鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的技術(shù)工藝與綜合性能分析

張秋月，張 淋

（中信錦州金屬股份有限公司，遼寧錦州 121000）

1 鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的工藝

1.1 工藝概述

鈦白粉表面包覆水合氧化鋁工藝是工業(yè)領(lǐng)域中最為常見的用于提升鈦白粉體系穩(wěn)定性與綜合性能的工藝技術(shù)之一，在完成鈦白粉表面包覆水合氧化鋁工藝后，對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)其顆粒的表面，無論是密度，還是自由能、表面的電位等性質(zhì)都受到了表面包覆水合氧化鋁的影響，進(jìn)而會影響鈦白粉在水性體系中的分散性能與穩(wěn)定性能，通過對包覆工藝的調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)對包覆水合氧化鋁在鈦白粉包覆層微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1.2 最佳工藝概述

當(dāng)水合氧化鋁的包覆表層呈現(xiàn)為較高的連續(xù)性與較高的孔隙度時，絮狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就變得更加清晰，鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的性能更加穩(wěn)定。研究表明，當(dāng)酸堿度為9，溫度為70℃，時間為90min，攪拌轉(zhuǎn)速為120r/min時，制備的水合氧化鋁包覆膜樣品表面絮狀包覆層具有更加優(yōu)異的分散性能與穩(wěn)定性能，是最優(yōu)的鈦白粉表面包覆水合氧化鋁工藝參數(shù)。

1.3 性能提升原理

鈦白粉表面包覆水合氧化鋁包覆膜有利于提升鈦白粉樣品的穩(wěn)定性能機(jī)理為：①鈦白粉的顆粒表面，形成了呈現(xiàn)為纖維狀或者絮狀的水合氧化鋁包覆層，這個包覆層從根本上阻礙了鈦白粉顆粒之間在外力作用與化學(xué)作用下發(fā)生碰撞與團(tuán)聚，從而維持了鈦白粉顆粒之間在水性體系下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與空間穩(wěn)定性。②在鈦白粉的顆粒表面，形成的絮狀水合氧化鋁包覆層具有顯著的連續(xù)性，從而有效地提升了鈦白粉顆粒表面含有的羥基含量，使鈦白粉顆粒表面形成包覆層后的濕潤性得到提升，使其分散速度得到加速。③鈦白粉顆粒表面包覆層形成后，其絮狀包覆層有利于增加顆粒表面的電位，進(jìn)而使顆粒間產(chǎn)生更強(qiáng)的靜電斥力，顆粒間的團(tuán)聚與碰撞受到嚴(yán)重阻礙，最終達(dá)到包覆水合氧化鋁的目的。

2 鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的工藝與性能探究實驗

2.1 實驗方法

在進(jìn)行鈦白粉漿料處理時，主要的實驗原料是在氯化鈦氣體氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的鈦白粉顆粒物質(zhì)，配置450g/L的漿料，隨后在漿料中加入六偏磷酸鈉，六偏磷酸鈉起到分散劑的作用，研磨漿料，取用1L得到完全分散的鈦白粉漿料放置在容量為2L的玻璃反應(yīng)器皿中，用50%氫氧化鈉對酸堿值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其控制在10至10.5之間，漿料的攪拌速度為每分鐘150r/min，溫度加熱至60℃（上下1℃），分散攪拌30min。其次，在添加偏鋁酸鈉時，必須要嚴(yán)格控制攪拌的速度與攪拌時的溫度，在鈦白粉中逐漸添加偏鋁酸鈉溶液，添加時間持續(xù)30min。第三步，利用水合氧化鋁對鈦白粉進(jìn)行包覆處理，采用正交試驗設(shè)計方式判斷影響因素，最后進(jìn)行洗滌、干燥以及粉碎操作，將已經(jīng)完成包覆處理的鈦白粉漿料放入壓濾機(jī)中進(jìn)行洗滌與過濾，隨后將過濾后的濾餅放置干燥機(jī)中完成干燥處理后在粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎操作，初步碎粉結(jié)束再次進(jìn)行細(xì)磨，最終獲得成品。

2.2 性能測試試驗

鈦白粉表面包覆水合氧化鋁性能的測定過程如下：首先分別對經(jīng)過水合氧化鋁包覆和未經(jīng)過包覆的鈦白粉進(jìn)行取樣和壓片處理，后采用光譜儀對氧化鋁的含量進(jìn)行測試，將未進(jìn)行水合氧化鋁包覆的樣品中氧化鋁的含量設(shè)定為X，包覆后樣品中氧化鋁的含量設(shè)定為Y，加入偏鋁酸鈉樣品中氧化鋁的含量設(shè)定為Z，那么氧化鋁的包覆率計算公式為（Y-X）/Z。想要對樣品反應(yīng)后的結(jié)晶情況與狀態(tài)進(jìn)行考察，就需要使用透視性電子顯微鏡對樣品包覆后的表征進(jìn)行觀測。最后是進(jìn)行鈦白粉表面包覆水合氧化鋁后的顏料性能測試，將鈦白粉樣品、樹脂、溶劑按照3∶4∶3的比例放入高速分散機(jī)中進(jìn)行分散，分散時間控制在15min左右，轉(zhuǎn)速以2500r/min為宜。完成轉(zhuǎn)動分散后，分別進(jìn)行取樣，將樣品放置在掛板細(xì)度計上，測試樣品的分散性能。

3 鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的工藝及性能結(jié)果分析

3.1 正交試驗結(jié)果分析

正交試驗結(jié)果分析的基礎(chǔ)就是鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的包覆率，將其作為試驗指標(biāo)，分析包覆后的酸堿度、包覆過程最為適宜的溫度、高速粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)速以及包覆陳化的時間。具體采用的正交試驗設(shè)計因素如表1所示。

表1 正交試驗設(shè)計因素

經(jīng)過正交試驗后，各個樣品的氧化鋁包覆情況如表2所示。

表2 正交試驗后各因素水平下的包覆率

由正交試驗最終結(jié)果進(jìn)行分析可知，一共有四個因素會對鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的效果與包覆率產(chǎn)生直接的影響，其中包覆過程的酸堿度對鈦白粉表面包覆水合氧化鋁最終包覆率結(jié)果影響最為明顯，其次是時間與溫度對包覆率的影響較大，而攪拌轉(zhuǎn)速對包覆率產(chǎn)生的影響是最小的。同時，通過開展的正交試驗結(jié)果分析可以得出鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的最優(yōu)工藝條件如下：酸堿度控制為9，時間控制在90min，溫度控制在70℃，攪拌轉(zhuǎn)速控制在150r/min。為了能夠更好地探究鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的工藝及性能，并證實上述推斷出來的最優(yōu)包覆條件，可以進(jìn)行對照實驗，其中，樣品A為未經(jīng)過表面包覆水合氧化鋁的鈦白粉，樣品B為通過沉淀法并按照最優(yōu)工藝條件進(jìn)行表面包覆水合氧化鋁的鈦白粉。

3.2 透射電鏡結(jié)果分析

通過對樣品A與樣品B的TEM圖像進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，樣品A顆粒的表面更加光滑，鈦白粉顆粒并沒有任何表面包覆物質(zhì)，而樣品B顆粒的表面存在大量的凹凸物質(zhì)，且這些物質(zhì)呈現(xiàn)為不平整的絮狀，包裹在顆粒表面上，形成了一個厚度達(dá)到2nm左右的層膜，包覆層膜具有均勻、連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，證實鈦白粉完成了水合氧化鋁的表面包覆工作。

3.3 顏料性能的分析

將鈦白粉樣品A顆粒與鈦白粉樣品B顆粒按照相應(yīng)的比例在油性的樹脂清漆中進(jìn)行精確的添加，添加完成后對其進(jìn)行高速分散處理，分散時間根據(jù)分散的實際情況確定，直至分散完全且均勻為止。其次，將分散完畢后的樣品進(jìn)行分別取樣，將樣品放置在掛板上，對不同細(xì)度進(jìn)行分散性性能的測試，同時還要取出相應(yīng)量的樣品，將樣品在黑白卡片上進(jìn)行涂布處理，等到油性樹脂清漆在自然條件下晾干后，利用分光色差計對不同處理的樣品顏料性能指標(biāo)進(jìn)行測試與判定，最終顏料性能分析的結(jié)果可以概括如下：

鈦白粉樣品A：在完成水合氧化鋁表面包覆后，經(jīng)由分光色差計測試，其L*值為96.48，b*值為0.63，對比率為97.21%，光澤度為55.2，分散性為63μm。

鈦白粉樣品B：在完成水合氧化鋁表面包覆后，經(jīng)由分光色差計測試，其L*值為98.03，b*值為0.3，對比率為98.91%，光澤度為79.31，分散性為15μm。

通過以上分光色差計測定顯示的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，對鈦白粉樣品A和鈦白粉樣品B的顏料性能各項指標(biāo)進(jìn)行對比，鈦白粉樣品B在完成顆粒表面包覆水合氧化鋁后，其各項顏料性能指標(biāo)均能夠得到顯著的優(yōu)化與改善，具體表現(xiàn)為覆蓋率增長、光澤度增長、分散性增長、L*增長、b*下降。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)對鈦白粉顆粒顏料性能的改變與優(yōu)化，根本原因就在于鈦白粉顆粒的表面均能夠被水合氧化鋁進(jìn)行均勻且連續(xù)的包覆，鈦白粉顆粒之間的摩擦情況較少，顆粒間的作用力被削弱，在很大程度上避免了出現(xiàn)鈦白粉顆粒之間的團(tuán)聚與碰撞，使鈦白粉顆粒能夠在油性樹脂溶質(zhì)中更加均勻的分散，使其對光的折射與對光的反射趨于一致，進(jìn)而優(yōu)化鈦白粉顆粒顏料性能。

3.4 鈦白粉表面水合氧化鋁包覆機(jī)理分析

在不同的酸堿度條件下完成的鈦白粉表面水合氧化鋁包覆形成的晶型結(jié)構(gòu)是完全不同的，試驗研究表明，當(dāng)酸堿度控制在4～5時，形成的晶型結(jié)構(gòu)無定形態(tài)；當(dāng)酸堿度控制在6～10時，能夠在鈦白粉顆粒表面生成勃姆石型的晶型，這種晶型在鈦白粉水合氧化鋁包覆膜的形成時，更有利于實現(xiàn)對鈦白粉顆粒分散性的提升。當(dāng)酸堿度大于10時，能夠在鈦白粉顆粒表面形成三水鋁石晶型，這種晶型呈現(xiàn)棱鏡狀態(tài)，在鈦白粉顆粒表面包覆棱鏡狀晶體能夠?qū)崿F(xiàn)對鈦白粉照射光線的影響，折射方向也發(fā)生了變化，鈦白粉所具備的顏料性能因此而發(fā)生改變。根據(jù)已經(jīng)確定的正交試驗優(yōu)化鈦白粉表面包覆水合氧化鋁工藝的優(yōu)化條件，能夠明確酸堿度對氧化鋁在鈦白粉表面的包覆率產(chǎn)生的影響是最大的，因此想要獲得具有更加優(yōu)異顏料性能的鈦白粉顆粒，在包覆水合氧化鋁時，必須重視對其酸堿度的控制，當(dāng)酸堿度控制在9時，包覆水合氧化鋁的效果是最好的，鈦白粉在被作為顏料使用時，分散性更加優(yōu)異。通過沉淀法完成的鈦白粉表面包覆水合氧化鋁能夠改變的鈦白粉顆粒顏料性能主要包括以下三個方面：首先是能夠在鈦白粉顆粒表面形成一層包覆薄膜，有效地對鈦白粉表面的光化學(xué)活性進(jìn)行屏蔽，進(jìn)而直接隔離鈦白粉顆粒與鈦白粉顆粒及其他介質(zhì)之間的直接接觸。其次是完成水合氧化鋁包覆后，有一部分紫外線入射得到了控制，同樣對鈦白粉的光化學(xué)活性進(jìn)行了抑制。最后是包覆水合氧化鋁后，鈦白粉能夠在介質(zhì)中形成一個雙電位層，讓鈦白粉顆粒更加均勻地分散在介質(zhì)中。

4 結(jié)束語

鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的工藝及性能探究試驗結(jié)果可以概述為以下四個方面：第一是利用正交試驗對鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的最優(yōu)包覆條件進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的包覆工藝條件：酸堿度為9，時間為90min，溫度為70℃，攪拌速度為150r/min。第二是通過透射電鏡圖像分析，發(fā)現(xiàn)采用上述的最優(yōu)工藝條件包覆后的鈦白粉顆粒表面能夠形成相對均勻的水合氧化鋁包覆薄膜。第三是通過對鈦白粉包覆前后顏料性能的分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化工藝能夠有效地改善鈦白粉原有的顏料性能，無論是鈦白粉顆粒的光澤度，還是對比度都得到了顯著提升。最后是在不同的酸堿度條件下，鈦白粉表面包覆水合氧化鋁形成的薄膜晶型完全不同，當(dāng)酸堿度控制在9時形成的勃姆石型晶型結(jié)構(gòu)更有利于提升包覆的分散性。