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技術文摘

涂料行業為什么離不開鈦白粉?非金屬礦粉體如何借機“上位”?

2018-12-22 來源:研發中心

鈦白粉被稱為白色顏料之王,具有折射率高、消色力強、遮蓋力大、分散性好、白度高、無毒等特性,廣泛應用于涂料、塑料、油墨、造紙、化纖、陶瓷等行業。其中涂料用量最大,約占鈦白粉總量的57%

 

1

鈦白粉在涂料中的應用特性

 

鈦白粉是涂料用最多的一種白色顏料,其產量占無機顏料的70%以上,消費量占白色顏料總消費量的95.5%。目前,世界上約60%的鈦白粉用于制造各種涂料,特別是金紅石型鈦白粉,大部分被涂料工業所消耗。

 

用鈦白粉制造的涂料,色彩鮮艷,遮蓋力高,著色力強,用量省,品種多,對介質的穩定性起保護作用,并能增強漆膜的機械強度和附著力,防止裂紋,防止紫外線和水分透過,延長漆膜壽命,多彩花紋涂料中幾乎每一個圖案的配色都離不開鈦白粉。

 

1)粉末涂料

 

不同種類不同用途的涂料對鈦白粉有不同的要求,如粉末涂料就要求用分散性好的金紅石型鈦白粉。銳鈦型鈦白粉消色力低,光化學活性強,用于粉末涂料中,涂膜容易出現黃變。而硫酸法生產的金紅石型鈦白粉具有價格適中、分散性好,遮蓋力和消色力好等優點,非常適合用于戶內粉末涂料,而戶外粉末涂料用鈦白粉除了要求分散性、遮蓋力和消色力好外,還要求具有很好的耐候性,因此,戶外粉末涂料用鈦白粉一般為氯化法生產的金紅石型鈦白粉。

 

2)水性涂料

 

水性涂料是指涂料配方中的揮發性物質絕大部分是水的涂料,隨著人們環保意識的增強和環保法規的日趨嚴格,水性涂料已經普及。和溶劑型涂料一樣,要求鈦白粉白度和分散性好,遮蓋力、消色力和耐候性高,雜質含量低等。

 

目前市場上的鈦白粉大多都是通用型的鈦白粉,既可以用于溶劑型涂料,又可以用于水性涂料,但是,畢竟水性涂料和溶劑型涂料存在本質上的差別,這些通用型的鈦白粉在水性涂料中分散效不是很好,因此,為了使鈦白粉能在水性涂料中很好的分散,要有針對性的選擇鈦白粉表面處理方式。

 

3)建筑涂料

 

建筑涂料要求耐酸、耐堿、抗水、防潮,不論在粗糙或光滑的基層表面均要有良好的附著力。用于建筑涂料的鈦白粉除了要求具有以上提及的好的光學性能和顏料性能外,最重要的是要求鈦白粉具有高的耐候性,抗粉化能力強,尤其是外墻用建筑涂料。

 

2

鈦白粉各項指標對涂料性能的影響

 

1)白度

 

鈦白粉作為一種優質的涂料用白色顏料,其白度至關重要,是涂料要求的關鍵質量指標之一,鈦白粉白度差,會直接影響涂膜的外觀。

 

影響鈦白粉白度的最主要因素是其中有害雜質的種類和含量,因為鈦白粉對雜質非常敏感,尤其是金紅石型鈦白粉,所以,即使是微量的雜質,也會對鈦白粉白度產生明顯的影響。

 

氯化法工藝生產的鈦白粉白度往往比硫酸法工藝生產的好,這是因為氯化法工藝生產鈦白粉所用的原料四氯化鈦已經蒸餾凈化,本身雜質含量少,而硫酸法工藝所用的原料雜質含量高,只能通過洗滌和漂白等工藝技術來除掉雜質。

 

鈦白粉粒子的形狀、大小和粒徑分布,以及鈦白粉出現不理想的晶體結構和混晶現象也會影響其白度。為了使鈦白粉具有最佳的白度,要求鈦白粉為球形顆粒,表面光滑圓潤,不帶棱角,不團聚,粒徑分布控制在0.15-0.35μm

 

2)遮蓋力

 

遮蓋力為每平方厘米被涂物體的表面積,在達到完全被遮蓋時,需要用顏料的最低質量。涂同樣面積的表面,所用鈦白粉的遮蓋力越大,涂膜便可以越薄,所需的涂料量越少,則所需要鈦白粉的量也越少,如果鈦白粉遮蓋力降低,為達到同樣的遮蓋效果,所需要的鈦白粉量增加,則生產成本就會增加,且鈦白粉用量增加,會導致鈦白粉在涂料中難以分散均勻,出現聚集,同樣會影響涂料的遮蓋效果。

 

鈦白粉遮蓋力大小主要由其本身的折射率來決定,金紅石型鈦白粉的折射率是所有白色顏料中最大的,因此其遮蓋力也最高,銳鈦型鈦白粉次之。其次,鈦白粉粒子的形狀、大小、粒徑分布和分散程度也會影響其遮蓋力,在大于可見光半波波長的范圍內,鈦白粉粒子表面越光滑,粒徑越小,表面積越大,分散越好,其遮蓋力越大。

 

3)耐候性

 

涂料對鈦白粉的耐候性要求高,尤其是戶外用表面涂料,要求高耐候性或超高耐候型的鈦白粉。使用耐候性低的鈦白粉,涂膜會出現褪色、變色、粉化、開裂、剝落等問題。金紅石型鈦白粉的晶體結構比銳鈦型鈦白粉的結構更為緊密,光化學活性低,因而耐候性也遠高于銳鈦型鈦白粉,所以涂料用鈦白粉基本上全是金紅石型鈦白粉。

 

提高鈦白粉耐候性最主要的方法是對其進行無機表面處理,即在鈦白粉粒子表面包覆一層或多層無機氧化物或水合氧化物,其中氧化鋯和致密氧化硅包膜是目前公認的耐候性最好的包膜方式,氧化鋯包膜技術國內已經掌握,但致密氧化硅包膜技術仍然被國外壟斷,國內還未能攻破,有待繼續研究。

 

4)分散性

 

鈦白粉為超細粒子,比表面積大,表面能高,顆粒之間容易發生聚集,在涂料中難以穩定分散。鈦白粉分散性差會直接影響其在涂料中的消色力、遮蓋力和表面光澤度等光學性能,而且還會影響涂料的貯存穩定性、流動性、流平性、涂層耐久性、防腐蝕性和導電性等應用性能,此外,還會影響涂料的生產成本,因為研磨分散作業的能耗高,占涂料制造過程總能耗的大部分,且儀器設備的損耗大。

 

影響鈦白粉分散性的因素主要有鈦白粉粒徑大小、比表面積、表面自由能、表面電荷、pH值、極性、表面吸附狀態等表面性質,此外,也與展色劑的性質、分散劑的種類和用量、研磨分散設備和分散工藝等因素有關。

 

為了使鈦白粉在涂料中達到最好的分散效果,使鈦白粉粒子在涂料中處于或接近于原始粒子狀態,充分體現其優異的性能,通常在鈦白粉生產過程對其進行表面處理,提高其分散性,此外,在涂料生產過程中也要選擇正確的潤濕分散劑、研磨分散設備和分散工藝。

 

3

非金屬礦粉體能否頂替鈦白粉上位

 

鈦白粉是迄今為止性能最好的白色無機顏料,廣泛應用于涂料、塑料、油墨、造紙、橡膠、化學纖維和化妝品等領域。但是其昂貴的價格和近年來價格大幅走高的態勢讓一些下游用戶苦不堪言!如果能夠利用價格相對低廉的非金屬礦物對鈦白粉進行替代或者部分替代,將會大幅降低生產成本。

 

鈦白粉的顏料性能通過光學性能體現,其光學性能主要取決于二氧化鈦粒子的表面性質,內核幾乎不發揮作用,因此很研究人員和企業致力于開發研究礦物/鈦白粉復合顆粒材料,以制備出高性能、低價格的鈦白粉替代品。

 

近年來,我國先后開發了硫酸鈣、碳酸鈣、高嶺土、滑石、云母、硅灰石等礦物-TiO2復合顏料,以替代或部分替代鈦白粉,用于化妝品、涂料、造紙、塑料等行業。


1)硫酸鈣

 

由于無水硫酸鈣的高白度(能達到98%)以及良好的不透明性等,它能部分取代二氧化鈦用作涂料中的白色顏料。經美國USG 石膏公司試驗,無水硫酸鈣替代20%的鈦白粉時,其白度,L,a,b 和不透明度值并沒發生顯著變化。實踐證明,通過間接煅燒制備的超細無水硫酸鈣填料在憑借其良好的著色性能,窄粒度分布,以及非磨料的特性,能使色彩制造商在不犧牲質量 的前提下,減少制造成本。
 


2)碳酸鈣

 

碳酸鈣來源豐富,價格低廉,本身白度高、比表面積大、遮蓋力強,也是是重要的白色顏料。檀倩等采用機械力活化的方法制備碳酸鈣-鈦白粉復合材料,該碳酸鈣-鈦白粉復合顏料的遮蓋力22.8g/m2、吸油量22.5g/100g、白度95.50%,明顯已經具有類鈦白粉的顏料性能。

 

3)高嶺土

 

涂料用白色顏料目的是產生白顏色和產生遮蓋性的,高嶺土雖不能替代鈦白粉,但可產生協同作用,提高鈦白粉的有效利用率,減少用量,這時對高嶺土的白度和細度要求非常嚴格。

 

20183月,英格瓷(Imerys)提出了以高嶺土部分替代鈦白粉,減少20%鈦白粉用量的方案,可有效解決在在涂料和油墨領域鈦白粉的替代性問題。

 

另外,巴斯夫也表示:其Ultrex顏料添加劑也具有良好的著色力和遮蓋力,是性價比高的鈦白粉替代品。該產品是以超細化煅燒高嶺土為主要成分的顏料,廣泛用于平光、蛋殼光、低光和特殊涂料;也適用于高白度的油墨、塑料及其他領域。

 

4)硅灰石

 

硅灰石是一種偏硅酸鹽礦物,其折光指數(1.63)高于許多白色礦物,表面易生成OH-等活性基團,這些特征都有助于在制備以硅灰石為基體,通過表面包覆TiO2的復合顏料中形成協同效應。

 

陳婉婷等采用水介質中濕法超細研磨方式制備了硅灰石-TiO2復合顏料,其性能與鈦白粉相當TiO比例45%的復合顏料遮蓋力為17.97g/m2,比TiO2按自身比例的貢獻值提升36.08%。硅灰石-TiO2復合顏料的顆粒以TiO2顆粒均勻包覆在硅灰石表面為特征所形成。

 

目前來看,非金屬礦粉體材料暫不能完替代鈦白粉,但通過制備與鈦白粉性能相似的礦物-TiO2復合顏料,可明顯緩解鈦白粉生產和應用中存在的資源、環境與成本價格等問題,同時還有利于非金屬礦物資源的高效利用。
 

 

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龍源石膏創立于1992年,是一家集石膏開采、硫酸鈣粉體研發、生產、銷售、出口為一體的大型石膏產業化龍頭企業,已形成年產石膏原礦兩百多萬噸、石膏粉和超細硫酸鈣粉體百萬噸的生產加工能力,具備百萬平米石膏砌塊和石膏模盒生產能力,產品廣泛應用于建材、模具、食品、醫藥、橡膠、塑料、涂料等行業。

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