P2O5/Al2O3包覆的装饰纸用钛白粉的制备

周永基，王晓真

（山东道恩钛业有限公司，山东龙口 265600）

随着近几年全球资源的匮乏，国家对环保的要求也越来越严格，在家居行业人造板及其他非木材原料替代部分木材能节省大量的自然资源，而装饰纸材料广泛引用于纤维板、胶合板、强化木地板等办公或家具贴面装饰材料，是其二次装饰加工的主要材料，装饰纸产业进入了迅猛发展期。而随着市场需求量的增大，对装饰纸品质的要求也越来越高，钛白粉具有高亮白、高遮盖、耐光性好等优点，其作为优质白色颜料被广泛应用于装饰纸材料。钛白粉应用于装饰纸材料，其对装饰纸的色相、光泽、白度及色牢度都有明显的应用优势，尤其是耐光性和色牢度起着决定性的作用。在体现出较强的遮盖力及色彩稳定性的同时，还具有极佳的耐候性，能够有效延长装饰纸最终制品的使用寿命[1-2]。

钛白粉在白色系或浅色系的装饰纸生产过程中，其用量达到30%～45%。为满足装饰纸高要求的耐光能力与耐热性，保证其有较好的白度、遮盖力、良好的印刷性、耐久性及耐黄变性，必须采用经过一定表面包覆处理的金红石型钛白粉。装饰纸用钛白粉常采用磷酸或磷酸盐或者铝盐对钛白粉产品进行包覆处理，或者进行磷铝复合包膜，P2O5/Al2O3复合包膜的钛白粉产品应用于装饰纸能提高留着率并具有优异的耐光性。其可能机理为：第一层P2O5/Al2O3复合膜较为致密，能明显提升颜料亲水性能，纸张留着率及耐光性也相应提高。当铝化合物与磷酸盐聚集反应时，在溶液中会形成-O-P-O-Al-O-P 共价键，这些键聚集形成长链及网状结构，其网状结构能完全覆盖颜料，对颜料的亲和力也有提高。第二层在磷铝膜上继续包覆水合氧化铝膜层，可以提高颜料的艳丽度及光泽度，并使钛白粉颗粒表面形成正电势，而纸张纤维表层具有少量负电荷，使钛白粉与纸张之结合力更好，其颜料在纸张上的留着率也相应提高[3-4]。本文以磷酸盐和铝盐对钛白粉进行表面复合包膜，并对钛白粉应用于装饰纸的留着率和耐光性进行分析，利用正交试验分析方法，确定了P2O5/Al2O3复合包膜的最佳表面处理条件，并对最佳表面处理条件制备的钛白粉进行扫描电镜和表层元素分析。

1 实验过程与结果分析

试剂：钛白粉浆料为公司自产的未经表面包覆处理的金红石型钛白粉粗品；偏铝酸钠，硫酸铝，氢氧化钠，硫酸，磷酸，磷酸盐：均为工业纯。

仪器设备：电动搅拌器，pH 计，电热鼓风干燥箱，扫描电子显微镜，X 射线光电子能谱分析仪，紫外老化测试仪，水循环式真空泵，扫描电镜，小型高速粉碎机。

1.1 表面处理剂选择

钛白粉表面包覆大量的含磷化合物会引起水洗后滤饼稀化的问题，对于装饰纸用钛白粉必须考虑其水洗加工性能，本文考察了不同表面处理剂水洗滤饼的状态，采用磷酸盐B、硫酸铝与偏铝酸钠作为表面处理剂，其处理步骤为：在钛白粉浆料中加入磷酸盐 B与硫酸铝混合均匀，再以少量碱性铝中和，调整pH，陈化反应一定时间，包覆第一层；然后以偏铝酸钠和稀硫酸并流，调整pH 后陈化反应一定时间，包覆第二层；最后将体系pH 调到中性，包膜完成后，经水洗、过滤、干燥、粉碎研磨，得到P2O5/Al2O3包覆的钛白粉成品。

1.2 磷铝包膜钛白粉正交试验设计

利用正交试验方法考察不同因素对P2O5/Al2O3包覆的钛白粉的影响。本文选择 P2O5包覆量（ωp）、铝包覆总量（ωAl）、第一层铝包覆量（ωFAl）、第二层包覆陈化 pH 作为P2O5/Al2O3包覆的钛白粉性能影响的四个因素，采用四因素三水平设计正交试验，其试验方案如表1。

表1 P2O5/Al2O3包覆钛白粉正交试验设计

对P2O5/Al2O3包覆钛白粉的不同影响因素的留着率进行考察，其结果如表2所示。从表2可以看出，2号实验方案制备的钛白粉留着率达89.79%，留着率最佳；从正交试验各影响因素的K值分析可以得出，第一层铝包覆量（ωFAl）1.0%、铝包覆总量（ωAl）5.5%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二层陈化pH 为7时其组合平均留着率最高。从正交试验表中各个影响因素的极差分析可知，第二层包覆陈化的pH 对留着率影响最大，第一层铝包覆量对留着率影响最小。通过正交试验结果分析可知，要得到最佳留着率，需控制第一层铝包覆量1.0%、铝包覆总量5.5%、P2O5包覆量1.0%、第二层陈化pH 为7。

表2 P2O5/Al2O3包覆钛白粉留着率

对P2O5/Al2O3包覆钛白粉的不同影响因素的耐光性进行考察，其结果如表3 所示。从表3可以看出，第二层陈化pH 同样对P2O5/Al2O3包覆钛白粉的耐光性影响最大，铝包覆量对耐光性无明显影响。1号和9号实验方案的耐光性最佳，从正交试验各影响因素的K值分析可以得出，P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二层陈化pH为6时其组合耐光性最佳。考虑到耐光性，第二层铝包覆陈化需在弱酸条件下进行，磷包覆量不能过量。

表3 P2O5/Al2O3包覆钛白粉耐光性

通过对P2O5/Al2O3包覆钛白粉不同影响因素的正交试验结果分析，综合考虑钛白粉的留着率和耐光性指标，得出P2O5/Al2O3包覆的装饰纸用钛白粉最佳表面处理工艺为：第一层铝包覆量（ωFAl）1.0%、铝包覆总量（ωAl）5.0%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二层陈化pH 为6。

1.3 磷铝包膜钛白粉的形态分析

对上述正交试验得到的最佳表面处理工艺制备的钛白粉进行表面形貌分析，图1为扫描电镜（SEM）分析图，样品a 为未进行表面处理的钛白粉，样品b为最佳表面处理工艺制备的P2O5/Al2O3复合包膜钛白粉。图1显示，未经表面处理的钛白粉样品a 表面轮廓较为模糊，形状不规则，颗粒有少量聚集现象。而P2O5/Al2O3复合包膜钛白粉样品b，其表层光滑、连续，颗粒分明，呈现出明显的包覆层，包覆效果较好。

图1 钛白粉扫描电镜分析图

1.4 磷铝包膜钛白粉表层元素含量分析

对P2O5/Al2O3复合包膜钛白粉利用X 射线光电子能谱分析仪进行表层元素分析，X-能谱分析能通过测量物质表面的光电子峰强度，实现对物质表层元素的定量分析，其测量表层为3～5nm，其能谱不受原子核和光吸收性质的限制。将其与未处理的钛白粉对比分析，其表层元素分析结果如表4所示，其中包覆后铝和磷元素含量明显增加，钛元素含量明显减少，说明钛白粉表层包膜厚度较大，包覆完整性较好。

表4 钛白粉颗粒表层元素含量分析

2 结论

以磷酸盐和铝盐对钛白粉进行表面复合包膜，并通过对钛白粉应用于装饰纸的留着率和耐光性进行正交试验设计分析，确定了P2O5/Al2O3复合包膜的最佳表面处理条件：第一层铝包覆量（ωFAl）1.0%、铝包覆总量（ωAl）5.0%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二层陈化pH 为6。并对制备的钛白粉进行扫描电镜和表层元素分析，结果表明，其包膜厚度较大，包覆完整性较好，研制出的钛白粉具有优异的装饰纸应用性能，可以在装饰行业广泛应用。