造纸用复合钛白粉的制备及性能研究

周文静

（龙佰集团股份有限公司，河南 焦作 454006）

0 引言

在造纸生产工艺中，加入钛白粉提高纸张的光学性能和不透明度。但是钛白粉价格较高，使得纸张生产成本较高[1]。本文以重介碳酸钙为母体，采用机械化学法在其表面包覆TiO2粒子制备复合钛白粉，使其具有较高的遮盖力性能，可以取代纸张生产中部分钛白粉的用量。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验原料

金红石型钛白粉，白度为93.4%，吸油量为0.263g/g，遮盖力为18.6 g/m2，龙佰集团股份有限公司。

重介碳酸钙，白度为91.5%，吸油量为0.171 g/g，遮盖力为26.6 g/m2，佛山市勃震化工有限公司

分散剂，六偏磷酸钠（AR），上海创赛公司；氧化铁红（工业级）、氧化铁黄（工业级），龙佰集团股份有限公司。

1.1.2 实验仪器

JFS-550 数显高速分散搅拌砂磨机，上海巴玖YQ-Z-48A 白度计，Analysette 22 NanoTec 进口光散射激光粒度仪，SK-FTIR600 傅里叶变换红外光谱仪，LD-CPJ-01 型纸样抄取器。

1.2 实验方法

以碳酸钙作为母体，按一定比例加入氧化铁红、氧化铁黄、分散剂、研磨介质、水，混合均匀后放置于高速分散搅拌砂磨机中研磨2 h，进行介质脱水、过滤、干燥、粉碎，制备得到复合钛白粉，取样品进行性能测试。

1.3 复合钛白粉的性能测试和表征

复合钛白粉遮盖力按照GB 1709—1979 标准进行测定；吸油量按照GB 1712—1979 标准进行测定；白度采用YQ-Z-48A 白度计测定。

2 结果与讨论

2.1 复合钛白粉的制备及性能影响研究

2.1.1 氧化铁红含量因素对复合钛白粉性能的影响

确定其他工艺参数条件一致情况下，加入不同质量分数氧化铁红（0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%、0.15%）进行试验，制备得到复合钛白粉的白度与遮盖力结果如图1 所示。

图1 氧化铁红质量分数对复合钛白粉性能的影响

由图1 数据可知，当氧化铁红质量分数从0 增加至0.15%过程中，复合钛白粉白度表现为逐步下降趋势，氧化铁红质量分数为0 时白度为最大值93.6%，加入氧化铁红质量分数为0.15%时白度为最小值75.8%；复合钛白粉遮盖力数值表现为先下降后增大趋势（遮盖力性能表现为先提高后下降），加入氧化铁红质量分数为0.06%时遮盖力数值为最小值21.3 g/m2，即氧化铁红质量分数为0.06%时为复合钛白粉遮盖力性能最佳情况。

在制备的复合钛白粉当中，加入的氧化铁红主要起到以下两种作用：第一，氧化铁红作为一种颜料其自身具有较高遮盖力，复合钛白粉中的粒子能起到增加入射光的散射中心作用；第二，在微量情况下氧化铁红具有空间位阻作用，减少TiO2粒子发生团聚，TiO2粒子分布均匀，不发生集群效应，提高复合钛白粉遮盖力性能[2]。

氧化铁红质量分数在0～0.06%之间时，氧化铁红在复合钛白粉发挥了上述两种作用的协同效应，因此随着氧化铁红含量的增加复合钛白粉遮盖力性能明显提高。加入氧化铁红质量分数超过0.06%，氧化铁红含量过大导致复合钛白粉遮盖力性能下降。

综合复合钛白粉白度及遮盖力两方面的性能指标，确定氧化铁红加入量为0.06%较合适，此时复合钛白粉白度85.3%，遮盖力数值21.3 g/m2，吸油量18.3 g/100 g。

2.1.2 氧化铁黄对复合钛白粉性能的影响

确定其他工艺参数条件一致情况下，加入不同质量分数氧化铁黄（0、0.02%、0.05%、0.08%、0.10%、0.15%）进行实验，制备得到的复合钛白粉的白度与遮盖力结果如图2 所示。

图2 氧化铁黄含量因素对复合钛白粉性能的影响

由图2 数据可知，当氧化铁黄质量分数从0 增加至0.15%过程中，复合钛白粉白度表现为逐步下降趋势，氧化铁黄质量分数为0 时白度为最大值92.9%，氧化铁黄质量分数为0.15%时白度为最小值77.8%；复合钛白粉遮盖力数值表现为降低、增大、降低、增大等无明显规律，氧化铁黄质量分数为0.08%时遮盖力数值为最小值21.5 g/m2，此时为复合钛白粉遮盖力性能最佳。

复合钛白粉遮盖力出现上述无明显规律的原因：氧化铁黄自身具有高遮盖力，广泛应用于造纸及涂料的生产中，在复合钛白粉的制备中可以通过加入氧化铁黄作为TiO2增量剂部分；在微量情况下氧化铁黄具有空间位阻作用，减少TiO2粒子发生团聚，更多的TiO2粒子能起到入射光散射中心作用，提高复合钛白粉遮盖力性能；当加入氧化铁黄含量过量时，氧化铁黄会附着在TiO2粒子表面，较少TiO2粒子起到入射光散射中心作用，降低复合钛白粉遮盖力性能。在上述两种作用下，对遮盖力性能的影响无太明显的规律。

综合复合钛白粉白度及遮盖力两方面的性能指标，确定了氧化铁黄加入量为0.08%较合适，此时复合钛白粉白度为83.7%，遮盖力数值为21.5 g/m2，吸油量为0.153 g/g。

2.1.3 TiO2加入量因素对复合钛白粉性能的影响

确定其他工艺参数条件一致情况下，采用不同TiO2加入量（0、20%、40%、60%、80%、100%）进行实验，制备得到的复合钛白粉的白度分别为80.1%、85.7%、90.5%、91.2%、93.2%，遮盖力数值为50.2、39.8、21.1、20.4、20.2 g/m2。

TiO2加入量从10%增加至90%过程中，复合钛白粉白度表现为逐步增大趋势，TiO2质量分数为10%、90%时白度分别为80.1%、93.2%；复合钛白粉遮盖力数值表现为下降趋势（遮盖力性能增加），TiO2加入量在10%～50%时遮盖力数值下降较明显，TiO2加入量50%～90%时遮盖力数值下降平稳，钛白粉遮盖力性能最佳。

综合复合钛白粉白度及遮盖力两方面的性能指标，确定TiO2加入量50%较合适，此时复合钛白粉白度90.5%，遮盖力数值为21.5 g/m2，吸油量为20.8 g/100 g。

2.2 复合钛白粉的性能测试和表征

复合钛白粉制备的最佳工艺参数：氧化铁红加入量0.06%、氧化铁黄加入量0.05%、TiO2加入量50%，该工艺参数条件下制备复合钛白粉，取试样进行性能测试及表征。

2.2.1 性能测试

制备的复合钛白粉白度为93.5%，遮盖力数值为20.1 g/m2，吸油量为0.234 g/g。复合钛白粉的白度及遮盖力性能接近钛白粉，复合钛白粉可取代部分钛白粉用于造纸填料。

2.2.2 表征

扫描电子显微镜分析可知，在复合钛白粉中碳酸钙粒子颗粒大小比较均匀，大部分碳酸钙粒子表面被二氧化钛颗粒包覆，碳酸钙粒子粒径变小。

对比碳酸钙、钛白粉IR 光谱数据，复合钛白粉IR 光谱数据中在621 cm-1处增加一个小吸收峰，为C—O—Ti 键，这说明在制备复合钛白粉过程中碳酸钙与钛白粉表面发生了化学反应，生成了新键。

3 结论

以重介碳酸钙为母体，加入钛白粉、氧化铁红、氧化铁黄、分散剂等物质，采用机械化学法制备复合钛白粉。最佳工艺参数：氧化铁红加入量0.06%、氧化铁黄加入量0.05%、TiO2加入量50%，制备的复合钛白粉白度为93.5%，遮盖力数值为20.1 g/m2。复合钛白粉整体性能接近钛白粉，可取代部分钛白粉用于造纸填料。