后处理工艺对氯化法金红石型钛白粉性能的影响研究

汪云华，李海艳，张笑盈，王 磊，李保金，龙 翔

（1.云南新立有色金属有限公司，云南昆明650100；2.云南冶金集团股份有限公司）

后处理工艺对氯化法金红石型钛白粉性能的影响研究

汪云华1，李海艳1，张笑盈2，王 磊1，李保金1，龙 翔1

（1.云南新立有色金属有限公司，云南昆明650100；2.云南冶金集团股份有限公司）

以氯化法金红石型钛白粉浆料为原料，通过制浆分散、湿法研磨、硅铝包覆等后处理工序制备出氯化法金红石型钛白粉成品，其包覆硅、铝质量分数分别达到3.039 7%、2.762 0%。讨论了粒径及粒径分布对产品性能的影响，确定湿法研磨30 min可将粒径控制在0.15~0.35 μm范围，达到后续表面处理工序对原料粒径的要求。采用X射线荧光光谱仪和分光色差仪对产品进行性能分析，其性能达到国际知名牌号的水平。

钛白粉；后处理；颜料性能

钛白粉学名二氧化钛，分子式为TiO2，基于其具有稳定的物理、化学性质，优良的光学、电学性质，以及优异的颜料性能，是目前用途最广、应用效果最好的白色颜料，被广泛应用于涂料、塑料、纸张、油墨、橡胶等领域［1-3］。但是，在其应用领域，受其本身光化学活性缺陷的影响，在实际应用中必须对其进行表面处理，使其表面通过包覆形成连续的硅、铝及锆等氧化物薄膜，使其与周围的有机物之间形成一道屏障，这样不仅能够克服上述缺陷，还能提高产品的应用性能和扩大应用领域，改善其分散性和表面活性，提高抗粉化性、保色性、耐候性和光稳定性，使其在不同的应用领域都具有优异的使用效果［4-6］。

钛白粉的后处理在世界范围内一直是一个很活跃的研究领域，但中国的研究及生产主要集中于采用硫酸法钛白粉基料进行后处理，其主要受制于中国不能生产氯化法钛白粉基料以及国外生产的氯化法钛白粉基料不对外销售，致使中国在氯化法钛白粉的后处理方面还处于空白领域。笔者采用云南新立有色金属有限公司生产的氯化法金红石型钛白粉基料为原料，研磨分散至合适的粒度范围，进行SiO2、Al2O3包覆钛白粉效果的影响因素研究和产品性能分析，获得适用于氯化法钛白粉基料的后处理工艺。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

原料和试剂：钛白粉，未经表面处理的氯化法金红石型钛白粉基料，云南新立有色金属有限公司；液体硅酸钠、偏铝酸钠、硫酸铝，工业级，淄博市博山中正化工有限公司；氢氧化钠，分析纯，天津市瑞金特化学品有限公司；硫酸，分析纯，重庆江川化工有限公司；六偏磷酸钠，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司。

仪器与设备：实验室型砂磨机，BYZr-0.3型，深圳市博亿化工机械有限公司；单层玻璃反应釜，F-1L型，上海叶如仪器设备有限公司；隔膜板框压滤机，SHXB-I-Z50型，上海信步科技有限公司；马尔文激光粒度仪，Mastersizer 2000 Mu型，英国马尔文仪器有限公司；分光色差仪，CM-2600d型，日本柯尼卡美能达公司；高速分散机，GFJ-0.4型，上海现代环境工程技术有限公司；自动涂膜器，AFA-Ⅱ型，上海普申化工机械有限公司；精密酸度计，HK-3C型，北京华科仪电力仪表研究所；精密电导率仪，HK-307型，北京华科仪电力仪表研究所；电子天平，BSA8201-CW型，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；X射线荧光光谱仪，AXIOSmAX型，荷兰帕纳科公司；电热恒温鼓风干燥箱，TE-DO130型，长沙高新开发区天腾电子有限公司；高速粉碎机，DFT-200型，温岭市林大机械有限公司。

1.2 实验方法

1）制浆分散：量取质量浓度为500 g/L的氯化法钛白粉浆料1 L，置于高速分散罐中，加入质量浓度为50 g/L的六偏磷酸钠溶液50 mL，高速分散15 min，转速为1 000 r/min。

2）湿法研磨：将分散后的浆料通过隔膜泵导入实验室型砂磨机，循环研磨 30 min，研磨转速为80 r/min。

3）包硅实验：量取研磨后的浆料500 mL倒入单层玻璃反应釜中，将校准好的pH计伸入单层玻璃反应釜溶液中，转速调至80 r/min，温度控制在70℃左右，用1 mol/L的硫酸溶液和1 mol/L的氢氧化钠溶液滴定至浆料pH为10.0~10.5，搅拌分散5 min，移取适量硅酸钠溶液（以SiO2计质量浓度为100g/L）加入单层玻璃反应釜中，陈化30 min。

4）包铝实验：将包硅陈化后的浆料继续用1 mol/L的硫酸溶液和1 mol/L的氢氧化钠溶液滴定至pH为7.0~7.5，移取适量硫酸铝溶液（以Al2O3计质量浓度为100 g/L）加入单层玻璃反应釜中，陈化15 min后再取适量偏铝酸钠溶液（以Al2O3计质量浓度为250g/L）加入单层玻璃反应釜中，陈化15min，用1 mol/L的硫酸溶液和1 mol/L的氢氧化钠溶液滴定至浆料pH为6.0~6.5，陈化30 min。

5）将包膜后的浆液通过隔膜泵导入隔膜压滤机中压滤，并用去离子水洗涤至电导率小于0.835 mS/cm，将滤饼转移至不锈钢盘中，在温度为145℃的电热恒温鼓风干燥箱中持续干燥12 h，冷却后的块状钛白粉用粉碎机粉碎，得到产品。

1.3 性能测试

将制浆分散及湿法研磨后的钛白粉浆料采用马尔文Mastersizer 2000 Mu型激光粒度仪进行粒径和粒径分布检测；将氯化法金红石型钛白粉基料经烘干、粉碎及SiO2、Al2O3包覆处理后的产品采用AXIOSmAX型X射线荧光光谱仪分析其元素含量；将SiO2、Al2O3包覆处理后的产品按相应配方制备成漆膜，采用自动涂膜器在黑白卡上刮板，湿膜制备器采用厚度为100 μm面，刮板经晾干使用柯尼卡美能达CM-2600d型分光色差仪对其颜料性能进行检测。

2 结果与讨论

2.1 浆料粒径与粒径分布对产品性能的影响

钛白粉的粒径与粒径分布制约着钛白粉的产品质量，不仅影响钛白粉的白度、消色力、遮盖力、吸油量等颜料性质，还关系到钛白粉的分散稳定性、光泽、耐候性等应用性能。由四氯化钛氧化制得的钛白粉粗品是以原级粒子、聚集粒子、附聚粒子、絮凝粒子的形式存在，如果包膜前不进行分散研磨，就有可能是对聚集粒子或絮凝粒子的包膜，这种粒子团包膜物一经气流粉碎，包膜层就被打碎，呈现的是一种残缺不全的包膜状态，而包膜最理想的状态是将包膜剂包在每一个原级粒子的表面，在包膜结束后，用气流粉碎机解聚时，保证每个粒子上都有完整的包膜层。因此，在无机表面处理前必须经过制浆分散、湿法研磨、分级操作，使其粒径及粒径分布呈现于适宜的范围，以达到表面处理的最终目的。

从光学效果来看，当光散射力最大时，颜料粒径D与入射光的波长λ、颜料折射率n1、漆料折射率n2之间的关系可用式（1）表示：

式中：可见光的波长为400~700 μm；金红石型钛白粉的折射率为2.71，涂料中大部分漆料（树脂）的折射率为1.45~1.60，因此金红石型钛白粉的粒径控制在0.15~0.35 μm时最佳，在此粒径范围内原料对可见光具有最大散射力，可获得更高的遮盖力、消色力和白度。

根据K-M理论（Kubelka-Munk theory），钛白粉的白度、遮盖力、消色力与其光散射系数S和光吸收系数K有关，S越大K越小，钛白粉的白度、遮盖力和消色力就越好。因此，在氯化法钛白粉的实际生产

过程中，降低K的手段是尽可能减少有害杂质元素含量，提高钛白粉的纯度；提高S的手段是取得产品的最佳粒径、粒径分布和颗粒状态。

2.2 湿法研磨对浆料粒径与粒径分布的确定

仅改变湿法研磨时间分别为0、15、30 min，处理后的样品利用马尔文激光粒度仪测定其粒度分布，结果见图1（a、b、c），其D（50）分别为7.451、0.328、0.313 μm。

从图1a可以看出，未进行湿法研磨处理的钛白粉浆料中的粒子主要以聚集粒子、附聚粒子、絮凝粒子的形式存在，不能直接用于后续表面包覆处理，必须采用研磨的方式让团聚的颗粒分散成原级粒子状态。从图1b可以看出，采用湿法研磨15 min后，浆料中团聚的粒子已大部分以原级粒子的形式存在，但仍有部分粒子没有完全分散，且波峰较宽，也不利于后续表面包覆处理。从图1c可以看出，浆料中的粒子基本以原级粒子的形式存在，粒径分布趋于0.15~0.35 μm，适用于后续表面包覆处理。因此，在其他条件相同的前提下，湿法研磨时间采用30 min，可保障钛白粉粒径在0.15~0.35 μm，适于作为后续表面包覆的原料。

2.3 产品颜料性能分析

分别以国际知名牌号 1#、2#作为标样，与经SiO2、Al2O3包覆处理后的样品进行颜料性能对比分析，其色差对比见图2和图3，性能对比指标见表1。

2.4 包覆后产品元素含量

钛白粉包覆SiO2、Al2O3后，通过X射线荧光光谱仪测定包覆和未包覆钛白粉样品表面元素含量，结果见表2。从表2可看出，钛白粉包覆前后其表面元素含量发生了明显变化，说明采用该包覆方法能够使包膜剂中的大部分SiO2、Al2O3被钛白粉表面所吸附，形成硅、铝氧化物薄膜。

Influence of post-processing on performance of rutile titanium dioxide produced by chloride process

Wang Yunhua1，Li Haiyan1，Zhang Xiaoying2，Wang Lei1，Li Baojin1，Long Xiang1
（1.Yunnan Xinli Nonferrous Metals Co.，Ltd.，Kunming 650100，China；2.Yunnan Metallurgy Group Co.，Ltd.）

With rutile titanium dioxide slurry produced by chloride process as raw material，through the post-processes of dispersion，wet grinding，and Si-Al coating etc.，the rutile titanium dioxide powder product was produced.The mass fractions of Si and Al were 3.039 7%and 2.762 0%，respectively.The impact of particle size and distribution on the product performance was discussed.The particle size could be controlled within 0.15~0.35 μm by wet grinding for 30 min，which could meet requirement of the post-processing.The product was tested by X-ray fluorescence spectrometer and colorimeter，and the performances could reach the international famous brand level.

titanium dioxide；post-processing；pigments performance

TQ134.11

A

1006-4990（2015）03-0016-03

国家国际科技合作项目（2010DF43290）；云南省科技计划项目（2012ZE004）。