鈦白粉無機(jī)包膜優(yōu)化研究

王 玥

（攀鋼集團(tuán)重慶鈦業(yè)有限公司，重慶 400055）

1 引言

鈦白粉是一種技術(shù)密集型的精細(xì)化工產(chǎn)品，在造紙、塑料、橡膠、涂料及復(fù)合材料等行業(yè)發(fā)揮著巨大的作用，發(fā)達(dá)國家的許多大型企業(yè)十分重視研究開發(fā)這種亞微米級的高附加值、高功能的精細(xì)無機(jī)材料，并長期壟斷了高檔鈦白的生產(chǎn)技術(shù)和國際市場。與國外先進(jìn)的鈦白生產(chǎn)企業(yè)相比，我國鈦白行業(yè)的特點(diǎn)是分布廣、規(guī)模小、技術(shù)落后，缺乏競爭力。中國企業(yè)前幾年并不重視產(chǎn)品的市場開發(fā)和細(xì)分工作，對產(chǎn)品功能性和應(yīng)用性能改善顯著的后處理即鈦白粉表面無機(jī)包膜工藝的研究很不透徹。隨著下游客戶對產(chǎn)品質(zhì)量需求的進(jìn)一步提高，近幾年，已有部分企業(yè)在這方面開始有所投入，開始開展此方面工作，但由于對表面處理包膜機(jī)理的研究不夠和國外企業(yè)對此方面的技術(shù)封鎖，都進(jìn)展緩慢。

2 表面處理的目的及本文研究內(nèi)容

2.1 表面處理目的

TiO2顏料的折光指數(shù)在白色顏料中是最高的。在適宜的粒度和粒度分布下，對光有優(yōu)良的散射能力，所以著色力高，遮蓋力大。但是，世界上任何事物都是一分為二的，TiO2也有若干與生俱來的明顯缺陷，其中最突出的是它的光化學(xué)活性，即在光照射下會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)過程并促使周圍的介質(zhì)破壞，造成涂膜粉化、失光、耐候性降低。再則，這種本質(zhì)上親水憎油的顏料，若不經(jīng)后處理，在各種水性和非水性介質(zhì)中分散均不好。工藝的改進(jìn)可使上述缺陷的表現(xiàn)程度有所降低，但無法完全排除。因此，無論理論還是實(shí)踐，均公認(rèn)必需對產(chǎn)品進(jìn)行后處理，主要是表面處理。通過無機(jī)表面處理主要提高其耐候性、分散性、亮度和化學(xué)穩(wěn)定性，通過有機(jī)表面處理主要解決其在不同介質(zhì)中的分散問題，提高其應(yīng)用性能。TiO2的表面處理對于品種的發(fā)展有著重大意義，是新產(chǎn)品開發(fā)的主要手段。雖然通過對硫酸法的水解和煅燒及氯化法氣相氧化工藝的調(diào)節(jié)，會按照預(yù)先的需要制造出金紅石型和銳鈦型產(chǎn)品，以及獲得不同粒度與粒度分布的同一晶型產(chǎn)品，但絕大多數(shù)品種的產(chǎn)品則是用相同的半成品進(jìn)行不同的表面處理而制造的。

2.2 本文研究內(nèi)容

在漿料PH值、無機(jī)包膜劑不變和無機(jī)包膜加料順序不變等實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，改變硫酸鋯、硫酸鋁、加料速度等的不同，對產(chǎn)品分散性，產(chǎn)品亮度的影響，確定最優(yōu)包膜方案。并在工業(yè)試驗(yàn)中驗(yàn)證了試驗(yàn)的可行性。

3 無機(jī)包膜實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:實(shí)驗(yàn)室氣流粉碎機(jī)、包膜處理罐、烘箱、瑪瑙研磨儀、水環(huán)真空泵、布氏漏斗。

實(shí)驗(yàn)原料:二氧化鈦漿料、無機(jī)包膜劑、分散劑、無機(jī)處理劑。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

為了提高TiO2的耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性，改善TiO2在不同介質(zhì)中的分散性，通常要對TiO2進(jìn)行表面處理。無機(jī)表面處理就是在TiO2粒子表面形成一層均勻的無色或白色無機(jī)氧化物膜，以堵塞TiO2的光活化點(diǎn)，提高耐候性。有機(jī)處理是在TiO2表面包膜一層有機(jī)氧化物膜或表面活性劑，使TiO2粒子保持分散狀態(tài)并可以在有機(jī)介質(zhì)中更好地相容均勻地分散。對TiO2進(jìn)行表面處理，一般先進(jìn)行無機(jī)表面處理，后進(jìn)行有機(jī)表面處理。無機(jī)表面處理的材料一般用SiO2（二氧化硅）、Al2O3（氧化鋁）、ZrO（氧化鋯）、ZnO（氧化鋅）。

SiO2普遍存在于自然界中，純凈的SiO2為無色透明的晶體，稱為“石英”，為光學(xué)儀器的重要材料，是花崗巖、片麻巖、石英巖、砂巖等巖石的重要成份。SiO2不溶于水和酸，可溶于堿，用于制造化學(xué)器皿、玻璃及耐火材料等。

Al2O3（為白色粉末，不溶于水，有不同的晶型）。其中γ－Al2O3。溶于酸或堿，是典型的兩性氧化物，冶煉金屬鋁的主要原料，也可用作吸附劑。α－A12O3一般不被化學(xué)藥品腐蝕，在自然界中以剛玉的形式存在。剛玉硬度僅次于金剛石，可制鉆頭、砂輪、銼刀及軸承等。A12O3也是重要的耐火材料和填料。

用硫酸法生產(chǎn)的金紅石型TiO2一般要進(jìn)行氧化鋁、氧化硅、氧化鋯處理，耐磨性特強(qiáng)，光澤度高且著色力好，有較高的遮蓋力及極佳的室外耐候性的產(chǎn)品一般其含量依次為2%－5%，1%－2%、0.3%－1%。單純采用Al2O3表面處理的TiO2有較好的分散性，但耐候性不足。用SiO2致密包覆在Al2O3處理后的表面上，耐候性可大大提高，但TiO2含量降低，著色強(qiáng)度會有一定下降。

無機(jī)包膜劑的選擇以及添加工藝:（1）無機(jī)包膜劑的選擇。用于金紅石鈦白的無機(jī)包膜劑很多，主要包括鈦、锫、鋅、錳等可溶性化合物，最常用的無機(jī)包膜劑是硅、鋁的可溶性化合物。選擇何種包膜劑要根據(jù)產(chǎn)品的具體應(yīng)用體系而定，如選擇鋯化合物包膜可以提高鈦白粉的耐候性；（2）無機(jī)包膜參數(shù)及控制技術(shù)。無機(jī)包膜過程的技術(shù)參數(shù)主要有包膜劑配制濃度、物料注入速度、包膜體系溫度、體系pH值；無機(jī)包膜過程的控制技術(shù)包括包膜體系溫度的控制、體系pH值的在線檢測、物料注人速度和方式的控制。無機(jī)包膜參數(shù)及控制技術(shù)與無機(jī)包膜效果直接相關(guān)，良好的無機(jī)包膜應(yīng)該是包膜物質(zhì)對鈦白粒子表面的均勻覆蓋；（3）根據(jù)金紅石鈦白粉品種的專用性，設(shè)計(jì)無機(jī)包膜方案。金紅石鈦白的無機(jī)包膜是多層次的復(fù)合包覆.對包膜劑的種類、包覆量、包覆順序、包覆狀態(tài)等因素的不同選擇和組合可以得到不同的金紅石鈦白品種，金紅石鈦白的無機(jī)包膜方案需根據(jù)金紅石鈦白品種的專用性質(zhì)要求來確定。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

為提高公司產(chǎn)品質(zhì)量，滿足激勵市場競爭的需求，我們必須不斷提高我們的產(chǎn)品品質(zhì)，在現(xiàn)有無機(jī)包膜的基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整鋯鋁包膜劑的添加量，在通過調(diào)整漿料的密度和粘度等，達(dá)到提高產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

套路化、統(tǒng)一化、模式化，使老師產(chǎn)生職業(yè)倦怠，學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，長此以往，語文將不成語文！要正視文體的存在，要強(qiáng)化文體意識，因“文”制宜，循“體”而教。

（1）在漿料濃度、包膜溫度、包膜PH值、和其它無機(jī)包膜劑等實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下:

①只改變鋯的添加量0.2%－0.6%，通過比較不同鋯添加量包膜后的TiO2顏料性能（主要是亮度、消色力和在灰漿中的色澤三個指標(biāo)）來判定其最佳添加量；

②將篩選出的鋯添加量和其它實(shí)驗(yàn)條件保持相同，只改變包鋁量2%－4%，比較其包膜后各個樣品的顏料性能（主要是亮度、消色力和在灰漿中的色澤三個指標(biāo)），選擇其中顏料性能最佳的一個配方制取樣品。

（2）在更改無機(jī)包膜劑條件后，通過不同漿料濃度（270－330g／l）的情況下，通過比較不同漿料濃度包膜后的產(chǎn)品顏料性能來判定最佳密度。選擇一個最佳濃度，作其產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)測試。

（3）在更改無機(jī)包膜劑條件，降低了漿料濃度后，根據(jù)不同的包膜溫度（60－70℃），作其產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)測試。

（4）在更改無機(jī)包膜劑條件，降低了漿料濃度后，通過比較包膜前分散劑加量（2－5kg／t）對漿料粘度的影響來判定最佳加入量。選擇一個最佳加量，作其產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)測試。

（5）在更改上述條件后，由于鋁的加入對粘度影響較大，通過比較鋁加料時間（45min、60min、90min）對產(chǎn)品性能來判定最佳加入速度。選擇一個最佳加入速度，作其產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)測試。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 不同鋯添加量包膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 亮度和Tcs與鋯含量的變化趨勢

從圖1可以看出，亮度和Tcs隨著鋯含量增加而提高，在達(dá)到4#、5#時候已經(jīng)差距不大了，增加不明顯。由于Scx的變化不大，說明鋯含量對scx的影響不大，沒有作圖比較。本著節(jié)約成本的考慮，我們選擇4#的加量。

表2 不同鋁添加量包膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 亮度和Tcs與鋁含量的變化趨勢

在鋯加量不變的情況下，改變鋁的加量。從表2可以看出亮度和Tcs產(chǎn)品的消色力和亮度先是增加，當(dāng)鋁超過一定量4#時，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)反而下降。Scx隨Al的加量同樣變化不大，在加量6#最大，綜合考慮我們選擇4#的加量。

表3 不同密度包膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 亮度和分散性與漿料密度含量的變化趨勢

圖4 亮度和分散性與漿料密度含量的變化趨勢

從圖3可以看出當(dāng)漿料二氧化鈦密度較小的時候包膜效果更好，特別是對分散性的提高效果明顯。說明密度小的時候更有助于包膜，包膜率越高。圖4表明對Tcs的影響不明顯。

表4 不同包膜溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 亮度與包膜溫度含量的變化趨勢

從圖5可以看出，在2#包膜溫度下產(chǎn)品亮度最高。Tcs與分散性的變化都不明顯，所以我們選用2#包膜溫度。

表5 不同分散劑加量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 分散劑加量與亮度的變化趨勢

從圖6看出當(dāng)分散劑加量在4#的時候粘度最小，最有利于包膜時攪拌更均勻。

表6 不同無機(jī)包膜劑加料速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 鋁的加入時間與粘度的變化趨勢

從圖7可以看出，增加鋁的加入時間可以降低粘度，但是到時間達(dá)到一定數(shù)值后變化趨于平緩，為了平衡產(chǎn)能我們選擇3#的加入時間。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，選擇4#包鋯量、4#包鋁量，能提升產(chǎn)品的顏料性能和應(yīng)用性能；包膜溫度應(yīng)該控制在2#左右；選擇1#包膜密度能提升產(chǎn)品分散性；4#分散劑加量可使產(chǎn)品粘度降至最低；選擇3#包膜加料速度能達(dá)到更好的包膜效果。

4.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過各實(shí)驗(yàn)選擇的最佳配方，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。然后對其產(chǎn)品應(yīng)用性能，分散性和耐候性測試，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行方案的修正和確定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，通過各實(shí)驗(yàn)選擇的最佳配方是可行的。

5 工業(yè)試驗(yàn)

根據(jù)各實(shí)驗(yàn)選擇的最佳配方，對大生產(chǎn)中的一些操作和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性得到提高，各指標(biāo)都有一定程度的上升。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果見表8。

6 結(jié)論

（1）鋯的加量提高對產(chǎn)品的亮度有好處，但是后期對亮度提高不明顯。

（2）鋁的加量隨著加量的增加使產(chǎn)品亮度現(xiàn)增加后降低，鋁的加量要在4#的時候到達(dá)最高值。

（3）二氧化鈦的密度小，二氧化鈦含量低，對包膜效果有利，但是考慮到產(chǎn)能的問題，生產(chǎn)中我們選擇了1#的二氧化鈦的密度。

（4）包膜溫度對產(chǎn)品質(zhì)量影響也比較大，生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制。

（5）為了控制漿料的粘度，我們確定了分散劑的加量很好控制了漿料的粘度，避免在包膜的時候出現(xiàn)攪拌不均勻，包膜不均勻的問題。

表7 最佳配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表8 工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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