水镁石/TiO2复合颗粒材料的制备及颜料性能研究

姜 玮，丁 浩，李 渊

（中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083）

水镁石/TiO2复合颗粒材料的制备及颜料性能研究

姜 玮，丁 浩，李 渊

（中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083）

采用机械力化学包覆方法，通过在水镁石颗粒表面包覆TiO2制备了Mg(OH)2/TiO2复合颗粒材料(MG/Ti-CPM)。试验研究了MG/Ti-CPM制备工艺因素的影响和MG/Ti-CPM的颜料性能，结果表明，水镁石研磨时间、水镁石与TiO2复合过程机械力条件和TiO2用量对MG/Ti-CPM性能影响显著；MG/Ti-CPM具有类似钛白粉的颜料性质，白度96.6%，遮盖力19.94g/cm2，吸油量31.96g/100g，表明TiO2对水镁石表面进行了有效包覆。

Mg(OH)2/TiO2复合颗粒材料；机械力化学；钛白粉；颜料

1 前言

以二氧化钛(TiO2)为主要成分的钛白粉是目前性能最佳的白色颜料[1]，在消色力、遮盖力、分散性、光泽和物理化学稳定性等方面具有显著优点，已广泛用于涂料、塑料、造纸、油墨和陶瓷等众多领域。但钛白粉生产中存在的资源和环境问题严重制约了其发展和应用，特别是采用硫酸法进行钛白粉生产(中国主要采用)要产生大量的含酸废水和废渣。另外，钛白粉生产企业因应对这些问题不得不加大成本投入，这又导致其价格不断上扬。由此造成涂料等钛白粉消费产业产品成本增加、负担加重，这些行业的发展也因此受到极大制约。因而解决钛白粉生产和消费过程中的问题多年来一直受到广泛关注[2-3]。

通过在无机矿物表面包覆TiO2制备包覆型矿物/TiO2复合颗粒材料，利用其与钛白粉相似的颜料性能，全部或较大比例取代钛白粉并加以应用是解决上述问题的关键措施之一。其中，以机械力化学包覆方法制备矿物/TiO2复合颗粒材料，可使无机材料颗粒基体与钛白粉之间不再是单纯的物理吸附，而是以键合集团相连接，结合的更加牢固。在呈现TiO2性质的前提下，降低TiO2用量和产品成本的作用十分显著[4]。

水镁石[Mg(OH)2]具有资源丰富、价格相对低廉、白度高等优点，特别是颗粒表面的羟基基团是Mg(OH)2与TiO2形成界面化学键和从而使二者牢固结合的基础，因此，水镁石可作为一种优良的包覆基体材料。本文以水镁石和锐钛型TiO2为原料，采用液相机械力化学方法制备了Mg(OH)2/TiO2复合颗粒材料(MG/Ti-CPM)，对制备MG /Ti-CPM的工艺影响因素进行了试验研究，并通过测试MG/Ti-CPM与颜料相关物理性质对其颜料性能进行了评价。

2 试验研究方法

2.1 MG/Ti-CPM的制备

采用机械力化学方法，通过水镁石表面包覆TiO2制备MG/Ti-CPM的工艺流程如图1所示。

试验用Mg(OH)2原料为辽宁产水镁石矿物粉体，测试最小粒径0.8μm，最大粒径38.89μm，中位径(d50)2.21μm，小于2μm累积含量48.86%；所用TiO2原料为是河南佰利联化学股份有限公司生产的锐钛型钛白粉，吸油量22.9g/100g，遮盖力14.06g/m2，白度97.9%。TiO2的d500.35μm，小于2μm累积含量98.98%。

试验用聚丙烯酸钠(CD-458)作为Mg(OH)2湿法研磨和Mg(OH)2与TiO2两者复合过程的分散剂，CD-458为水溶性线型高分子电解质分散剂。

试验用设备为GSDM-003实验室型超细盘式搅拌磨，由北京古生代粉体科技有限公司生产，装机功率0.4kW。用2 000mL塑料罐盛放物料，两边用金属架固定。

2.2 MG/Ti-CPM制备工艺因素评判

机械力化学包覆制备工艺因素通过测试MG/Ti-CPM的遮盖力和吸油量进行综合评判，并做出优化选择，遮盖力按国标GB1709-79方法、吸油量按国标GB1712-79方法进行测试。

2.3 MG/Ti-CPM颜料性能表征评价

MG/Ti-CPM的颜料性能通过测试遮盖力、吸油量和白度进行综合评价。白度按国标GB/T 17749-2008方法进行测试。

3 结果与讨论

3.1 水镁石研磨时间的影响

将水镁石不同研磨时间产物与TiO2复合，制备的MG/Ti-CPM性能与研磨时间的关系示于图2，试验条件为：水镁石与TiO2共混研磨时间30min，矿浆浓度40%，球料比4，转速1 000r/min，TiO2复合比例40%。

从图2看出，随水镁石湿磨时间的增加，遮盖力值先减小然后增大，在60min时为最低，说明此时遮盖性为最佳。研磨时间再增加，遮盖性降低，至120min时趋于稳定；吸油量则随研磨时间的增加一直减小。

30min时水镁石湿磨时间较短，活性较低，相间反应能力不足，TiO2对其包覆有限，但已呈现钛白的性质；随湿磨时间的继续增加，持续的机械能量输入除用于粉碎颗粒外，还使晶体结构发生破坏，并在颗粒表面贮存部分能量，从而提高了其反应活性，实现锐钛型钛白对水镁石的有效包覆。因此在60min处，复合材料的综合性能最好，此时水镁石粒度在0.8～0.9μm之间。

3.2 复合过程各因素的影响

对混合湿磨过程选取了料浆浓度、搅拌磨转速、复合时间、球料比和分散剂用量五个因素来讨论，同样以复合产物的遮盖力和吸油量为评价标准。其试验结果分别示于图3(a)至图3(e)。

(1) 从图3(a)可以看出，料浆浓度增加，遮盖力值呈递增趋势，吸油量值呈递减趋势。随料浆浓度增加，料浆的流动性急剧下降，机械作用减弱，复合材料的性能变差。料浆浓度选取35%为宜。

(2) 从图3(b)可以看出，搅拌磨转速增加，吸油量值先增大后减小然后趋于稳定，而遮盖力值先减小后增加，但变化范围不大。搅拌磨转速过小，输入机械力强度不足，水镁石和TiO2的反应活性低，包覆不完全；但当转速过大时，输入的机械力强度继续细化水镁石，从而使两者颗粒大小相当，处于无序混合状态，遮盖力变差。因此，搅拌磨的最佳转速为1 200r/min。

(3) 从图3(c)可以看出，复合时间增加，遮盖力值递减，然后增大；吸油量值先减小后增大最后又减小。在机械能量输入恒定的情况下，水镁石颗粒处于团聚和粉碎的平衡状态，颗粒不再细化，而颗粒的反应活性随湿磨时间的增加而增加，TiO2对水镁石的包覆也更完全，从图中曲线看最佳复合时间为30min。

(4) 图3(d)表明，球料比对复合材料的影响趋势和复合时间的影响趋势类似。球料比过小时，水镁石虽已有一定的活性，但锐钛型钛白粉难以活化，两者仍处于近机械混合状态；球料比较大时，介质碰撞机会增加，机械力强度增大，破坏了水镁石团聚与粉碎之间的平衡，同时存在水镁石对TiO2的包覆及后者对前者的包覆。因此，最佳球料比为5。

(5) 图3(e)表明，分散剂(CD-458)的加入虽有助于水镁石和TiO2的分散，但不利于TiO2颗粒对水镁石颗粒的包覆。在固体物质分散过程中，分散剂的静电斥力和空间位阻作用可以降低料浆粘度，防止同质颗粒之间的团聚，但同时也不利于异质颗粒间的相互接近乃至相间反应。这种情况下，颗粒之间的结合要靠机械力作用下的碰撞来实现。

综合考虑以上各因素可以发现，要实现TiO2对水镁石的充分包覆，就要维持一定量的机械强度(搅拌磨转速)、复合时间和球料比，增加异质颗粒间的接触机会，即维持最佳颗粒尺寸配比和料浆浓度。

3.3 TiO2复合比例的影响

从图4可以看出，不同TiO2含量的复合材料均表现出锐钛型钛白粉的性质，具有高遮盖力和高吸油量，这表明微观上已经实现TiO2颗粒对水镁石颗粒充分有效的包覆。TiO2/[TiO2+Mg(OH)2]在50%处，复合材料的性能最佳；40%处，性能相对较好。TiO2含量增加时，除一部分仍以分散状态存在外，较大部分颗粒继续对水镁石进行包覆，因而包覆的更完全，复合材料的综合性能更好。

3.4 MG/Ti-CPM的颜料性能

最优工艺条件为：水镁石湿磨60min，料浆浓度35%，搅拌磨转速1 200r/min，复合时间30min，球料比5，不加分散剂，TiO2/[Mg(OH)2+TiO2]为40%。

对按优化工艺制备的MG/Ti-CPM的颜料性能测试结果见下表。

MG/Ti-CPM的颜料性能测试

试验测得采用优化工艺制备的MG/Ti-CPM料的遮盖力为19.94g/m2，吸油量为31.96g/100g，比锐钛型钛白粉原料稍高。衡量复合钛白颜料的另外一项指标是白度，试验测得的复合钛白颜料的白度为96.6%，仅稍低于锐钛型钛白粉的白度。

从上面这些性能结果显示，复合材料的性能和锐钛型钛白粉的性能接近，说明锐钛型钛白粉实现对水镁石的有效包覆，可部分或完全取代颜料级钛白粉。

4 结论

(1) 在水镁石湿磨阶段，通过单因素试验确定湿磨时间为60min。湿磨时间过长或过短均不利于复合材料性能的发展。混合湿磨阶段采用正交试验对料浆浓度、搅拌器转速、复合时间、球料比和分散剂用量等工艺条件进行优化。以吸油量和遮盖力为评价指标，优化的结果为：料浆浓度35%；搅拌磨转速1 200r/min；复合时间30min；球料比5。聚丙烯酸钠分散剂虽有助于改善料浆的分散性和流动性，但不利于水镁石与TiO2的复合。而复合材料性能与钛白粉含量并不成简单的正比关系，单因素试验确定的最佳钛白粉含量为40%。

(2) 优化条件下制备的MG/Ti-CPM遮盖力为19.94g/m2，吸油量为31.96g/100g，白度为96.6%。Mg(OH)2/TiO2复合材料颜料性能优越，可部分或完全取代颜料级钛白粉在涂料、塑料、造纸等领域加以应用，由于其成本低，应用前景广阔。

[1]邓捷,吴立锋.钛白粉应用手册(修订版)[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2]唐振宁.钛白粉的生产与环境治理[M].北京:化学工业出版社,2000.

[3]丁浩,邓雁希,刘艳改.以非金属矿物为基体制备钛白代用品材料的研究现状与趋势[J].中国矿业,2006,15(3):21-24.

[4]DING H, DENG Y X. Preparation and mechanism of calcium carbonate/titanium dioxide composites by mechanochemical method[C]. Proceedings of XXIV International Mineral Processing Congress, Science Press, Beijing: 2008: 3344-3350.

Study on the Preparation of Brucite/TiO2Composite Particle and Its Pigment Property

JIANG Wei, DING Hao, LI Yuan
(School of Materials Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083,China)

Brucite/TiO2composite particle (MG/Ti-CPM) is prepared by coating TiO2on surface of brucite using mechanochemical method. The technical factors for preparing MGI/Ti-CPM and the pigment property of MG/Ti-CPM were studied by the experiment. The results show that the grinding time of brucite, the compound technical factors for brucite and TiO2and TiO2dosage have significant influences on the properties of MG/Ti-CPM. The pigment performance of MG/Ti-CPM is similar to that of titanium dioxide, the whiteness is 96.6%, the hiding power is 19.94g/cm2, the oil adsorption is 31.96g/100g, which suggests brucite had been effectively packed by TiO2.

brucite/TiO2composite particle; mechano-chemical; TiO2; pigment

P578.495;TQ316.6

A

1007-9386(2010)05-0036-04

“十一五”国家科技支撑计划项目(2008BAE60B06)。

2010-08-11