造紙用復合鈦白粉的制備及性能研究

周文靜

（龍佰集團股份有限公司，河南 焦作 454006）

0 引言

在造紙生產工藝中，加入鈦白粉提高紙張的光學性能和不透明度。但是鈦白粉價格較高，使得紙張生產成本較高[1]。本文以重介碳酸鈣為母體，采用機械化學法在其表面包覆TiO2粒子制備復合鈦白粉，使其具有較高的遮蓋力性能，可以取代紙張生產中部分鈦白粉的用量。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗原料

金紅石型鈦白粉，白度為93.4%，吸油量為0.263g/g，遮蓋力為18.6 g/m2，龍佰集團股份有限公司。

重介碳酸鈣，白度為91.5%，吸油量為0.171 g/g，遮蓋力為26.6 g/m2，佛山市勃震化工有限公司

分散劑，六偏磷酸鈉（AR），上海創賽公司；氧化鐵紅（工業級）、氧化鐵黃（工業級），龍佰集團股份有限公司。

1.1.2 實驗儀器

JFS-550 數顯高速分散攪拌砂磨機，上海巴玖YQ-Z-48A 白度計，Analysette 22 NanoTec 進口光散射激光粒度儀，SK-FTIR600 傅里葉變換紅外光譜儀，LD-CPJ-01 型紙樣抄取器。

1.2 實驗方法

以碳酸鈣作為母體，按一定比例加入氧化鐵紅、氧化鐵黃、分散劑、研磨介質、水，混合均勻后放置于高速分散攪拌砂磨機中研磨2 h，進行介質脫水、過濾、干燥、粉碎，制備得到復合鈦白粉，取樣品進行性能測試。

1.3 復合鈦白粉的性能測試和表征

復合鈦白粉遮蓋力按照GB 1709—1979 標準進行測定；吸油量按照GB 1712—1979 標準進行測定；白度采用YQ-Z-48A 白度計測定。

2 結果與討論

2.1 復合鈦白粉的制備及性能影響研究

2.1.1 氧化鐵紅含量因素對復合鈦白粉性能的影響

確定其他工藝參數條件一致情況下，加入不同質量分數氧化鐵紅（0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%、0.15%）進行試驗，制備得到復合鈦白粉的白度與遮蓋力結果如圖1 所示。

圖1 氧化鐵紅質量分數對復合鈦白粉性能的影響

由圖1 數據可知，當氧化鐵紅質量分數從0 增加至0.15%過程中，復合鈦白粉白度表現為逐步下降趨勢，氧化鐵紅質量分數為0 時白度為最大值93.6%，加入氧化鐵紅質量分數為0.15%時白度為最小值75.8%；復合鈦白粉遮蓋力數值表現為先下降后增大趨勢（遮蓋力性能表現為先提高后下降），加入氧化鐵紅質量分數為0.06%時遮蓋力數值為最小值21.3 g/m2，即氧化鐵紅質量分數為0.06%時為復合鈦白粉遮蓋力性能最佳情況。

在制備的復合鈦白粉當中，加入的氧化鐵紅主要起到以下兩種作用：第一，氧化鐵紅作為一種顏料其自身具有較高遮蓋力，復合鈦白粉中的粒子能起到增加入射光的散射中心作用；第二，在微量情況下氧化鐵紅具有空間位阻作用，減少TiO2粒子發生團聚，TiO2粒子分布均勻，不發生集群效應，提高復合鈦白粉遮蓋力性能[2]。

氧化鐵紅質量分數在0～0.06%之間時，氧化鐵紅在復合鈦白粉發揮了上述兩種作用的協同效應，因此隨著氧化鐵紅含量的增加復合鈦白粉遮蓋力性能明顯提高。加入氧化鐵紅質量分數超過0.06%，氧化鐵紅含量過大導致復合鈦白粉遮蓋力性能下降。

綜合復合鈦白粉白度及遮蓋力兩方面的性能指標，確定氧化鐵紅加入量為0.06%較合適，此時復合鈦白粉白度85.3%，遮蓋力數值21.3 g/m2，吸油量18.3 g/100 g。

2.1.2 氧化鐵黃對復合鈦白粉性能的影響

確定其他工藝參數條件一致情況下，加入不同質量分數氧化鐵黃（0、0.02%、0.05%、0.08%、0.10%、0.15%）進行實驗，制備得到的復合鈦白粉的白度與遮蓋力結果如圖2 所示。

圖2 氧化鐵黃含量因素對復合鈦白粉性能的影響

由圖2 數據可知，當氧化鐵黃質量分數從0 增加至0.15%過程中，復合鈦白粉白度表現為逐步下降趨勢，氧化鐵黃質量分數為0 時白度為最大值92.9%，氧化鐵黃質量分數為0.15%時白度為最小值77.8%；復合鈦白粉遮蓋力數值表現為降低、增大、降低、增大等無明顯規律，氧化鐵黃質量分數為0.08%時遮蓋力數值為最小值21.5 g/m2，此時為復合鈦白粉遮蓋力性能最佳。

復合鈦白粉遮蓋力出現上述無明顯規律的原因：氧化鐵黃自身具有高遮蓋力，廣泛應用于造紙及涂料的生產中，在復合鈦白粉的制備中可以通過加入氧化鐵黃作為TiO2增量劑部分；在微量情況下氧化鐵黃具有空間位阻作用，減少TiO2粒子發生團聚，更多的TiO2粒子能起到入射光散射中心作用，提高復合鈦白粉遮蓋力性能；當加入氧化鐵黃含量過量時，氧化鐵黃會附著在TiO2粒子表面，較少TiO2粒子起到入射光散射中心作用，降低復合鈦白粉遮蓋力性能。在上述兩種作用下，對遮蓋力性能的影響無太明顯的規律。

綜合復合鈦白粉白度及遮蓋力兩方面的性能指標，確定了氧化鐵黃加入量為0.08%較合適，此時復合鈦白粉白度為83.7%，遮蓋力數值為21.5 g/m2，吸油量為0.153 g/g。

2.1.3 TiO2加入量因素對復合鈦白粉性能的影響

確定其他工藝參數條件一致情況下，采用不同TiO2加入量（0、20%、40%、60%、80%、100%）進行實驗，制備得到的復合鈦白粉的白度分別為80.1%、85.7%、90.5%、91.2%、93.2%，遮蓋力數值為50.2、39.8、21.1、20.4、20.2 g/m2。

TiO2加入量從10%增加至90%過程中，復合鈦白粉白度表現為逐步增大趨勢，TiO2質量分數為10%、90%時白度分別為80.1%、93.2%；復合鈦白粉遮蓋力數值表現為下降趨勢（遮蓋力性能增加），TiO2加入量在10%～50%時遮蓋力數值下降較明顯，TiO2加入量50%～90%時遮蓋力數值下降平穩，鈦白粉遮蓋力性能最佳。

綜合復合鈦白粉白度及遮蓋力兩方面的性能指標，確定TiO2加入量50%較合適，此時復合鈦白粉白度90.5%，遮蓋力數值為21.5 g/m2，吸油量為20.8 g/100 g。

2.2 復合鈦白粉的性能測試和表征

復合鈦白粉制備的最佳工藝參數：氧化鐵紅加入量0.06%、氧化鐵黃加入量0.05%、TiO2加入量50%，該工藝參數條件下制備復合鈦白粉，取試樣進行性能測試及表征。

2.2.1 性能測試

制備的復合鈦白粉白度為93.5%，遮蓋力數值為20.1 g/m2，吸油量為0.234 g/g。復合鈦白粉的白度及遮蓋力性能接近鈦白粉，復合鈦白粉可取代部分鈦白粉用于造紙填料。

2.2.2 表征

掃描電子顯微鏡分析可知，在復合鈦白粉中碳酸鈣粒子顆粒大小比較均勻，大部分碳酸鈣粒子表面被二氧化鈦顆粒包覆，碳酸鈣粒子粒徑變小。

對比碳酸鈣、鈦白粉IR 光譜數據，復合鈦白粉IR 光譜數據中在621 cm-1處增加一個小吸收峰，為C—O—Ti 鍵，這說明在制備復合鈦白粉過程中碳酸鈣與鈦白粉表面發生了化學反應，生成了新鍵。

3 結論

以重介碳酸鈣為母體，加入鈦白粉、氧化鐵紅、氧化鐵黃、分散劑等物質，采用機械化學法制備復合鈦白粉。最佳工藝參數：氧化鐵紅加入量0.06%、氧化鐵黃加入量0.05%、TiO2加入量50%，制備的復合鈦白粉白度為93.5%，遮蓋力數值為20.1 g/m2。復合鈦白粉整體性能接近鈦白粉，可取代部分鈦白粉用于造紙填料。