鈦白粉有機改性與工藝優(yōu)化分析

何明川，黃建文(廣東惠云鈦業(yè)股份有限公司，廣東 云浮 527300)

0 引言

鈦白粉具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，通常很難和很多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。二氧化鈦有三種晶型結(jié)構(gòu)存在自然界中：板鈦型、金紅石型和銳鈦型。板鈦型晶型不穩(wěn)定，板型為斜方晶系類，不具備有效的工業(yè)利用價值；銳鈦型也可以成為A型，與金紅石型都是R型的范圍內(nèi)，兩者晶格都相對穩(wěn)定。在常溫下銳鈦型比較穩(wěn)定，可一旦達到915 ℃就會化為金紅石型?；诮殡姵?shù)折射率和密度的優(yōu)越，在白色顏料中都不能缺少這兩種晶型，比起其他白色顏料更具備白度、穩(wěn)定性、著色力、耐候性、遮蓋力、耐熱性，尤其是沒有任何毒性，是當(dāng)前最無以比擬的白色無機顏料。在涂料、造紙、陶瓷和塑料行業(yè)廣泛應(yīng)用[1-2]。

1 鈦白粉白度透明度工藝優(yōu)化

生產(chǎn)的原料為鈦鐵礦和濃硫酸。將冷卻的濃硫酸冷卻到一定的溫度，與磨細的鈦礦在預(yù)混槽中預(yù)混，然后用泵以一定的速度將混合物泵入反應(yīng)器中和一定數(shù)量的水或者廢酸混合反應(yīng)，要確保反應(yīng)器的溫度控制在一定的范圍內(nèi)，讓反應(yīng)穩(wěn)定的進行，固相物經(jīng)過攪拌從反應(yīng)器中排到接料斗中，然后再接料斗中加入工業(yè)水和溶解槽的鈦液進行溶解，排出的煙經(jīng)過堿噴然后再經(jīng)過水噴淋用排煙風(fēng)機送入排煙煙囪達標排放。其次，有很多泥漿混在化學(xué)反應(yīng)生成的固體混合物中，必須進行沉淀和過濾，下一步是結(jié)晶過程、離心分離、除掉雜質(zhì)，然后水解為偏鈦酸；最后環(huán)節(jié)是處理偏鈦酸，粉碎后便是鈦白粉。

1.1 鈦液水解的原理

進行水解鈦液的反應(yīng)式如下：

新硫酸都可以利用三個水解反應(yīng)生成，說明鈦液中高濃度酸可以對早期的水解形成抑制。浸取時加一定量廢酸，增大鈦液中酸的濃度?？梢源蟠筇嵘佉旱姆€(wěn)定性，對鈦液的水解進行抑制。

1.2 利用MVR促進穩(wěn)定性

相關(guān)經(jīng)驗顯示，MVR濃縮技術(shù)遠遠低于單效的能耗，更具備高產(chǎn)量，質(zhì)量可以控制。蒸發(fā)溫差在 8～10℃以內(nèi)，低溫差有效的延緩了結(jié)垢的發(fā)生；低溫差能 夠降低設(shè)備使用能耗；低溫差能夠降低設(shè)備使用能耗；同時較低的傳熱溫差能夠提高 鈦液的品質(zhì)。對濃縮溫度和壓力進行控制和優(yōu)化，可有效預(yù)防早期的鈦液水解，顯著提升了濃鈦液的穩(wěn)定性[3]。

1.3 增白需要以改進水解工藝

在制備水解晶種鈦液過程中要對氫氧化鈉和鈦液所含TiO2的比例進行嚴格控制，確保制備環(huán)節(jié)里得到的水解晶種粒規(guī)格適合、表現(xiàn)子粒徑均勻，為以后生產(chǎn)白度高、粒度符合要求的粗產(chǎn)品創(chuàng)造條件。由表1可知，實施例1～3制備得到的鈦白粉白度要高于商用鈦白粉。利用以上的工序的改革，鈦白粉的產(chǎn)品透明度和白度完全實現(xiàn)預(yù)期目標。

表1 白度對比結(jié)果

1.4 鈦白粉生產(chǎn)工藝存在的缺陷和優(yōu)化的路徑

1.4.1 存在的問題

生產(chǎn)過程中因為高溫會產(chǎn)生大量的尾氣，不能完全被利用，因此在對煅燒尾氣實施處理的工藝中會出現(xiàn)諸多問題：生產(chǎn)中高溫尾氣的熱量難以完全被利用，損失了大量的熱；冷卻塔等設(shè)備與吸收部分SO2酸性循環(huán)水有接觸，腐蝕了設(shè)備，縮短了使用年限，故障高發(fā)，加大維修難度，增加了運行成本；環(huán)保負擔(dān)重，進入煅燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的壓濾機的脫水濾液可以成為補充的循環(huán)水，流入溝槽里的循環(huán)水固體含量超高。

1.4.2 優(yōu)化工藝的路

在生產(chǎn)工藝中，鈦白粉的高白度、半透明屬性對傳統(tǒng)工藝提出更高的要求，必須對傳統(tǒng)工藝進行改進，以滿足生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展需求。企業(yè)要與時俱進，綜合自身的實際狀況，確保生產(chǎn)技術(shù)符合行業(yè)的要求，提升生產(chǎn)效率[4]。

1.4.3 優(yōu)化效果

伴隨不斷增加的工業(yè)生產(chǎn)需求，企業(yè)要對原有的高白度及半透明鈦白粉制作工藝進行合理地優(yōu)化和革新，對新需求得以適應(yīng)，對材料性能逐漸改進。

2 鈦白粉的表面有機改性

2.1 改性鈦白粉的性能表征

處理鈦白粉漿料的表面可利用五種配方進行。首先將對水中分散超分化劑實施乳化，再加入鈦白粉的漿料實施充分攪拌，進行溫度和pH值的調(diào)制，通過靜置和過濾工序后，干燥備用。選擇配置顏料30 g、蠟10 g、樹脂60 g，制作白母粒，根據(jù)顏料量115 g加入到PE中吹膜。

2.1.1 表征分析過程

圖1是處理前和處理后的鈦白粉進行5 000倍放大的透射電鏡圖。圖1顯示，利用超分散劑處理圖1(a)的鈦白粉為較小的粒徑并且均勻分散。而圖1(b)的鈦白粉粒子團聚現(xiàn)象明顯，呈現(xiàn)大尺寸粒徑，分散能力弱。所以，選擇超分散劑TO對鈦白粉處理，顯著提升了鈦白粉的分散性。

圖1 未對表面處理的和處理后的鈦白粉透射電鏡圖片(5 000倍)

2.1.2 包覆性能

針對TiO2漿料，富集電荷的顆粒表面很容易與錨固基團進行融合，促成鈦白粉顆粒表面形成牢固的保護層，利用溶劑化鏈擁有的屏障，讓鈦白粉的分散和穩(wěn)定能力得以實現(xiàn)。從而鈦白粉通過伸展開來的溶劑化鏈完成從親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油性的過程。

2.1.3 親油性測試

沒有經(jīng)過處理的鈦白粉基于親水性，其表面易溶于水生成羥基。超分散劑對鈦白粉的表面進行處理后，錨固基會凝結(jié)在鈦白粉表面，親油憎水性會因為神展開的溶劑化鏈充分展現(xiàn)。因為鈦白粉會因為表面官能團的作用從親水性向親油性轉(zhuǎn)變。四氯化碳是非極性溶劑，測定鈦白粉可以利用它測定在單位時間內(nèi)吸附該溶劑的質(zhì)量，可以利用動態(tài)毛細管法進行，作w2-t圖，對鈦白粉在處理前后的親油性能進行比較。

2.2 改性鈦白粉的應(yīng)用性能

2.2.1 流變性能測試

鈦白粉進行超分散劑的改性后，在提高了遮蓋力和分散性的同時，也形成了與載體優(yōu)良的兼容性。另外，分散介質(zhì)和載體樹脂對著色劑的親和力與潤濕性也可以通過平衡時間反映。純PE與色母粒的平衡時間出現(xiàn)一致性，針對平衡時間，顯示該種色母粒配方真正達成了樹脂載體與顏料粒子分散平衡效果的同時到達，在載體樹脂中鈦白粉分散性能良好。

2.2.2 遮蓋力測試

遮蓋力為白母粒性能指標的關(guān)鍵因素。顏料的分散水平因素會直接影響遮蓋力。如果強度為I0的光照照射在薄膜上，進行反射的同時，一部分光線被其中的顏料粒子阻擋且吸收，同時將剩余部分透射。透射光強設(shè)定為I1，定義透射率(T)為：

薄膜的透光能力完全可以通過透射率反映出來，而導(dǎo)數(shù)直接折射薄膜的阻擋光線的能力，被界定為阻光率(O)：

薄膜的遮蓋力(D)定義如下：

按照上述界定可以顯示，倘若顏料分散在薄膜上的呈現(xiàn)越均勻，就會顯示越細小的粒子，就會有越大的光密值，反之就越小。同時超分散劑的用量會顯著影響薄膜制品的光密值，伴隨越來越大的添加量，光密值也隨之增大；如果繼續(xù)增加量，基于互相纏繞的溶劑化鏈，光密值反而下降。比較處理前后的鈦白粉，平衡轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩減小近2.45 N·m，因此，處理后的鈦白粉顯著提高了加工應(yīng)用性能。

3 結(jié)語

當(dāng)前，我國的鈦白粉制作工藝處于高速發(fā)展階段，相關(guān)設(shè)備和制作工藝已經(jīng)趨于成熟，為了將鈦白粉的品質(zhì)提升上來，以適應(yīng)目前的激烈競爭，可以借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對鈦白粉表面實施合理改性，改善其性能。經(jīng)過鈦白粉的表面改性處理，表面發(fā)生了明顯的變化，開始從親水性向親油性轉(zhuǎn)變。改性后的鈦白粉在白母粒中應(yīng)用，明顯比處理前提升了遮蓋力，光密值也相應(yīng)提升了2.5倍。而處理后的鈦白粉親油性提升效果明顯，平衡轉(zhuǎn)矩和最大扭矩減小近2.45 N·m，加工應(yīng)用性能顯著提升。