛板钛型二氧化钛碱式碳酸铅3.8~3.94.2~4.34.12~4.236.8~6.9硫酸铅氧化锌锌钡白硫化锌6.4~6.65.5~5.74.2~4.34.0常见白色颜料的密度2、熔点和沸点•由于锐钛型和板钛型二氧化钛在高温下都会转变成金红石型，因此板钛型和锐钛型二氧化钛的熔点和沸点实际上是不存在的。只有金红石型二氧化钛有熔点和沸点，金红石型二氧化钛的熔点为1850℃、空气中的熔点(1830土15)℃、富氧中的熔点1879℃，熔点与二氧化钛的纯度有关。金红石型二氧化钛的沸点为(3200±300)K，在此高温下二氧化钛稍有挥发性。3、硬度•按莫氏硬度10分制标度，金红石型二氧化钛为6~6.5，锐钛型二氧化钛为5.5~6.0，因此在化纤消光中为避免磨损喷丝孔而采用锐钛型。4、吸湿性•二氧化钛虽有亲水性，但吸湿性不太强，金红石型较锐钛型为小。•二氧化钛的吸湿性与其表面积的大小有一定关系，表面积大，吸湿性高。•二氧化钛的吸湿性也与表面处理性质有关。三、钛白粉的化学性质•二氧化钛的化学性质极为稳定，是一种偏酸性的两性氧化物。常温下几乎不与其他元素和化合物作用，对氧、氨、氮、硫化氢、二氧化碳、二氧化硫都不起作用。也不溶于水、稀酸及弱无机酸，在某些特定的条件下与氢氟酸和浓硫酸反应，因此可以看出它的化学性质极为稳定。二氧化钛在某些碱类中的溶解度溶剂TiO2的溶解度/(mg/L)溶剂TiO2的溶解度/(mg/L)10%NaOH溶液36%NaOH溶液10%KOH溶液40%KOH溶液10%NaHCO3溶液20~2560~100300~450700~90025030%K2CO3溶液饱和KHCO3溶液饱和Na2CO3溶液饱和K2CO3溶液207000不溶300二氧化钛在某些酸类中的溶解度•钛白粉元素，能溶于氢氟酸，生成氟钛酸，其反应方程式如下：•TiO2+HFH2TiF6+H2O•在长时间煮沸的情况下，溶于浓硫酸，生成硫酸钛或硫酸氧钛，其反应方程式如下：•TiO2+H2SO4Ti(SO4)2+H2O•TiO2+H2SO4TiO(SO4)2+H2O四、二氧化钛颜料的一些重要光学性质及颜料特性1、折射率2、散射3、遮盖力4、着色力（消色力）5、白度6、光泽7、着色底相8、二氧化钛粒子大小对制品颜色的影响9、二氧化钛粒子大小和散射强度关系1、折射率•折射率是光线通过两个在光学上不同介质的界面时，光的速度发生变化而改变入射方向，产生折射，这时光线入射角α的正弦与折射角β的正弦比值(sinα/sinβ)称为折射率，又称折光指数。入射光线反射光线折射光线αβ介质A介质B•折射率随物质的化学组成、晶体结构及光的波长不同而改变。•当光射过两个折射率相同的介质时，不发生折射，这时光全部从第一种介质进入第二种介质，介质就呈现透明状态；•当光从一种折射率低的介质中射入另一种高折射率的介质时，在这两种介质的界面处，一部分光经过折射进入后一种介质，而另一部分光则在界面处发生反射，这使后一种介质变为不透明，这就起到了遮盖作用，这两种介质的折射率相差越大，这种效果就越显著。20不同折光率颜料的遮盖力示意图示高折光率颜料中，光线行进路线短，光线穿透短且大部分被反射回表面，而低折光率的颜料光线行进路线长，且部分穿透介质。高折光指数的颜料低折光指数的颜料介质折射光线颜料粒子吸收反射光线衍射光线一些常见白色颜料和基料或介质的折射率•白色颜料折射率基料或介质折射率•硅藻土1.45真空1.0000•二氧化硅1.41-1.49空气1.0003•碳酸钙1.63水1.3330•重晶石1.64聚醋酸乙烯酯树脂1.47•陶土（白土）1.65大豆油1.48•硅酸镁1.65精制亚麻仁油1.48•立德粉1.84乙烯树脂1.48•氧化锌2.02压克力树脂1.49•碱性碳酸白粉1.94-2.09桐油1.52•氧化锑2.09-2.29氧化大豆油醇酸树脂1.52-1.53•硫化锌2.37苯乙烯丁二烯树脂1.53•A型二氧化钛2.5270/15/15醇酸/三聚氰胺/尿素1.54•R型二氧化钛2.7175/25醇酸/三聚氰胺1.552、遮盖力遮盖力又称为不透明程度，是颜料的重要光学性质。是指当某一物件涂以某种涂料时，涂料中的颜料能遮盖被涂物体表面的底色，使其底色不能再透过涂料而显露出来的能力。遮盖力﹦颜料质量(g)／被涂物体的表面积（cm2）；颜料的遮盖力不仅取决于它的晶体结构、折射率和对光的散射能力，而且也取决于它对光的吸收能力。但是二氧化钛和其它白色颜料一样，由于其对光的吸收能力很小，虽然光的吸收对遮盖力有影响，但没有散射能力大，因此其遮盖力主要受散射力影响；遮盖力受颜料的折射率、粒度、粒径分布和散射性能影响。就折射率而言，在白色颜料中，钛白粉的折射率是最高的，因而，从理论上讲它的遮盖力也是最高的；当然，颜料的遮盖力还与其在基料中的分散性有关，与其在基料中的体积浓度有关，当体积分数达到30%时，遮盖力达最大值，再高则遮盖力下降。这与钛白粉的后处理及使用方法关系比较大了，这里就不详细讨论了，有兴趣下来后我们在讨论。这里对于我们更有实际意义的是晶体结构和粒度因素；因为在生产过程中，是我们要重点观测和控制的指标，也是影响钛白粉其它特性的重要内在指标。3、二氧化钛粒子大小和散射强度关系：什么是散射？从理论角度讲散射是：光传播时因与物质中分子（原子）作用而改变其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程。当光在物质中传播时，物质中存在的不均匀性（如悬浮微粒、密度起伏）也能导致光的散射（简单地说，即光向四面八方散开）。蓝天、白云、晓霞、彩虹、雾中光的传播等等常见的自然现象中都包含着光的散射现象。光散射，即漫反射是白色颜料重要的光学性质之一，又是形成白色颜料重要的光学效应——着色力（消色力）、遮盖力的重要指标就颜料而言，散射是颜料粒子对可见光发生的折射、衍射、反射的一种综合作用的结果。依据散射力与颜料粒径的测试图可以看出，二氧化钛粒径大小与光的散射力之间的函数关系：在200纳米处，各波长光线散射的总和增至最大。金红石型二氧化钛粒径与光散射的关系图相对散射力•1.75•1.50•1.25•1.00•0.75•0.50•0.25•0.00•501001502003005008001000•粒径/nm蓝色光绿色光红色光当粒子增大到250~300纳米之间时，蓝色光线的散射迅速减少，但绿色和红色光线的散射却相对不变。在150~200纳米处对于蓝色光线的最大散射，光谱中红色和绿色范围的光线散射就显著下降，但是当粒径小于100纳米时，由于光对晶体的绕射，遮盖力反而下降。。根据可见光谱波长范围400~700nm，所以理想的二氧化钛粒径应在200~350nm，但是人们的视觉习惯总是认为蓝白色比纯白色更白。从图中可以看出200nm的粒径比300nm的粒径能反射更多的蓝色光和绿色光而显得更白。影响二氧化钛颜料散射力的主要因素颜料的折射率颜料的粒径及粒径分布颜料在应用的基料中的分散性频率/%4045403530201050颗粒直径/微米0.250.50.150.82.03.05、什么是颜料的着色力（消色力）•着色力（消色力）：是颜料的重要特性指标，就是颜料加到展色剂中改变展色剂颜色的能力。•对于二氧化钛白色颜料而言，我们称其为“消色力”，是二氧化钛颜料的重要特性指标；也就是其改变展色剂的的颜色而显现出白色的能力。混合后的颜色越浅，表示它的消色力越强。•着色力是颜料对光的吸收和散射的结果。二氧化钛是一种白色颜料，对光的吸收非常小，不像有色颜料，光的吸收起着重要作用，因此其着色力（消色力）的大小，主要取决于它对光的散射能力，散射力大，着色力（消色力）高。•二氧化钛的消色力同样与粒径、粒径分布及粒子形状有关。6、颜料的光泽度和着色底相光泽：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。其实，颜料本身无光泽的说法，在实际应用中颜料只是涂料组分中的一种，涂膜才有光泽，但颜料的的特征决定了涂膜的光泽；影响涂膜后光泽度的主要原因是二氧化钛粒子的粒径和分布，另外一点是它的分散性。着色底相，又称底层色相，或灰漆色调。它受二氧化钛的粒径和平均粒径及散射能力大小影响十分明显。不同的粒径在不同的波长下，会产生不同的色调。二氧化钛的这一指标是很多用户非常关心的。（可以间接判断颜料的粒度情况）7、二氧化钛颜料一项重要指标——白度•颜色是由物质对可见光中不同波长的光波吸收程度不同而形成的。日光是复色光，其中每一种波长的光具有它特定的一种颜色，各种不同波长的可见光组合起来，就成为白色。•所谓的“白度”，就是物质对可见光吸收和反射这两部分之比，它又综合了色调和亮度两种光学效果。•对于二氧化钛颜料而言，白度是其非常重要的指标之一。它是其各项内在性能的综合表现。•影响二氧化钛白度的因素是复杂的，在钛白粉生产中，具有实际意义的是二氧化钛中的杂质含量和粒径和粒径分布，其次是粒子的形状和晶体结构。基础知识部分思考题一、钛白粉颜料主要特性有哪些？二、试分析钛白粉的粒度对其颜料