塑料专用金红石型钛白粉的改进及机理研究

周强 奚海 陈乐 张本发

摘  要：钛白粉的化学名称是二氧化钛，在涂料、塑料、陶瓷和造纸等领域是性能最好的白色颜料，它的稳定性极高、拥有着良好的遮盖力。但是在种种优点下其内部的缺陷也是相当明显的，因为其自身的颗粒物质存在光催化活性，从而利用该物质所制造出来的塑料制品会在不同的环境下产生不同的结果，如在波长小于387.5mm的光波中会形成高化学活性的过氧化物以及附带产生的自由基，在这两种物质的催化下会发生塑料自身的氧化降解，与此同时其老化速度迅速加快，在不同气候情况下保存效果极差。因此本文从塑料专用金红石型钛白粉的改进措施出发探讨其中的机理研究。

关键词：塑料专用金红石型  钛白粉  改进及机理研究  塑料专用

中图分类号：TQ621           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（c）-0096-05

Abstract： Titanium dioxide， the chemical name of titanium dioxide， is the best performance of white pigment in the fields of coating， plastics， ceramics and papermaking， with its high stability and good covering power. But under the virtues of its internal defects is quite obvious， because of its photocatalytic activity， particle material existence and use of the material made of plastic products can produce different results in different circumstances， such as in the light of wavelength is less than 387.5 mm can form Gao Huaxue activity of peroxides and produce free radicals， in the two substances under the catalysis of will occur in the oxidation and degradation of plastic itself， at the same time its aging accelerated rapidly， under the condition of different climate preservation effect is very poor. Therefore， this paper discusses the mechanism of the improvement measures of rutile titanium dioxide for plastics.

Key Words： Rutile for plastics; Titanium dioxide; Improvement and mechanism research; Plastic is special

钛白粉除了有高遮盖力、高消色力及与其他颜色并用性能好外，它还能提高使塑钢门窗制品免受紫外线的侵袭，改善塑料制品的力学强度和电性能。因此本文从塑料专用金红石型钛白粉的相關性能出发，探讨其中的改进和机理研究。

1  金红石型钛白粉的性能概述

金红石型钛白粉凭借自身各项优秀的性能，成为制造白色塑料的最佳选择。而在当今推崇节能环保的社会大环境下，人们对于环境的保护与节能措施都相当关注，钢铁作为耗能耗资都相当巨大的建筑材料在未来将面临着被取代的命运，在诸多替代材料中塑料无疑是最佳选择。塑料制品需要严格考核其光泽度、不透明度和分散度等等指标，且能够成功制成塑料的原材料相当多，在这么多材料中究竟该如何选择呢？金红石型钛白粉又是如何从诸多材料中脱颖而出成为制造塑料的不二选择的呢？下文就将针对可制成塑料的金红石型钛白粉原材料的相关性能进行探究，了解其性能对于所生成的塑料的益处。

1.1 塑料专用金红石型钛白粉的物理属性

（1）不透明度。钛白粉之所以能够成为白色燃料的最佳选择就是因为光线不能够成功地穿透颜料颗粒的表面，即其不透明度相当高。而透明度高低的决定性因素是钛白粉的结构形状和透光系数、吸光、反射、色散的程度。前者取决于一开始的制备工艺，后者则是与颗粒分子自身的晶体结构相关。

金红石型钛白粉的不透明度与锐钛型钛白粉的不透明度要好得多，这是因为材料的透光程度是根据材料周围的介质和化工原料的不同折射率决定的。当化工原料呈现透明、半透明和不透明状态时，其折射率的差异越来越大，具体而言透明状态时，基体介质和化工原料的折射率大体相同;半透明时，折射率处于中间位置;而不透明状态时，基体介质的折射率比化工原料的折射率低得多。金红石型的折射率很大，因此其不透明度更强，即金红石型能够针对基体材料产生更好的遮盖力。

（2）折射率。金红石型的折射率在钛白粉所有形态中是最高的，一般情况下锐钛型的折射率是2.55而金红石型则是2.71。折射率的判定是根据光线入射角α的正弦与折射角β的正弦两者之间的比值所决定的，是直接影响到金红石型钛白粉的首要因素，对光学性能的影响相当大，可以说是对化工成品的遮盖力和着色度的重要参数。金红石型钛白粉的折射率与其呈现的棱型结构形状息息相关，其晶体方向没有一定的规律性，从而其晶体的折射率是根据众多样本的平均值所决定的。

（3）光泽度。一般建筑材料是不会有光泽的，并且在材料中如果需要呈现出光泽的话就需要通过基体材料的外层涂膜才能展现出来，因此塑料材料的光泽度是根据材料自身的性能决定的，金红石型钛白粉的材料其光泽度与制定的标准指标的匹配度相当高，直接高到标准的96%至98%，因此一旦涂上金红石型钛白粉便能够在材料本身呈现出明显的颜色。

对于金红石型钛白粉的光泽度有两大影响因素即分散性和粒径分布。只有当金红石型钛白粉的颗粒足够小且细，才能够与塑料集体本身完美地贴合，即相容性比较好，与此同时钛白粉的分散性也比较高，在这两方面的联系下基体材料才能够呈现出高度的光滑性，进一步推动了其光泽度的有效提高。

1.2 塑料专用金红石型钛白粉的化学属性

（1）光色互变现象。在日光进行持续的照射后，化工材料表面的杂质在大量光照下会发生短时间内的颗粒颜色变化，但是一旦失去了一定强度和一定时间的光照，化工材料便会再次变回到原本钛白粉颗粒的颜色状态。在光照的情况下颗粒会发生一定程度的化学反应即光化学活性，在此反应下会变成活性氧原子，该原子会再次与氧化铁等物质发生化学反应，进一步在原有基础上完成高价铁和高价铬的氧化物转化过程。但是如果失去了一定程度的光照后，一切高价的化学物质便会回到低价化学物质，即所有钛白粉颗粒会马上恢复到原始的颜色状态。

（2）光催化活性。如果说光色互变现象与照射的日光有关，那么钛白粉的光催化活性则是与紫外光息息相关。在紫外光的照射下，物质中会释放出一定数量的氧化性极强的氧原子，并由此迅速氧化涂膜中存在的有机物，从而使得相关有机物进行降解，致使物质中的部分性能即耐候性降低、失光等。与此同时，光催化活性的过程可以分为三个步骤即第一步骤是电子—空穴的分离，当照射时的紫外光其性质是波长比387mm/h，则钛白粉会通过对光子能量的吸收，将正负电子进行转化，以捕获到的少量电子—空穴对发生复合反应。第二个步骤则是生成自由基。第一步骤中所产生的电子—空穴在后续过程中汇合氧气或者是水就发生反应，进一步生成自由基。最后一个步骤则是自由基的氧化作用，因为钛白粉具有相当明显的自由基，能够实现对所有有机物材料进行催化降解，生成二氧化碳，进而实现电子—穴位的包覆层结构，最后实现对于金红石型钛白粉光催化活性的抑制目的。

1.3 塑料专用金红石型钛白粉在生产过程中的关键性能

一方面是塑料专用金红石型钛白粉的热加工性能强。因为在现实工程项目中往往需要很高的一个加工温度，钛白粉本身作为工业材料其内部的耐热性本来就是很高的，但为了追求更加高效的质量标准，钛白粉应当拥有更为优质和良好的耐热性能，而金红石型钛白粉便满足这一条件。比如说在PVC塑料生产的进展过程中，常常是需要拥有一个高达180℃的温度环境，因为只有在高温环境下才能确保材料的颜色不会发生变化。但是如果该金红石型钛白粉不具有一个良好的分散性能的话就会再次发生变色的情况，影响最后的工程成品。除了分散性能以外，还有金红石型钛白粉这一原材料自身在塑料整体中的流动性，如果该者不能获得良好的保障，则会造成塑料成品中不具备内部稳定的摩擦力，从而会导致塑料成品内在局部区域中发生温度过高的情况，也会导致塑料最后的变色。根据如上总结可以概括出针对塑料专用金红石型钛白粉的表面处理工作也会是在整体的加工过程中的一项重点工作。

第二个方面则是塑料专用金红石型钛白粉的耐候性性能。因为金红石型钛白粉自身原有的物理和化学性能都是相当稳定的，不论是有紫外线还是流动的水的情况下，都不会发生明显的变化。在塑料制品中其组成部分对于环境的要求相当高尤其是日晒雨淋的情况下，其塑料钛白粉往往在强度和外表颜色方面会偏离国家的标准。在这种环境下，改善种种现状的方法便是针对表面进行无机化处理，然而由于当前国家的技术水平难以满足上述的要求，需要推进一定的技术改进。

1.4 塑料专用金红石型钛白粉的制备工艺及相关研究

塑料专用金红石型钛白粉可以通过多种工艺进行制备，即采用硫酸法、氯化法、REPTILE法、盐酸法、碱融法等方法。

下面就将选用几种制备方法开展具体的论述：

（1）硫酸法。在历史进程中钛白粉的最早的形成方式即采用硫酸法，这种方法的主要原料就是硫酸，因此这种方法实行的第一步骤就是需要获得硫酸鈦的原始溶液，利用还原和真空的方式去消除其中的大部分的杂质即铁元素，在此基础上进一步对该原料进行加热处理，使原料能够在高温的条件下完成水解，从而获取偏钛酸沉淀。然后再通过过滤、多次水洗、掺入盐处理剂等方式取得初品，经过检测与标准之间的核对不断完善其去除杂质，最后得到钛白粉的成品。

（2）盐酸法。与硫酸法相似，该步骤的第一步首先是需要进行分解即对钛铁矿展开分解工作，将其中无法溶解的残渣进行分离和详解，将物质进行一定程度的还原，并还原后的物质进行冷却和结晶，分理出二氯化铁;之后针对氯化铁和氯化氧钛两者的混合溶液开展二次萃取工作，进一步得到最初的偏钛酸固体，经过回收循环等工序使之进入到喷雾热解步骤，再者使用煅烧步骤得到最初的金红石型钛白粉初品，得到成品还需要进行无机物包覆、过滤、洗涤并且干燥，获得最后的金红石型钛白粉成品。

（3）碱融法。该方法主要是氢氧化钠熔盐进行一系列设计好的化学反应，其化学反应的发生环境是850℃～875℃的高温环境，在此环境下进行焙烧，进而加入促使反应发生的有机酸，促使氯化铁与氯化氧钛发生反应对之进行浸取工作，对其中的残渣进行过滤处理，最终能够得到几乎接近纯净的钛化合物，其中人造金红石的含量可以达到一个相当高的占比数量即95%～97%。另一种方式则是采用硫酸法的水解工艺，即获得硫酸氧钛溶液后对之进行水解进而得到偏钛酸，以过滤和高温焙烧的两段步骤最后处理得到成品即金红石钛白粉。相关公式如下：

公式1所示为采用NaOH熔盐对钛铁矿原料进行反应生成Na2TiO3

公式2所示为Na2TiO3反应物经过水浸取和洗涤，将反应物中过量的钠离子与水中的离子发生离子结合反应，使得溶液中能够浸出部分钠离子，形成一定浓度的NaOH溶液。

公式3所示为采用硫酸对固相（XNa2O-TiO2-Yh2O）进行反应，然后生成硫酸氧钛溶液。

公式4所示为按照硫酸法的水解工艺，将得到的硫酸氧钛溶液来生产偏钛酸，最后把偏钛酸沉淀经过过滤，再次进入转窑高温焙烧，最后得到所要求的金红石型钛白粉产品。

2  塑料专用金红石型钛白粉的改进及机理研究

（1）表面静电吸附理论。根据颗粒表面静电吸附理论，可以发现在颗粒的表面包覆着异号电荷，而其颗粒能够轻易地被这些电荷吸附，在静电引力的作用下能够形成一种外表的成膜。当然这一种理论有着明显的理论局限性，不可以合理地回答内部的包覆剂能否完成电负性的前后差异即明显变化。与此同时，颗粒外表包覆层的增厚是否会随着基体颗粒的表面变化而随之发生改变这一猜测也不能够得到完美的解释。

（2）表面化学键合理论。在金红石型钛白粉颗粒的表面和外表的包覆物两者之间也有着内部的化学键，且其化学键是稳定存在的。其中没有发生键合反应的羟基存在在钛白粉颗粒的表面，会与外表包覆物内部存在的羟基进行缩合，进一步形成一种均匀而致密的氧化物包覆层，使得两者之间的化学键与颗粒能够实现完美且牢固的结合，相比较表面静电吸附理论该化学键合理论能够更好地实现化学键的稳定性，进而改善金红石型钛白粉的整体性能。

（3）改进措施。经过上述的叙述，可以了解到塑料专用金红石型钛白粉的性能还是存在着很大的问题，可以采用的改进步骤能够分为几大方式。第一种方式即利用单元无机氯化物对金红石型钛白粉进行一定的包覆，其中的单元无机氯化物可以是三氧化二铝，其能够形成一种高效的保护层，与此同时，三氧化二铝能够高效地对紫外线进行反射。除此以外，还有氧化硅可以完成包覆层，在该过程中是加入水溶性的硅化合物;氧化锆也是一种优良的选择，该过程则主要针对的是ph指数。第二种方式即利用双元无机氧化物对金红石型钛白粉进行包覆，双元无机氧化物可以是二氧化硅和二氧化铝的复合物，该复合物能够包含两元素单包时的所有优点，同样的机理结构还能够选择二氧化锆与二氧化铝的复合物，其能够提高成品的抗氧化性。

（4）改进中依旧存在的问题。因为当今我国对于塑料专用金红石型钛白粉的研究尚不够完全，因此对于包覆的机理、方法和效果等情况的调查不够完善。主要有如下几点原因即第一对于该类型钛白粉的后期处理不足，对基料包覆处理欠缺;第二针对该钛白粉的耐候性试验不足，投资力度小;第三是中间步骤的耗时长，人力物力浪费大;第四，对钛白粉的pH值把控不住，最后成效质量不能得到保障。

3  结语

金红石型钛白粉内部折射率、消色力、光泽度等物理、化学特性相当良好，能够实现人们对于工业的许多要求，因此塑料专用金红石型钛白粉的应用前景相当广泛，是电子、化工和冶金工业中不可或缺的一沓材料。在未来的工业发展中应当大力对塑料专用金红石型钛白粉展开研究，并根据发展现实情况针对存在的问题进行改进思考，推动其机理研究。

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