一種高光澤高遮蓋鋯鋁包膜鈦白粉的制備與應(yīng)用評(píng)價(jià)

1、<p>　　一種高光澤、高遮蓋鋯鋁包膜鈦白粉的制備及應(yīng)用評(píng)價(jià)</p><p><b>　　劉麗；郭會(huì)良</b></p><p>　?。ǖ蓝麾仒I(yè)有限公司 山東 龍口 265700）</p><p>　　摘要：本文主要闡述了一種通用性鋯鋁包膜鈦白產(chǎn)品的制備，并對(duì)其主要應(yīng)用性能指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和與其它產(chǎn)品對(duì)比，此種鋯鋁包膜產(chǎn)品表

2、現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢(shì)，適用于對(duì)白度、遮蓋力、光澤度的要求高的行業(yè)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鈦白粉，白度，遮蓋力，光澤度，粒度</p><p>　　Application of Performance Evaluation of a New Zirconium Aluminum Coated Titanium Dioxide</p><p>　　Liu Li ；G

3、uo Huiliang</p><p>　　(Dawn Titanium Industry Co., Ltd. Shandong Longkou 262700)</p><p>　　Abstract: This paper describes a general zirconium aluminum coated titanium white product preparation, an

4、d its main application performance evaluation. Through the test data and the comparison with other products, the zirconium aluminum coated products showed a significant advantage in performance, suitable for whiteness, o

5、pacity, gloss demanding industry.</p><p>　　Keywords: Ttitanium dioxide, Whiteness, Gloss, Hiding power,Granularity</p><p><b>　　0 前言</b></p><p>　　鈦白粉是一種無(wú)毒、對(duì)身體健康無(wú)害白色顏料，占全部

6、白色顏料使用量的80%，由于其優(yōu)異的性能使其廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、油墨、造紙、化纖、搪瓷等行業(yè)領(lǐng)域。未經(jīng)表面處理的TiO2由于其自身的晶格缺陷，存在許多光活化點(diǎn)，在陽(yáng)光尤其是紫外線照射下會(huì)造成粉化、耐候性降低及介質(zhì)中分散差等缺點(diǎn)[1]，因此必須對(duì)其進(jìn)行特定的表面處理。目前應(yīng)用較多的無(wú)機(jī)包膜劑有硅、鋁、鋯等化合物，其中鋯鋁包膜是一種具有較高光澤度及中等耐候性的包膜方式，</p><p>　　鋯包膜所形成的水合氧化鋯

7、以羥基的形式牢固地鍵合在TiO2表面，其比表面積及表面活性大、吸附力強(qiáng)，能提高TiO2基體與包膜層之間的結(jié)合力，[2]同時(shí)顯著掩蔽TiO2晶格表面的光活性基團(tuán)，提高其光澤度和耐候性；然后再在其上包一層致密的氧化鋁膜，氧化鋁膜能夠反射大部分紫外線，從而提高了抗粉化性和耐候性。二氧化鈦顏料在工業(yè)中最重要的作用，在于利用它被分散到介質(zhì)中的不透明性能，從而達(dá)到遮蓋的效果。只有將鈦白粉制備成下游產(chǎn)品才能對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行有效評(píng)價(jià) 。 本文主要從鈦白粉在

8、油墨體系中的應(yīng)用方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。 </p><p><b>　　1 試驗(yàn)部分</b></p><p><b>　　1.1試驗(yàn)原料</b></p><p>　　本試驗(yàn)原料取自某鈦白粉生產(chǎn)廠，為砂磨后漿料，濃度在400g/L 左右。取少量試驗(yàn)原料進(jìn)行烘干，做油相白度和X射線熒光光譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)下表。</p>&

9、lt;p>　　表1 油相白度數(shù)值</p><p>　　Tab. 1 The value of oil relative whiteness</p><p>　　表2 X射線熒光光譜分析主要數(shù)據(jù)/%</p><p>　　Tab.1 X-ray fluorescence spectroscopy Key data /%</p><p>

10、　　由表2可以看出，原料二氧化鈦含量高;鐵含量很低，含有一定量的P、K和Zn,因?yàn)榇蒜伆追蹚S酸解采用的是高鈦渣為原料，鹽處理時(shí)采用鋅鹽處理，鋅鹽處理煅燒溫度相對(duì)較低，產(chǎn)生粒子細(xì)度較軟，在油墨印刷時(shí)，會(huì)減少二氧化鈦團(tuán)聚顆粒對(duì)油墨刮刀的損傷，P和K是加入的鹽處理劑。硅含量來(lái)自于分散劑，還有一些雜質(zhì)離子的含量非常小對(duì)二氧化鈦的影響可忽略不計(jì),沒(méi)有一一列出,如此整個(gè)體系主要表現(xiàn)出二氧化鈦的性質(zhì)。</p><p>　　其他

11、試劑有六偏磷酸鈉、硫酸鋯、稀硫酸、稀液堿、,偏鋁酸鈉、硫酸鋁、有機(jī)處理劑等.</p><p><b>　　1.2試驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　主要試驗(yàn)設(shè)備有蠕動(dòng)泵、3000ml燒杯、攪拌器、梅特勒-托利多pH計(jì)PE20、梅特勒-托利多電導(dǎo)率儀PE30烘箱、涂膜儀、梅特勒-托利多電子天平CP2102、梅特勒-托利多電子天平AL204、馬爾文激光粒度分布儀APA2

12、000、上海賽山粉體機(jī)械氣流粉碎機(jī)等。</p><p>　　1.3試驗(yàn)原理與方法</p><p>　　眾所周知，粒子大小控制在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍（0.4-0.7μm）的一半時(shí)，即0.2-0.4μm之間時(shí)，才能獲得高的散射力，從而獲得高的遮蓋力。影響二氧化鈦顏料成膜后光澤度的主要原因是他的粒徑和分散性，如果二氧化鈦的粒徑很細(xì)，并能均勻地分散到漆料中，則涂膜平整、光滑如鏡，光澤度就好，相反，二氧

13、化鈦顆粒過(guò)粗，涂膜粗糙，光澤度就會(huì)降低，并會(huì)帶有其他底色，著色后色調(diào)發(fā)暗。本文介紹一種既有高光澤度又有高遮蓋力的鈦白粉制作方法。</p><p>　　因?yàn)樗{(lán)色底相的鈦白粉的顆粒顯然更細(xì)小一些，通常來(lái)說(shuō)其遮蓋力也就更高一些。[3] 本鈦白粉廠采用微正壓的外加晶種，水解控制得到粒徑分布窄的產(chǎn)品，在煅燒時(shí)要求得到落窯品的SCX在3.0-3.5之間, 油相白度L值在95.0以上。通過(guò)試驗(yàn)得知，研磨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)品的SCX影響很

14、大，從而會(huì)影響成品的光澤度， 為了能達(dá)到SCX高的要求，車(chē)間進(jìn)行了砂磨機(jī)串聯(lián)和旋流器。由于TiO2顆粒的粒徑較小，本身呈嚴(yán)重的凝重狀態(tài)，為了提高包膜質(zhì)量，必須將其分散成單顆粒狀態(tài)，才能使每個(gè)TiO2粒子表面包膜均勻，所以我們?cè)诖驖{時(shí)加入硅酸鈉進(jìn)行分散。在無(wú)機(jī)表面處理中，只采用一種表面處理劑，對(duì)TiO2耐候性、亮度、白度等性能的提高是有限的,在生產(chǎn)過(guò)程中總是應(yīng)用兩種或兩種以上的表面處理劑進(jìn)行包覆[4]。我們采用了鋯、鋁兩種表面處理劑進(jìn)行包

15、膜。鋯包膜可以提高產(chǎn)品的光澤度和耐候性，而鋁包膜不僅提高產(chǎn)品的分散性和耐候性，還能大量反射紫外光線從而提高產(chǎn)品的抗粉化性和光澤度。</p><p>　　取經(jīng)砂磨后漿料，將漿料稀釋到300g/l，升溫至50-60℃，在一定時(shí)間內(nèi)加入計(jì)量好的硫酸鋯，熟化一段時(shí)間后，調(diào)整溫度在60-70℃，先加入一定量的偏鋁酸鈉，然后緩慢加入計(jì)量好的硫酸鋁進(jìn)行中和，最后用液堿將pH調(diào)節(jié)至中性。 </p><p&g

16、t;<b>　　2 應(yīng)用性能評(píng)價(jià)</b></p><p>　　用平磨儀分析白度、用透射電鏡和馬爾文激光粒度分布儀分析分析粒徑及其分布、用反射率測(cè)定儀測(cè)定遮蓋力、用光澤度儀測(cè)定光澤度。</p><p><b>　　2.1白度</b></p><p>　　鈦白粉作為最重要的白色的顏料之一，無(wú)論運(yùn)用在哪個(gè)行業(yè)，白度是必須首先考慮

17、的。所謂“白度”就是基于目視感知而判斷反射物體所能顯白的程度，白度具有光反射比（明度）高和色飽和度（彩度）低的特殊顏色屬性。對(duì)白度的檢測(cè)也是相對(duì)概念，只需在相同的分散介質(zhì)中用色差儀對(duì)分散后的試樣和標(biāo)樣進(jìn)行色差比較即可。影響到白度的因素主要有鈦白粉的雜質(zhì)含量，TiO2晶體中的氧缺陷和顏料粒子的粒度分布。下面是本次樣品與其他三家知名企業(yè)的鋯鋁產(chǎn)品白度對(duì)比。</p><p>　　表2 油相白度值 </p>

18、;<p>　　Tab.2 The value of white oil </p><p>　　從上表可以看出，我們鋯鋁樣品的L*值比其他三家鋯鋁樣品A、B、C的高一些，說(shuō)明我們的產(chǎn)品在亮度上好一些；在a*值上我們的樣品比其他樣品要小一些；從b*值看，我們的樣品比A大，跟B差不多，比C要小很多，由此看來(lái)，我們公司的樣品能滿足光反射比高，色飽和度低的要求。</p><

19、p><b>　　2.2遮蓋力</b></p><p>　　遮蓋力的光學(xué)本質(zhì)是顏料和存在其周?chē)橘|(zhì)的折射率之差造成的，當(dāng)顏料的折射率與基料的折射率相等時(shí)就是透明的，當(dāng)顏料的折射率比基料的折射率大時(shí)就出現(xiàn)遮蓋力，兩者之差越大 ，則遮蓋力越強(qiáng)[5] 。，遮蓋力一般都是將顏料制成涂膜后檢測(cè)的，對(duì)于一個(gè)固定了配方的涂料產(chǎn)品，其對(duì)光的散射和吸收就取決于配方中顏料粒子對(duì)光的散射和吸收。要想有高的遮蓋

20、力必須有良好的分散性，低的吸油量和窄的粒度分布。 遮蓋力的測(cè)定用對(duì)比率表征更能符合客戶(hù)的要求。采用反射率測(cè)定儀測(cè)定在標(biāo)準(zhǔn)黑板和標(biāo)準(zhǔn)白板上干涂膜反射率之比，該比值稱(chēng)為對(duì)比率。對(duì)比率是以反射率測(cè)定儀定量測(cè)定的，比較科學(xué)，避免了人為誤差。</p><p>　　按照某油墨公司給的遮蓋力測(cè)試方法配料，然后用反射率測(cè)定儀進(jìn)行對(duì)比率測(cè)量得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)下圖。</p><p>　　圖1 對(duì)比率測(cè)試數(shù)據(jù)<

21、;/p><p>　　Fig.1 Comparison of test data </p><p>　　從上圖可以看出，我們此次的樣品比其他三家樣品的遮蓋力（對(duì)比率）都要高很多，顏料遮蓋力大，單位面積內(nèi)用的顏料量少，這樣對(duì)于顏料的下游企業(yè)來(lái)說(shuō)就會(huì)節(jié)約成本，所以我們的產(chǎn)品能滿足涂料、造紙、油墨等要求高遮蓋力的行業(yè)。</p><p><b>　　2.3光澤度<

22、;/b></p><p>　　物體的光澤度是指物質(zhì)對(duì)投射來(lái)的光線的反射能力，反射能力越強(qiáng)，光澤度越大。在實(shí)際應(yīng)用中顏料只是涂料組分中的一種，顏料本身無(wú)光澤，涂膜才有光澤，但是在實(shí)際生產(chǎn)中顏料特征的影響決定了涂膜的光澤[6] 。影響涂膜光澤的主要因素是顏料的粒徑和顏料在基料中的分散性，顆粒細(xì)且均勻則涂膜光澤度高。按照某油墨公司給的光澤度測(cè)量方法，將顏料粒子分散到漆料中制膜、晾干，然后采用光澤度儀測(cè)得其光澤度數(shù)

23、值。</p><p><b>　　圖2 光澤度數(shù)值</b></p><p>　　Fig. 2 Gloss values</p><p>　　從上圖比較可以看出，我們的產(chǎn)品的光澤度比A、B兩家樣品分別高出20、12，僅比樣品C家產(chǎn)品差了0.7，我們的鋯鋁產(chǎn)品在漆料中分散均勻，粒徑分布窄，能夠滿足各行業(yè)對(duì)金紅石鈦白粉高光澤度的要求。</p&g

24、t;<p>　　2.4粒徑及粒度分布</p><p>　　粒度是指一個(gè)顆粒的大小，對(duì)于規(guī)則的球形顆粒，我們可以用“直徑”來(lái)精確描述其大小，在實(shí)際的生產(chǎn)中，由于控制的不穩(wěn)定性，絕大多數(shù)情況下顆粒形狀都不是球形的，無(wú)法用直徑表示，因此表示顆粒的大小時(shí)引進(jìn)了“粒徑”的概念?，F(xiàn)在一般都是用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法來(lái)計(jì)算顆粒群平均粒徑的，然后分段來(lái)進(jìn)行描述顆粒的大小和分布，也就是粒度分布，即顏料粉體中不同粒度區(qū)間的顆粒

25、含量[7]。 我們用馬爾文激光粒度分布儀APA2000測(cè)得其粒度分布。</p><p><b>　　圖3 粒度分布數(shù)值</b></p><p>　　Fig. 3 Size distributions</p><p>　　眾所周知，遮蓋力與折射率和散射率有關(guān)，但是白色顏料的折射和散射（反射）是發(fā)生在顏料與展色劑之間的界面上，界面越大其不

26、透明度越高，因面與二氧化鈦顆粒的表面積有關(guān)表面積與粒徑成反比，粒徑越小表面積越大[8]，其遮蓋力越大。對(duì)于一定波長(zhǎng)的入射光，當(dāng)顏料顆粒大小為波長(zhǎng)的一半時(shí)，對(duì)光的散射率最高，白度越高，由于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為0.4μm-0.7μm，所以理論上顏料顆粒的最佳粒徑為0.2μm-0.35μm。經(jīng)研究證明，散射系數(shù)在粒徑為0.2μm時(shí)最高，此時(shí)顏料的消色力和遮蓋力最優(yōu)，。粒度分布越窄，制成的涂膜表面越光滑，光澤度越高。從上圖可以看出，粒度分布較為集中，

27、絕大多數(shù)分布在0.2~0.4μm的范圍內(nèi)，在小于0.1μm和大于0.5μm的范圍分布很少，所以產(chǎn)品的光澤度和遮蓋力都平衡在最佳狀態(tài)。</p><p><b>　　2.5透射電鏡分析</b></p><p>　　透射電鏡是分析鈦白粉性能的一個(gè)重要方法,用透射電鏡不僅能直觀的觀察出鈦白粉顆粒的大小及形狀,而且能清楚的看出鈦白粉表面的包膜情況,是分析微觀世界的有力工具。下面

28、是利用透射電鏡觀察的鈦白粉顆粒的情況。</p><p><b>　　圖4 電鏡照片</b></p><p>　　Fig. 4 Photos of electron microscopy</p><p>　　上述四張圖中A、B為本次試驗(yàn)樣品的TEM像，C、D為其他廠家的樣品。從四張圖作對(duì)照可以看出，A、B樣品顆粒大小均勻，形狀均一，表層光滑，多為

29、球形，且包膜量適中，薄膜厚度基本一致， C、D樣品的形狀變化很大，形狀不規(guī)則，包膜不穩(wěn)定，薄膜出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，不能均勻覆蓋在鈦白粉顆粒表面，對(duì)鈦白粉的光學(xué)性質(zhì)影響很大。</p><p><b>　　3 結(jié)論</b></p><p>　　綜上所述，酸解時(shí)采用高鈦渣使產(chǎn)品中帶入雜質(zhì)離子少，提高了產(chǎn)品的白度，水解采用微正壓外加晶種的水解方式能很好的控制粒徑，使粒徑分布在一個(gè)在

30、的范圍內(nèi)，對(duì)提高產(chǎn)品高的遮蓋力和高光澤度提供條件， 采用鋅鹽處理，煅燒強(qiáng)度降低，使落窯品不至于燒結(jié)影響到產(chǎn)品的顏料特性。對(duì)包膜前的落窯品要求有高的SCX，其次良好的分散，加強(qiáng)研磨強(qiáng)度也是必須考慮的因素，在包膜時(shí)，致密的氧化鋯、氧化鋁膜提高了產(chǎn)品的光澤度，如此制得的產(chǎn)品既能達(dá)到高的遮蓋力也能滿足高的光澤度。從與其他三家鋯鋁產(chǎn)品的應(yīng)用性能相對(duì)比可以看出，我們的產(chǎn)品在白度、遮蓋力、光澤度、粒度分布等應(yīng)用性能方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于

31、涂料、油墨、塑料等行業(yè)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]張金華.淺談鈦白粉的應(yīng)用性能檢測(cè)（下）——塑料部分. [J]鈦白，2013(1)</p><p>　　[2]戚蓉.氯化法鈦白粉的無(wú)機(jī)表面處理. [J]中國(guó)涂料，2006,21（8）：:38-41</p><p>　　[3]殷

32、紅忠.關(guān)于鈦白粉著色底相的控制與調(diào)整. [J]上海涂料， 2012(11)</p><p>　　[4]劉兵、杜劍橋.二氧化鈦無(wú)機(jī)表面處理研究進(jìn)展. [J]四川有色金屬，2012(3)</p><p>　　[5]張益都.硫酸法鈦白粉生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.4：359</p><p>　　[6]鄧捷、吳立峰.鈦白粉應(yīng)用手冊(cè)(修訂版)：化學(xué)工業(yè)出版社