水鎂石/TiO2復合顆粒材料的制備及顏料性能研究

姜 瑋，丁 浩，李 淵

（中國地質大學材料科學與工程學院，北京 100083）

水鎂石/TiO2復合顆粒材料的制備及顏料性能研究

姜 瑋，丁 浩，李 淵

（中國地質大學材料科學與工程學院，北京 100083）

采用機械力化學包覆方法，通過在水鎂石顆粒表面包覆TiO2制備了Mg(OH)2/TiO2復合顆粒材料(MG/Ti-CPM)。試驗研究了MG/Ti-CPM制備工藝因素的影響和MG/Ti-CPM的顏料性能，結果表明，水鎂石研磨時間、水鎂石與TiO2復合過程機械力條件和TiO2用量對MG/Ti-CPM性能影響顯著；MG/Ti-CPM具有類似鈦白粉的顏料性質，白度96.6%，遮蓋力19.94g/cm2，吸油量31.96g/100g，表明TiO2對水鎂石表面進行了有效包覆。

Mg(OH)2/TiO2復合顆粒材料；機械力化學；鈦白粉；顏料

1 前言

以二氧化鈦(TiO2)為主要成分的鈦白粉是目前性能最佳的白色顏料[1]，在消色力、遮蓋力、分散性、光澤和物理化學穩定性等方面具有顯著優點，已廣泛用于涂料、塑料、造紙、油墨和陶瓷等眾多領域。但鈦白粉生產中存在的資源和環境問題嚴重制約了其發展和應用，特別是采用硫酸法進行鈦白粉生產(中國主要采用)要產生大量的含酸廢水和廢渣。另外，鈦白粉生產企業因應對這些問題不得不加大成本投入，這又導致其價格不斷上揚。由此造成涂料等鈦白粉消費產業產品成本增加、負擔加重，這些行業的發展也因此受到極大制約。因而解決鈦白粉生產和消費過程中的問題多年來一直受到廣泛關注[2-3]。

通過在無機礦物表面包覆TiO2制備包覆型礦物/TiO2復合顆粒材料，利用其與鈦白粉相似的顏料性能，全部或較大比例取代鈦白粉并加以應用是解決上述問題的關鍵措施之一。其中，以機械力化學包覆方法制備礦物/TiO2復合顆粒材料，可使無機材料顆粒基體與鈦白粉之間不再是單純的物理吸附，而是以鍵合集團相連接，結合的更加牢固。在呈現TiO2性質的前提下，降低TiO2用量和產品成本的作用十分顯著[4]。

水鎂石[Mg(OH)2]具有資源豐富、價格相對低廉、白度高等優點，特別是顆粒表面的羥基基團是Mg(OH)2與TiO2形成界面化學鍵和從而使二者牢固結合的基礎，因此，水鎂石可作為一種優良的包覆基體材料。本文以水鎂石和銳鈦型TiO2為原料，采用液相機械力化學方法制備了Mg(OH)2/TiO2復合顆粒材料(MG/Ti-CPM)，對制備MG /Ti-CPM的工藝影響因素進行了試驗研究，并通過測試MG/Ti-CPM與顏料相關物理性質對其顏料性能進行了評價。

2 試驗研究方法

2.1 MG/Ti-CPM的制備

采用機械力化學方法，通過水鎂石表面包覆TiO2制備MG/Ti-CPM的工藝流程如圖1所示。

試驗用Mg(OH)2原料為遼寧產水鎂石礦物粉體，測試最小粒徑0.8μm，最大粒徑38.89μm，中位徑(d50)2.21μm，小于2μm累積含量48.86%；所用TiO2原料為是河南佰利聯化學股份有限公司生產的銳鈦型鈦白粉，吸油量22.9g/100g，遮蓋力14.06g/m2，白度97.9%。TiO2的d500.35μm，小于2μm累積含量98.98%。

試驗用聚丙烯酸鈉(CD-458)作為Mg(OH)2濕法研磨和Mg(OH)2與TiO2兩者復合過程的分散劑，CD-458為水溶性線型高分子電解質分散劑。

試驗用設備為GSDM-003實驗室型超細盤式攪拌磨，由北京古生代粉體科技有限公司生產，裝機功率0.4kW。用2 000mL塑料罐盛放物料，兩邊用金屬架固定。

2.2 MG/Ti-CPM制備工藝因素評判

機械力化學包覆制備工藝因素通過測試MG/Ti-CPM的遮蓋力和吸油量進行綜合評判，并做出優化選擇，遮蓋力按國標GB1709-79方法、吸油量按國標GB1712-79方法進行測試。

2.3 MG/Ti-CPM顏料性能表征評價

MG/Ti-CPM的顏料性能通過測試遮蓋力、吸油量和白度進行綜合評價。白度按國標GB/T 17749-2008方法進行測試。

3 結果與討論

3.1 水鎂石研磨時間的影響

將水鎂石不同研磨時間產物與TiO2復合，制備的MG/Ti-CPM性能與研磨時間的關系示于圖2，試驗條件為：水鎂石與TiO2共混研磨時間30min，礦漿濃度40%，球料比4，轉速1 000r/min，TiO2復合比例40%。

從圖2看出，隨水鎂石濕磨時間的增加，遮蓋力值先減小然后增大，在60min時為最低，說明此時遮蓋性為最佳。研磨時間再增加，遮蓋性降低，至120min時趨于穩定；吸油量則隨研磨時間的增加一直減小。

30min時水鎂石濕磨時間較短，活性較低，相間反應能力不足，TiO2對其包覆有限，但已呈現鈦白的性質；隨濕磨時間的繼續增加，持續的機械能量輸入除用于粉碎顆粒外，還使晶體結構發生破壞，并在顆粒表面貯存部分能量，從而提高了其反應活性，實現銳鈦型鈦白對水鎂石的有效包覆。因此在60min處，復合材料的綜合性能最好，此時水鎂石粒度在0.8～0.9μm之間。

3.2 復合過程各因素的影響

對混合濕磨過程選取了料漿濃度、攪拌磨轉速、復合時間、球料比和分散劑用量五個因素來討論，同樣以復合產物的遮蓋力和吸油量為評價標準。其試驗結果分別示于圖3(a)至圖3(e)。

(1) 從圖3(a)可以看出，料漿濃度增加，遮蓋力值呈遞增趨勢，吸油量值呈遞減趨勢。隨料漿濃度增加，料漿的流動性急劇下降，機械作用減弱，復合材料的性能變差。料漿濃度選取35%為宜。

(2) 從圖3(b)可以看出，攪拌磨轉速增加，吸油量值先增大后減小然后趨于穩定，而遮蓋力值先減小后增加，但變化范圍不大。攪拌磨轉速過小，輸入機械力強度不足，水鎂石和TiO2的反應活性低，包覆不完全；但當轉速過大時，輸入的機械力強度繼續細化水鎂石，從而使兩者顆粒大小相當，處于無序混合狀態，遮蓋力變差。因此，攪拌磨的最佳轉速為1 200r/min。

(3) 從圖3(c)可以看出，復合時間增加，遮蓋力值遞減，然后增大；吸油量值先減小后增大最后又減小。在機械能量輸入恒定的情況下，水鎂石顆粒處于團聚和粉碎的平衡狀態，顆粒不再細化，而顆粒的反應活性隨濕磨時間的增加而增加，TiO2對水鎂石的包覆也更完全，從圖中曲線看最佳復合時間為30min。

(4) 圖3(d)表明，球料比對復合材料的影響趨勢和復合時間的影響趨勢類似。球料比過小時，水鎂石雖已有一定的活性，但銳鈦型鈦白粉難以活化，兩者仍處于近機械混合狀態；球料比較大時，介質碰撞機會增加，機械力強度增大，破壞了水鎂石團聚與粉碎之間的平衡，同時存在水鎂石對TiO2的包覆及后者對前者的包覆。因此，最佳球料比為5。

(5) 圖3(e)表明，分散劑(CD-458)的加入雖有助于水鎂石和TiO2的分散，但不利于TiO2顆粒對水鎂石顆粒的包覆。在固體物質分散過程中，分散劑的靜電斥力和空間位阻作用可以降低料漿粘度，防止同質顆粒之間的團聚，但同時也不利于異質顆粒間的相互接近乃至相間反應。這種情況下，顆粒之間的結合要靠機械力作用下的碰撞來實現。

綜合考慮以上各因素可以發現，要實現TiO2對水鎂石的充分包覆，就要維持一定量的機械強度(攪拌磨轉速)、復合時間和球料比，增加異質顆粒間的接觸機會，即維持最佳顆粒尺寸配比和料漿濃度。

3.3 TiO2復合比例的影響

從圖4可以看出，不同TiO2含量的復合材料均表現出銳鈦型鈦白粉的性質，具有高遮蓋力和高吸油量，這表明微觀上已經實現TiO2顆粒對水鎂石顆粒充分有效的包覆。TiO2/[TiO2+Mg(OH)2]在50%處，復合材料的性能最佳；40%處，性能相對較好。TiO2含量增加時，除一部分仍以分散狀態存在外，較大部分顆粒繼續對水鎂石進行包覆，因而包覆的更完全，復合材料的綜合性能更好。

3.4 MG/Ti-CPM的顏料性能

最優工藝條件為：水鎂石濕磨60min，料漿濃度35%，攪拌磨轉速1 200r/min，復合時間30min，球料比5，不加分散劑，TiO2/[Mg(OH)2+TiO2]為40%。

對按優化工藝制備的MG/Ti-CPM的顏料性能測試結果見下表。

MG/Ti-CPM的顏料性能測試

試驗測得采用優化工藝制備的MG/Ti-CPM料的遮蓋力為19.94g/m2，吸油量為31.96g/100g，比銳鈦型鈦白粉原料稍高。衡量復合鈦白顏料的另外一項指標是白度，試驗測得的復合鈦白顏料的白度為96.6%，僅稍低于銳鈦型鈦白粉的白度。

從上面這些性能結果顯示，復合材料的性能和銳鈦型鈦白粉的性能接近，說明銳鈦型鈦白粉實現對水鎂石的有效包覆，可部分或完全取代顏料級鈦白粉。

4 結論

(1) 在水鎂石濕磨階段，通過單因素試驗確定濕磨時間為60min。濕磨時間過長或過短均不利于復合材料性能的發展。混合濕磨階段采用正交試驗對料漿濃度、攪拌器轉速、復合時間、球料比和分散劑用量等工藝條件進行優化。以吸油量和遮蓋力為評價指標，優化的結果為：料漿濃度35%；攪拌磨轉速1 200r/min；復合時間30min；球料比5。聚丙烯酸鈉分散劑雖有助于改善料漿的分散性和流動性，但不利于水鎂石與TiO2的復合。而復合材料性能與鈦白粉含量并不成簡單的正比關系，單因素試驗確定的最佳鈦白粉含量為40%。

(2) 優化條件下制備的MG/Ti-CPM遮蓋力為19.94g/m2，吸油量為31.96g/100g，白度為96.6%。Mg(OH)2/TiO2復合材料顏料性能優越，可部分或完全取代顏料級鈦白粉在涂料、塑料、造紙等領域加以應用，由于其成本低，應用前景廣闊。

[1]鄧捷,吳立鋒.鈦白粉應用手冊(修訂版)[M].北京:化學工業出版社,2005.

[2]唐振寧.鈦白粉的生產與環境治理[M].北京:化學工業出版社,2000.

[3]丁浩,鄧雁希,劉艷改.以非金屬礦物為基體制備鈦白代用品材料的研究現狀與趨勢[J].中國礦業,2006,15(3):21-24.

[4]DING H, DENG Y X. Preparation and mechanism of calcium carbonate/titanium dioxide composites by mechanochemical method[C]. Proceedings of XXIV International Mineral Processing Congress, Science Press, Beijing: 2008: 3344-3350.

Study on the Preparation of Brucite/TiO2Composite Particle and Its Pigment Property

JIANG Wei, DING Hao, LI Yuan
(School of Materials Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083,China)

Brucite/TiO2composite particle (MG/Ti-CPM) is prepared by coating TiO2on surface of brucite using mechanochemical method. The technical factors for preparing MGI/Ti-CPM and the pigment property of MG/Ti-CPM were studied by the experiment. The results show that the grinding time of brucite, the compound technical factors for brucite and TiO2and TiO2dosage have significant influences on the properties of MG/Ti-CPM. The pigment performance of MG/Ti-CPM is similar to that of titanium dioxide, the whiteness is 96.6%, the hiding power is 19.94g/cm2, the oil adsorption is 31.96g/100g, which suggests brucite had been effectively packed by TiO2.

brucite/TiO2composite particle; mechano-chemical; TiO2; pigment

P578.495;TQ316.6

A

1007-9386(2010)05-0036-04

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2008BAE60B06)。

2010-08-11