钛白粉有机改性与工艺优化分析

何明川，黄建文(广东惠云钛业股份有限公司，广东 云浮 527300)

0 引言

钛白粉具有稳定的化学性质，通常很难和很多物质发生反应。二氧化钛有三种晶型结构存在自然界中：板钛型、金红石型和锐钛型。板钛型晶型不稳定，板型为斜方晶系类，不具备有效的工业利用价值；锐钛型也可以成为A型，与金红石型都是R型的范围内，两者晶格都相对稳定。在常温下锐钛型比较稳定，可一旦达到915 ℃就会化为金红石型。基于介电常数折射率和密度的优越，在白色颜料中都不能缺少这两种晶型，比起其他白色颜料更具备白度、稳定性、着色力、耐候性、遮盖力、耐热性，尤其是没有任何毒性，是当前最无以比拟的白色无机颜料。在涂料、造纸、陶瓷和塑料行业广泛应用[1-2]。

1 钛白粉白度透明度工艺优化

生产的原料为钛铁矿和浓硫酸。将冷却的浓硫酸冷却到一定的温度，与磨细的钛矿在预混槽中预混，然后用泵以一定的速度将混合物泵入反应器中和一定数量的水或者废酸混合反应，要确保反应器的温度控制在一定的范围内，让反应稳定的进行，固相物经过搅拌从反应器中排到接料斗中，然后再接料斗中加入工业水和溶解槽的钛液进行溶解，排出的烟经过碱喷然后再经过水喷淋用排烟风机送入排烟烟囱达标排放。其次，有很多泥浆混在化学反应生成的固体混合物中，必须进行沉淀和过滤，下一步是结晶过程、离心分离、除掉杂质，然后水解为偏钛酸；最后环节是处理偏钛酸，粉碎后便是钛白粉。

1.1 钛液水解的原理

进行水解钛液的反应式如下：

新硫酸都可以利用三个水解反应生成，说明钛液中高浓度酸可以对早期的水解形成抑制。浸取时加一定量废酸，增大钛液中酸的浓度。可以大大提升钛液的稳定性，对钛液的水解进行抑制。

1.2 利用MVR促进稳定性

相关经验显示，MVR浓缩技术远远低于单效的能耗，更具备高产量，质量可以控制。蒸发温差在 8～10℃以内，低温差有效的延缓了结垢的发生；低温差能 够降低设备使用能耗；低温差能够降低设备使用能耗；同时较低的传热温差能够提高 钛液的品质。对浓缩温度和压力进行控制和优化，可有效预防早期的钛液水解，显著提升了浓钛液的稳定性[3]。

1.3 增白需要以改进水解工艺

在制备水解晶种钛液过程中要对氢氧化钠和钛液所含TiO2的比例进行严格控制，确保制备环节里得到的水解晶种粒规格适合、表现子粒径均匀，为以后生产白度高、粒度符合要求的粗产品创造条件。由表1可知，实施例1～3制备得到的钛白粉白度要高于商用钛白粉。利用以上的工序的改革，钛白粉的产品透明度和白度完全实现预期目标。

表1 白度对比结果

1.4 钛白粉生产工艺存在的缺陷和优化的路径

1.4.1 存在的问题

生产过程中因为高温会产生大量的尾气，不能完全被利用，因此在对煅烧尾气实施处理的工艺中会出现诸多问题：生产中高温尾气的热量难以完全被利用，损失了大量的热；冷却塔等设备与吸收部分SO2酸性循环水有接触，腐蚀了设备，缩短了使用年限，故障高发，加大维修难度，增加了运行成本；环保负担重，进入煅烧回转窑内的压滤机的脱水滤液可以成为补充的循环水，流入沟槽里的循环水固体含量超高。

1.4.2 优化工艺的路

在生产工艺中，钛白粉的高白度、半透明属性对传统工艺提出更高的要求，必须对传统工艺进行改进，以满足生产企业的发展需求。企业要与时俱进，综合自身的实际状况，确保生产技术符合行业的要求，提升生产效率[4]。

1.4.3 优化效果

伴随不断增加的工业生产需求，企业要对原有的高白度及半透明钛白粉制作工艺进行合理地优化和革新，对新需求得以适应，对材料性能逐渐改进。

2 钛白粉的表面有机改性

2.1 改性钛白粉的性能表征

处理钛白粉浆料的表面可利用五种配方进行。首先将对水中分散超分化剂实施乳化，再加入钛白粉的浆料实施充分搅拌，进行温度和pH值的调制，通过静置和过滤工序后，干燥备用。选择配置颜料30 g、蜡10 g、树脂60 g，制作白母粒，根据颜料量115 g加入到PE中吹膜。

2.1.1 表征分析过程

图1是处理前和处理后的钛白粉进行5 000倍放大的透射电镜图。图1显示，利用超分散剂处理图1(a)的钛白粉为较小的粒径并且均匀分散。而图1(b)的钛白粉粒子团聚现象明显，呈现大尺寸粒径，分散能力弱。所以，选择超分散剂TO对钛白粉处理，显著提升了钛白粉的分散性。

图1 未对表面处理的和处理后的钛白粉透射电镜图片(5 000倍)

2.1.2 包覆性能

针对TiO2浆料，富集电荷的颗粒表面很容易与锚固基团进行融合，促成钛白粉颗粒表面形成牢固的保护层，利用溶剂化链拥有的屏障，让钛白粉的分散和稳定能力得以实现。从而钛白粉通过伸展开来的溶剂化链完成从亲水性转变为亲油性的过程。

2.1.3 亲油性测试

没有经过处理的钛白粉基于亲水性，其表面易溶于水生成羟基。超分散剂对钛白粉的表面进行处理后，锚固基会凝结在钛白粉表面，亲油憎水性会因为神展开的溶剂化链充分展现。因为钛白粉会因为表面官能团的作用从亲水性向亲油性转变。四氯化碳是非极性溶剂，测定钛白粉可以利用它测定在单位时间内吸附该溶剂的质量，可以利用动态毛细管法进行，作w2-t图，对钛白粉在处理前后的亲油性能进行比较。

2.2 改性钛白粉的应用性能

2.2.1 流变性能测试

钛白粉进行超分散剂的改性后，在提高了遮盖力和分散性的同时，也形成了与载体优良的兼容性。另外，分散介质和载体树脂对着色剂的亲和力与润湿性也可以通过平衡时间反映。纯PE与色母粒的平衡时间出现一致性，针对平衡时间，显示该种色母粒配方真正达成了树脂载体与颜料粒子分散平衡效果的同时到达，在载体树脂中钛白粉分散性能良好。

2.2.2 遮盖力测试

遮盖力为白母粒性能指标的关键因素。颜料的分散水平因素会直接影响遮盖力。如果强度为I0的光照照射在薄膜上，进行反射的同时，一部分光线被其中的颜料粒子阻挡且吸收，同时将剩余部分透射。透射光强设定为I1，定义透射率(T)为：

薄膜的透光能力完全可以通过透射率反映出来，而导数直接折射薄膜的阻挡光线的能力，被界定为阻光率(O)：

薄膜的遮盖力(D)定义如下：

按照上述界定可以显示，倘若颜料分散在薄膜上的呈现越均匀，就会显示越细小的粒子，就会有越大的光密值，反之就越小。同时超分散剂的用量会显著影响薄膜制品的光密值，伴随越来越大的添加量，光密值也随之增大；如果继续增加量，基于互相缠绕的溶剂化链，光密值反而下降。比较处理前后的钛白粉，平衡转矩和最大转矩减小近2.45 N·m，因此，处理后的钛白粉显著提高了加工应用性能。

3 结语

当前，我国的钛白粉制作工艺处于高速发展阶段，相关设备和制作工艺已经趋于成熟，为了将钛白粉的品质提升上来，以适应目前的激烈竞争，可以借助现代科学技术，对钛白粉表面实施合理改性，改善其性能。经过钛白粉的表面改性处理，表面发生了明显的变化，开始从亲水性向亲油性转变。改性后的钛白粉在白母粒中应用，明显比处理前提升了遮盖力，光密值也相应提升了2.5倍。而处理后的钛白粉亲油性提升效果明显，平衡转矩和最大扭矩减小近2.45 N·m，加工应用性能显著提升。