钛白粉的应用
发布时间：2024-05-20
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来源： 微钛空间
摘要：通过改善水解工艺参数来提升偏钛酸的粒径表现，并优化表面处理技术，在其表面包裹一层致密均匀的膜，降低钛白粉的吸油量，提升应用性能。并采用一系列物理、化学测试方法研究晶种钛液加量对偏钛酸粒径的影响以及不同包膜工艺对吸油量和应用性能的影响。结果表明，晶种钛液加量2%，偏钛酸性能最佳；硅酸钠加量2%，偏铝酸钠加量4%，吸油量最低；选用三甲基硅醇为有机包膜剂时，钛白粉应用性能最佳。
关键词：木地板装饰纸；偏钛酸；钛白粉；装饰纸；水解工艺
木地板在家装中具有举足轻重的地位。我国于前几年开始实施天然林保护工程，禁止砍伐天然林，实木地板的资源受到极大的限制。随着材料行业的发展，相关替代产品早已更新迭代，对于目前的木地板市场来说，强化木地板销量仅次于实木地板。有数据表明，预计至2027年全球强化木地板市场规模将会达到5 934.76亿元，以6.25%的复合年增长率增长，且该产品品类丰富，具有耐磨、护理性佳、性价比强和装饰性好，以及优良的耐火性[1]。
装饰纸作为强化木地板的中间层来使用，不仅对人造板起到了一定的保护作用，更重要的是拓宽了强化地板的应用范围，增强了其自身的装饰性能，提升了其自身的附加价值[2-3]。
装饰纸主要以优质木浆和钛白粉为主要原料、经过特殊工艺加工而成，钛白粉作为装饰纸用量最大的填料，具有较好的耐候性、遮盖力、分散性和留着率。在纸张中加入钛白粉，可使纸张具有较好的亮度、光泽度、力学强度，薄而光滑，印刷时不穿透，质量轻。纸用钛白粉一般使用未经表面处理的锐钛型钛白粉，可以起到荧光增白剂的作用，增加纸张的亮度，但装饰层压纸要求使用经过表面处理的金红石型钛白粉，金红石型TiO2具有最高的光折射率，在装饰纸的应用中，表现出极好的遮盖力，同时TiO2具有极强的紫外线吸收能力，是一种天然的紫外线吸收剂，在日光的照射下，表现出良好的耐光性和耐候（温）性[4-5]。
另外，为了能够使强化木地板具备优良的抗污性和耐磨性，这需要对钛白粉的基础形态和应用性能进行改性，本文从水解工艺粒径控制及表面处理等方面改进钛白粉的性能，制备出一种适用于强化木地板纸的金红石型钛白粉，并探究不同处理方法对产品性能的影响。
1试验部分
1.1试验原料及仪器
试验药品：浓钛液（192～200 g/L）、金红石型晶种、三价钛还原剂均为自制；硅酸钠、偏铝酸钠，山东嘉虹化工有限公司，工业纯；三甲基硅醇，上海惠今化工贸易有限公司，工业纯；聚甲基硅氧烷，廊坊蓝科化学有限公司；二异丙醇胺，南京北化化工有限公司；偏铝酸钠、硫酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；去离子水，自制。
试验仪器：反应釜，威海化工机械有限公司；SHZD（III）型循环真空泵，郑州科达机械仪器设备有限公司；恒温水浴锅，常州亿通分析仪器制造有限公司；真空干燥箱，苏州欧文烘箱制造有限公司；SK-DC 1800超声波清洗器，张家港市神科超声电子有限公司；小型高速粉碎机，广州市旭朗机械设备有限公司；AS50A实验用气流粉碎机，上海捷誊粉体设备有限公司；ZP100压片机，上海天祺制药机械有限公司；MS2000粒径测定仪，马尔文仪器公司；ZESSEVO 18型扫面电子显微镜，德国卡尔蔡司公司。
1.2强化木地板纸用金红石型钛白粉的制备工艺
1）取200L浓钛液（192～200g/L），加入计量好的金红石型晶种，在一定条件下进行水解反应，得到偏钛酸。
2）将所得偏钛酸进行水洗过滤，加入硫酸溶，液再加入三价钛还原剂和金红石型晶种，升温搅拌3 h。
3）将还原后的偏钛酸进行水洗过滤，经盐处理后放入马弗炉内煅烧。
4）取煅烧后的钛白粉500 g，转入烧杯，加水稀释至750 g/L左右。
5）放入恒温水浴锅中升温至85℃，加入1.0%～3.0%硅酸钠溶液（以SiO2计），同时利用硫酸调节pH在10左右。
6）调节反应器内pH至7～8左右，升温至85℃，添加3%～5%的偏铝酸钠（以Al2O3计）溶液同时用硫酸调节pH维持在10左右。
7）转入漏斗进行洗涤至洗涤水电导率80μs/cm以下，得到的产品放入真空干燥箱中干燥。
8）得到的粉料置于气流粉碎机中有机处理得到最终产品。
1.3性能测试
1.3.1偏钛酸粒径测试
在室温条件下，取0.5 g偏钛酸置于400 mL烧杯中，加入六偏磷酸钠3 mL及去离子水200 mL轻微搅拌，将烧杯置于超声机中超声20 min，备用。
打开粒径测试仪，进行预对光处理，更换样品容器中的纯水，进行对光处理，将超声备用的钛白粉溶液倒入装有纯水的容器中，使遮光度在5%～8%之间，点击开始进行测试，测试平行数据3次，取平均值。
1.3.2钛白粉基本性能测试
遮盖力测试，按照GB 5211.17—1988《白色颜料对比率（遮盖力）的比较》测试；消色力测试，按照GB/T 5211．16—2007《白色颜料消色力的比较》测试；电阻率测定，按照GB/T 5211．12—2007《颜料水萃取液电阻率的测定》测试；细度测试，按照GB/T 6753．1—2007《色漆、清漆和印刷油墨研磨细度的测定》测试。
1.3.3钛白粉粒径测试
在室温条件下，取0.5 g钛白粉置于400 mL烧杯中，加入六偏磷酸钠3 mL及去离子水200 mL轻微搅拌，将烧杯置于超声机中超声20 min，备用。
打开粒径测试仪，进行预对光处理，更换样品容器中的纯水，进行对光处理，将超声备用的钛白粉溶液倒入装有纯水的容器中，使遮光度在5%～8%之间，点击开始进行测试，测试平行数据3次，取平均值。
1.3.4钛白粉金红石晶型含量测定
取50 g钛白粉于粉碎机中，电机转速15 000 r/min，粉碎1 min；再将粉碎后的钛白粉，再次粉碎1.5 min；取粉碎后的钛白粉10 g，置于玻璃压板上进行磨具压制，使待测试面光滑且轻敲不脱落为佳。将磨具及试样放入衍射仪测试口进行测试。扫描角度范围在24.5～28.5°，管电压30 V，管电流20 A，扫描方式采用连续扫描，扫描速度0.02°/s。
1.3.5抗污性能测试
将化学药品或污染性物品遗留在强化木地板纸上，24 h后观察这些物质对地板表面的腐蚀污染情况，判断污染等级。
1.3.6耐磨性能测试
取强化木地板进行摩擦，计强化木地板摩擦破损的次数，判断耐磨等级。
1.3.7扫描电子显微镜（SEM）测试
取一定量的样品分散于无水乙醇中，超声分散10 min后，取分散后的样品滴于铜网上，待样品干燥后放入电子显微镜中进行检测。
2结果与讨论
2.1晶种加量对水解工艺的影响
钛白粉的粒径表现主要受偏钛酸的影响，因此对水解反应的控制程度决定了偏钛酸的质量水平。在偏钛酸的生产过程中，逐渐由液态转变为固态时受晶种诱导性最大，因此本文设计以晶种钛液的添加量为变量，该实验分为5组，每组晶种钛液占总钛液：A，1%；B，2%；C，3%，保持其余反应参数不变，反应过程中的相关参数见表1。
2.2晶种加量对偏钛酸质量的影响
钛白粉作为性能卓著的白色颜料，具有稳定、高白度、高遮盖率等优点，但其自身存在晶格缺陷，具有较强的光催化活性，在紫外线照射下易粉化，导致耐候性、润湿性及分散性等应用性能降低，进而影响产品的使用寿命，因此通过在钛白粉的表面包覆一层或多层无机、有机膜使其表面与介质间形成一道屏障，可降低光催化活性，增强钛白粉耐候性、分散性、抗污性等应用性能。
2.3.1无机表面处理对钛白粉性能的影响
表2为表面处理包膜试验各组分组情况，表3为对应分组钛白粉的吸油量性能测试。从表3可以看出，不同的包膜量对钛白粉的吸油量存在较大的影响，在包膜量低时，钛白粉的表面仍存在少量缺陷，表现为吸油量较高。随着包膜量的上升，钛白粉表面的缺陷逐渐修复，孔隙减小，表现为吸油量逐渐减小。随着无机包膜机的进一步增加，可能会出现因包膜不均匀而形成积聚的情况，反而使吸油量上升。因此，结合上述情况，E组包膜量更符合要求。
2.3.2有机表面处理对钛白粉性能的影响
钛白粉的有机包膜通常是在钛白粉经气流粉碎时添加，有助于有机包膜剂更好地包覆在钛白粉的表面，钛白粉在气流粉碎前后的粒径对比情况见表4。
对于气流粉碎过程中添加的粉碎助磨剂，本实验选用三甲基硅醇（样品1）、聚甲基硅氧烷（样品2）分别进行实验，并对所得钛白粉进行应用性能评价。
表5为用三甲基硅醇和聚甲基硅氧烷2种具备耐高温属性的有机助剂在汽流粉碎时进行添加使用，通过对所制备出的钛白粉进行应用性能测试。从表5中可以看出，所制得的钛白粉耐温性能表现较好，耐晒性能也较好，但由于有机硅烷附着在钛白粉的表面使钛白粉外表面主要以亲油基团为主，亲水性差，应用在强化木地板纸上的施工性能较差，表现为耐磨性不足，难以完全应用，相比之下三甲基硅醇作有机助剂使用时，各项性能表现基本符合生产需求。
本文针对性地制备出一种强化木地板装饰纸专用金红石型钛白粉，并对其制备工艺和应用情况进行测试及分析。确定了晶种钛液添加量在2%时，偏钛酸的性能最佳，并确定了硅酸钠加量2%、偏铝酸钠加量4%所处理的钛白粉吸油量较低。通过在气流粉碎过程中添加三甲基硅醇，制得的钛白粉综合性能优异，应用情况好，满足客户需求。
关键词：木地板装饰纸；偏钛酸；钛白粉；装饰纸；水解工艺
木地板在家装中具有举足轻重的地位。我国于前几年开始实施天然林保护工程，禁止砍伐天然林，实木地板的资源受到极大的限制。随着材料行业的发展，相关替代产品早已更新迭代，对于目前的木地板市场来说，强化木地板销量仅次于实木地板。有数据表明，预计至2027年全球强化木地板市场规模将会达到5 934.76亿元，以6.25%的复合年增长率增长，且该产品品类丰富，具有耐磨、护理性佳、性价比强和装饰性好，以及优良的耐火性[1]。
装饰纸作为强化木地板的中间层来使用，不仅对人造板起到了一定的保护作用，更重要的是拓宽了强化地板的应用范围，增强了其自身的装饰性能，提升了其自身的附加价值[2-3]。
装饰纸主要以优质木浆和钛白粉为主要原料、经过特殊工艺加工而成，钛白粉作为装饰纸用量最大的填料，具有较好的耐候性、遮盖力、分散性和留着率。在纸张中加入钛白粉，可使纸张具有较好的亮度、光泽度、力学强度，薄而光滑，印刷时不穿透，质量轻。纸用钛白粉一般使用未经表面处理的锐钛型钛白粉，可以起到荧光增白剂的作用，增加纸张的亮度，但装饰层压纸要求使用经过表面处理的金红石型钛白粉，金红石型TiO2具有最高的光折射率，在装饰纸的应用中，表现出极好的遮盖力，同时TiO2具有极强的紫外线吸收能力，是一种天然的紫外线吸收剂，在日光的照射下，表现出良好的耐光性和耐候（温）性[4-5]。
另外，为了能够使强化木地板具备优良的抗污性和耐磨性，这需要对钛白粉的基础形态和应用性能进行改性，本文从水解工艺粒径控制及表面处理等方面改进钛白粉的性能，制备出一种适用于强化木地板纸的金红石型钛白粉，并探究不同处理方法对产品性能的影响。
1试验部分
1.1试验原料及仪器
试验药品：浓钛液（192～200 g/L）、金红石型晶种、三价钛还原剂均为自制；硅酸钠、偏铝酸钠，山东嘉虹化工有限公司，工业纯；三甲基硅醇，上海惠今化工贸易有限公司，工业纯；聚甲基硅氧烷，廊坊蓝科化学有限公司；二异丙醇胺，南京北化化工有限公司；偏铝酸钠、硫酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；去离子水，自制。
试验仪器：反应釜，威海化工机械有限公司；SHZD（III）型循环真空泵，郑州科达机械仪器设备有限公司；恒温水浴锅，常州亿通分析仪器制造有限公司；真空干燥箱，苏州欧文烘箱制造有限公司；SK-DC 1800超声波清洗器，张家港市神科超声电子有限公司；小型高速粉碎机，广州市旭朗机械设备有限公司；AS50A实验用气流粉碎机，上海捷誊粉体设备有限公司；ZP100压片机，上海天祺制药机械有限公司；MS2000粒径测定仪，马尔文仪器公司；ZESSEVO 18型扫面电子显微镜，德国卡尔蔡司公司。
1.2强化木地板纸用金红石型钛白粉的制备工艺
1）取200L浓钛液（192～200g/L），加入计量好的金红石型晶种，在一定条件下进行水解反应，得到偏钛酸。
2）将所得偏钛酸进行水洗过滤，加入硫酸溶，液再加入三价钛还原剂和金红石型晶种，升温搅拌3 h。
3）将还原后的偏钛酸进行水洗过滤，经盐处理后放入马弗炉内煅烧。
4）取煅烧后的钛白粉500 g，转入烧杯，加水稀释至750 g/L左右。
5）放入恒温水浴锅中升温至85℃，加入1.0%～3.0%硅酸钠溶液（以SiO2计），同时利用硫酸调节pH在10左右。
6）调节反应器内pH至7～8左右，升温至85℃，添加3%～5%的偏铝酸钠（以Al2O3计）溶液同时用硫酸调节pH维持在10左右。
7）转入漏斗进行洗涤至洗涤水电导率80μs/cm以下，得到的产品放入真空干燥箱中干燥。
8）得到的粉料置于气流粉碎机中有机处理得到最终产品。
1.3性能测试
1.3.1偏钛酸粒径测试
在室温条件下，取0.5 g偏钛酸置于400 mL烧杯中，加入六偏磷酸钠3 mL及去离子水200 mL轻微搅拌，将烧杯置于超声机中超声20 min，备用。
打开粒径测试仪，进行预对光处理，更换样品容器中的纯水，进行对光处理，将超声备用的钛白粉溶液倒入装有纯水的容器中，使遮光度在5%～8%之间，点击开始进行测试，测试平行数据3次，取平均值。
1.3.2钛白粉基本性能测试
遮盖力测试，按照GB 5211.17—1988《白色颜料对比率（遮盖力）的比较》测试；消色力测试，按照GB/T 5211．16—2007《白色颜料消色力的比较》测试；电阻率测定，按照GB/T 5211．12—2007《颜料水萃取液电阻率的测定》测试；细度测试，按照GB/T 6753．1—2007《色漆、清漆和印刷油墨研磨细度的测定》测试。
1.3.3钛白粉粒径测试
在室温条件下，取0.5 g钛白粉置于400 mL烧杯中，加入六偏磷酸钠3 mL及去离子水200 mL轻微搅拌，将烧杯置于超声机中超声20 min，备用。
打开粒径测试仪，进行预对光处理，更换样品容器中的纯水，进行对光处理，将超声备用的钛白粉溶液倒入装有纯水的容器中，使遮光度在5%～8%之间，点击开始进行测试，测试平行数据3次，取平均值。
1.3.4钛白粉金红石晶型含量测定
取50 g钛白粉于粉碎机中，电机转速15 000 r/min，粉碎1 min；再将粉碎后的钛白粉，再次粉碎1.5 min；取粉碎后的钛白粉10 g，置于玻璃压板上进行磨具压制，使待测试面光滑且轻敲不脱落为佳。将磨具及试样放入衍射仪测试口进行测试。扫描角度范围在24.5～28.5°，管电压30 V，管电流20 A，扫描方式采用连续扫描，扫描速度0.02°/s。
1.3.5抗污性能测试
将化学药品或污染性物品遗留在强化木地板纸上，24 h后观察这些物质对地板表面的腐蚀污染情况，判断污染等级。
1.3.6耐磨性能测试
取强化木地板进行摩擦，计强化木地板摩擦破损的次数，判断耐磨等级。
1.3.7扫描电子显微镜（SEM）测试
取一定量的样品分散于无水乙醇中，超声分散10 min后，取分散后的样品滴于铜网上，待样品干燥后放入电子显微镜中进行检测。
2结果与讨论
2.1晶种加量对水解工艺的影响
钛白粉的粒径表现主要受偏钛酸的影响，因此对水解反应的控制程度决定了偏钛酸的质量水平。在偏钛酸的生产过程中，逐渐由液态转变为固态时受晶种诱导性最大，因此本文设计以晶种钛液的添加量为变量，该实验分为5组，每组晶种钛液占总钛液：A，1%；B，2%；C，3%，保持其余反应参数不变，反应过程中的相关参数见表1。
表1 5组水解反应主要参数值表
2.2晶种加量对偏钛酸质量的影响
3组偏钛酸的粒径分布情况如图1所示。从图1中可以看出，在晶种钛液的添加量为1%时，粒子分布不均匀且粒径较其他两组更粗，与晶种参与水解反应的机理相符，在2%和3%晶种钛液添加量的情况下，二者粒径基本相差不大，但从经济性方面考量，选用2%的晶种钛液添加量为最优选。
图1 3组偏钛酸粒径分布情况
2.3表面处理对钛白粉性能的影响钛白粉作为性能卓著的白色颜料，具有稳定、高白度、高遮盖率等优点，但其自身存在晶格缺陷，具有较强的光催化活性，在紫外线照射下易粉化，导致耐候性、润湿性及分散性等应用性能降低，进而影响产品的使用寿命，因此通过在钛白粉的表面包覆一层或多层无机、有机膜使其表面与介质间形成一道屏障，可降低光催化活性，增强钛白粉耐候性、分散性、抗污性等应用性能。
2.3.1无机表面处理对钛白粉性能的影响
表2为表面处理包膜试验各组分组情况，表3为对应分组钛白粉的吸油量性能测试。从表3可以看出，不同的包膜量对钛白粉的吸油量存在较大的影响，在包膜量低时，钛白粉的表面仍存在少量缺陷，表现为吸油量较高。随着包膜量的上升，钛白粉表面的缺陷逐渐修复，孔隙减小，表现为吸油量逐渐减小。随着无机包膜机的进一步增加，可能会出现因包膜不均匀而形成积聚的情况，反而使吸油量上升。因此，结合上述情况，E组包膜量更符合要求。
表2表面处理小试包膜用量分组%
表3各组包膜试验组吸油量对比g·10g-1
与此同时，对表面处理前后的钛白粉试样A、B做红外光谱分析，所得结果如图2所示。
图2样品A和样品B的红外光谱
在表面处理前的钛白粉样品A和经表面处理后的钛白粉试样B的红外光谱分析图如图2所示。由图2可知，样品A和样品B在3 166 cm-1处均出现-OH基团的伸缩振动峰和H-O-H的弯曲振动峰，这是由于金红石型钛白粉表面含有大量的羟基，同时伴随着少量水分的引入，由于相对的包膜含量较少，对表面羟基吸收峰影响不大。同时观察到B在562 cm-1处有一个微弱的吸收峰，这是由于氧化铝包覆在钛白粉表面形成了金属键。2.3.2有机表面处理对钛白粉性能的影响
钛白粉的有机包膜通常是在钛白粉经气流粉碎时添加，有助于有机包膜剂更好地包覆在钛白粉的表面，钛白粉在气流粉碎前后的粒径对比情况见表4。
表4汽流粉碎钛白粉前后粒径对比
对于气流粉碎过程中添加的粉碎助磨剂，本实验选用三甲基硅醇（样品1）、聚甲基硅氧烷（样品2）分别进行实验，并对所得钛白粉进行应用性能评价。
表5为用三甲基硅醇和聚甲基硅氧烷2种具备耐高温属性的有机助剂在汽流粉碎时进行添加使用，通过对所制备出的钛白粉进行应用性能测试。从表5中可以看出，所制得的钛白粉耐温性能表现较好，耐晒性能也较好，但由于有机硅烷附着在钛白粉的表面使钛白粉外表面主要以亲油基团为主，亲水性差，应用在强化木地板纸上的施工性能较差，表现为耐磨性不足，难以完全应用，相比之下三甲基硅醇作有机助剂使用时，各项性能表现基本符合生产需求。
表5应用性能测试试验数据
本文针对性地制备出一种强化木地板装饰纸专用金红石型钛白粉，并对其制备工艺和应用情况进行测试及分析。确定了晶种钛液添加量在2%时，偏钛酸的性能最佳，并确定了硅酸钠加量2%、偏铝酸钠加量4%所处理的钛白粉吸油量较低。通过在气流粉碎过程中添加三甲基硅醇，制得的钛白粉综合性能优异，应用情况好，满足客户需求。
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