鈦白粉是迄今為止性能最好的白色無機顏料，廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、油墨、造紙、橡膠、化學(xué)纖維和化妝品等領(lǐng)域。但是其昂貴的價格和近一年來價格大幅走高的態(tài)勢讓一些下游用戶苦不堪言！
鈦白粉的顏料性能通過光學(xué)性能體現(xiàn)，其光學(xué)性能主要取決于二氧化鈦粒子的表面性質(zhì)，內(nèi)核幾乎不發(fā)揮作用，因此很研究人員和企業(yè)致力于開發(fā)研究碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒材料，以制備出高性能、低價格的鈦白粉替代品。
機械力化學(xué)法是利用機械力作用使顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，如晶粒尺寸改變，比表面積增大，晶體結(jié)構(gòu)無序化，產(chǎn)生晶格畸變等。在這些物理化學(xué)作用促使顆粒表面活化的基礎(chǔ)上，強化顆粒在相界面間的反應(yīng)結(jié)合即可制備包覆型復(fù)合顆粒材料。
1、碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒的制備
采用液相機械力活化的方法制備碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒材料，其工藝流程如下：
碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒顏料制備工藝
該工藝的特點是：濕法超細研磨中形成的機械力化學(xué)效應(yīng)可促進改性中間體的形成或直接促進碳酸鈣與鈦白粉之間的反應(yīng)結(jié)合；在含水體系中碳酸鈣表面呈羥基化特征，可與鈦白粉形成具化學(xué)性質(zhì)的牢固結(jié)合；重質(zhì)碳酸鈣濕法超細產(chǎn)物具有高度的分散性，可保證其以一次顆粒的形態(tài)參與改性。這些因素都有益于碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合白色顏料的制備和形成良好的產(chǎn)品性能。
2、復(fù)合顆粒顏料性能的影響因素分析
（1）碳酸鈣細度對復(fù)合顆粒顏料性能的影響
表1 碳酸鈣細度對復(fù)合顆粒顏料性能的影響
| 復(fù)合顏料性能指標 |
碳酸鈣粒度（-2μm含量） |
| 2.3% |
70% |
80% |
90% |
| 遮蓋力（g/m2） |
39.29 |
34.98 |
40.84 |
41.14 |
| 吸油量（g/100g） |
27.32 |
29.72 |
30.81 |
37.86 |
| -2μm含量（％） |
82.78 |
88.60 |
94.83 |
94.77 |
| d50（μm） |
1.01 |
0.97 |
0.99 |
1.00 |
結(jié)果表明：碳酸鈣細度對復(fù)合顆粒顏料的性能有較大影響。碳酸鈣粒度的-2μm含量從2.3%（原料）提高至70%，復(fù)合顆粒顏料的遮蓋力數(shù)值由39.29g/m2降至34.98g/m2，表明遮蓋性能明顯提高，而吸油量從27.32g/100g略增加至29.72g/100g。
碳酸鈣細度增加至-2μm含量80%-90%時，效果又明顯變差；故碳酸鈣的細度應(yīng)選擇-2μm含量70%。
（2）研磨體系固含量對復(fù)合顆粒顏料性能的影響
表2 研磨體系固含量對復(fù)合顆粒顏料性能的影響
| 復(fù)合顏料性能指標 |
濕法超細研磨II濃度 |
| 35% |
40% |
45% |
50% |
55% |
| 遮蓋力（g/m2） |
45.28 |
36.94 |
39.35 |
34.98 |
38.78 |
| 吸油量（g/100g） |
31.80 |
31.16 |
30.27 |
29.72 |
31.56 |
| -2μm含量（％） |
88.51 |
90.52 |
89.65 |
88.60 |
88.79 |
| d50（μm） |
0.94 |
0.89 |
0.88 |
0.97 |
0.99 |
結(jié)果表明：隨固含量在35%-55%范圍內(nèi)逐漸增加，復(fù)合顆粒顏料的遮蓋力數(shù)值呈現(xiàn)先逐漸降低后增大的趨勢。反應(yīng)最佳遮蓋力性能的最低值為34.98g/m2，出現(xiàn)在固含量50%的條件下；混合研磨體系固含量對復(fù)合顆粒顏料吸油量和粒度的影響較小。故碳酸鈣與鈦白粉混合研磨體系的固含量應(yīng)選擇50%。
（3）研磨體系機械力強度對復(fù)合顆粒顏料性能的影響
表3 研磨體系機械力強度對復(fù)合顆粒顏料性能的影響
| 介質(zhì)物料比 |
研磨II時間
（min） |
復(fù)合顆粒顏料性能 |
遮蓋力
（g/m2） |
吸油量
（g/100g） |
-2μm
含量（%） |
d50
（μm） |
| 2 |
15 |
46.95 |
26.32 |
81.23 |
1.08 |
| 30 |
41.97 |
28.11 |
82.14 |
1.05 |
| 45 |
40.45 |
30.56 |
83.21 |
1.02 |
| 60 |
39.34 |
31.75 |
86.65 |
0.99 |
| 3 |
15 |
42.12 |
30.35 |
83.33 |
1.05 |
| 30 |
40.31 |
32.65 |
85.77 |
1.03 |
| 45 |
42.60 |
36.86 |
87.64 |
1.00 |
| 60 |
40.14 |
35.44 |
90.78 |
0.99 |
| 4 |
15 |
36.74 |
32.27 |
86.48 |
0.99 |
| 30 |
34.98 |
29.72 |
88.60 |
0.97 |
| 45 |
34.63 |
30.29 |
91.25 |
0.96 |
| 60 |
37.50 |
40.89 |
93.33 |
0.95 |
| 5 |
15 |
38.96 |
29.48 |
92.33 |
0.98 |
| 30 |
36.78 |
32.44 |
94.12 |
0.97 |
| 45 |
35.67 |
35.78 |
94.55 |
0.97 |
| 60 |
38.78 |
34.76 |
92.18 |
0.99 |
介質(zhì)物料比和研磨時間對復(fù)合顆粒顏料的性能均產(chǎn)生重大影響，具體表現(xiàn)為：
?。?）在介質(zhì)物料比為4、5時，復(fù)合顆粒顏料遮蓋力數(shù)值和吸油量呈現(xiàn)先逐漸降低而后又增大的趨勢，這說明，在進一步增大的介質(zhì)物料比條件下，研磨時間若達到一定值，機械力強度可達到改性所要求的程度；研磨時間再增加，過強的機械力作用則又使改性效果變差。
（2）由于機械力是導(dǎo)致顆粒細化的最主要因素，所以介質(zhì)物料比和研磨時間對復(fù)合顆粒顏料粒度的影響十分明顯。
隨介質(zhì)物料比在2?4范圍內(nèi)增大，相同研磨時間復(fù)合顆粒顏料細化程度逐漸增大（-2μm含量增加，d50下降）；介質(zhì)物料比為5時，研磨時間在15-45min范圍內(nèi)增加，復(fù)合顆粒顏料逐漸細化，研磨時間再增加至60min，產(chǎn)物開始變粗，這可能是顆粒達較高細化程度，并伴隨產(chǎn)生機械力化學(xué)效應(yīng)，從而引發(fā)顆粒間團聚的結(jié)果。
故可選擇介質(zhì)物料比4，研磨時間45min。
?。?）鈦白粉含量對復(fù)合顆粒顏料性能的影響
表4 鈦白粉含量對復(fù)合顆粒顏料性能的影響
| 鈦白粉含量（%） |
研磨II時間（min） |
遮蓋力（g/m2） |
吸油量（g/100g） |
| 0 |
- |
>185 |
22.20 |
| 10 |
15 |
49.22 |
31.88 |
| 30 |
50.09 |
29.43 |
| 45 |
54.68 |
32.46 |
| 60 |
55.25 |
33.54 |
| 20 |
15 |
36.74 |
32.27 |
| 30 |
34.98 |
29.72 |
| 45 |
34.63 |
36.29 |
| 60 |
37.50 |
40.89 |
| 30 |
15 |
43.19 |
19.24 |
| 30 |
37.14 |
21.47 |
| 45 |
35.55 |
22.45 |
| 60 |
38.78 |
23.48 |
| 40 |
15 |
35.71 |
22.25 |
| 30 |
31.43 |
23.83 |
| 45 |
30.00 |
25.01 |
| 60 |
22.80 |
22.50 |
| 50 |
15 |
31.43 |
22.38 |
| 30 |
31.43 |
20.68 |
| 45 |
23.29 |
25.16 |
| 60 |
22.86 |
24.01 |
| 60 |
15 |
24.28 |
28.04 |
| 30 |
22.86 |
26.80 |
| 45 |
21.43 |
28.18 |
| 60 |
17.15 |
28.89 |
| 70 |
15 |
18.58 |
23.98 |
| 30 |
18.57 |
28.25 |
| 45 |
20.00 |
26.48 |
| 60 |
17.14 |
27.63 |
| 100 |
- |
16.42 |
25.71 |
結(jié)果表明：隨鈦白粉含量的增加，復(fù)合顆粒顏料的顏料性能逐漸提高；復(fù)合顆粒顏料的吸油量隨鈦白粉含量的增加呈現(xiàn)先增大再降低最后與純鈦白粉接近的趨勢，這也表明了鈦白粉改性修飾的有效作用。
顯然，鈦白粉含量對最終形成復(fù)合顆粒顏料的性能至關(guān)重要。綜合考慮吸油量指標、粒度指標和其他應(yīng)用性能以及成本因素，選擇鈦白粉的含量40%-50%，優(yōu)化研磨時間為60min。
3、碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒顏料與其他顏料性能對比
表5 碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒顏料與其他顏料性能對比
| 性能 |
碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顏料 |
白色顏料 |
白色填料 |
| 鈦白粉RD |
鈦白粉RS |
鈦白粉RJ |
立德粉 |
碳酸鈣 |
煅燒高嶺土 |
| 遮蓋力（g/m2） |
22.80 |
14.29 |
16.42 |
21.19 |
50.25 |
>185 |
>145 |
| 吸油量（g/100g） |
22.50 |
20.65 |
25.71 |
22.96 |
22.16 |
22.20 |
30.98 |
| 白度（％） |
95.50 |
96.8 |
96.5 |
93.9 |
93.87 |
94.30 |
89.30 |
| 密度（g/cm3 |
3.12 |
4.18 |
4.12 |
3.85 |
4.30 |
2.73 |
2.65 |
| d50（μm） |
0.20 |
0.40 |
0.38 |
0.40 |
- |
21.15 |
16.33 |
| D90（μm） |
2.30 |
0.55 |
0.54 |
0.57 |
- |
38.85 |
38.97 |
與常用的白色顏料相比：碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顏料的遮蓋力略弱于金紅石型鈦白（RD和RS）和銳鈦型鈦白（RJ），遠強于立德粉；吸油量與各顏料相當(dāng)；白度略低于RD和RS，但高于RJ和立德粉。
碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顏料的密度比鈦白粉和立德粉低，這更有利于其制備乳液涂料時防止涂料分層，保持體系穩(wěn)定。
碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顏料的粒度、水懸浮液pH值和105℃揮發(fā)物指標也滿足有關(guān)要求。因此認為，碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顏料可作為白色顏料加以應(yīng)用。
碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顏料與碳酸鈣和高嶺土等白色填料相比，具有較強的顏料性能，這更證明了碳酸鈣表面進行鈦白粉改性修飾的良好效果。
4、結(jié)論
以機械力活化的方法制備碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒材料，其優(yōu)化的工藝參數(shù)為：碳酸鈣粒度-2μm含量70%、物料濃度50%、介質(zhì)物料比4、鈦白粉組分含量40%。
優(yōu)化工藝條件下制備的碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒顏料的遮蓋力22.8g/m2、吸油量22.5g/100g、白度95.50%，說明碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒材料已經(jīng)具有類鈦白粉的顏料性能。
機械力化學(xué)包覆方法具有效率高、工藝簡單、節(jié)約原料和能源、無環(huán)境污染等特點，已成功制備了以賦予其顏料功能的高嶺土/鈦白粉復(fù)合顆粒材料、水鎂石/鈦白粉復(fù)合顆粒材料、硅灰石/鈦白粉復(fù)合顆粒材料、碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顆粒材料、以增白和提升環(huán)境凈化功能為目標的電氣石/鈦白粉復(fù)合顆粒材料等。
想要GET以下新技能：
顆粒復(fù)合的主要目的與用途；
顆粒復(fù)合的主要方法及其原理；
化學(xué)沉淀法復(fù)合顆粒的技術(shù)與實踐；
機械力化學(xué)法制備復(fù)合顆粒的原理與實踐；
機械力化學(xué)法制備碳酸鈣/鈦白粉復(fù)合顏料的工藝與實踐；
化學(xué)沉淀法制備硅灰石/硅酸鋁復(fù)合粉體的實踐與應(yīng)用；
珠光云母的制備與應(yīng)用；
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