浅析无机包膜剂加量对二氧化钛颜料性能指标的影响

2014-05-07赵金

四川冶金 2014年1期

赵金

（攀钢集团重庆钛业有限公司，重庆 400055）

1 引言

二氧化钛，俗称钛白粉或钛白，分子式TiO2，相对分子质量79.9，英文名称为Titanium Dioxide Pigment。钛白粉是一种重要的化工原料，主要应用于涂料、塑料、油墨和造纸等领域。二氧化钛具有较强的光化学活性，若不经过包膜处理，在太阳光、紫外线的照射下会生产光化学活性与所在体系发生反应，严重影响钛白粉的应用性能。

包膜处理就是让包膜剂在钛白粉颗粒表面形成一层特殊的膜，使钛白粉颗粒本身与外面介质（空气和油）隔开，防止钛白粉的光化学活性影响油料的稳定性和避免太阳光中紫外线的直接照射，从而提高钛白粉的应用性能。采用不同的包膜剂可以让钛白粉具有不同的应用性能，本文通过分析不同的无机包膜剂的应用，找到其对钛白粉包膜的影响。

2 二氧化钛包膜处理原理

2.1 二氧化钛无机包膜处理理论

二氧化钛包膜处理也叫表面处理，主要理论有等电点理论和稳定理论［1］（D.L.V.O及HVC理论）。在实际生产中，我们应用以上理论进行包膜处理，通过改善二氧化钛的表面性质，从而达到表面改性的目的，改性结果涉及到表面电荷的变化、表面积变化、以弥补二氧化钛的光化学活性缺陷，提高二氧化钛的分散性，对二氧化钛的晶型结构，基本颜料性能没有改变。

2.2 无机包膜剂作用机理

无机包膜剂处理的最主要功能是提高二氧化钛耐候性和化学稳定性。在处理过程中通过沉淀或吸附，在二氧化钛粒子表面形成一层或多层无机水和氧化物的包覆层。通过包覆层可以堵塞其晶格缺陷，遮蔽其表面上的光活化点，还可以使二氧化钛不直接与分散介质中的有机物接触，防止有机介质受二氧化钛因紫外光照射后释放出来的新生态氧的氧化而发生降解。

无机包覆层可由一种金属水和氧化物，也可以两种或两种以上的金属水和氧化物构成，通过控制不同的包膜工艺，可得到结构和性能截然不同的包膜层，从而产生适应不同应用要求的二氧化钛颜料。此外，还可以通过调整不同包膜剂之间的比例，包膜剂的添加量和表面处理时的温度、Ph／时间长短等，从而改变二氧化钛的表面电荷和包膜层的结构及疏松度，提高其分散性和降低吸油量［2］。

2.3 无机包膜处理方法

湿法无机表面处理适用于无机表面处理，其可分为煮沸法、中和法、碳化法三种［3］。

煮沸法是在强烈沸腾下使处理剂水解而沉积在钛白粉颗粒上。此法适应性差，水解不易彻底，过程缓慢，不易控制，故不常采用。

中和法是在浆液中加入酸性或碱性包膜剂，在以碱或酸中和，使处理剂沉淀出来。

碳化法是在含包膜剂的碱性钛白粉浆液中通入CO2使处理剂沉淀。此法使硅铝共沉淀形成的膜比中和法更均匀。

干法无机表面处理是在气流载带下用喷雾方法使钛白粉颗粒表面吸附一种金属卤化物，如 AlCl3、ZnCl2、ZrCl4或 TiCl4，再在含氧气体存在下，焙烧使其氧化成氧化物或在过热蒸汽等含水气体存在下使其水解。此法可与后粉碎过程结合起来，就在气流粉碎机内处理。

3 二氧化钛无机包膜剂应用研究

3.1 无机包膜处理过程概述

包膜过程采用中和法进行研究。首先将煅烧后产物经过粉碎，再加入分散剂制成浆料用砂磨进行研磨，除去粗颗粒后制成水性分散浆料。然后在恒速的搅拌下、一定的温度下，加入适当包膜剂进行包膜处理。通过调节浆料的PH值，使水合氧化物沉淀在TiO2粒子表面，这种沉淀物的形态根据沉淀条件而变化。常用无机处理剂有Al2（SO4）3、NaAlO2、Zr（SO4）2、Na2SiO3等。

3.2 无机包膜剂的主要功能

3.2.1 氧化铝（Al2O3）

氧化铝包膜的作用，除了能在二氧化钛表面形成一层保护层隔绝二氧化钛与有机介质的直接接触外，Al2O3还能反射一部分紫外线，避免二氧化钛过多的吸收紫外线而发生光化学反应，以三氧化二铝改性钛白粉，它能使涂料具有良好的光泽，改善涂料的白度，提高涂料的抗粉化性能。

铝包膜可以单独进行，也可与SiO2、ZrO2、TiO2等一起进行，铝包膜剂通常使用硫酸铝和偏铝酸钠。铝盐的包膜方式可以简单表示如下:

铝盐（硫酸铝）＋碱（氢氧化钠→—）水合氧化铝

铝酸盐（偏铝酸钠）＋酸（硫酸→—）水合氧化铝

其化学反应式如下:

氧化铝包膜可以单独进行，俗称单铝包膜，但使用最多的是与SiO2一道进行，通过不同Al2O3／SiO2比例，生产不同类型的二氧化钛产品。

通过测定不同Al2O3／SiO2包膜后二氧化钛的吸油量和吸水量发现，此类包膜剂中的Al2O3比例越高，它的吸油量和吸水量也越低，可见Al2O3是亲油性的，它有助于二氧化钛在有机介质中的分散，所以在钛白行业中，早就有一种“铝亲油、硅亲水”的说法。

3.2.2 氧化锆（ZrO2）

二氧化锆包膜层不仅具有象二氧化钛膜那样的附着力促进作用，而且还能掩盖二氧化钛晶格表面上的光活性基团（TiOH），可以提高二氧化钛的抗粉化性和光泽度。

二氧化锆包膜所用的锆盐，一般采用酸性锆盐如:Zr（SO4）2、ZrCl4、Zr（NO3）4等，但以采用Zr（SO4）2的较多，ZrO2包膜量一般占包膜二氧化钛重量的0.5%～1%，太少对二氧化钛的耐久性、抗粉化性作用不大，太多（超过2.5%）这种过渡金属氧化物会对颜料的光学性能有相反的损害作用。

3.2.3 氧化硅（SiO2）

硅包膜一般不单独进行，通常与铝包膜同时进行，它最主要的作用是在二氧化钛表面形成一层膜，使二氧化钛粒子与有机介质隔离，减少与介质的接触面积，堵塞TiO2上的光活化点，有效的保护二氧化钛不受紫外线侵害，减低它的光化学活性，从而增加颜料的亲水性。增加水分散性，提高颜料遮盖力，并改善其抗粉化性能。

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