氯化法钛白粉表面处理分析

2021-04-20秦国强王永珊苗委然

化工设计通讯 2021年3期

秦国强，王永珊，豆君，苗委然

（龙蟒佰利联集团股份有限公司，河南焦作 454191）

钛白粉即二氧化钛，是用途最为广泛的白色颜料，也是具有最高折光指数的白色颜料。在性能方面，钛白粉的光散射能力、消色力、遮盖力和白度都十分优异。虽然钛白粉在性能和折光指数上有诸多优点，但它也存在不可忽视的缺陷：

其具有光化学极不稳定的特征，在水分和日光照射的双重作用下，二氧化钛晶格上的氧离子会丢失两个电子而变为氧原子。这种变化发生后，形成的新生物具有极强的氧化性，可以使得涂膜出现失光、粉化、变色等情况，最终导致降解，断链反应的发生，造成耐候性减弱现象的发生，降低二氧化钛的使用率。

二氧化钛存在晶格缺陷的问题，其离子表面存在诸多的光活化点，若加上一些微量杂质，就可能加速光化学反应，从而引起因自由基健反应而导致的如涂膜等有机介质的破坏。

就二氧化钛的本质而言，其属于亲水憎油性的物质。二氧化钛在大部分有机物中的稳定性都不太高，因此涂料发花、絮凝、涂色等不良情况的发生率就会大大提高，这对二氧化钛在涂料方面的应用造成了极大的限制。

因此，需要采取措施来最大限度地规避因这三点缺陷而造成的风险，做到二氧化钛的效益最大化，而表面处理是一种很好的解决措施。

1 表面处理概述

表面处理就是运用不同的表面处理剂和处理工具，将一层或多层的有机物和无机物覆盖在二氧化钛离子表面，形成致密的包膜层，从而达到改善二氧化钛固有的三大缺陷，提升其耐候性、分散性等目的。而有关二氧化钛的表面处理，主要是运用等电子理论和稳定理论以及多种不同的化学反应方式，来对二氧化钛的表面进行处理。通过这种方式所达到的结果只能对二氧化钛的表面电荷和表面起到相应的改变，从而做到对二氧化钛的光化学活性这一缺陷的弥补，同时也可以达到对其耐候性、耐久性提高的目的。

根据二氧化钛表面处理剂的性质，可以将二氧化钛的表面处理分为无机表面处理和有机表面处理；根据二氧化钛的表面处理工艺，可以将二氧化钛表面处理分为湿法和干法两大类。其中无机表面处理虽然方式类型较少，但由于其无机的性质所导致的处理工艺上的千变万化，对产品影响最大的还是无机表面处理。

2 氯化法钛白粉无机表面处理相关工艺

二氧化钛的表面处理方式以无机表面处理为主要模式，所以重点看一下无机表面处理的相关工艺流程。使用无机表面处理法必然会用到若干无机金属化合物，比如锌化合物、镁化合物、硅化合物、铝化合物、钛化合物和锆化合物等，其中的钛、硅、锆、铝化合物是目前普遍使用的处理剂。但是现如今，为了响应习主席的“建设绿色中国”的号召，为了减少环境的污染，传统的硫酸法已经被摒弃，新型的氯化法钛白粉无机表面处理法已占据主导地位。因此，介绍氯化法钛白粉无机表面处理工艺流程就显得十分有必要了。

2.1 分散

当二氧化钛溶在水性介质中时，其分散的程度及分散的好坏不仅会对其包膜的均匀性造成影响，而且会对二氧化钛离子对光的折射功能造成影响，这将直接影响到最终得到的颜料的性质，导致产出产品的光学性质和功能有较大的缺陷。对分散造成较大影响的因素如下。

2.1.1 水质要好

水中若有杂质，将直接影响二氧化钛离子在水中对光的折射程度，从而直接影响颜料的光学性质，因此必须使用去离子水。

2.1.2 浆液pH控制好

不同pH 的浆液对于薄膜的均匀性有较大影响，合理控制pH 是成功完成表面处理的一大前提。通常浆液的pH 控制在9～11为最佳。

2.1.3 控制分散剂的用量

凡事都必须遵循“适量”二字，对于分散剂的使用也是如此。分散剂若加入过少则达不到所需的效果，若加入过多，则会使得分散剂之间产生凝絮、聚集反应，对最终产品质量造成影响。

2.2 研磨

在表面处理过程中会发生大量的氧化还原反应，从而导致凝絮、聚集反应频发，产生较大的、不规则的二氧化钛相关氧化物聚集体。而研磨这一过程就是使用超微粉碎手段，将氧化物聚集体打磨成符合工艺要求的颗粒大小。这一过程的影响因素较多，浆液的浓度、湿度、黏度、pH 和分散度都对其有较大的影响。

2.3 包膜

包膜是整个钛白粉处理过程中最为关键、最难控制的一道工序，也是整个工序能否成功以及工序质量是否优异的关键。因此，在大部分生产钛白粉的工厂中，最后包膜步骤都是采用先进的计算机集散控制系统来完成的。除此之外，在包膜这一过程中，还有诸多影响因素，这些影响因素可以对包膜的结构和疏松度造成影响，一定要严格控制。

2.3.1 硅包膜

表面处理的目的是提高钛白粉的耐候性，要做到这一点，可以通过在二氧化钛颗粒表面覆盖一层致密的二氧化硅来实现，即覆盖一层硅包膜。只有监测好温度、pH、分散度、包硅量等诸多因素才可以得到致密性较好的硅包膜。

2.3.2 锆包膜

除了提高耐候性外，粒子间结合力的提高也能提高二氧化钛的使用效率。诸多金属包膜中的锆包膜就可以提高离子间的结合力，并且对二氧化钛晶格表面上的光活化点进行遮蔽，在一定程度上对二氧化钛的晶格缺陷这一点进行了弥补，从而提高二氧化钛的光泽度和耐久度。

2.3.3 铝包膜

除了硅包膜和锆包膜外，铝包膜也是一种很好的提升二氧化钛耐候性的方法。除此之外，铝包膜还可以提高二氧化钛的分散度，提升二氧化钛产品的质量。同时需要注意的是，在铝包膜制作过程中，不仅添加速度要控制均匀，并且其搅拌速度也要控制均匀，这样才能得到致密均匀的铝包膜。

3 氯化法钛白粉产品质量的影响因素

3.1 二氧化钛浆液的分散性

钛白粉的生产过程包括分散、研磨、分级、包膜步骤，其中分散为第一步，把握好二氧化钛浆液的分散性就相当于在完成钛白粉制作道路上迈出了坚实的第一步。因此，要想得到质量上乘的钛白粉，就必须把握好二氧化钛浆液的分散性。在浆料之中，二氧化钛粒子多以原级粒子、絮凝粒子、聚集粒子、附集粒子的形式存在，而这其中又数原级粒子的化学性质最为稳定。因此，要想二氧化钛浆液通过分散、研磨、分级这三大步骤之后还能最大限度地满足包膜的需求，就必须使得二氧化钛粒子多以原级粒子的形式存在。由表1可知，分散剂质量分数在25%～35%时，二氧化钛粒子粒径较小且浆液黏度较低，有利于分散。

表1 不同分散剂浓度下浆液黏度及粒子直径比较

3.2 搅拌强度

无论何种方法来生产钛白粉，制作过程中必然会涉及搅拌，而搅拌的强度也是决定最终产品质量的重要因素。如果搅拌程度太大，会使得二氧化钛粒子之间剧烈碰撞，使得刚形成的氧化物沉淀被破坏，难以成型；若搅拌程度太小，会使得二氧化钛浆液分散度不够，难以形成完整的包膜。

3.3 研磨过程中研磨介质填充率

研磨过程中必然涉及研磨介质的选择，不论是硬度、强度还是大小、密度都与研磨效果有着密切的联系。研磨的过程就是研磨介质与二氧化钛浆液中的介质相互碰撞，得到大小合适的粒子，这其中涉及碰撞力、剪切力等多种力的作用。除此之外，研磨介质与浆液中的介质发生力的相互作用的前提是要发生接触，因此，研磨介质的表面积的大小取舍就显得十分重要了，研磨介质的球形直径也是一项较为重要的影响因素。综上，研磨介质填充率对研磨效果有极大的影响，由表2可知，研磨介质填充率越大，研磨所得粒子的直径就越小，即研磨的效果就越好。

表2 研磨介质不同填充率研磨后所得粒子直径大小比较

3.4 二氧化钛浆液的pH

对于二氧化钛浆液来说，其pH 乃是最后一步成膜的关键因素，无论pH 过高还是过低，都会影响到最终的成膜效果，影响最终成品的质量。

以硅包膜为例，对于硅包膜来说，最重要的就是其致密性，唯有做到良好的致密性，才算是完成了表面处理工艺。当pH控制在9-11时，二氧化钛粒子的分散状态较高，且硅包膜聚合成型速度较慢，能够形成均匀致密的硅包膜，此pH 下完成的硅包膜质量最佳。当pH 为7～8时，硅包膜聚集成型速度太快，难以得到致密均匀的包膜。当pH 值为2-3时，硅包膜聚集成型速度也是比较慢的，但是此时的二氧化钛粒子分散状态较差，多呈凝集状态，难以得到致密均匀的硅包膜。