一种杀菌涂料专用金红石钛白粉制备方法

2022-07-25张修臻张本发鲁伟马征程

当代化工研究 2022年13期

＊张修臻张本发鲁伟马征程

（安徽金星钛白（集团）有限公司安徽 243051）

二氧化钛，俗称钛白粉，被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料。它具有纯洁的白度，对光线的折射率高，粒度和粒度分布适宜的微细粉末，对光热作用稳定，呈化学惰性等特性。二氧化钛是化学工业中一种重要的原材料，广泛应用于涂料、造纸、塑料、油墨、造纸、橡胶、陶瓷等行业，是迄今为止公认的最佳白色颜料，占全部白色颜料使用量的80%以上，其中有60%用于涂料。

近年来，随着经济发展，“没有全民健康，就没有全面小康”的意识越来越深入人心，水性涂料、杀菌涂料等高技术含量的涂料被研究、使用，特别是杀菌涂料，杀菌涂料在医疗领域、儿童产品领域、老人用品领域得到广泛应用。目前市场上的钛白粉基本都应用于常规涂料，难以满足杀菌涂料要求，现在杀菌涂料填料均采用钛白粉与其他具有杀菌功能的辅料相配合实现杀菌功能，因此研究一种可以直接用于杀菌涂料的钛白粉非常必要。

1.实验部分

(1)原料

钛白粉粗品，聚丙烯酸钠溶液，硫酸锆溶液，磷酸氢二钠溶液，偏铝酸钠溶液，稀硫酸，稀碱溶液，磷酸锆，TMP溶液，去离子水。

(2)实验设备

辊压磨，砂磨机，包膜罐，搅拌，压滤机，烘箱，汽粉机，研钵，泵，平模仪，电脑等。

(3)试验方法

S1：研磨制浆：将钛白粉粗品反复研磨、制浆，制成浓度为500～700g/L的钛白粉浆料；同时加入分散剂、脱盐水，再经球磨机、胶体磨串联研磨后，制成一定浓度的钛白粉浆料，最后经过砂磨机研磨。

S2：表面处理：制成的钛白粉浆料转入表面处理罐内进行表面处理，即制成的浆料转入表面处理罐内，用脱盐水将料浆浓度稀释至300～350g/L，且使得浆料在表面处理罐内升温至45～50℃，然后并流加入硫酸锆溶液与磷酸氢二钠溶液，熟化30～40min，熟化又叫沉化，是为了硫酸锆溶液与磷酸氢二钠能够充分接触反应，其中硫酸锆溶液浓度为90～110g/L，其中浓度以ZrO2计，磷酸氢二钠溶液浓度为 90～110g/L，其中浓度以Na2HPO4计，且硫酸锆溶液流量与磷酸氢二钠溶液流量之比控制在1:2.3～1:2.5之间。硫酸锆溶液与磷酸氢二钠的反应式：Zr(SO4)2+2Na2HPO4=Zr(HPO4)2+2Na2SO4。

并流后的钛白粉料浆中加入稀碱，将钛白粉料浆的pH调至7.0～7.5，熟化30～40min后，升温至70～80℃。再次并流加入偏铝酸钠溶液与稀硫酸溶液，熟化50～60min，偏铝酸钠溶液浓度为90～110g/L，其中浓度以Al2O3计，稀硫酸浓度为120～140g/L，其中浓度以H2SO4计，且偏铝酸钠溶液与稀硫酸流量之比控制在1:2.0～1:2.1之间，最终Al2O3的包膜量控制在2.0%～3.0%之间。熟化后转入处理后槽内。

S3：洗涤干燥：将表面处理结束后的钛白粉浆料转入压滤机内用脱盐水进行洗涤，经脱盐水洗涤后的钛白粉料浆的电导率终点控制在500μs/cm以下，电导率控制在较低水平，能够有效减少脱盐水使用量，降低生产成本。然后进行干燥处理，得到粉料，转入第一粉料仓；其中干燥后粉料中的水分控制在1%以下，粉料溶液的pH值控制在8.5～9.0之间，电阻率在5000Ω·cm以上。该步骤中将钛白粉粉料溶液的钛白粉控制至弱碱性，是由于后期进行磷酸锆二次包膜的时候，磷酸锆溶液呈弱酸性，因此需提前将混合钛白粉溶液的pH值调至弱碱性，便于与后期磷酸锆溶液的弱酸性进行中和，并使得最终形成的复合包覆钛白粉溶液呈中性，避免对后续设备造成腐蚀侵害。

S4：有机包膜：将第一粉料仓内的粉料与磷酸锆按照一定比例，同时与有机包膜剂一起转入汽粉机内进行气流粉碎和有机包膜，得到的粉料转入第二粉料仓，磷酸锆的质量占比控制在5%～10%之间。将第二粉料仓内的粉料包装后得到用于杀菌涂料的钛白粉。

图1 工艺流程图

(4)实验数据

按照上述实验数据进行三组实验，具体数据如下：

表1 钛白粉粉料的性能检测表

数据分析：经过磷酸锆与锆铝包膜的钛白粉复合成复合钛白粉后，在白度、遮盖力等指标上不低于锆铝包膜钛白粉；但在电阻率上，反而出现了钛白粉溶液电阻率的一个突升，对于涂料的整体性能有了一个较大的提升，因为钛白粉料水溶液的电阻率越高，其内部杂质离子较少，能够有效提高涂料的整体使用性能。

2.优越性能

硫酸锆溶液流量与磷酸氢二钠溶液反应能够形成稳定的磷酸锆包膜，磷酸锆应用到涂料里具有杀菌功能，钛白粉外层包覆有一层磷酸锆，因此钛白粉涂料也就具备一定的杀菌功能，再与后续的磷酸锆进行二次包覆，杀菌功能进一步提升，且由于符合钛白粉外层已包覆有一层磷酸锆，其性能与磷酸锆相近，使得后期磷酸锆的二次包覆更加容易，且包覆效果更好，进一步有效提升了涂料的整体杀菌功能。

第二次并流是为了形成第二层铝包膜，提高钛白粉涂料的分散性、耐候性能，使得涂料不易发黄、不易粉化，提高涂料的整体性能。最终得到的复合包膜钛白粉具有阻燃能力，由于磷酸锆在高温燃烧时能催化聚合物交联成炭，形成“屏障”，阻隔可燃气体、氧气和热量的传输，是一类新型高效的阻燃剂，为填充材料添加到涂料中，不但可以提高涂料对基体的覆盖力和耐久性，而且在阻燃方面存在着一定的研发潜力。

高电阻率钛白粉，比其他常规钛白粉洗涤时间短，节省洗涤水，降低成本。脱盐水洗涤后的钛白粉溶液的电导率较高，其所对应的电阻率则会较低，但通过有机包覆后，反而出现了钛白粉溶液电阻率的一个突升，对于涂料的整体性能有了一个较大的提升，因为钛白粉料水溶液的电阻率越高，其内部杂质离子较少，能够有效提高涂料的整体使用性能。

最终得到的复合包膜钛白粉用于杀菌涂料后，可以去除涂料中的有害气味，也对CO2等酸性气体有一定的吸附能力，具有吸附甲醛、氨等有害气体的复合功能材料，降低直至完全吸附吸收建材、纸张和涂料等有害气体；同时其安全性高和耐热性好，化学稳定性好，起到抗菌作用，可对各类细菌进行高效的杀灭和去除。

3.高耐候杀菌涂料专用金红石钛白粉及生产设备工艺

(1)金红石钛白粉生产工艺概述

金红石钛白粉生产工艺分析中，首先是对表面复合薄膜材料有机质操作水平进行分析，其中包含薄膜材料的覆盖比例量，包含铝、钛、硅等氧化物材料，依据有机包膜材料的钛白粉工艺，分析生产金红石钛白粉的设备。从处理表面的锅、锅底部造型变化入手，结合实际情况改进思路，重视包膜覆盖率的变化。依据包膜覆盖比例水平，跳帧致密性，控制金红石钛白粉的综合百度范围、亮度、透明度等。依据漆料配置的操作工艺过程，调整分散性变化水晶，控制流动性、耐磨性、润滑性变化。

(2)钛白粉权利要求说明书

金红石型钛白粉权利特点规范操作中，需要依据复合水平，开展无机配料、有机配料两种方式，所有金红石型钛白粉特征分析中，需要明确疏水位置。无机包膜材料中包含各类金属的氧化物混合形式，所有表面活性剂为有机硅制剂。

根据实际特征要求，所有憎水亲油有机硅均属于烷类。按照生产权利要求需要调整其表面的特殊性状态，注意底部椎体位置的调整和处理。

(3)金红石型钛白粉加工生产工艺设备

①设备工艺结构产品类型。此设备是一种化工类产品，是基于生产设备加工实现的钛白粉末，主要用于生产设备的生产与加工操作。二氧化钛在405mm波长比例范围内，经过紫外线光波端的微光吸收作用后，吸收紫外线光后的延展涂料，延长物料的整体使用寿命，提升综合光化学水平。空气、水中受紫外线光照射的影响，发出氧原子，经过有机氧化的降解处理，涂料失去原有的光泽度，膜表面分离出白色的粉末状物质。经过大气侵蚀，涂膜表面出现开裂、剥落的情况。涂膜面变黄，二氧化钛失去原始的色彩，混合用的时候产生浮色。在经过处理后，改变原有色彩，出现褪色，可以起到有效保护色彩性能的效果。

②金红石钛白粉制备工艺操作类别。金红石钛白粉的制备工艺多，根据不同的无机色膜工艺，操作工艺不同。包膜的用途不同。所有无机包膜中主要都是由铝、钛、硅等配置实现。根据二氧化钛长期生产工艺的产品操作规范要求，明确开发模式和建设工艺，分析产品价值标准。为了提升钛白粉市场品质，需要严格对产品性能品质进行研究，注重钛白粉包覆比例的均匀性和致密性。金红石性钛白粉是复合型有机材料，无机包膜材料是指硅、铝、钛等氧化物，在混合的情况下实现的有机包膜材料的活性匹配。所有金红石属于疏水型的钛白粉，无机包膜属于氧化物。为了解决氧化亲水有机硅混合效果，需要结合金红石钛白粉的设备加工工艺和操作要求，提出符合亲水型有机硅羟基方案。

③生产加工金红石钛白粉包膜形式。生产加工金红石钛白粉设备操作中，需要明确表面处理的锅模式，明确表面处理的锥形体范围和形状。对表面锅进行改进，注意包覆率控制在98%以上，确保包覆均匀致密效果良好。钛白粉包膜方法包含复合包膜法，是有机包膜、无机包膜的整合过程。

无机包膜是指在基本作用条件下，让钛白粉与有机介质无直接接触，有效地保证屏蔽催化效果。注意二氧化钛耐候性水平的评估，调整大气侵蚀能力，提高氧化铝包膜效果。依据包膜比例大小不同结合包膜次序差异进行分析，明确现有的电荷量，二氧化钛需要结合不同介质要求进行分散性水平评估。氧化锆包膜需要满足高金红石型钛白粉的实际负载荷性和耐候性水平。

有机包膜是指通过主要的四类材料，其中包含阳离子活性制剂、非离子表面活性制剂、有机硅制剂、复合包膜制剂等。经过钛白粉复合包膜制剂后，调整产品的综合性能，以达到最大的提升效果。

④生产加工金红石钛白粉包膜覆盖原理及方法。依据包膜覆盖的无机包覆比例水平，充分利用二氧化铝无机包覆水解效果，调整氧化钛表面的包覆水平，采用收缩包膜的方式，提高整体生产效率，注意降低硫酸等酸化作用，减少对于环境可能造成的各项污染问题。

根据包膜制剂的比例要求，加入二氧化钛浆料配置，在一定的搅拌速度调节下，控制二氧化钛颗粒的生凝胶效果，加入适当的比例量，生成活性生凝胶，逐步增加包膜制剂量水平。随着活性胶颗粒量的增加，二氧化钛的表面不断生成核，在二氧化钛的表面构建致密性的铝膜形态。

分散制剂中加入量需要按照二氧化钛的水解分散情况，对包膜的整体效果进行评估。综合二氧化钛的实际情况，进行高度分散处理，逐步达到颗粒无聚集，无凝团的情况，提高整体致密包膜层的效果。包膜层需要在水溶制剂分散后，取氧化后的浆料，使用氢氧化钠溶剂调节，加入不同量的硅酸钠分散制剂，注意搅拌时间和粘度比例水平的测定。分散制剂与分散粘度需要符合指数比例要求。

加入分散制剂后，粘度浆料也有所下降。随着分散制剂量的增加，粘度逐步下降。分散制剂量达到0.35%比例的时候，粘度降低，分散粘的含量增加，分散的粘度有所提升。二氧化钛颗粒表面存在电荷，在分散制剂的作用下，二氧化钛颗粒产生电荷，加入到分散制剂中，表面颗粒形成电荷层。在双层的作用下可以实现钛白粉团聚，加入0.35%比例的硅酸钠分散制剂，粘度逐步减少，点位升高，分散达到最佳状态。当分散制剂量增加到4%比例的时候，点位发生改变，此时不利于膜层的均匀包覆处理。

⑤包膜水分散性的水解影响过程。二氧化钛表面包膜覆盖主要以顺流量方式，在分散浆料的配置过程中，在一次性偏铝酸钠溶剂的作用下，一定程度实现均匀酸碱的指标提升。根据流包膜的综合分散水平，加入试剂的同时，调整固化速度。控制浆料的pH值无变化，调整试剂的加入速度，保证包膜与沉降量的关系比例合理。

在沉降时间一定的情况下，顺溜包需要与R1标样分层存在差异，沉降量水平增加。对于包膜后颗粒需要采用双垫层处理办法，注意流速、水溶性氧化铝的形态方式。酸性调节制剂加入后，二氧化钛表面呈现不同铝膜的形态。分熟后铝膜形态渗透作用改变，达到稳定的状态。铝膜是具有较强保护性的，分散稳定性强，颗粒悬浮与水溶剂上，无沉降的问题发生。

⑥酸化调节制剂速率对包覆作用致密性的影响。包覆致密性作用是考察包膜质量的实际范围和标准。依据吸油量指标评估判断致密性程度，在同等颗粒条件下，吸油指标水平低，膜层致密性强。膜层出现疏松情况时，膜层越疏松，盐酸加入比率随着吸油量的增加也越多。