水合氧化铝包覆钛白粉的工艺研究

梁艳，傅正彦(山东道恩钛业有限公司，山东 龙口 265700)

0 引言

钛白粉又名二氧化钛，其物理化学性质稳定，是一种常见颜料。因其优秀的颜料性能在塑料、橡胶、胶粘剂、涂料、造纸、陶瓷等需要白色颜料的工业领域均有广泛应用［1］。但未经过包覆处理的钛白粉光化学稳定性不佳，在紫外的照射下容易产生变色、失光和粉化等弊病，同时未处理的钛白粉在应用领域中如涂料油墨因其润湿分散性较差，会产生颜填料浮色发花、絮凝以及容易沉淀等各种弊病，限制产品的应用范围。因此，钛白粉的表面处理研究显得尤为重要。水合氧化铝包覆处理钛白粉生产工艺中常见的表面处理方式之一，包覆处理后的钛白粉能明显提升钛白粉的分散稳定性与及其他综合应用性能。研究表明，对水合氧化铝包覆处理后的钛白粉进行微观结构进行观察，发现钛白粉颗粒的表面的自由能、及电位等钛白粉的关键性能发生了明显的变化，其密度也发生相应的变化，从而其分散性、稳定性及其他颜料性能发生改变，通过水合氧化铝对钛白粉表面进行包覆处理，可以实现对钛白粉稳定性及其他综合性能的优化[1-2]。

通过钛白粉表面包覆水合氧化铝工艺可以显著提升钛白粉的综合性能，原因为：第一，水合氧化铝包覆钛白粉使其颗粒表面形成了纤维状或者絮状的包覆层，在钛白粉受到外界物理作用或化学作用时，其纤维状的包覆层能阻碍钛白粉颗粒之间碰撞和团聚，从而包覆水合氧化铝的钛白粉颗粒之间的分散稳定性和结构稳定性有明显的改善。同时其水合氧化铝表面包覆层因其特殊的结构使钛白粉颗粒之间电位增高，钛白粉颗粒之间的静电斥力增大，钛白粉颗粒之间的微观碰撞减少并阻碍了钛白粉颗粒之间的团聚。第二，包覆在钛白粉颗粒表面的水合氧化铝呈絮状或纤维状，呈现显著的连续性和致密性，钛白粉颗粒表面的羟基含量相比未包覆的钛白粉明显增加，从而处理后的钛白粉在应用体系里的湿润性明显提升，更加利于钛白粉在涂料油墨等应用体系的润湿分散。

本文以水合氧化铝对氯化法钛白粉进行包覆，当钛白粉颗粒包覆层的水合氧化铝呈良好的连续性，并且包覆层内层的孔隙度较高时，其絮状结构就更为明显，其表面处理的钛白粉综合性能更加优异。因水合氧化铝包覆钛白粉的工艺变量较多，为了探究其最佳工艺条件，本文以包覆过程中酸碱度、温度、反应时间、搅拌速度为影响因素，采用正交实验方法进行工艺优化，确定了水合氧化铝包覆钛白粉的最优工艺参数。以最佳工艺条件制备的水合氧化铝包覆的钛白粉样品具有优异的分散稳定性能与颜料应用性能，通过对正交实验制备的钛白粉进行颜料应用性能的验证分析，其钛白粉表面包覆水合氧化铝工艺参数为最优工艺。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

SWE-30型数显白度仪；MYP2009-200调速电动搅拌器；BN-A恒温水浴锅；PSF-45型pH计；AL312分析天平；ASZ-2循环水式真空泵；电热鼓风干燥箱；

钛白粉为表面未处理的氯化法金红石型钛白粉，公司自产；六磷偏酸钠，偏铝酸钠为工业纯，氢氧化钠(NaOH)为实验室用分析纯。

1.2 水合氧化铝表面包覆钛白粉工艺

对钛白粉浆料进行包覆处理时，主要实验原料为公司自产的氯化法金红石型钛白粉颗粒物质，称取未处理的钛白粉初品500 g，加入200 mL馏水，搅拌10 min，置于恒温水浴锅中配置成均匀分散的浆料，分散均匀后加入质量分数为 0.5%的六偏磷酸钠分散剂，搅拌分散 20 min；然后用氢氧化钠碱中和溶液对调节钛白粉浆料的酸碱度，控制其pH值为9左右，浆料的搅拌速度为每分钟 200 r/min，温度加热至75 ℃，分散搅拌80 min。在添加偏铝酸钠时，必须要严格控制搅拌的速度与钛白粉浆料的温度，缓慢添加。最后，进行抽滤，洗涤、干燥以及粉碎等操作，将已经完成水合氧化铝包覆处理的钛白粉浆料放入压滤机中进行洗涤与过滤，随后将过滤后的滤饼放置于电热鼓风干燥箱140 ℃烘干，对烘干后的钛白粉在粉碎机中进行粉碎操作，初步碎粉结束再次进行细磨，最终获得水合氧化铝包覆处理的钛白粉成品。

1.3 钛白粉包覆率及应用性能测试

水合氧化铝表面包覆钛白粉的包覆率计算方法如下 ，分别对经过水合氧化铝包覆的钛白粉及未经过处理的钛白粉样品进行压片处理，利用光谱仪分别测定钛白粉中氧化铝的含量，未经过表面处理的钛白粉样品中氧化铝的含量测定值为A，进行水合氧化铝包覆后样品中氧化铝的含量测定值为 B，包覆过程中加入偏铝酸钠样品中氧化铝的含量为C，氧化铝的包覆率计算公式为(B-A)/C。

水合氧化铝表面包覆后的钛白粉的颜料应用性能测试方法如下：将空白未处理的钛白粉样品及包覆后的钛白粉样品、醇酸树脂、醋酸正丁酯按照质量比1∶2∶1的比例配制，2 500 r/min高速分散20 min左右，分散均匀后，进行取样制板，测试相关的颜料应用性能。

2 结果与分析

2.1 水合氧化铝表面包覆钛白粉工艺正交实验设计

设定包覆后的包覆过程的反应温度、酸碱度、包覆陈化的时间以及搅拌速度分别为正交实验的四种主要影响因素，以水合氧化铝包覆钛白粉表面包覆率来作为试验指标来评估其包覆效果，其具体的正交实验设计方案包括的因素如表1所示，经过正交实验方案进行的实验，其结果数据记录如下表2中所示。

表1 水和氧化铝包覆钛白粉正交实验设计

表2 正交实验结果分析

通过对钛白粉表面包覆过程的反应温度、酸碱度、包覆陈化的时间以及搅拌速度四因素的正结果分析可知，钛白粉表面包覆水合氧化铝的包覆率受四个因素影响程度不一，其中对钛白粉表面水合氧化铝包覆率影响最为明显的是包覆过程的酸碱度，其次为包覆陈化的时间与包覆过程的温度，搅拌转速对水合氧化铝包覆率产生影响最小。通过包覆处理的正交实验结果分析可知，钛白粉表面包覆处理氧化铝的最佳工艺如下：包覆处理的pH值控制为9，包覆处理的搅拌陈化时间控制在 80 min，包覆过程温度为75 ℃，搅拌速度为200 r/min。为了验证钛白粉表面包覆水合氧化铝的最佳工艺条件，按照正交试验确定的最佳工艺条件，平行制备表面包覆水合氧化铝的钛白粉样品三次，三次测得的包覆率平均值为90.63%，证明得到了包覆率最高的工艺条件。

同时，为了验证通过正交实验设计制备的钛白粉水分散稳定性，对第1～9组水合氧化铝包覆的钛白粉进行沉降实验，取干净试管，加入一定量的钛白粉样品，然后分别加入等量的去离子水，超声分散混合均匀后静置观察，记录钛白粉的沉降时间。试验结果表明，包覆处理的pH值9，陈化时间80 min，温度为75 ℃，200 r/min搅拌的工艺条件下，钛白粉完全沉降的时间最长。其结果验证了包覆率高的钛白粉的方沉降效果最佳，分散稳定性和结构稳定性也最佳。

2.2 钛白粉应用性能分析

对上述正交试验方案的9组试验所制备的水合氧化铝包膜的钛白粉与表面未处理的钛白粉对比基本的颜料应用性能。在溶剂型清漆中添加等量的水合氧化铝包膜的钛白粉和未处理的钛白粉，进高速分散至均匀无明显大颗粒，分别测试成品漆的白度、遮盖力及失光率。同时测试钛白粉的吸油量，其测试结果如表3所示。

表3 水合氧化铝包膜应用性能分析

测试结果显示未包覆处理的钛白粉颜料应用性能明显较差，水合氧化铝包膜后，其钛白粉的白度遮盖力均有明显提升、吸油量及失光率明显下降。其中包覆处理的pH值9，陈化时间80 min，温度为75 ℃，200 r/min搅拌的工艺条件下制备的钛白粉白度最高，遮盖力好，其失光率也明显较低，吸油量最小，说明其工艺包覆效果最佳，同时在涂料中的颜料性能也最佳。分析其原因，钛白粉颗粒表层附有均匀且连续薄膜，颗粒间的碰撞作用力被削弱，同时颗粒间的静电斥力增加，使钛白粉颗粒之间团聚减少，水合氧化铝包覆后的钛白粉在涂料中分散润湿性跟佳，使涂料体系中光的折射与对光的反射趋向一致，从而钛白粉的应用性能明显提升。

2.3 水合氧化铝包覆钛白粉机理探讨

不同的包覆过程的pH值对水合氧化铝包覆钛白粉形成的晶型结构影响是不同的，当包覆过程pH值控制在4～5之间时，包覆的钛白粉为无定形晶态；当pH值达到6～10之间时，钛白粉颗粒在表面能形成有利于水分散稳定性的勃姆石型晶型。而当包覆过程的pH值大于10时，碱性过强，钛白粉颗粒将形成呈现棱镜状态的三水铝石晶型，能影响光线折射的方向，其钛白粉的颜料性能也因此改变。根据上述正交试验优化，能够证明对钛白粉表面的包覆率影响最大的为酸碱度，当包覆过程pH值为9时，包覆最佳，其颜料性能也最佳。综合分析水合氧化铝包覆钛白粉对钛白粉颗粒颜料应用性能的改变机理，主要包括以下三个方面 ：第一，水合氧化铝能在钛白粉颗粒表面形成一层包覆薄膜，钛白粉表面的光化学活性受到包覆膜的抑制并形成屏蔽层，有效阻隔了钛白粉颗粒间，以及与其他介质之间的直接接触。第二，表面包覆氧化铝后，紫外线对钛白粉的入射有效的减少，同时有效的抑制了钛白粉的光化学活性。第三，水合氧化铝对钛白粉表面包覆后，包覆后的钛白粉能在介质中形成双电位层，从而使钛白粉颗粒能有效均匀地分散在介质中，其分散稳定性得到明显提升[3]。

3 结语

本文通过正交实验设计优化工艺制备了水合氧化铝包覆的钛白粉，探究了反应温度、酸碱度、包覆陈化的时间以及搅拌速度对钛白粉包覆性能的影响，确定了钛白粉包覆的最佳工艺条件：pH值为9，时间为80 min，温度为75 ℃，搅拌速度为200 r/min，并通过沉降试验验证了钛白粉的包覆效果。对钛白粉包覆氧化铝的各实验组进行颜料应用性能分析，发现正交试验优化的工艺能明显改善钛白粉的颜料应用性能，并分析探讨了钛白粉包覆机理，最终得到了高性能的水合氧化铝包覆的钛白粉。