硅铝锆三元包膜氯化法钛白粉应用性能分析
2020-12-21 10:15:21
摘要：本文以下游应用制品的性能要求，重点分析硅铝锆三元包膜钛白粉如何从设计到生产以及产品具有的特征来达到应用性能要求的。同时，用试验数据比较目前国外钛白粉在涂料中应用情况,说明硅铝锆三元包膜钛白粉完全可以替代进口的高性能金红石性钛白粉。
关键词：钛白粉、应用性能、涂料、氯化法
1. 涂料用钛白粉的物化性能钛白粉是二氧化钛的俗称，分子式为TiO2，具有稳定的物理、化学性质，优良的光学、电学性质，以及优异的颜料性能，是目前用途最广、应用效果最好的白色颜料，有着白色颜料之王的美誉，被广泛应用于涂料领域[1-4]。钛白粉的应用在涂料领域实质是将二氧化钛颜料粒子分散在特定的介质中，然后发挥出二氧化钛颜料性质。涂料对钛白粉性质的要求主要有耐候性、遮盖力、分散性、白度、光泽度等，为了进一步提高钛白粉应用性能, 尤其是耐候性、分散性和光泽度, 还要对二氧化钛粒子进行表面改性处理，改变其表面的化学成分, 提高钛白粉的应用性能。[5]
2.钛白粉产品的表面改性处理二氧化钛具有光化学活性，在阳光照射下容易粉化变色，为了提高其抗粉化性和保色性，改善其分散性，因此必须进行表面改性处理。通过加入无机表面改性处理剂，来提高耐候性、保色性、分散性等。通过加入有机处理剂来提高润湿分散性。
2.1无机包膜的钛白粉为了容易分散，颜料表面要沉积上松软的水合Al2O3粒子。这可使范德瓦尔斯力降低几个数量级，结果降低了粒子间的吸引力。包膜的物质和形态是非常重要的。虽然其它氧化物也能生成细粒子无机膜，但它不能象水合Al2O3那样有助于分散。
如果要求耐候性，那么TiO2粒子就要用一种不能渗透的氧化物膜包覆，以防油漆中可降解的有机基料与具有光化学活性的TiO2表面之间接触。包膜层的完整性越好，耐候性越高。包膜剂常常是SiO2，虽然无定形的ZrO2、SnO2、P2O5等配套使用也具有良好的效能。为保持分散性，这种致密不渗透层必须在松散的氧化铝层以下。换句话说，不管以何种组合方式，最外层都需要包覆一层水合Al2O3膜来改善在分散介质中的分散性。
2.2有机包膜的钛白粉有机包膜主要是改进钛白在各种介质中的分散性能，其机理是改变钛白的表面性质。有机处理剂和钛白颗粒表面的连接主要有二种方式，一种是物理吸附，另一种方式是化学吸附，即它与钛白表面的羟基反应而连接起来，使钛白粉变为憎水而亲油。
3. 硅铝锆三元包膜国产氯化法金红石型钛白粉应用性能测试及与国外同类产品性能比较3.1耐光、耐候性测试硅铝锆三元包膜型产品是一种用锆、硅、铝致密包膜的产品，其耐光、耐候性较好, 为了证实其耐光、耐候性, 进行了氙灯老化试验。采用钛白粉成品按一定配方制备成水性纯丙乳液涂料，制备成湿膜厚度为100μm的样板，自然晾干，采用分光色差仪进行老化实验前后的实验数据测试。氙灯老化实验条件：温度：40℃；光照强度：300W/m2；湿度：60%；时间：100h。实验结果判定标准：GB/T 1766-2008。测试结果见表1 ，耐候性判定结果见表2。
表1 耐候性检测结果
Table 1 test results of weatherability
注：CR-101为硅铝锆三元包膜氯化法钛白粉；R-960、R-902+、KR-2310、CR-828为进口知名品牌钛白粉。
通过对测试的5种牌号样品进行其总色差值ΔE*的分析，其值都小于1.5，变色程度无变化，评定为0级，按照GB/T 1766-2008 色漆和清漆 涂层老化的评级方法，作出以下分析如表2
表2 耐候性判定结果
Table 2 results of weather resistance
从表1、2可以看出硅铝锆三元包膜型氯化法金红石型钛白粉产品的耐候性与进口知名钛白粉R-960、R-902+、KR-2310、CR-828相当。
3.2 分散性测试硅铝锆三元包膜型产品经过三羟甲基丙烷（TMP）有机表面处理的，其分散性较好，为进一步证实其分散性能，进行如下对比实验：（1）称取等质量的钛白粉和丙烯酸树脂；（2）用高速分散机在1500r/min分散20min；（3）用刮板细度计测定其分散细度。表3为几种钛白粉的分散性。
表3钛白粉的分散性
Table 3 dispersion of titanium dioxide
从表3可以看出，硅铝锆三元包膜产品的分散性能较好，为50μm，与进口知名钛白粉对比，分散性比R-960、R-902+、KR-2310好，比CR-828的分散性略差。
3.3 遮盖力对比为进一步证实其遮盖力，进行如下对比实验：（1）称取等质量的钛白粉和丙烯酸树脂；（2）用高速分散机在1500r/min分散20min；（3）制备成湿膜厚度为100μm的样板，自然晾干，采用分光色差仪进行遮盖力实验数据测试[6]。表4为几种钛白粉的遮盖力数据。
表4钛白粉的遮盖力数据
Table 4 hiding power of titanium dioxide
从表4可以看出，硅铝锆三元包膜产品的遮盖力性能较好，为97.78%，与进口知名钛白粉R-960、R-902+、KR-2310、CR-828的遮盖力相接近。
3.4 光泽度对比物体的光泽度是指物质对透射来的光线的反射能力，反射能力越强，光泽度越高。在实际生产中，钛白粉颜料只是涂料组份中的一种，颜料本身无光泽，涂膜才有光泽，但颜料特征影响决定了涂膜的光泽度。
表5钛白粉在漆膜中光泽度数据
Table 5 titanium dioxide in the film gloss data
表5为几种钛白粉在相同涂料中的光泽度。从表5的对比数据看出，硅铝锆三元包膜产品在漆膜的光泽方面，与进口知名钛白粉R-960比光泽度高，与进口知名钛白粉R-902+、KR-2310、CR-828的光泽度相接近。
3.5 颗粒形貌、粒径分布比较钛白粉的颗粒是指由氧化工序过程中形成的原级粒子，是由二氧化钛团聚构成的。钛白粉的粒径形貌也是影响钛白粉应用性质的一个重要因素。图1为几种钛白粉透射电镜（TEM）图，从图1可以看出，硅铝锆三元包膜的为椭圆球型，粒径分布均匀，与进口知名钛白粉R-960、R-902+、KR-2310、CR-828的透射电镜图类似，同为椭圆球型。
图1钛白粉透射电镜（TEM）图
Fig. 1 TEM image of titanium dioxide
表6钛白粉的中值粒径
Table 6 median particle size of titanium dioxide
通过马尔文激光粒度仪MS2000测试几种钛白粉的中值粒径如表6。从表6，可以看出，硅铝锆三元包膜的中值粒径为0.321μm，与进口知名钛白粉R-960、R-902+、KR-2310、CR-828的相比，中值粒径略偏细，说明硅铝锆三元包膜的产品的底相更偏蓝色底相。
3.6 吸油量对比颜料的吸油量是指每100g颜料，在达到完全湿润时需要用油的最低质量，常用百分率来表示。吸油量既是钛白粉的一种重要的颜料性质，也是一个评价颜料优劣的指标，吸油量低的颜料有较高的颜料体积浓度（PVC），可以充分发挥颜料的各种光学性能。
表7 钛白粉吸油量数据
Table 7 oil absorption data of titanium dioxide
注:测试方法按GB-5211.15-88进行检测。
表7为几种钛白粉在相同涂料中的光泽度。从表7的对比数据看出，硅铝锆三元包膜产品在吸油量方面，优于R-960、与进口知名钛白粉R-902+、KR-2310、CR-828的吸油量相接近。
3.结语硅铝锆三元包膜钛白粉是采用一种先进的氯化法气相氧化技术，粒径分布均匀，质量稳定，性能可靠的金红石型产品，经过锆、硅、铝三元无机包膜和有机TMP包膜处理，成熟的后处理技术使得其具有良好的分散性、耐候性、高光泽性等应用性能，是一种用途广泛的通用型产品，可用于涂料、油墨等领域，其质量和应用性能达到国际知名产品的水平。
参考文献[1] 陈朝华,刘长河.钛白粉生产及应用技术[M].北京:化学工业出版社,2005:28-72
[2] 邓捷,吴立峰.钛白粉应用手册[M].北京:化学工业出版社,2005:1-35
[3] 耿耀宗.现代水性涂料工艺·配方·应用[M].北京:中国石化出版社,2013:186-198
[4] 汪云华,李海艳,张笑盈,王磊,李保金,龙翔.后处理工艺对氯化法金红石型钛白粉性能的影响研究[J].无机盐工业,2015,47(3):16-18
[5] 殷海源,丁祥伟,陈贵山,李文生.R-215二氧化钛性能介绍[J].涂料工业,2005,35(1):59-61.
[6] 李海艳,汪云华,王磊,李保金,崔庆雄,龙翔.分光光度计测试金红石型钛白粉遮盖力的方法研究[J].中国粉体技术,2015,21(2):21-23
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