梁艷，傅正彥(山東道恩鈦業(yè)有限公司，山東 龍口 265700)

0 引言

鈦白粉又名二氧化鈦，其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種常見(jiàn)顏料。因其優(yōu)秀的顏料性能在塑料、橡膠、膠粘劑、涂料、造紙、陶瓷等需要白色顏料的工業(yè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用［1］。但未經(jīng)過(guò)包覆處理的鈦白粉光化學(xué)穩(wěn)定性不佳，在紫外的照射下容易產(chǎn)生變色、失光和粉化等弊病，同時(shí)未處理的鈦白粉在應(yīng)用領(lǐng)域中如涂料油墨因其潤(rùn)濕分散性較差，會(huì)產(chǎn)生顏填料浮色發(fā)花、絮凝以及容易沉淀等各種弊病，限制產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。因此，鈦白粉的表面處理研究顯得尤為重要。水合氧化鋁包覆處理鈦白粉生產(chǎn)工藝中常見(jiàn)的表面處理方式之一，包覆處理后的鈦白粉能明顯提升鈦白粉的分散穩(wěn)定性與及其他綜合應(yīng)用性能。研究表明，對(duì)水合氧化鋁包覆處理后的鈦白粉進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鈦白粉顆粒的表面的自由能、及電位等鈦白粉的關(guān)鍵性能發(fā)生了明顯的變化，其密度也發(fā)生相應(yīng)的變化，從而其分散性、穩(wěn)定性及其他顏料性能發(fā)生改變，通過(guò)水合氧化鋁對(duì)鈦白粉表面進(jìn)行包覆處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦白粉穩(wěn)定性及其他綜合性能的優(yōu)化[1-2]。

通過(guò)鈦白粉表面包覆水合氧化鋁工藝可以顯著提升鈦白粉的綜合性能，原因?yàn)椋旱谝?，水合氧化鋁包覆鈦白粉使其顆粒表面形成了纖維狀或者絮狀的包覆層，在鈦白粉受到外界物理作用或化學(xué)作用時(shí)，其纖維狀的包覆層能阻礙鈦白粉顆粒之間碰撞和團(tuán)聚，從而包覆水合氧化鋁的鈦白粉顆粒之間的分散穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有明顯的改善。同時(shí)其水合氧化鋁表面包覆層因其特殊的結(jié)構(gòu)使鈦白粉顆粒之間電位增高，鈦白粉顆粒之間的靜電斥力增大，鈦白粉顆粒之間的微觀碰撞減少并阻礙了鈦白粉顆粒之間的團(tuán)聚。第二，包覆在鈦白粉顆粒表面的水合氧化鋁呈絮狀或纖維狀，呈現(xiàn)顯著的連續(xù)性和致密性，鈦白粉顆粒表面的羥基含量相比未包覆的鈦白粉明顯增加，從而處理后的鈦白粉在應(yīng)用體系里的濕潤(rùn)性明顯提升，更加利于鈦白粉在涂料油墨等應(yīng)用體系的潤(rùn)濕分散。

本文以水合氧化鋁對(duì)氯化法鈦白粉進(jìn)行包覆，當(dāng)鈦白粉顆粒包覆層的水合氧化鋁呈良好的連續(xù)性，并且包覆層內(nèi)層的孔隙度較高時(shí)，其絮狀結(jié)構(gòu)就更為明顯，其表面處理的鈦白粉綜合性能更加優(yōu)異。因水合氧化鋁包覆鈦白粉的工藝變量較多，為了探究其最佳工藝條件，本文以包覆過(guò)程中酸堿度、溫度、反應(yīng)時(shí)間、攪拌速度為影響因素，采用正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行工藝優(yōu)化，確定了水合氧化鋁包覆鈦白粉的最優(yōu)工藝參數(shù)。以最佳工藝條件制備的水合氧化鋁包覆的鈦白粉樣品具有優(yōu)異的分散穩(wěn)定性能與顏料應(yīng)用性能，通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)制備的鈦白粉進(jìn)行顏料應(yīng)用性能的驗(yàn)證分析，其鈦白粉表面包覆水合氧化鋁工藝參數(shù)為最優(yōu)工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

SWE-30型數(shù)顯白度儀；MYP2009-200調(diào)速電動(dòng)攪拌器；BN-A恒溫水浴鍋；PSF-45型pH計(jì)；AL312分析天平；ASZ-2循環(huán)水式真空泵；電熱鼓風(fēng)干燥箱；

鈦白粉為表面未處理的氯化法金紅石型鈦白粉，公司自產(chǎn)；六磷偏酸鈉，偏鋁酸鈉為工業(yè)純，氫氧化鈉(NaOH)為實(shí)驗(yàn)室用分析純。

1.2 水合氧化鋁表面包覆鈦白粉工藝

對(duì)鈦白粉漿料進(jìn)行包覆處理時(shí)，主要實(shí)驗(yàn)原料為公司自產(chǎn)的氯化法金紅石型鈦白粉顆粒物質(zhì)，稱取未處理的鈦白粉初品500 g，加入200 mL餾水，攪拌10 min，置于恒溫水浴鍋中配置成均勻分散的漿料，分散均勻后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.5%的六偏磷酸鈉分散劑，攪拌分散 20 min；然后用氫氧化鈉堿中和溶液對(duì)調(diào)節(jié)鈦白粉漿料的酸堿度，控制其pH值為9左右，漿料的攪拌速度為每分鐘 200 r/min，溫度加熱至75 ℃，分散攪拌80 min。在添加偏鋁酸鈉時(shí)，必須要嚴(yán)格控制攪拌的速度與鈦白粉漿料的溫度，緩慢添加。最后，進(jìn)行抽濾，洗滌、干燥以及粉碎等操作，將已經(jīng)完成水合氧化鋁包覆處理的鈦白粉漿料放入壓濾機(jī)中進(jìn)行洗滌與過(guò)濾，隨后將過(guò)濾后的濾餅放置于電熱鼓風(fēng)干燥箱140 ℃烘干，對(duì)烘干后的鈦白粉在粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎操作，初步碎粉結(jié)束再次進(jìn)行細(xì)磨，最終獲得水合氧化鋁包覆處理的鈦白粉成品。

1.3 鈦白粉包覆率及應(yīng)用性能測(cè)試

水合氧化鋁表面包覆鈦白粉的包覆率計(jì)算方法如下 ，分別對(duì)經(jīng)過(guò)水合氧化鋁包覆的鈦白粉及未經(jīng)過(guò)處理的鈦白粉樣品進(jìn)行壓片處理，利用光譜儀分別測(cè)定鈦白粉中氧化鋁的含量，未經(jīng)過(guò)表面處理的鈦白粉樣品中氧化鋁的含量測(cè)定值為A，進(jìn)行水合氧化鋁包覆后樣品中氧化鋁的含量測(cè)定值為 B，包覆過(guò)程中加入偏鋁酸鈉樣品中氧化鋁的含量為C，氧化鋁的包覆率計(jì)算公式為(B-A)/C。

水合氧化鋁表面包覆后的鈦白粉的顏料應(yīng)用性能測(cè)試方法如下：將空白未處理的鈦白粉樣品及包覆后的鈦白粉樣品、醇酸樹(shù)脂、醋酸正丁酯按照質(zhì)量比1∶2∶1的比例配制，2 500 r/min高速分散20 min左右，分散均勻后，進(jìn)行取樣制板，測(cè)試相關(guān)的顏料應(yīng)用性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 水合氧化鋁表面包覆鈦白粉工藝正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)定包覆后的包覆過(guò)程的反應(yīng)溫度、酸堿度、包覆陳化的時(shí)間以及攪拌速度分別為正交實(shí)驗(yàn)的四種主要影響因素，以水合氧化鋁包覆鈦白粉表面包覆率來(lái)作為試驗(yàn)指標(biāo)來(lái)評(píng)估其包覆效果，其具體的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案包括的因素如表1所示，經(jīng)過(guò)正交實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果數(shù)據(jù)記錄如下表2中所示。

表1 水和氧化鋁包覆鈦白粉正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)鈦白粉表面包覆過(guò)程的反應(yīng)溫度、酸堿度、包覆陳化的時(shí)間以及攪拌速度四因素的正結(jié)果分析可知，鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的包覆率受四個(gè)因素影響程度不一，其中對(duì)鈦白粉表面水合氧化鋁包覆率影響最為明顯的是包覆過(guò)程的酸堿度，其次為包覆陳化的時(shí)間與包覆過(guò)程的溫度，攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)水合氧化鋁包覆率產(chǎn)生影響最小。通過(guò)包覆處理的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，鈦白粉表面包覆處理氧化鋁的最佳工藝如下：包覆處理的pH值控制為9，包覆處理的攪拌陳化時(shí)間控制在 80 min，包覆過(guò)程溫度為75 ℃，攪拌速度為200 r/min。為了驗(yàn)證鈦白粉表面包覆水合氧化鋁的最佳工藝條件，按照正交試驗(yàn)確定的最佳工藝條件，平行制備表面包覆水合氧化鋁的鈦白粉樣品三次，三次測(cè)得的包覆率平均值為90.63%，證明得到了包覆率最高的工藝條件。

同時(shí)，為了驗(yàn)證通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制備的鈦白粉水分散穩(wěn)定性，對(duì)第1～9組水合氧化鋁包覆的鈦白粉進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)，取干凈試管，加入一定量的鈦白粉樣品，然后分別加入等量的去離子水，超聲分散混合均勻后靜置觀察，記錄鈦白粉的沉降時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，包覆處理的pH值9，陳化時(shí)間80 min，溫度為75 ℃，200 r/min攪拌的工藝條件下，鈦白粉完全沉降的時(shí)間最長(zhǎng)。其結(jié)果驗(yàn)證了包覆率高的鈦白粉的方沉降效果最佳，分散穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也最佳。

2.2 鈦白粉應(yīng)用性能分析

對(duì)上述正交試驗(yàn)方案的9組試驗(yàn)所制備的水合氧化鋁包膜的鈦白粉與表面未處理的鈦白粉對(duì)比基本的顏料應(yīng)用性能。在溶劑型清漆中添加等量的水合氧化鋁包膜的鈦白粉和未處理的鈦白粉，進(jìn)高速分散至均勻無(wú)明顯大顆粒，分別測(cè)試成品漆的白度、遮蓋力及失光率。同時(shí)測(cè)試鈦白粉的吸油量，其測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 水合氧化鋁包膜應(yīng)用性能分析

測(cè)試結(jié)果顯示未包覆處理的鈦白粉顏料應(yīng)用性能明顯較差，水合氧化鋁包膜后，其鈦白粉的白度遮蓋力均有明顯提升、吸油量及失光率明顯下降。其中包覆處理的pH值9，陳化時(shí)間80 min，溫度為75 ℃，200 r/min攪拌的工藝條件下制備的鈦白粉白度最高，遮蓋力好，其失光率也明顯較低，吸油量最小，說(shuō)明其工藝包覆效果最佳，同時(shí)在涂料中的顏料性能也最佳。分析其原因，鈦白粉顆粒表層附有均勻且連續(xù)薄膜，顆粒間的碰撞作用力被削弱，同時(shí)顆粒間的靜電斥力增加，使鈦白粉顆粒之間團(tuán)聚減少，水合氧化鋁包覆后的鈦白粉在涂料中分散潤(rùn)濕性跟佳，使涂料體系中光的折射與對(duì)光的反射趨向一致，從而鈦白粉的應(yīng)用性能明顯提升。

2.3 水合氧化鋁包覆鈦白粉機(jī)理探討

不同的包覆過(guò)程的pH值對(duì)水合氧化鋁包覆鈦白粉形成的晶型結(jié)構(gòu)影響是不同的，當(dāng)包覆過(guò)程pH值控制在4～5之間時(shí)，包覆的鈦白粉為無(wú)定形晶態(tài)；當(dāng)pH值達(dá)到6～10之間時(shí)，鈦白粉顆粒在表面能形成有利于水分散穩(wěn)定性的勃姆石型晶型。而當(dāng)包覆過(guò)程的pH值大于10時(shí)，堿性過(guò)強(qiáng)，鈦白粉顆粒將形成呈現(xiàn)棱鏡狀態(tài)的三水鋁石晶型，能影響光線折射的方向，其鈦白粉的顏料性能也因此改變。根據(jù)上述正交試驗(yàn)優(yōu)化，能夠證明對(duì)鈦白粉表面的包覆率影響最大的為酸堿度，當(dāng)包覆過(guò)程pH值為9時(shí)，包覆最佳，其顏料性能也最佳。綜合分析水合氧化鋁包覆鈦白粉對(duì)鈦白粉顆粒顏料應(yīng)用性能的改變機(jī)理，主要包括以下三個(gè)方面 ：第一，水合氧化鋁能在鈦白粉顆粒表面形成一層包覆薄膜，鈦白粉表面的光化學(xué)活性受到包覆膜的抑制并形成屏蔽層，有效阻隔了鈦白粉顆粒間，以及與其他介質(zhì)之間的直接接觸。第二，表面包覆氧化鋁后，紫外線對(duì)鈦白粉的入射有效的減少，同時(shí)有效的抑制了鈦白粉的光化學(xué)活性。第三，水合氧化鋁對(duì)鈦白粉表面包覆后，包覆后的鈦白粉能在介質(zhì)中形成雙電位層，從而使鈦白粉顆粒能有效均勻地分散在介質(zhì)中，其分散穩(wěn)定性得到明顯提升[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝制備了水合氧化鋁包覆的鈦白粉，探究了反應(yīng)溫度、酸堿度、包覆陳化的時(shí)間以及攪拌速度對(duì)鈦白粉包覆性能的影響，確定了鈦白粉包覆的最佳工藝條件：pH值為9，時(shí)間為80 min，溫度為75 ℃，攪拌速度為200 r/min，并通過(guò)沉降試驗(yàn)驗(yàn)證了鈦白粉的包覆效果。對(duì)鈦白粉包覆氧化鋁的各實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行顏料應(yīng)用性能分析，發(fā)現(xiàn)正交試驗(yàn)優(yōu)化的工藝能明顯改善鈦白粉的顏料應(yīng)用性能，并分析探討了鈦白粉包覆機(jī)理，最終得到了高性能的水合氧化鋁包覆的鈦白粉。