淺析無機包膜劑加量對二氧化鈦顏料性能指標的影響

2014-05-07 04:49:16趙金

四川冶金 2014年1期

趙金

（攀鋼集團重慶鈦業有限公司，重慶 400055）

1 引言

二氧化鈦，俗稱鈦白粉或鈦白，分子式TiO2，相對分子質量79.9，英文名稱為Titanium Dioxide Pigment。鈦白粉是一種重要的化工原料，主要應用于涂料、塑料、油墨和造紙等領域。二氧化鈦具有較強的光化學活性，若不經過包膜處理，在太陽光、紫外線的照射下會生產光化學活性與所在體系發生反應，嚴重影響鈦白粉的應用性能。

包膜處理就是讓包膜劑在鈦白粉顆粒表面形成一層特殊的膜，使鈦白粉顆粒本身與外面介質（空氣和油）隔開，防止鈦白粉的光化學活性影響油料的穩定性和避免太陽光中紫外線的直接照射，從而提高鈦白粉的應用性能。采用不同的包膜劑可以讓鈦白粉具有不同的應用性能，本文通過分析不同的無機包膜劑的應用，找到其對鈦白粉包膜的影響。

2 二氧化鈦包膜處理原理

2.1 二氧化鈦無機包膜處理理論

二氧化鈦包膜處理也叫表面處理，主要理論有等電點理論和穩定理論［1］（D.L.V.O及HVC理論）。在實際生產中，我們應用以上理論進行包膜處理，通過改善二氧化鈦的表面性質，從而達到表面改性的目的，改性結果涉及到表面電荷的變化、表面積變化、以彌補二氧化鈦的光化學活性缺陷，提高二氧化鈦的分散性，對二氧化鈦的晶型結構，基本顏料性能沒有改變。

2.2 無機包膜劑作用機理

無機包膜劑處理的最主要功能是提高二氧化鈦耐候性和化學穩定性。在處理過程中通過沉淀或吸附，在二氧化鈦粒子表面形成一層或多層無機水和氧化物的包覆層。通過包覆層可以堵塞其晶格缺陷，遮蔽其表面上的光活化點，還可以使二氧化鈦不直接與分散介質中的有機物接觸，防止有機介質受二氧化鈦因紫外光照射后釋放出來的新生態氧的氧化而發生降解。

無機包覆層可由一種金屬水和氧化物，也可以兩種或兩種以上的金屬水和氧化物構成，通過控制不同的包膜工藝，可得到結構和性能截然不同的包膜層，從而產生適應不同應用要求的二氧化鈦顏料。此外，還可以通過調整不同包膜劑之間的比例，包膜劑的添加量和表面處理時的溫度、Ph／時間長短等，從而改變二氧化鈦的表面電荷和包膜層的結構及疏松度，提高其分散性和降低吸油量［2］。

2.3 無機包膜處理方法

濕法無機表面處理適用于無機表面處理，其可分為煮沸法、中和法、碳化法三種［3］。

煮沸法是在強烈沸騰下使處理劑水解而沉積在鈦白粉顆粒上。此法適應性差，水解不易徹底，過程緩慢，不易控制，故不常采用。

中和法是在漿液中加入酸性或堿性包膜劑，在以堿或酸中和，使處理劑沉淀出來。

碳化法是在含包膜劑的堿性鈦白粉漿液中通入CO2使處理劑沉淀。此法使硅鋁共沉淀形成的膜比中和法更均勻。

干法無機表面處理是在氣流載帶下用噴霧方法使鈦白粉顆粒表面吸附一種金屬鹵化物，如 AlCl3、ZnCl2、ZrCl4或 TiCl4，再在含氧氣體存在下，焙燒使其氧化成氧化物或在過熱蒸汽等含水氣體存在下使其水解。此法可與后粉碎過程結合起來，就在氣流粉碎機內處理。

3 二氧化鈦無機包膜劑應用研究

3.1 無機包膜處理過程概述

包膜過程采用中和法進行研究。首先將煅燒后產物經過粉碎，再加入分散劑制成漿料用砂磨進行研磨，除去粗顆粒后制成水性分散漿料。然后在恒速的攪拌下、一定的溫度下，加入適當包膜劑進行包膜處理。通過調節漿料的PH值，使水合氧化物沉淀在TiO2粒子表面，這種沉淀物的形態根據沉淀條件而變化。常用無機處理劑有Al2（SO4）3、NaAlO2、Zr（SO4）2、Na2SiO3等。

3.2 無機包膜劑的主要功能

3.2.1 氧化鋁（Al2O3）

氧化鋁包膜的作用，除了能在二氧化鈦表面形成一層保護層隔絕二氧化鈦與有機介質的直接接觸外，Al2O3還能反射一部分紫外線，避免二氧化鈦過多的吸收紫外線而發生光化學反應，以三氧化二鋁改性鈦白粉，它能使涂料具有良好的光澤，改善涂料的白度，提高涂料的抗粉化性能。

鋁包膜可以單獨進行，也可與SiO2、ZrO2、TiO2等一起進行，鋁包膜劑通常使用硫酸鋁和偏鋁酸鈉。鋁鹽的包膜方式可以簡單表示如下:

鋁鹽（硫酸鋁）＋堿（氫氧化鈉→—）水合氧化鋁

鋁酸鹽（偏鋁酸鈉）＋酸（硫酸→—）水合氧化鋁

其化學反應式如下:

氧化鋁包膜可以單獨進行，俗稱單鋁包膜，但使用最多的是與SiO2一道進行，通過不同Al2O3／SiO2比例，生產不同類型的二氧化鈦產品。

通過測定不同Al2O3／SiO2包膜后二氧化鈦的吸油量和吸水量發現，此類包膜劑中的Al2O3比例越高，它的吸油量和吸水量也越低，可見Al2O3是親油性的，它有助于二氧化鈦在有機介質中的分散，所以在鈦白行業中，早就有一種“鋁親油、硅親水”的說法。

3.2.2 氧化鋯（ZrO2）

二氧化鋯包膜層不僅具有象二氧化鈦膜那樣的附著力促進作用，而且還能掩蓋二氧化鈦晶格表面上的光活性基團（TiOH），可以提高二氧化鈦的抗粉化性和光澤度。

二氧化鋯包膜所用的鋯鹽，一般采用酸性鋯鹽如:Zr（SO4）2、ZrCl4、Zr（NO3）4等，但以采用Zr（SO4）2的較多，ZrO2包膜量一般占包膜二氧化鈦重量的0.5%～1%，太少對二氧化鈦的耐久性、抗粉化性作用不大，太多（超過2.5%）這種過渡金屬氧化物會對顏料的光學性能有相反的損害作用。

3.2.3 氧化硅（SiO2）

硅包膜一般不單獨進行，通常與鋁包膜同時進行，它最主要的作用是在二氧化鈦表面形成一層膜，使二氧化鈦粒子與有機介質隔離，減少與介質的接觸面積，堵塞TiO2上的光活化點，有效的保護二氧化鈦不受紫外線侵害，減低它的光化學活性，從而增加顏料的親水性。增加水分散性，提高顏料遮蓋力，并改善其抗粉化性能。

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