P2O5/Al2O3包覆的裝飾紙用鈦白粉的制備

周永基，王曉真

（山東道恩鈦業(yè)有限公司，山東龍口 265600）

隨著近幾年全球資源的匱乏，國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，在家居行業(yè)人造板及其他非木材原料替代部分木材能節(jié)省大量的自然資源，而裝飾紙材料廣泛引用于纖維板、膠合板、強(qiáng)化木地板等辦公或家具貼面裝飾材料，是其二次裝飾加工的主要材料，裝飾紙產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了迅猛發(fā)展期。而隨著市場(chǎng)需求量的增大，對(duì)裝飾紙品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，鈦白粉具有高亮白、高遮蓋、耐光性好等優(yōu)點(diǎn)，其作為優(yōu)質(zhì)白色顏料被廣泛應(yīng)用于裝飾紙材料。鈦白粉應(yīng)用于裝飾紙材料，其對(duì)裝飾紙的色相、光澤、白度及色牢度都有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，尤其是耐光性和色牢度起著決定性的作用。在體現(xiàn)出較強(qiáng)的遮蓋力及色彩穩(wěn)定性的同時(shí)，還具有極佳的耐候性，能夠有效延長(zhǎng)裝飾紙最終制品的使用壽命[1-2]。

鈦白粉在白色系或淺色系的裝飾紙生產(chǎn)過(guò)程中，其用量達(dá)到30%～45%。為滿足裝飾紙高要求的耐光能力與耐熱性，保證其有較好的白度、遮蓋力、良好的印刷性、耐久性及耐黃變性，必須采用經(jīng)過(guò)一定表面包覆處理的金紅石型鈦白粉。裝飾紙用鈦白粉常采用磷酸或磷酸鹽或者鋁鹽對(duì)鈦白粉產(chǎn)品進(jìn)行包覆處理，或者進(jìn)行磷鋁復(fù)合包膜，P2O5/Al2O3復(fù)合包膜的鈦白粉產(chǎn)品應(yīng)用于裝飾紙能提高留著率并具有優(yōu)異的耐光性。其可能機(jī)理為：第一層P2O5/Al2O3復(fù)合膜較為致密，能明顯提升顏料親水性能，紙張留著率及耐光性也相應(yīng)提高。當(dāng)鋁化合物與磷酸鹽聚集反應(yīng)時(shí)，在溶液中會(huì)形成-O-P-O-Al-O-P 共價(jià)鍵，這些鍵聚集形成長(zhǎng)鏈及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能完全覆蓋顏料，對(duì)顏料的親和力也有提高。第二層在磷鋁膜上繼續(xù)包覆水合氧化鋁膜層，可以提高顏料的艷麗度及光澤度，并使鈦白粉顆粒表面形成正電勢(shì)，而紙張纖維表層具有少量負(fù)電荷，使鈦白粉與紙張之結(jié)合力更好，其顏料在紙張上的留著率也相應(yīng)提高[3-4]。本文以磷酸鹽和鋁鹽對(duì)鈦白粉進(jìn)行表面復(fù)合包膜，并對(duì)鈦白粉應(yīng)用于裝飾紙的留著率和耐光性進(jìn)行分析，利用正交試驗(yàn)分析方法，確定了P2O5/Al2O3復(fù)合包膜的最佳表面處理?xiàng)l件，并對(duì)最佳表面處理?xiàng)l件制備的鈦白粉進(jìn)行掃描電鏡和表層元素分析。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

試劑：鈦白粉漿料為公司自產(chǎn)的未經(jīng)表面包覆處理的金紅石型鈦白粉粗品；偏鋁酸鈉，硫酸鋁，氫氧化鈉，硫酸，磷酸，磷酸鹽：均為工業(yè)純。

儀器設(shè)備：電動(dòng)攪拌器，pH 計(jì)，電熱鼓風(fēng)干燥箱，掃描電子顯微鏡，X 射線光電子能譜分析儀，紫外老化測(cè)試儀，水循環(huán)式真空泵，掃描電鏡，小型高速粉碎機(jī)。

1.1 表面處理劑選擇

鈦白粉表面包覆大量的含磷化合物會(huì)引起水洗后濾餅稀化的問題，對(duì)于裝飾紙用鈦白粉必須考慮其水洗加工性能，本文考察了不同表面處理劑水洗濾餅的狀態(tài)，采用磷酸鹽B、硫酸鋁與偏鋁酸鈉作為表面處理劑，其處理步驟為：在鈦白粉漿料中加入磷酸鹽 B與硫酸鋁混合均勻，再以少量堿性鋁中和，調(diào)整pH，陳化反應(yīng)一定時(shí)間，包覆第一層；然后以偏鋁酸鈉和稀硫酸并流，調(diào)整pH 后陳化反應(yīng)一定時(shí)間，包覆第二層；最后將體系pH 調(diào)到中性，包膜完成后，經(jīng)水洗、過(guò)濾、干燥、粉碎研磨，得到P2O5/Al2O3包覆的鈦白粉成品。

1.2 磷鋁包膜鈦白粉正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用正交試驗(yàn)方法考察不同因素對(duì)P2O5/Al2O3包覆的鈦白粉的影響。本文選擇 P2O5包覆量（ωp）、鋁包覆總量（ωAl）、第一層鋁包覆量（ωFAl）、第二層包覆陳化 pH 作為P2O5/Al2O3包覆的鈦白粉性能影響的四個(gè)因素，采用四因素三水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，其試驗(yàn)方案如表1。

表1 P2O5/Al2O3包覆鈦白粉正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)P2O5/Al2O3包覆鈦白粉的不同影響因素的留著率進(jìn)行考察，其結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，2號(hào)實(shí)驗(yàn)方案制備的鈦白粉留著率達(dá)89.79%，留著率最佳；從正交試驗(yàn)各影響因素的K值分析可以得出，第一層鋁包覆量（ωFAl）1.0%、鋁包覆總量（ωAl）5.5%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二層陳化pH 為7時(shí)其組合平均留著率最高。從正交試驗(yàn)表中各個(gè)影響因素的極差分析可知，第二層包覆陳化的pH 對(duì)留著率影響最大，第一層鋁包覆量對(duì)留著率影響最小。通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知，要得到最佳留著率，需控制第一層鋁包覆量1.0%、鋁包覆總量5.5%、P2O5包覆量1.0%、第二層陳化pH 為7。

表2 P2O5/Al2O3包覆鈦白粉留著率

對(duì)P2O5/Al2O3包覆鈦白粉的不同影響因素的耐光性進(jìn)行考察，其結(jié)果如表3 所示。從表3可以看出，第二層陳化pH 同樣對(duì)P2O5/Al2O3包覆鈦白粉的耐光性影響最大，鋁包覆量對(duì)耐光性無(wú)明顯影響。1號(hào)和9號(hào)實(shí)驗(yàn)方案的耐光性最佳，從正交試驗(yàn)各影響因素的K值分析可以得出，P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二層陳化pH為6時(shí)其組合耐光性最佳。考慮到耐光性，第二層鋁包覆陳化需在弱酸條件下進(jìn)行，磷包覆量不能過(guò)量。

表3 P2O5/Al2O3包覆鈦白粉耐光性

通過(guò)對(duì)P2O5/Al2O3包覆鈦白粉不同影響因素的正交試驗(yàn)結(jié)果分析，綜合考慮鈦白粉的留著率和耐光性指標(biāo)，得出P2O5/Al2O3包覆的裝飾紙用鈦白粉最佳表面處理工藝為：第一層鋁包覆量（ωFAl）1.0%、鋁包覆總量（ωAl）5.0%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二層陳化pH 為6。

1.3 磷鋁包膜鈦白粉的形態(tài)分析

對(duì)上述正交試驗(yàn)得到的最佳表面處理工藝制備的鈦白粉進(jìn)行表面形貌分析，圖1為掃描電鏡（SEM）分析圖，樣品a 為未進(jìn)行表面處理的鈦白粉，樣品b為最佳表面處理工藝制備的P2O5/Al2O3復(fù)合包膜鈦白粉。圖1顯示，未經(jīng)表面處理的鈦白粉樣品a 表面輪廓較為模糊，形狀不規(guī)則，顆粒有少量聚集現(xiàn)象。而P2O5/Al2O3復(fù)合包膜鈦白粉樣品b，其表層光滑、連續(xù)，顆粒分明，呈現(xiàn)出明顯的包覆層，包覆效果較好。

圖1 鈦白粉掃描電鏡分析圖

1.4 磷鋁包膜鈦白粉表層元素含量分析

對(duì)P2O5/Al2O3復(fù)合包膜鈦白粉利用X 射線光電子能譜分析儀進(jìn)行表層元素分析，X-能譜分析能通過(guò)測(cè)量物質(zhì)表面的光電子峰強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)表層元素的定量分析，其測(cè)量表層為3～5nm，其能譜不受原子核和光吸收性質(zhì)的限制。將其與未處理的鈦白粉對(duì)比分析，其表層元素分析結(jié)果如表4所示，其中包覆后鋁和磷元素含量明顯增加，鈦元素含量明顯減少，說(shuō)明鈦白粉表層包膜厚度較大，包覆完整性較好。

表4 鈦白粉顆粒表層元素含量分析

2 結(jié)論

以磷酸鹽和鋁鹽對(duì)鈦白粉進(jìn)行表面復(fù)合包膜，并通過(guò)對(duì)鈦白粉應(yīng)用于裝飾紙的留著率和耐光性進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，確定了P2O5/Al2O3復(fù)合包膜的最佳表面處理?xiàng)l件：第一層鋁包覆量（ωFAl）1.0%、鋁包覆總量（ωAl）5.0%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二層陳化pH 為6。并對(duì)制備的鈦白粉進(jìn)行掃描電鏡和表層元素分析，結(jié)果表明，其包膜厚度較大，包覆完整性較好，研制出的鈦白粉具有優(yōu)異的裝飾紙應(yīng)用性能，可以在裝飾行業(yè)廣泛應(yīng)用。