塑料專用金紅石型鈦白粉的改進及機理研究

周強 奚海 陳樂 張本發(fā)

摘? 要：鈦白粉的化學(xué)名稱是二氧化鈦，在涂料、塑料、陶瓷和造紙等領(lǐng)域是性能最好的白色顏料，它的穩(wěn)定性極高、擁有著良好的遮蓋力。但是在種種優(yōu)點下其內(nèi)部的缺陷也是相當(dāng)明顯的，因為其自身的顆粒物質(zhì)存在光催化活性，從而利用該物質(zhì)所制造出來的塑料制品會在不同的環(huán)境下產(chǎn)生不同的結(jié)果，如在波長小于387.5mm的光波中會形成高化學(xué)活性的過氧化物以及附帶產(chǎn)生的自由基，在這兩種物質(zhì)的催化下會發(fā)生塑料自身的氧化降解，與此同時其老化速度迅速加快，在不同氣候情況下保存效果極差。因此本文從塑料專用金紅石型鈦白粉的改進措施出發(fā)探討其中的機理研究。

關(guān)鍵詞：塑料專用金紅石型? 鈦白粉? 改進及機理研究? 塑料專用

中圖分類號：TQ621 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0096-05

Abstract： Titanium dioxide， the chemical name of titanium dioxide， is the best performance of white pigment in the fields of coating， plastics， ceramics and papermaking， with its high stability and good covering power. But under the virtues of its internal defects is quite obvious， because of its photocatalytic activity， particle material existence and use of the material made of plastic products can produce different results in different circumstances， such as in the light of wavelength is less than 387.5 mm can form Gao Huaxue activity of peroxides and produce free radicals， in the two substances under the catalysis of will occur in the oxidation and degradation of plastic itself， at the same time its aging accelerated rapidly， under the condition of different climate preservation effect is very poor. Therefore， this paper discusses the mechanism of the improvement measures of rutile titanium dioxide for plastics.

Key Words： Rutile for plastics; Titanium dioxide; Improvement and mechanism research; Plastic is special

鈦白粉除了有高遮蓋力、高消色力及與其他顏色并用性能好外，它還能提高使塑鋼門窗制品免受紫外線的侵襲，改善塑料制品的力學(xué)強度和電性能。因此本文從塑料專用金紅石型鈦白粉的相關(guān)性能出發(fā)，探討其中的改進和機理研究。

1? 金紅石型鈦白粉的性能概述

金紅石型鈦白粉憑借自身各項優(yōu)秀的性能，成為制造白色塑料的最佳選擇。而在當(dāng)今推崇節(jié)能環(huán)保的社會大環(huán)境下，人們對于環(huán)境的保護與節(jié)能措施都相當(dāng)關(guān)注，鋼鐵作為耗能耗資都相當(dāng)巨大的建筑材料在未來將面臨著被取代的命運，在諸多替代材料中塑料無疑是最佳選擇。塑料制品需要嚴(yán)格考核其光澤度、不透明度和分散度等等指標(biāo)，且能夠成功制成塑料的原材料相當(dāng)多，在這么多材料中究竟該如何選擇呢？金紅石型鈦白粉又是如何從諸多材料中脫穎而出成為制造塑料的不二選擇的呢？下文就將針對可制成塑料的金紅石型鈦白粉原材料的相關(guān)性能進行探究，了解其性能對于所生成的塑料的益處。

1.1 塑料專用金紅石型鈦白粉的物理屬性

（1）不透明度。鈦白粉之所以能夠成為白色燃料的最佳選擇就是因為光線不能夠成功地穿透顏料顆粒的表面，即其不透明度相當(dāng)高。而透明度高低的決定性因素是鈦白粉的結(jié)構(gòu)形狀和透光系數(shù)、吸光、反射、色散的程度。前者取決于一開始的制備工藝，后者則是與顆粒分子自身的晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)。

金紅石型鈦白粉的不透明度與銳鈦型鈦白粉的不透明度要好得多，這是因為材料的透光程度是根據(jù)材料周圍的介質(zhì)和化工原料的不同折射率決定的。當(dāng)化工原料呈現(xiàn)透明、半透明和不透明狀態(tài)時，其折射率的差異越來越大，具體而言透明狀態(tài)時，基體介質(zhì)和化工原料的折射率大體相同;半透明時，折射率處于中間位置;而不透明狀態(tài)時，基體介質(zhì)的折射率比化工原料的折射率低得多。金紅石型的折射率很大，因此其不透明度更強，即金紅石型能夠針對基體材料產(chǎn)生更好的遮蓋力。

（2）折射率。金紅石型的折射率在鈦白粉所有形態(tài)中是最高的，一般情況下銳鈦型的折射率是2.55而金紅石型則是2.71。折射率的判定是根據(jù)光線入射角α的正弦與折射角β的正弦兩者之間的比值所決定的，是直接影響到金紅石型鈦白粉的首要因素，對光學(xué)性能的影響相當(dāng)大，可以說是對化工成品的遮蓋力和著色度的重要參數(shù)。金紅石型鈦白粉的折射率與其呈現(xiàn)的棱型結(jié)構(gòu)形狀息息相關(guān)，其晶體方向沒有一定的規(guī)律性，從而其晶體的折射率是根據(jù)眾多樣本的平均值所決定的。

（3）光澤度。一般建筑材料是不會有光澤的，并且在材料中如果需要呈現(xiàn)出光澤的話就需要通過基體材料的外層涂膜才能展現(xiàn)出來，因此塑料材料的光澤度是根據(jù)材料自身的性能決定的，金紅石型鈦白粉的材料其光澤度與制定的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的匹配度相當(dāng)高，直接高到標(biāo)準(zhǔn)的96%至98%，因此一旦涂上金紅石型鈦白粉便能夠在材料本身呈現(xiàn)出明顯的顏色。

對于金紅石型鈦白粉的光澤度有兩大影響因素即分散性和粒徑分布。只有當(dāng)金紅石型鈦白粉的顆粒足夠小且細(xì)，才能夠與塑料集體本身完美地貼合，即相容性比較好，與此同時鈦白粉的分散性也比較高，在這兩方面的聯(lián)系下基體材料才能夠呈現(xiàn)出高度的光滑性，進一步推動了其光澤度的有效提高。

1.2 塑料專用金紅石型鈦白粉的化學(xué)屬性

（1）光色互變現(xiàn)象。在日光進行持續(xù)的照射后，化工材料表面的雜質(zhì)在大量光照下會發(fā)生短時間內(nèi)的顆粒顏色變化，但是一旦失去了一定強度和一定時間的光照，化工材料便會再次變回到原本鈦白粉顆粒的顏色狀態(tài)。在光照的情況下顆粒會發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)即光化學(xué)活性，在此反應(yīng)下會變成活性氧原子，該原子會再次與氧化鐵等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進一步在原有基礎(chǔ)上完成高價鐵和高價鉻的氧化物轉(zhuǎn)化過程。但是如果失去了一定程度的光照后，一切高價的化學(xué)物質(zhì)便會回到低價化學(xué)物質(zhì)，即所有鈦白粉顆粒會馬上恢復(fù)到原始的顏色狀態(tài)。

（2）光催化活性。如果說光色互變現(xiàn)象與照射的日光有關(guān)，那么鈦白粉的光催化活性則是與紫外光息息相關(guān)。在紫外光的照射下，物質(zhì)中會釋放出一定數(shù)量的氧化性極強的氧原子，并由此迅速氧化涂膜中存在的有機物，從而使得相關(guān)有機物進行降解，致使物質(zhì)中的部分性能即耐候性降低、失光等。與此同時，光催化活性的過程可以分為三個步驟即第一步驟是電子—空穴的分離，當(dāng)照射時的紫外光其性質(zhì)是波長比387mm/h，則鈦白粉會通過對光子能量的吸收，將正負(fù)電子進行轉(zhuǎn)化，以捕獲到的少量電子—空穴對發(fā)生復(fù)合反應(yīng)。第二個步驟則是生成自由基。第一步驟中所產(chǎn)生的電子—空穴在后續(xù)過程中匯合氧氣或者是水就發(fā)生反應(yīng)，進一步生成自由基。最后一個步驟則是自由基的氧化作用，因為鈦白粉具有相當(dāng)明顯的自由基，能夠?qū)崿F(xiàn)對所有有機物材料進行催化降解，生成二氧化碳，進而實現(xiàn)電子—穴位的包覆層結(jié)構(gòu)，最后實現(xiàn)對于金紅石型鈦白粉光催化活性的抑制目的。

1.3 塑料專用金紅石型鈦白粉在生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵性能

一方面是塑料專用金紅石型鈦白粉的熱加工性能強。因為在現(xiàn)實工程項目中往往需要很高的一個加工溫度，鈦白粉本身作為工業(yè)材料其內(nèi)部的耐熱性本來就是很高的，但為了追求更加高效的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，鈦白粉應(yīng)當(dāng)擁有更為優(yōu)質(zhì)和良好的耐熱性能，而金紅石型鈦白粉便滿足這一條件。比如說在PVC塑料生產(chǎn)的進展過程中，常常是需要擁有一個高達(dá)180℃的溫度環(huán)境，因為只有在高溫環(huán)境下才能確保材料的顏色不會發(fā)生變化。但是如果該金紅石型鈦白粉不具有一個良好的分散性能的話就會再次發(fā)生變色的情況，影響最后的工程成品。除了分散性能以外，還有金紅石型鈦白粉這一原材料自身在塑料整體中的流動性，如果該者不能獲得良好的保障，則會造成塑料成品中不具備內(nèi)部穩(wěn)定的摩擦力，從而會導(dǎo)致塑料成品內(nèi)在局部區(qū)域中發(fā)生溫度過高的情況，也會導(dǎo)致塑料最后的變色。根據(jù)如上總結(jié)可以概括出針對塑料專用金紅石型鈦白粉的表面處理工作也會是在整體的加工過程中的一項重點工作。

第二個方面則是塑料專用金紅石型鈦白粉的耐候性性能。因為金紅石型鈦白粉自身原有的物理和化學(xué)性能都是相當(dāng)穩(wěn)定的，不論是有紫外線還是流動的水的情況下，都不會發(fā)生明顯的變化。在塑料制品中其組成部分對于環(huán)境的要求相當(dāng)高尤其是日曬雨淋的情況下，其塑料鈦白粉往往在強度和外表顏色方面會偏離國家的標(biāo)準(zhǔn)。在這種環(huán)境下，改善種種現(xiàn)狀的方法便是針對表面進行無機化處理，然而由于當(dāng)前國家的技術(shù)水平難以滿足上述的要求，需要推進一定的技術(shù)改進。

1.4 塑料專用金紅石型鈦白粉的制備工藝及相關(guān)研究

塑料專用金紅石型鈦白粉可以通過多種工藝進行制備，即采用硫酸法、氯化法、REPTILE法、鹽酸法、堿融法等方法。

下面就將選用幾種制備方法開展具體的論述：

（1）硫酸法。在歷史進程中鈦白粉的最早的形成方式即采用硫酸法，這種方法的主要原料就是硫酸，因此這種方法實行的第一步驟就是需要獲得硫酸鈦的原始溶液，利用還原和真空的方式去消除其中的大部分的雜質(zhì)即鐵元素，在此基礎(chǔ)上進一步對該原料進行加熱處理，使原料能夠在高溫的條件下完成水解，從而獲取偏鈦酸沉淀。然后再通過過濾、多次水洗、摻入鹽處理劑等方式取得初品，經(jīng)過檢測與標(biāo)準(zhǔn)之間的核對不斷完善其去除雜質(zhì)，最后得到鈦白粉的成品。

（2）鹽酸法。與硫酸法相似，該步驟的第一步首先是需要進行分解即對鈦鐵礦展開分解工作，將其中無法溶解的殘渣進行分離和詳解，將物質(zhì)進行一定程度的還原，并還原后的物質(zhì)進行冷卻和結(jié)晶，分理出二氯化鐵;之后針對氯化鐵和氯化氧鈦兩者的混合溶液開展二次萃取工作，進一步得到最初的偏鈦酸固體，經(jīng)過回收循環(huán)等工序使之進入到噴霧熱解步驟，再者使用煅燒步驟得到最初的金紅石型鈦白粉初品，得到成品還需要進行無機物包覆、過濾、洗滌并且干燥，獲得最后的金紅石型鈦白粉成品。

（3）堿融法。該方法主要是氫氧化鈉熔鹽進行一系列設(shè)計好的化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生環(huán)境是850℃～875℃的高溫環(huán)境，在此環(huán)境下進行焙燒，進而加入促使反應(yīng)發(fā)生的有機酸，促使氯化鐵與氯化氧鈦發(fā)生反應(yīng)對之進行浸取工作，對其中的殘渣進行過濾處理，最終能夠得到幾乎接近純凈的鈦化合物，其中人造金紅石的含量可以達(dá)到一個相當(dāng)高的占比數(shù)量即95%～97%。另一種方式則是采用硫酸法的水解工藝，即獲得硫酸氧鈦溶液后對之進行水解進而得到偏鈦酸，以過濾和高溫焙燒的兩段步驟最后處理得到成品即金紅石鈦白粉。相關(guān)公式如下：

公式1所示為采用NaOH熔鹽對鈦鐵礦原料進行反應(yīng)生成Na2TiO3

公式2所示為Na2TiO3反應(yīng)物經(jīng)過水浸取和洗滌，將反應(yīng)物中過量的鈉離子與水中的離子發(fā)生離子結(jié)合反應(yīng)，使得溶液中能夠浸出部分鈉離子，形成一定濃度的NaOH溶液。

公式3所示為采用硫酸對固相（XNa2O-TiO2-Yh2O）進行反應(yīng)，然后生成硫酸氧鈦溶液。

公式4所示為按照硫酸法的水解工藝，將得到的硫酸氧鈦溶液來生產(chǎn)偏鈦酸，最后把偏鈦酸沉淀經(jīng)過過濾，再次進入轉(zhuǎn)窯高溫焙燒，最后得到所要求的金紅石型鈦白粉產(chǎn)品。

2? 塑料專用金紅石型鈦白粉的改進及機理研究

（1）表面靜電吸附理論。根據(jù)顆粒表面靜電吸附理論，可以發(fā)現(xiàn)在顆粒的表面包覆著異號電荷，而其顆粒能夠輕易地被這些電荷吸附，在靜電引力的作用下能夠形成一種外表的成膜。當(dāng)然這一種理論有著明顯的理論局限性，不可以合理地回答內(nèi)部的包覆劑能否完成電負(fù)性的前后差異即明顯變化。與此同時，顆粒外表包覆層的增厚是否會隨著基體顆粒的表面變化而隨之發(fā)生改變這一猜測也不能夠得到完美的解釋。

（2）表面化學(xué)鍵合理論。在金紅石型鈦白粉顆粒的表面和外表的包覆物兩者之間也有著內(nèi)部的化學(xué)鍵，且其化學(xué)鍵是穩(wěn)定存在的。其中沒有發(fā)生鍵合反應(yīng)的羥基存在在鈦白粉顆粒的表面，會與外表包覆物內(nèi)部存在的羥基進行縮合，進一步形成一種均勻而致密的氧化物包覆層，使得兩者之間的化學(xué)鍵與顆粒能夠?qū)崿F(xiàn)完美且牢固的結(jié)合，相比較表面靜電吸附理論該化學(xué)鍵合理論能夠更好地實現(xiàn)化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，進而改善金紅石型鈦白粉的整體性能。

（3）改進措施。經(jīng)過上述的敘述，可以了解到塑料專用金紅石型鈦白粉的性能還是存在著很大的問題，可以采用的改進步驟能夠分為幾大方式。第一種方式即利用單元無機氯化物對金紅石型鈦白粉進行一定的包覆，其中的單元無機氯化物可以是三氧化二鋁，其能夠形成一種高效的保護層，與此同時，三氧化二鋁能夠高效地對紫外線進行反射。除此以外，還有氧化硅可以完成包覆層，在該過程中是加入水溶性的硅化合物;氧化鋯也是一種優(yōu)良的選擇，該過程則主要針對的是ph指數(shù)。第二種方式即利用雙元無機氧化物對金紅石型鈦白粉進行包覆，雙元無機氧化物可以是二氧化硅和二氧化鋁的復(fù)合物，該復(fù)合物能夠包含兩元素單包時的所有優(yōu)點，同樣的機理結(jié)構(gòu)還能夠選擇二氧化鋯與二氧化鋁的復(fù)合物，其能夠提高成品的抗氧化性。

（4）改進中依舊存在的問題。因為當(dāng)今我國對于塑料專用金紅石型鈦白粉的研究尚不夠完全，因此對于包覆的機理、方法和效果等情況的調(diào)查不夠完善。主要有如下幾點原因即第一對于該類型鈦白粉的后期處理不足，對基料包覆處理欠缺;第二針對該鈦白粉的耐候性試驗不足，投資力度小;第三是中間步驟的耗時長，人力物力浪費大;第四，對鈦白粉的pH值把控不住，最后成效質(zhì)量不能得到保障。

3? 結(jié)語

金紅石型鈦白粉內(nèi)部折射率、消色力、光澤度等物理、化學(xué)特性相當(dāng)良好，能夠?qū)崿F(xiàn)人們對于工業(yè)的許多要求，因此塑料專用金紅石型鈦白粉的應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛，是電子、化工和冶金工業(yè)中不可或缺的一沓材料。在未來的工業(yè)發(fā)展中應(yīng)當(dāng)大力對塑料專用金紅石型鈦白粉展開研究，并根據(jù)發(fā)展現(xiàn)實情況針對存在的問題進行改進思考，推動其機理研究。

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