高附加值二氧化钛的几大要点
2020-12-22 08:49:22
引言：
二氧化钛是一种多功能的精细化工原材料，具有优异的理化性质（如高折光率、高介电性、压电性、高熔点）等以及应用性能如（光学性能、颜料性能、电学性能、光催化性能、半导体性能）等，从而广泛应用于涂料、塑料、油墨、橡胶、造纸、化纤、搪瓷、冶金、电子工业、医药食品、化妆品、化工、建材等众多领域。
主题：
随着工业的不断发展，许多应用领域都展现出了对二氧化钛的品种、质量指标和应用性能愈来愈高的要求。这些要求概括起来，就是期望二氧化钛高性能化和高功能化。
要达到高性能化和高功能化的目的，则需满足下面部分或全部条件：①高纯化；②亚微细化和/或超微细化；③粒径分布均匀化(具有单分散性)；④多品种、多用途和专用化；⑤表面改性化；⑥材料复合化。下文将对这几个概念做简单概述。
①二氧化钛纯化
二氧化钛的高纯度，指的并非其二氧化钛主含量的问题，而是其在具体应用要求下某些杂质的含量的控制问题。
例如，对颜料级TiO2，其主含量TiO2可能只有80-90%，甚至70%以上(其他成分大量是盐处理剂、表面处理剂或包核物)，但对影响其白度和可能引起光色互变现象的一些金属阳离子杂质氧化物却要求甚严又如；材料工业中用于制造金红石单晶体、半导体及功能陶瓷用的高纯二氧化钛，主含量TiO2≥99.8%以上，而杂质含量则在10-5～10-6数量级再如，在医药、食品、化妆品工业中所用TiO2，对有毒有害元素，如Pb、Hg、As含量要求特别严格，分别为0.001%，0.0001%和0.0003%。
钛白粉可用于食品添加剂，有增白效果
高纯二氧化钛制备方法：一般以精TiCl4为原料，对TiCl4深加工，进行直接水解，TiCl4气相氧化，气相水解（所谓火焰水解法），或者先制备钛醇盐再水溶液水解或热分解等方法制取高纯TiO2。因为TiCl4沸点低（137℃），易于精馏除去高沸点和低沸点杂质氯化物，达到99.99%以上的TiCl4纯度。如用硫酸法，则比较困难和麻烦，需用萃取法对硫酸钛液进行提纯。
②二氧化钛超微细化
二氧化钛超微细化后会衍生出一些不一般的很有用的特殊性质，例如：超微细TiO2的熔点会降低，这对于熔焰法制取TiO2单晶体，及TiO2和钛酸盐的半导化是有利的；超微细TiO2在涂料漆膜中具有透光性，可生产出“闪光涂料”用作汽车的高级漆料；超微细TiO2具有对紫外线的吸收和屏蔽作用，因此被用作化妆品的防晒剂，掺入透明薄膜塑料，利用其透过可见光，阻挡紫外光的作用，做成食品包装袋，既能看见内装食品，又可以久存不变质；利用超微细TiO2巨大的比表面积，作为催化剂和/或催化剂载体，可提高催化活性和选择性，这是当前催化领域研究中的一个热门课题。
↓↓↓超微细二氧化钛的制备方法
③尺寸分布均匀化
超微细和亚微细TiO2希望粒度分布窄而均匀，即所谓单分散性或单一尺寸，要求不要有团聚粒子存在。粒度分布不均，特别是有团聚粒子存在，对TiO2的使用性能非常有害。
使粒度分布狭窄并消除团聚现象的方法，一般有:①采取合适的制备方法并控制好工艺条件；②湿法合成时添加表面活性剂，通过空间位阻效应和/或双电层斥力作用防团聚并使粒子均匀细化；③采取特殊的洗涤和干燥方法，如用醇、丙酮等有机溶剂洗涤挤水法、冷冻干燥法、超临界流体干燥法等；④进行水热处理或非均相共沸蒸馏；⑤超声气流粉碎并加入表面活性剂进行表面处理和修饰，或进行超声波处理。
④多品种化和专用化
不用用途时钛白粉性能的要求是不同的，下文将举几个经典应用进行简单的说明。a、造纸钛白和化纤钛白有它们各自的质量指标，尤其对粒度和粒度分布、遮盖力、水分散性和白度有极严格的要求。b、包核TiO2颜料：包核TiO2的开发应用，应引起充分重视。因为这个新品种是减少TiO2用量、降低生产成本的有效方法之一。c、钛系珠光颜料和钛系彩色颜料的开发应用：钛系珠光颜料问世于20世纪60年代。利用TiO2无毒，无致癌危险，且化学性质稳定的优点，以TiCl4或TiOSO4为原料，以云母片为核心，控制适宜的工艺条件，使钛盐水解，在云母片上沉积一层水合TiO2，洗涤干净后高温煅烧而成。调节包膜层厚度，可形成不同的色调。近年发展到用SnO2和TiO2交替包膜；或用水合TiO2、SiO2和Al(OH)3共沉淀包膜、干燥后用TiO2再次包膜；或用铁的各种氧化物、(α-，γ-)FeOOH，甚至Cr(OH)3、Mn(OH)3等包膜的方法，获得更多的色彩，并使颜料的耐光、耐热、耐候性和耐化学品性能得到改进，从而扩大应用范围。d、钛黑TiO2不仅是白色颜料中的佼佼者，而且也可加工成其它有色颜料，除上面介绍的钛系珠光颜料和彩色混相颜料外，还可通过改变TiO2价态的方法，还原制取紫黑色、黑色的低价氧化钛或氮氧化钛。产品性能稳定、无毒，可用于化妆品、导电塑料、油墨等。还原剂可以是钛粉、H2气、N2/H2混合物，或NH3气。
⑤表面改性
TiO2经过表面改性处理，其性能得到大大提高和改善，用途会更加广泛。表面改性的方法可以是表面包膜（包复无机物如Al2O3、SiO2或包覆有机物），目的是为了提高TiO2在介质中的分散性和分散稳定性，或提高涂料的抗粉化和耐久性，改进涂膜光泽和遮盖力等等。也可以是用钛酸酯或硅酸酯偶联剂处理以增加TiO2与高分子材料间的相容性。
⑥材料复合化
TiO2超微粉是一种理想的光催化剂，在污水治理和环境保护领域有着广阔的应用前景。但单一的TiO2超微粉对光虽然稳定不被腐蚀，但其带隙较宽，光吸收范围窄(仅局限于紫外区)，尚达不到照射到地面太阳光谱的10%；同时由于光生载流子的重新复合使之失活而影响半导体TiO2的光催化效率。
解决问题的方法有三种，其一是利用光敏剂和半导体形成的量子尺寸异质结促进半导体光生空穴和电子的分离，抑制它们的复合。二是两种半导体氧化物复合物。SnO2-TiO2二元半导体，是将SnO2均匀包复在TiO2粒子表面上形成的一种复合光催化剂，研究证明，与纯TiO2相比，其光催化活性有较大提高。还有一种方法是利用HCl和HClO4对TiO2进行表面修饰。显然，这种表面修饰与复合化了的TiO2的性能和功能便得到了改善与提高，从而也就为其实际应用拓展了更加广阔的空间。
参考来源：
1、略论二氧化钛的高性能化和高功能化；四川大学超微粉体材料研究所；李大成，周大利，刘恒，张萍，陈朝珍，全学军等着。
编辑：Alpha