鋯鋁包膜鈦白粉制備及其在涂料中的應(yīng)用研究

肖菲

（山東道恩鈦業(yè)有限公司，山東龍口 265700）

二氧化鈦（鈦白粉）是一種應(yīng)用廣泛的白色顏料，光學(xué)以及化學(xué)穩(wěn)定性較高，與大部分化學(xué)物質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)，不易發(fā)生變色、粉化等現(xiàn)象。在工業(yè)應(yīng)用中，二氧化鈦一般分為銳鈦型和金紅石型兩種結(jié)晶，其中金紅石型的晶格穩(wěn)定，是涂料工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的白色顏料。添加了鈦白粉的涂料，其顏色鮮艷度好、著色力強(qiáng)，具有良好的遮蓋力，能提高漆膜的機(jī)械強(qiáng)度和附著力。鈦白粉還能一定程度上阻隔紫外線的穿透和水分透過(guò)，減緩漆膜的老化[1]。

鈦白粉的粒徑尺寸一般較小，比其他無(wú)機(jī)填料的比表面積大，其分散穩(wěn)定性差會(huì)導(dǎo)致鈦白粉顆粒之間聚集，影響涂料的消色力、遮蓋力和漆膜光澤度等質(zhì)量指標(biāo)，適當(dāng)對(duì)鈦白粉進(jìn)行表面處理能明顯提升鈦白粉的分散穩(wěn)定性。表面處理是采用氯化法和硫酸法制備鈦白粉工藝中的關(guān)鍵工序，經(jīng)包膜處理的鈦白粉，尤其是鋯鋁包膜的鈦白粉具有良好的耐候性、分散穩(wěn)定性及光化學(xué)穩(wěn)定性。

目前鈦白粉包膜處理工藝較多，鋯鋁包膜處理是最為常見(jiàn)的工藝之一。本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了制備鋯鋁包膜鈦白粉的生產(chǎn)工藝，考察了不同鋯鋁包膜量、包膜溫度及鈦白粉漿液濃度對(duì)鈦白粉性能的影響，探究了鋯鋁包膜的機(jī)理，并將最優(yōu)工藝條件制備的鈦白粉應(yīng)用于水性乳膠漆及溶劑型聚氨酯涂料體系，進(jìn)行應(yīng)用性能研究。

1 材料與方法

1.1 試劑

生產(chǎn)線自制并砂磨完的金紅石型鈦白粉漿料，600 g/L；氧氯化鋯，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；偏鋁酸鈉、六偏磷酸鈉、氫氧化鈉，分析純，上?；瘜W(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

PHSJ-5型pH計(jì)，上海雷磁精密儀器有限公司；Mastersizer 3000E激光粒度儀，上海思百吉儀器系統(tǒng)有限公司；SFJ-400高速分散機(jī)、QXD刮板細(xì)度計(jì)、SZQ濕膜制備器，上海天辰現(xiàn)代環(huán)境有限公司；AG-4446光澤度計(jì)，德國(guó)BYK公司；WGB-2A型白度儀，上海精密儀器儀表有限公司。

1.3 鋯鋁包膜鈦白粉的制備

制備過(guò)程：將金紅石型鈦白粉漿料加水調(diào)配成目標(biāo)濃度，置于目標(biāo)溫度恒溫水浴鍋中。加入鈦白粉漿料質(zhì)量0.3%的六偏磷酸鈉分散劑，攪拌分散20 min后加入配制好的氧氯化鋯（50 g/L，以ZrO2計(jì)）和偏鋁酸鈉（100 g/L，以Al2O3計(jì)）溶液進(jìn)行氧化鋯和氧化鋁包膜，之后加入配制好的氫氧化鈉溶液（100 g/L）調(diào)節(jié)pH保持在7.5～8.5，熟化反應(yīng)60 min，經(jīng)抽濾、洗滌、干燥、粉碎后即得到鋯鋁復(fù)合包膜的鈦白粉。

以鋯包膜量、鋁包膜量、包膜溫度和漿液濃度為考察因素，設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)，如表1所示。在選定實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，按照上述制備過(guò)程制得9份鋯鋁包膜鈦白粉樣品。

表1 鋯鋁包膜鈦白粉正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 鈦白粉性能檢測(cè)

遮蓋力：稱(chēng)取一定量試樣加入調(diào)墨油調(diào)勻研磨，均勻涂刷于黑白格上，觀察黑白格恰好被顏料遮蓋時(shí)所需要的試樣量。白度、散色力、吸油量參照《二氧化鈦顏料》（GB/T 1706—2006）中指定方法測(cè)定，消色力《白色顏料消色力的比較》（GB/T 5211.16—2007）中指定方法測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑楂@得具有高白度、高消色力及高遮蓋力、低吸油量的金紅石型鈦白粉，故以權(quán)重法分析所得鈦白粉的綜合性能。根據(jù)應(yīng)用需求，權(quán)重法分值中白度占比25%，吸油量占比20%，遮蓋力占比20%，消色力占比20%，散色力占比15%。權(quán)重法分值=白度×25%-吸油量×20%+遮蓋力×20%+消色力×20%+散色力×15%。

1.4.2 鈦白粉應(yīng)用性能檢測(cè)

將試樣置于對(duì)應(yīng)的應(yīng)用體系高速分散20 min，分散后用刮板細(xì)度計(jì)測(cè)試細(xì)度評(píng)估分散性。將分散后的涂料用濕膜制備器制備150 μm漆膜，待干燥3 d后用光澤度計(jì)測(cè)試60°角光澤。將分散后的涂料用濕膜制備器制備150 μm漆膜，待干燥7 d后置于紫外老化機(jī)中340 nm波長(zhǎng)下暴曬168 h，測(cè)試色差ΔE評(píng)估其耐候性。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋯鋁包膜鈦白粉正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以不同鋯和鋁包膜量、包膜溫度及鈦白粉漿液濃度為影響因素設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，以未經(jīng)包膜處理的鈦白粉為對(duì)照（CK），其白度、吸油量、遮蓋力以及消色力、散色力性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鋯鋁包膜鈦白粉性能檢測(cè)

從表2數(shù)據(jù)結(jié)果可知，與未處理的鈦白粉相比，鋯鋁包膜后的鈦白粉白度明顯提高。其中，第2組鈦白粉有較好的顏料性能，對(duì)應(yīng)的工藝條件為鋯包膜量2%，鋁包膜量2%，包膜溫度70 ℃，漿液濃度300 g/L。對(duì)第2組實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證3次，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值分別為白度94.08、吸油量18.5 g、遮蓋力23.9 g/m2、消色力117.3%、散色力120.4%，平均分值為66.12，確認(rèn)為最優(yōu)包膜工藝。

2.2 鋯鋁包膜提高鈦白粉性能的原理分析

本文利用偏鋁酸鈉和氧氯化鋯水溶液分別加入相對(duì)應(yīng)的中和劑使其發(fā)生中和反應(yīng)，中和反應(yīng)后分別生成三氧化二鋁（Al2O3）和氧化鋯（ZrO2）兩種氧化物，其中和反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式如（1）和（2）所示。

三氧化二鋁（Al2O3）和氧化鋯（ZrO2）均勻地吸附在鈦白粉顆粒的表面，使鈦白粉顆粒表面形成一層均勻連續(xù)的Al2O3和ZrO2薄膜，鈦白粉顆粒表面的光化學(xué)活性被包覆膜所堵塞，削弱了二氧化鈦在紫外線照射下發(fā)生的光催化作用；水合氧化物薄膜阻隔了鈦白粉顆粒之間的直接接觸，減弱了顆粒之間及顆粒與介質(zhì)之間的相互間作用力，化學(xué)穩(wěn)定性自然也有所提高[2-3]。

Al2O3包膜的作用機(jī)理包括：（1）Al2O3能在鈦白粉顆粒表面形成一層薄膜保護(hù)層，二氧化鈦的光化學(xué)活性點(diǎn)被Al2O3包覆膜封閉，形成屏蔽層，從而有效阻隔了鈦白粉顆粒之間，以及與其他有機(jī)或無(wú)機(jī)介質(zhì)之間的直接接觸；（2）Al2O3所形成的包覆膜對(duì)入射的紫外線有一定的反射作用，鈦白粉顆粒吸收的紫外線明顯減少，光化學(xué)活性反應(yīng)自然也減少；（3）Al2O3包覆鈦白粉后，使鈦白粉粒子在介質(zhì)中形成雙電層，能使鈦白粉均勻地分散在極性介質(zhì)中，提高了其分散穩(wěn)定性。

ZrO2包膜的作用機(jī)理包括：（1）氧氯化鋯水溶液中和反應(yīng)形成的氧化鋯能牢固地鍵合在二氧化鈦顆粒表面，作為輔助的吸附促進(jìn)劑提升水合氧化鋁包膜層在鈦白粉顆粒上的結(jié)合力；（2）ZrO2包膜鈦白粉后，二氧化鈦的光活性基團(tuán)受到ZrO2的屏蔽，鈦白粉的抗粉化性能及光化學(xué)穩(wěn)定性明顯提高[4]。

2.3 鈦白粉在涂料中的應(yīng)用研究

以上述實(shí)驗(yàn)確定的最佳工藝條件制備鋯鋁復(fù)合包膜鈦白粉，分別在水性涂料體系（乳膠漆）和溶劑型涂料體系（聚氨酯漆）中進(jìn)行應(yīng)用研究。同時(shí)選取3組國(guó)內(nèi)外市售鋯鋁包膜鈦白粉產(chǎn)品，與上述制備的鋯鋁包膜鈦白粉進(jìn)行應(yīng)用性能對(duì)比測(cè)試，4種白度與光澤見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 乳膠漆刮板

圖2 聚氨酯漆刮板

（1）水性涂料體系應(yīng)用效果

使用山東道恩鈦業(yè)有限公司通用測(cè)試配方，鈦白粉添加量為12%，對(duì)乳膠漆形成的漆膜的基本性能進(jìn)行對(duì)比分析 ，測(cè)試結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明本研究制備的鈦白粉在分散性、光澤、遮蓋力和耐候性方面表現(xiàn)優(yōu)異，在水性涂料中應(yīng)用性能良好。

表3 鋯鋁包膜鈦白粉在乳膠漆中的應(yīng)用性能對(duì)比

（2）溶劑型涂料體系應(yīng)用效果

使用本公司通用測(cè)試配方，鈦白粉添加量為20%，對(duì)聚氨酯漆形成的漆膜的基本性能進(jìn)行對(duì)比分析，性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明本研究制備的鈦白粉分散性、光澤、遮蓋力和耐候性表現(xiàn)較好，在溶劑型涂料中的應(yīng)用性能也表現(xiàn)優(yōu)異。

表4 鋯鋁包膜鈦白粉在聚氨酯漆中的應(yīng)用性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文制備了鋯鋁復(fù)合包膜的金紅石型鈦白粉，并考察了鋯包膜量、鋁包膜量、包膜溫度和鈦白粉漿液濃度對(duì)產(chǎn)品性能的影響，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了鋯鋁鈦白粉包覆的最優(yōu)工藝條件為鋯包膜量2%，鋁包膜量2%，包膜溫度70 ℃，漿液濃度300 g/L。分析最佳工藝條件制備的鋯鋁復(fù)合包膜鈦白粉在水性乳膠漆涂料體系和溶劑型聚氨酯涂料體系中的應(yīng)用性能，結(jié)果表明所制備的鈦白粉是一種易分散、高光澤、高白度的金紅石型鈦白粉，在兩種涂料體系中均具有優(yōu)異的顏料性能。