中國粉體網(wǎng)訊 鈦白粉即二氧化鈦，是一種白色無機顏料，用途非常廣泛，主要應用于涂料、油漆、塑料、油墨、化纖、橡膠等工業(yè)。未經(jīng)表面處理的鈦白粉顏料具有光化學活性，易產(chǎn)生失光、黃變、粉化等現(xiàn)象，影響鈦白粉在不同介質(zhì)中的應用性能。因此耐候性成為表征鈦白粉品質(zhì)的重要指標之一。國內(nèi)鈦白粉生產(chǎn)廠家大多采用無機包膜工藝提高鈦白粉的耐候性。國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量多數(shù)不能與國外相比的一個重要因素就是包膜工藝的問題。
鈦白粉的耐候性
耐候性是鈦白粉的顏料性能之一，顏料在制漆涂裝后，涂層暴露在環(huán)境中，受陽光、氧氣、水和溫度等的綜合作用，會發(fā)生黃變、失光、粉化和失重等老化現(xiàn)象，鈦白粉抵御發(fā)生上述變化的能力，就被叫稱為耐候性。
鈦白粉耐候性變差的原因主要有：①樹脂基料受可見光和紫外線（10~760nm波長）作用產(chǎn)生降解；②顏料的光化學活性。鈦白粉的光化學活性較強，因其晶格存在某些缺陷，在光照、催化劑、或溶劑的作用下，鈦白粉中的Ti4+極易被還原為Ti3+，釋放出初生態(tài)氧。因初生態(tài)氧具有極強反應活性，可以使漆基的有機物被氧化，其高分子鏈因此斷裂或降解，破壞涂層的連續(xù)性，形成可溶性或易揮發(fā)性的物質(zhì)。
表面包膜機理
（1）靜電吸附機理。
靜電吸附機理認為，基體表面帶有與包膜劑相反的電荷，由于庫侖引力使包膜劑顆粒被吸附到鈦白粉粉體顆粒表面。TiO2表面具有負電性，Al2O3表面具有正電性，靠靜電引力吸附作用成膜。但這種包膜機理存在其局限性，包膜劑在基體表面形成一層膜后，表面的電性已經(jīng)發(fā)生改變，膜層要繼續(xù)生長增厚的動力就不存在了。而且這種機理無法解釋SiO2包膜TiO2，因為二氧化硅表面也為負電性，不可能和負電性的二氧化鈦靠靜電引力吸附而成膜。
（2）異相表面成膜機理
異相表面成膜機理認為，在某一pH值下，在有異相物質(zhì)存在時，溶液超過它的過飽和度時，將會有大量晶核立即生成，沉降到異相顆粒的表面，無異物時的濃度高于晶體析出的濃度。這是由于在非均相體系的晶體成核與生長過程中，新相在已有的固相上形成或生長，體系表面自由能的增加量小于自身成核（均相成核）體系表面自由能的增加量，所以分子在異相界面的成核與生長優(yōu)先于體系中的均相成核。當溶液中形成的溶膠濃度較低時，溶膠分子成核于鈦白粉表面降低體系的自由能。新相生成后優(yōu)先沉淀在相同或相似結構的基底上，隨后形成的無機物分子將優(yōu)先在已部分包膜的鈦白粉的表面繼續(xù)成核、生長。
（3）表面化學鍵合機理
這種機理認為，包膜劑與基體之間不是簡單的物理結合，而是形成了牢固的化學鍵。在金紅石型鈦白粉顆粒表面有很多未鍵合的羥基存在，與水合氧化物的羥基聚合成羥橋，生成氫氧化物包膜層。在包膜層和納米TiO2顆粒之間形成了化學鍵，生成了均勻致密包膜層，與納米TiO2顆粒之間結合牢固，不易脫落。此機理研究的相對成熟，它很好地解釋了粒子包膜后，其穩(wěn)定性很好這一事實，因而被越來越多的學者接受。
（4）溶膠一吸附一凝膠一成膜機制。
該機理認為反應分為兩步：首先是硅溶膠的形成和被TiO2顆粒吸附的過程，然后是硅溶膠在TiO2顆粒表面的膠凝成膜過程。此機理的反應第一步中的吸附是在庫侖靜電力的作用下進行的，實際上是靜電吸附機理的內(nèi)容，膠凝成膜時與TiO2顆粒之間以羥基鍵合，是表面化學鍵合機理的內(nèi)容，所以該機理是以上三種機理的綜合。
鈦白粉無機包膜工藝
硅包膜
范基隆等人對R型鈦白粉采用硅酸鈉做硅包膜處理，實驗得出了最適宜的包硅條件：pH值在9.0左右，溫度在65~80℃，漿液固含量在40%左右，加料時間60min。相關研究普遍認為溫度在70~100℃，pH值在9.5~11，漿液固含量較低，加料速度較快。硅包膜工藝成本低，易操作，但對提高鈦白粉耐候性效果相對較弱，并且包膜條件不同也影響實際效果，廠家之間存在差異。
鋁包膜
單包鋁的過程在前人的工作中已進行了較為詳細的研究，在高溫或高pH值環(huán)境下，容易形成勃姆石型水合氧化鋁絮狀及片狀包覆；在低溫且低pH值下，容易形成無定形膜狀包覆。在高溫、高pH值條件下形成的晶態(tài)包覆層穩(wěn)定性較高。山東道恩鈦業(yè)有限公司研究發(fā)現(xiàn)后續(xù)的包膜過程中，當包鋁條件為pH5.0，65℃時，二氧化鈦表面包氧化鋁能形成連續(xù)、致密膜層。鋁包膜工藝同樣相對簡單，成本較低，但提升鈦白粉耐候性的效果與硅包膜不相上下。
硅鋁復合包膜
單包硅過程中形成膜狀包覆較佳的條件pH值在9.0左右，溫度在65~80℃，單包鋁過程中形成膜狀包覆較佳的條件為pH5.0，65℃。在此基礎上，范基隆等人研究硅鋁復合包膜發(fā)現(xiàn)，對硅鋁共沉積包覆考察了pH值、溫度、硅鋁包覆量比等因素對膜層形貌的影響，得出適宜的復合包覆條件是：溫度為65℃，將pH值從9.0緩慢降至5.0，鋁包覆量2%。硅鋁復合包膜對提升鈦白粉耐候性效果遠超硅、鋁包膜，但操作工藝相對復雜，成本因素也不可忽視。
鋁磷雙層包膜
李丹東等人研究了鋁磷雙層包膜工藝，通過改變鋁鹽和磷酸鹽加量，對鋁磷包膜試樣進行耐光性檢測，結果如圖1所示。由圖1可以看出，鋁、磷包膜量分別為4.5%～4.8%、0.8%～0.9%和鋁、磷包膜量分別為＞5%、0.6%～0.7%時，鈦白粉的△E最小，即耐候性最好。
圖1 磷鋁包膜樣品△E與包膜劑含量的等值線圖
鋁磷雙層包膜，即單次包膜處理后，熟化一定時間，在進行二次包膜處理，經(jīng)過洗滌、干燥、氣流粉碎等操作，得到的雙層包膜。與單鋁、單硅包膜相比，可以得到較好的耐光性能提升，更能滿足行業(yè)使用要求。
鋯磷雙層包膜
李丹東等人研究了鋯磷雙層包膜工藝，通過改變鋯鹽和磷酸鹽加量，對鋯磷包膜試樣進行耐光性檢測。由圖2可以看出，鋯、磷包膜量分別控制在＞0.3%、0.02%~0.10%時，鈦白粉的△E最小，耐候性最好。
圖2 磷鋯包膜樣品△E與包膜劑含量的等值線圖
鋯磷包膜技術能夠有效提高鈦白粉的耐候性，性能達到了國外同類產(chǎn)品水平。但存在技術難點，即鋯磷的加量控制。
鋁鋯復合包膜
對Al2O3與SiO2包膜的研究國內(nèi)相對較多，但對ZrO2/Al2O3的研究卻很少見有報道。鄒建新等人通過對金紅石鈦白粉進行表面鋯鋁包膜實驗，得到了提高了耐候性的鈦白粉。
ZrO2/Al2O3包膜后的TiO2顏料特性值如表1所示。顏料特性值符合基本要求,且部分指標達到日本R930標樣水平。
表1 ZrO2/Al2O3包膜后的TiO2顏料特性值
ZrO2包覆量獲得的包膜鈦白的光催化活性值如表2所示。包覆的量達到1%(質(zhì)量分數(shù),以TiO2計)時,光催化活性值為0.05,耐候性最高。樣品4#是國內(nèi)某廠單鋁包膜鈦白粉的光催化活性值,顯然,鋯鋁包膜效果強于單鋁包膜。
表2 TiO2在不同ZrO2包覆量下的光催化活性值
鋯鋁包膜的最佳pH要求在9.5~10.5之間， ZrO2包覆量達到1.0%及Al2O3包覆量為4.0%，技術要求高，這也許是此項技術的實現(xiàn)難點。鋯鋁包膜提升鈦白粉耐候性的性能優(yōu)異，遠超單鋁包膜等技術，產(chǎn)品效果可對標國外相應產(chǎn)品，但技術要求高與成本高居不下一直制約著該項工藝的發(fā)展與推廣。
小結
鈦白粉消費量與建材、涂料、塑料等行業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系，隨之發(fā)展帶來的是鈦白粉的市場不斷擴大。其產(chǎn)量也呈現(xiàn)出發(fā)展態(tài)勢。但不可否認的問題是，國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量仍然與國外產(chǎn)品存在差異，耐候性差就是國內(nèi)產(chǎn)品不足性的一大體現(xiàn)。該文介紹了提高耐候性的6種方法，為國內(nèi)企業(yè)提供些微幫助，期望國內(nèi)粉體行業(yè)發(fā)展愈發(fā)愈好。
參考來源：
鄒建新等.金紅石型鈦白粉包覆 ZrO2/Al2O3 膜制備高耐候性 TiO2 顏料研究
范基隆等.提高鈦白粉耐候性的工藝研究
李東丹等.提高鈦白粉耐候性的技術研究
張智濤.鈦白粉表面包膜改性技術研究
李蓓.高耐候性鈦白粉制備工藝及水懸浮液pH值控制研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/漫道）
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