鈦白粉在涂料中的應(yīng)用概述

肖勇麗

（攀鋼集團(tuán)鈦白產(chǎn)品應(yīng)用研究中心，重慶 400045）

1 引言

鈦白粉學(xué)名二氧化鈦［1，2］，是一種重要的白色顏料，跟傳統(tǒng)的鉛白、鋅白、鋅鋇白等白色顏料相比，鈦白粉具有折射率高、消色力強(qiáng)、遮蓋力大、分散性好、白度好、無毒等多種優(yōu)異性能，被稱為白色顏料之王，廣泛應(yīng)用在涂料、塑料、油墨、造紙、化纖、陶瓷等行業(yè)。其中涂料用量最大，約占鈦白粉總量的57%。

涂料［3］，俗稱“油漆”，是一種可通過不同的施工工藝涂覆在物體表面，形成粘附牢固、具有一定強(qiáng)度的連續(xù)固態(tài)薄膜物質(zhì)，能對物體起到保護(hù)、裝飾和特性功能作用。涂料具有很多優(yōu)點，①涂料應(yīng)用范圍廣，能廣泛的應(yīng)用在各種不同材質(zhì)的物體表面，如金屬、木材、水泥制品、塑料制品、皮革、紙制品、紡織品等；②涂料品種繁多，能滿足不同性能的要求，可根據(jù)需要生產(chǎn)出不同性能的涂料；③涂料使用方便，一般用比較簡單的方法和設(shè)備就可施工在被涂物體表面；④容易維護(hù)和更新，物體上的涂膜舊了可以擦洗或重涂，部分破損可以修補(bǔ)，也可根據(jù)需要改變涂膜外觀，不需要較大投資即可經(jīng)常得到新的涂膜。由于其優(yōu)點和所發(fā)揮的作用對人類社會做出了巨大的貢獻(xiàn)，因而得到了長期廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

本文從鈦白粉的性能，鈦白粉在涂料中的作用及其應(yīng)用現(xiàn)狀，鈦白粉主要質(zhì)量波動對涂料的影響等幾個方面進(jìn)行概述，并就涂料用鈦白粉的發(fā)展提出幾點建議，為鈦白粉在涂料中的應(yīng)用提供參考。

2 鈦白粉的性能

二氧化鈦按結(jié)晶形態(tài)可分為板鈦型、銳鈦型和金紅石型，板鈦型很不穩(wěn)定，溫度高于650℃時就會直接轉(zhuǎn)化為金紅石型，無實際的工業(yè)價值，目前工業(yè)上實際應(yīng)用的只有銳鈦型和金紅石型鈦白粉。而銳鈦型晶體結(jié)構(gòu)不如金紅石型致密，折射率低于金紅石型，因而其遮蓋力和消色力比金紅石型低20－30%，耐久性也遠(yuǎn)不如金紅石型，因此，涂料工業(yè)主要用的是金紅石型鈦白粉。

鈦白粉無毒，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，常溫下幾乎不與其它物質(zhì)反應(yīng)，但是，二氧化鈦本身存在一些晶格缺陷，其表面上存在許多光活化點，在光作用下，鈦白粉可發(fā)生連續(xù)的氧化還原反應(yīng)，具有光化學(xué)活性，所以，現(xiàn)在涂料用鈦白粉都要經(jīng)過表面處理。

顏料的折射率是支配顏料光學(xué)性能的首要因素，也是其它性能的基礎(chǔ)，而光學(xué)性能與顏料性能又是密不可分的，顏料性能是光學(xué)性能的具體表現(xiàn)形式，表1列出了鈦白粉和其它常見白色顏料的光學(xué)性能和對應(yīng)的顏料性能，從表1中可以看出，鈦白粉的折射率最高，其它顏料性能指標(biāo)也最好，所以鈦白粉是必不可少，用量最多的白色顏料。

表1 鈦白粉與其它白色顏料的光學(xué)性質(zhì)對比

粒徑的大小對二氧化鈦的光學(xué)性質(zhì)和顏料性能有很大的影響，在可見光范圍內(nèi)，鈦白粉最適宜的粒徑范圍在0.15－0.35μm，相當(dāng)于被散射可見光波長的一半，粒徑在此范圍的鈦白粉，具有最高的散射力，白度、遮蓋力、消色力和光澤度等也最好。

分散性是指顏料在被著色介質(zhì)中的分散能力，在一定條件下，在一定的時間內(nèi)顏料粒子在基料介質(zhì)中的分散程度，或者在一定的分散條件下，在體系中達(dá)到一定的分散程度所需要的分散時間，分散性又稱研磨分散性或研磨潤濕性，在以水為分散介質(zhì)時又稱為水分散性。分散性是二氧化鈦顏料的重要應(yīng)用性能指標(biāo)，直接影響其消色力、遮蓋力、表面光澤、吸油量等指標(biāo)，用在涂料中時，其在涂料中的分散性好壞影響涂料的貯存穩(wěn)定性、流動性、流平性、涂膜光澤、耐候性等等，而且還直接影響涂料生產(chǎn)過程中的研磨分散時間。因此，為了提高鈦白粉的分散性，生產(chǎn)廠家通常都是對其進(jìn)行表面改性處理，添加有機(jī)或無機(jī)的表面活性劑，以增強(qiáng)其在不同展色劑中的親和能力，從而提高鈦白粉的分散性和分散穩(wěn)定性。

耐候性是指二氧化鈦顏料的涂膜暴露在室外氣候環(huán)境下，抵抗日光和大氣的作用，避免發(fā)生變色、粉化、失光的能力。影響耐候性的因素很多，二氧化鈦顏料的光化學(xué)活性就是影響耐候性的主要因素，由于二氧化鈦本身存在一些晶格缺陷，其表面上存在許多光活化點，對可見光紫外光譜段有輕微的吸收，在紫外光照射下，如果有水等催化劑的作用，鈦白粉可發(fā)生連續(xù)的氧化還原反應(yīng)，生成羥基和過氧羥基自由基，它們具有高度的活性，能使涂膜中的有機(jī)聚合物氧化，發(fā)生高分子鏈斷鏈和降解，破壞涂膜的連續(xù)性，使涂膜的耐候性降低。為了提高鈦白粉的耐候性，通常在偏鈦酸煅燒前加入少量鹽處理劑或?qū)︹伆追圻M(jìn)行無機(jī)包膜處理，加入鹽處理劑可以填補(bǔ)二氧化鈦本身存在的晶格缺陷，降低其光化學(xué)活性，無機(jī)包膜是在二氧化鈦顆粒表面包一層“膜”，阻止紫外光對二氧化鈦的直接照射，也可以避免二氧化鈦與涂膜有機(jī)物的直接接觸，降低其光化學(xué)作用的破壞力，從而提高涂膜耐候性。

3 鈦白粉在涂料中的作用及其應(yīng)用現(xiàn)狀

涂料主要由成膜物質(zhì)、顏料、溶劑和助劑等四個部分組成，涂料中的顏料具有一定的遮蓋力，它不僅能遮蓋住被涂物體原來的顏色，而且能賦予涂膜鮮艷的色彩，實現(xiàn)亮化美化的裝飾效果。同時，顏料與固化劑和基材緊密結(jié)合，融為一體，能增強(qiáng)涂膜的機(jī)械強(qiáng)度和附著力，防止開裂或脫落，并且能夠增強(qiáng)涂膜的厚度，阻止紫外線或水分的穿透，提高涂膜的抗老化和耐久性能，延長涂膜和被保護(hù)物體的使用壽命。而顏料中，白色顏料的用量最大，涂料對白色顏料的性能要求:①白度好；②研磨潤濕性好；③耐候性好；④化學(xué)穩(wěn)定性好；⑤粒度小，遮蓋力和消色力高，不透明度和光澤度好。

鈦白粉是涂料用最多的一種白色顏料，其產(chǎn)量占無機(jī)顏料的70%以上，消費量占白色顏料總消費量的95.5%。目前，世界上約60%的鈦白粉用于制造各種涂料，特別是金紅石型鈦白粉，大部分被涂料工業(yè)所消耗［4，5］。用鈦白粉制造的涂料，色彩鮮艷，遮蓋力高，著色力強(qiáng)，用量省，品種多，對介質(zhì)的穩(wěn)定性起保護(hù)作用，并能增強(qiáng)漆膜的機(jī)械強(qiáng)度和附著力，防止裂紋，防止紫外線和水分透過，延長漆膜壽命，多彩花紋涂料中幾乎每一個圖案的配色都離不開鈦白粉。

不同種類不同用途的涂料對鈦白粉有不同的要求，如粉末涂料就要求用分散性好的金紅石型鈦白粉。銳鈦型鈦白粉消色力低，光化學(xué)活性強(qiáng)，用于粉末涂料中，涂膜容易出現(xiàn)黃變。而硫酸法生產(chǎn)的金紅石型鈦白粉具有價格適中、分散性好，遮蓋力和消色力好等優(yōu)點，非常適合用于戶內(nèi)粉末涂料，而戶外粉末涂料用鈦白粉除了要求分散性、遮蓋力和消色力好外，還要求具有很好的耐候性，因此，戶外粉末涂料用鈦白粉一般為氯化法生產(chǎn)的金紅石型鈦白粉。

水性涂料是指涂料配方中的揮發(fā)性物質(zhì)絕大部分是水的涂料，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，水性涂料已經(jīng)普及。和溶劑型涂料一樣，要求鈦白粉白度和分散性好，遮蓋力、消色力和耐候性高，雜質(zhì)含量低等。目前市場上的鈦白粉大多都是通用型的鈦白粉，既可以用于溶劑型涂料，又可以用于水性涂料，但是，畢竟水性涂料和溶劑型涂料存在本質(zhì)上的差別，這些通用型的鈦白粉在水性涂料中分散效果不是很好，因此，為了使鈦白粉能在水性涂料中很好的分散，要有針對性的選擇鈦白粉表面處理方式。

建筑涂料要求耐酸、耐堿、抗水、防潮，不論在粗糙或光滑的基層表面均要有良好的附著力。用于建筑涂料的鈦白粉除了要求具有以上提及的好的光學(xué)性能和顏料性能外，最重要的是要求鈦白粉具有高的耐候性，抗粉化能力強(qiáng)，尤其是外墻用建筑涂料。一般通用型鈦白粉如R－902、R－930、RCL－575、TR－92等，屬于中等抗粉化型的鈦白粉。高抗粉化型又稱超耐候型，特別適用于要求重涂期很長的高層臨街建筑外墻涂料，主要的品種有DuPont生產(chǎn)的R－960、R－960－HG、R－960VHG，Huntsman生產(chǎn)的TR－63和TR－61，Kronos生產(chǎn)的2310和2330，ISK生產(chǎn)的CR－95、CR－93、CR－97、R－950和R－970、Millennium生產(chǎn)的RCL－628和RCL－666等金紅石型鈦白。

4 鈦白粉主要質(zhì)量波動對涂料的影響分析

4.1 白度

鈦白粉作為一種優(yōu)質(zhì)的涂料用白色顏料，其白度至關(guān)重要，是涂料要求的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)之一，鈦白粉白度差，會直接影響涂膜的外觀。

影響鈦白粉白度的最主要因素是其中有害雜質(zhì)的種類和含量，因為鈦白粉對雜質(zhì)非常敏感，尤其是金紅石型鈦白粉，所以，即使是微量的雜質(zhì)，也會對鈦白粉白度產(chǎn)生明顯的影響，影響鈦白粉白度的各種雜質(zhì)的極限值見表2。氯化法工藝生產(chǎn)的鈦白粉白度往往比硫酸法工藝生產(chǎn)的好，這是因為氯化法工藝生產(chǎn)鈦白粉所用的原料四氯化鈦已經(jīng)蒸餾凈化，本身雜質(zhì)含量少，而硫酸法工藝所用的原料雜質(zhì)含量高，只能通過洗滌和漂白等工藝技術(shù)來除掉雜質(zhì)。

表2 各種雜質(zhì)影響二氧化鈦白度的極限值

其次，鈦白粉粒子的形狀、大小和粒徑分布，以及鈦白粉出現(xiàn)不理想的晶體結(jié)構(gòu)和混晶現(xiàn)象也會影響其白度。為了使鈦白粉具有最佳的白度，要求鈦白粉為球形顆粒，表面光滑圓潤，不帶棱角，不團(tuán)聚，粒徑分布控制在0.15－0.35μm。

4.2 遮蓋力

遮蓋力為每平方厘米被涂物體的表面積，在達(dá)到完全被遮蓋時，需要用顏料的最低質(zhì)量。涂同樣面積的表面，所用鈦白粉的遮蓋力越大，涂膜便可以越薄，所需的涂料量越少，則所需要鈦白粉的量也越少，如果鈦白粉遮蓋力降低，為達(dá)到同樣的遮蓋效果，所需要的鈦白粉量增加，則生產(chǎn)成本就會增加，且鈦白粉用量增加，會導(dǎo)致鈦白粉在涂料中難以分散均勻，出現(xiàn)聚集，同樣會影響涂料的遮蓋效果。

鈦白粉遮蓋力大小主要由其本身的折射率來決定，金紅石型鈦白粉的折射率是所有白色顏料中最大的，因此其遮蓋力也最高，銳鈦型鈦白粉次之。其次，鈦白粉粒子的形狀、大小、粒徑分布和分散程度也會影響其遮蓋力，在大于可見光半波波長的范圍內(nèi)，鈦白粉粒子表面越光滑，粒徑越小，表面積越大，分散越好，其遮蓋力越大。

4.3 耐候性

涂料對鈦白粉的耐候性要求高，尤其是戶外用表面涂料，要求高耐候性或超高耐候型的鈦白粉。使用耐候性低的鈦白粉，涂膜會出現(xiàn)褪色、變色、粉化、開裂、剝落等問題。金紅石型鈦白粉的晶體結(jié)構(gòu)比銳鈦型鈦白粉的結(jié)構(gòu)更為緊密，光化學(xué)活性低，因而耐候性也遠(yuǎn)高于銳鈦型鈦白粉，所以涂料用鈦白粉基本上全是金紅石型鈦白粉。

提高鈦白粉耐候性最主要的方法是對其進(jìn)行無機(jī)表面處理，即在鈦白粉粒子表面包覆一層或多層無機(jī)氧化物或水合氧化物，通常包覆的氧化物有 SiO2、ZrO2、Al2O3、CeO2等，其中氧化鋯和致密氧化硅包膜是目前公認(rèn)的耐候性最好的包膜方式，氧化鋯包膜技術(shù)國內(nèi)已經(jīng)掌握，但致密氧化硅包膜技術(shù)仍然被國外壟斷，國內(nèi)還未能攻破，有待繼續(xù)研究。

4.4 分散性

鈦白粉為超細(xì)粒子，比表面積大，表面能高，顆粒之間容易發(fā)生聚集，在涂料中難以穩(wěn)定分散。鈦白粉分散性差會直接影響其在涂料中的消色力、遮蓋力和表面光澤度等光學(xué)性能，而且還會影響涂料的貯存穩(wěn)定性、流動性、流平性、涂層耐久性、防腐蝕性和導(dǎo)電性等應(yīng)用性能，此外，還會影響涂料的生產(chǎn)成本，因為研磨分散作業(yè)的能耗高，占涂料制造過程總能耗的大部分，且儀器設(shè)備的損耗大。

影響鈦白粉分散性的因素主要有鈦白粉粒徑大小、比表面積、表面自由能、表面電荷、pH值、極性、表面吸附狀態(tài)等表面性質(zhì)，此外，也與展色劑的性質(zhì)、分散劑的種類和用量、研磨分散設(shè)備和分散工藝等因素有關(guān)。為了使鈦白粉在涂料中達(dá)到最好的分散效果，使鈦白粉粒子在涂料中處于或接近于原始粒子狀態(tài)，充分體現(xiàn)其優(yōu)異的性能，通常在鈦白粉生產(chǎn)過程對其進(jìn)行表面處理，提高其分散性，此外，在涂料生產(chǎn)過程中也要選擇正確的潤濕分散劑、研磨分散設(shè)備和分散工藝。

5 涂料用鈦白粉的發(fā)展建議

金融危機(jī)后，隨著全球經(jīng)濟(jì)的回暖與快速發(fā)展，市場對涂料的需求持續(xù)增長，2009年我國涂料總產(chǎn)量達(dá)7554.4×103t，首次超過美國，躍居世界第一，2010年我國涂料產(chǎn)量比2009年增長了22.8%，達(dá)到9666×103t。隨著我國第十二個五年計劃的開始，國家將進(jìn)一步加快各項建設(shè)，這為涂料行業(yè)創(chuàng)造了更大的市場空間。與此同時，市場對鈦白粉的需求也快速增長，2009年我國鈦白粉產(chǎn)量接近1050×103t，創(chuàng)歷史新高，且鈦白粉進(jìn)出口量均呈上升態(tài)勢，但我國生產(chǎn)的鈦白粉仍滿足不了涂料行業(yè)對高檔優(yōu)質(zhì)金紅石型鈦白粉的需求，我國進(jìn)口的鈦白粉基本上都是高端金紅石型產(chǎn)品，因此，我國在涂料用高端優(yōu)質(zhì)金紅石型鈦白粉方面有很大的發(fā)展空間。

為了生產(chǎn)出高端優(yōu)質(zhì)的金紅石型鈦白粉，我們首先需要做的就是攻克技術(shù)難點，加快我國氯化法工藝的研究開發(fā)與生產(chǎn)步伐。由于原材料和生產(chǎn)工藝的不同，氯化法工藝生產(chǎn)的鈦白粉質(zhì)量要明顯優(yōu)于硫酸法工藝生產(chǎn)的鈦白粉質(zhì)量，目前我國還僅有錦州鈦業(yè)有限公司一家氯化法鈦白生產(chǎn)企業(yè)，且規(guī)模小，產(chǎn)量低。其次加大研究開發(fā)力度，研究致密硅包膜技術(shù)。由于汽車工業(yè)和建筑工業(yè)用涂料要求超高的耐候性，而致密硅包膜是公認(rèn)的耐候性最好的包膜方式。再有，我們要改變鈦白粉品種結(jié)構(gòu)，針對不同用途的涂料，可通過改變鈦白粉的生產(chǎn)工藝和表面處理方式生產(chǎn)出滿足不同涂料需求的鈦白粉。

［1］陳朝華，劉長河.鈦白粉生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］鄧婕，吳立峰.鈦白粉應(yīng)用手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］顧南君.涂料工藝（第三版）［M］.北京:北京工業(yè)出版社，1997.

［4］黃瑩，葉亮，周新華，等.鈦白粉在涂料中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢［J］.精細(xì)與專用化學(xué)品，2001（21）:6－7.

［5］畢勝.中國鈦白粉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、現(xiàn)狀及前景分析［C］.2010年全國鈦白粉行業(yè)年會論文集，2010，12（29）:4－12.