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涂料行业为什么离不开钛白粉?非金属矿粉体如何借机“上位”?

2018-12-22 来源:研发中心

钛白粉被称为白色颜料之王,具有折射率高、消色力强、遮盖力大、分散性好、白度高、无毒等特性,广泛应用于涂料、塑料、油墨、造纸、化纤、陶瓷等行业。其中涂料用量最大,约占钛白粉总量的57%

 

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钛白粉在涂料中的应用特性

 

钛白粉是涂料用最多的一种白色颜料,其产量占无机颜料的70%以上,消费量占白色颜料总消费量的95.5%。目前,世界上约60%的钛白粉用于制造各种涂料,特别是金红石型钛白粉,大部分被涂料工业所消耗。

 

用钛白粉制造的涂料,色彩鲜艳,遮盖力高,着色力强,用量省,品种多,对介质的稳定性起保护作用,并能增强漆膜的机械强度和附着力,防止裂纹,防止紫外线和水分透过,延长漆膜寿命,多彩花纹涂料中几乎每一个图案的配色都离不开钛白粉。

 

1)粉末涂料

 

不同种类不同用途的涂料对钛白粉有不同的要求,如粉末涂料就要求用分散性好的金红石型钛白粉。锐钛型钛白粉消色力低,光化学活性强,用于粉末涂料中,涂膜容易出现黄变。而硫酸法生产的金红石型钛白粉具有价格适中、分散性好,遮盖力和消色力好等优点,非常适合用于户内粉末涂料,而户外粉末涂料用钛白粉除了要求分散性、遮盖力和消色力好外,还要求具有很好的耐候性,因此,户外粉末涂料用钛白粉一般为氯化法生产的金红石型钛白粉。

 

2)水性涂料

 

水性涂料是指涂料配方中的挥发性物质绝大部分是水的涂料,随着人们环保意识的增强和环保法规的日趋严格,水性涂料已经普及。和溶剂型涂料一样,要求钛白粉白度和分散性好,遮盖力、消色力和耐候性高,杂质含量低等。

 

目前市场上的钛白粉大多都是通用型的钛白粉,既可以用于溶剂型涂料,又可以用于水性涂料,但是,毕竟水性涂料和溶剂型涂料存在本质上的差别,这些通用型的钛白粉在水性涂料中分散效不是很好,因此,为了使钛白粉能在水性涂料中很好的分散,要有针对性的选择钛白粉表面处理方式。

 

3)建筑涂料

 

建筑涂料要求耐酸、耐碱、抗水、防潮,不论在粗糙或光滑的基层表面均要有良好的附着力。用于建筑涂料的钛白粉除了要求具有以上提及的好的光学性能和颜料性能外,最重要的是要求钛白粉具有高的耐候性,抗粉化能力强,尤其是外墙用建筑涂料。

 

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钛白粉各项指标对涂料性能的影响

 

1)白度

 

钛白粉作为一种优质的涂料用白色颜料,其白度至关重要,是涂料要求的关键质量指标之一,钛白粉白度差,会直接影响涂膜的外观。

 

影响钛白粉白度的最主要因素是其中有害杂质的种类和含量,因为钛白粉对杂质非常敏感,尤其是金红石型钛白粉,所以,即使是微量的杂质,也会对钛白粉白度产生明显的影响。

 

氯化法工艺生产的钛白粉白度往往比硫酸法工艺生产的好,这是因为氯化法工艺生产钛白粉所用的原料四氯化钛已经蒸馏净化,本身杂质含量少,而硫酸法工艺所用的原料杂质含量高,只能通过洗涤和漂白等工艺技术来除掉杂质。

 

钛白粉粒子的形状、大小和粒径分布,以及钛白粉出现不理想的晶体结构和混晶现象也会影响其白度。为了使钛白粉具有最佳的白度,要求钛白粉为球形颗粒,表面光滑圆润,不带棱角,不团聚,粒径分布控制在0.15-0.35μm

 

2)遮盖力

 

遮盖力为每平方厘米被涂物体的表面积,在达到完全被遮盖时,需要用颜料的最低质量。涂同样面积的表面,所用钛白粉的遮盖力越大,涂膜便可以越薄,所需的涂料量越少,则所需要钛白粉的量也越少,如果钛白粉遮盖力降低,为达到同样的遮盖效果,所需要的钛白粉量增加,则生产成本就会增加,且钛白粉用量增加,会导致钛白粉在涂料中难以分散均匀,出现聚集,同样会影响涂料的遮盖效果。

 

钛白粉遮盖力大小主要由其本身的折射率来决定,金红石型钛白粉的折射率是所有白色颜料中最大的,因此其遮盖力也最高,锐钛型钛白粉次之。其次,钛白粉粒子的形状、大小、粒径分布和分散程度也会影响其遮盖力,在大于可见光半波波长的范围内,钛白粉粒子表面越光滑,粒径越小,表面积越大,分散越好,其遮盖力越大。

 

3)耐候性

 

涂料对钛白粉的耐候性要求高,尤其是户外用表面涂料,要求高耐候性或超高耐候型的钛白粉。使用耐候性低的钛白粉,涂膜会出现褪色、变色、粉化、开裂、剥落等问题。金红石型钛白粉的晶体结构比锐钛型钛白粉的结构更为紧密,光化学活性低,因而耐候性也远高于锐钛型钛白粉,所以涂料用钛白粉基本上全是金红石型钛白粉。

 

提高钛白粉耐候性最主要的方法是对其进行无机表面处理,即在钛白粉粒子表面包覆一层或多层无机氧化物或水合氧化物,其中氧化锆和致密氧化硅包膜是目前公认的耐候性最好的包膜方式,氧化锆包膜技术国内已经掌握,但致密氧化硅包膜技术仍然被国外垄断,国内还未能攻破,有待继续研究。

 

4)分散性

 

钛白粉为超细粒子,比表面积大,表面能高,颗粒之间容易发生聚集,在涂料中难以稳定分散。钛白粉分散性差会直接影响其在涂料中的消色力、遮盖力和表面光泽度等光学性能,而且还会影响涂料的贮存稳定性、流动性、流平性、涂层耐久性、防腐蚀性和导电性等应用性能,此外,还会影响涂料的生产成本,因为研磨分散作业的能耗高,占涂料制造过程总能耗的大部分,且仪器设备的损耗大。

 

影响钛白粉分散性的因素主要有钛白粉粒径大小、比表面积、表面自由能、表面电荷、pH值、极性、表面吸附状态等表面性质,此外,也与展色剂的性质、分散剂的种类和用量、研磨分散设备和分散工艺等因素有关。

 

为了使钛白粉在涂料中达到最好的分散效果,使钛白粉粒子在涂料中处于或接近于原始粒子状态,充分体现其优异的性能,通常在钛白粉生产过程对其进行表面处理,提高其分散性,此外,在涂料生产过程中也要选择正确的润湿分散剂、研磨分散设备和分散工艺。

 

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非金属矿粉体能否顶替钛白粉上位

 

钛白粉是迄今为止性能最好的白色无机颜料,广泛应用于涂料、塑料、油墨、造纸、橡胶、化学纤维和化妆品等领域。但是其昂贵的价格和近年来价格大幅走高的态势让一些下游用户苦不堪言!如果能够利用价格相对低廉的非金属矿物对钛白粉进行替代或者部分替代,将会大幅降低生产成本。

 

钛白粉的颜料性能通过光学性能体现,其光学性能主要取决于二氧化钛粒子的表面性质,内核几乎不发挥作用,因此很研究人员和企业致力于开发研究矿物/钛白粉复合颗粒材料,以制备出高性能、低价格的钛白粉替代品。

 

近年来,我国先后开发了硫酸钙、碳酸钙、高岭土、滑石、云母、硅灰石等矿物-TiO2复合颜料,以替代或部分替代钛白粉,用于化妆品、涂料、造纸、塑料等行业。


1)硫酸钙

 

由于无水硫酸钙的高白度(能达到98%)以及良好的不透明性等,它能部分取代二氧化钛用作涂料中的白色颜料。经美国USG 石膏澳门金沙博彩试验,无水硫酸钙替代20%的钛白粉时,其白度,L,a,b 和不透明度值并没发生显著变化。实践证明,通过间接煅烧制备的超细无水硫酸钙填料在凭借其良好的着色性能,窄粒度分布,以及非磨料的特性,能使色彩制造商在不牺牲质量 的前提下,减少制造成本。
 


2)碳酸钙

 

碳酸钙来源丰富,价格低廉,本身白度高、比表面积大、遮盖力强,也是是重要的白色颜料。檀倩等采用机械力活化的方法制备碳酸钙-钛白粉复合材料,该碳酸钙-钛白粉复合颜料的遮盖力22.8g/m2、吸油量22.5g/100g、白度95.50%,明显已经具有类钛白粉的颜料性能。

 

3)高岭土

 

涂料用白色颜料目的是产生白颜色和产生遮盖性的,高岭土虽不能替代钛白粉,但可产生协同作用,提高钛白粉的有效利用率,减少用量,这时对高岭土的白度和细度要求非常严格。

 

20183月,英格瓷(Imerys)提出了以高岭土部分替代钛白粉,减少20%钛白粉用量的方案,可有效解决在在涂料和油墨领域钛白粉的替代性问题。

 

另外,巴斯夫也表示:其Ultrex颜料添加剂也具有良好的着色力和遮盖力,是性价比高的钛白粉替代品。该产品是以超细化煅烧高岭土为主要成分的颜料,广泛用于平光、蛋壳光、低光和特殊涂料;也适用于高白度的油墨、塑料及其他领域。

 

4)硅灰石

 

硅灰石是一种偏硅酸盐矿物,其折光指数(1.63)高于许多白色矿物,表面易生成OH-等活性基团,这些特征都有助于在制备以硅灰石为基体,通过表面包覆TiO2的复合颜料中形成协同效应。

 

陈婉婷等采用水介质中湿法超细研磨方式制备了硅灰石-TiO2复合颜料,其性能与钛白粉相当TiO比例45%的复合颜料遮盖力为17.97g/m2,比TiO2按自身比例的贡献值提升36.08%。硅灰石-TiO2复合颜料的颗粒以TiO2颗粒均匀包覆在硅灰石表面为特征所形成。

 

目前来看,非金属矿粉体材料暂不能完替代钛白粉,但通过制备与钛白粉性能相似的矿物-TiO2复合颜料,可明显缓解钛白粉生产和应用中存在的资源、环境与成本价格等问题,同时还有利于非金属矿物资源的高效利用。
 

 

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