鈦白粉是迄今為止性能最好的白色無(wú)機顏料，廣泛應用于涂料、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(jià)格和近一年來(lái)價(jià)格大幅走高的態(tài)勢讓一些下游用戶(hù)苦不堪言！
鈦白粉的顏料性能通過(guò)光學(xué)性能體現，其光學(xué)性能主要取決于二氧化鈦粒子的表面性質(zhì)，內核幾乎不發(fā)揮作用，因此很研究人員和企業(yè)致力于開(kāi)發(fā)研究碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒材料，以制備出高性能、低價(jià)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，晶體結構無(wú)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上，強化顆粒在相界面間的反應結合即可制備包覆型復合顆粒材料。
1、碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒的制備
采用液相機械力活化的方法制備碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒材料，其工藝流程如下：
碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒顏料制備工藝
該工藝的特點(diǎn)是：濕法超細研磨中形成的機械力化學(xué)效應可促進(jìn)改性中間體的形成或直接促進(jìn)碳酸鈣與鈦白粉之間的反應結合；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/鈦白粉復合白色顏料的制備和形成良好的產(chǎn)品性能。
2、復合顆粒顏料性能的影響因素分析
（1）碳酸鈣細度對復合顆粒顏料性能的影響
表1 碳酸鈣細度對復合顆粒顏料性能的影響
| 復合顏料性能指標 |
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 |
結果表明：碳酸鈣細度對復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%，復合顆粒顏料的遮蓋力數值由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(shí)，效果又明顯變差；故碳酸鈣的細度應選擇-2μm含量70%。
（2）研磨體系固含量對復合顆粒顏料性能的影響
表2 研磨體系固含量對復合顆粒顏料性能的影響
| 復合顏料性能指標 |
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 |
結果表明：隨固含量在35%-55%范圍內逐漸增加，復合顆粒顏料的遮蓋力數值呈現先逐漸降低后增大的趨勢。反應最佳遮蓋力性能的最低值為34.98g/m2，出現在固含量50%的條件下；混合研磨體系固含量對復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選擇50%。
（3）研磨體系機械力強度對復合顆粒顏料性能的影響
表3 研磨體系機械力強度對復合顆粒顏料性能的影響
| 介質(zhì)物料比 |
研磨II時(shí)間
（min） |
復合顆粒顏料性能 |
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(shí)間對復合顆粒顏料的性能均產(chǎn)生重大影響，具體表現為：
?。?）在介質(zhì)物料比為4、5時(shí)，復合顆粒顏料遮蓋力數值和吸油量呈現先逐漸降低而后又增大的趨勢，這說(shuō)明，在進(jìn)一步增大的介質(zhì)物料比條件下，研磨時(shí)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(shí)間再增加，過(guò)強的機械力作用則又使改性效果變差。
?。?）由于機械力是導致顆粒細化的最主要因素，所以介質(zhì)物料比和研磨時(shí)間對復合顆粒顏料粒度的影響十分明顯。
隨介質(zhì)物料比在2?4范圍內增大，相同研磨時(shí)間復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(shí)，研磨時(shí)間在15-45min范圍內增加，復合顆粒顏料逐漸細化，研磨時(shí)間再增加至60min，產(chǎn)物開(kāi)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，從而引發(fā)顆粒間團聚的結果。
故可選擇介質(zhì)物料比4，研磨時(shí)間45min。
?。?）鈦白粉含量對復合顆粒顏料性能的影響
表4 鈦白粉含量對復合顆粒顏料性能的影響
| 鈦白粉含量（%） |
研磨II時(shí)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 |
結果表明：隨鈦白粉含量的增加，復合顆粒顏料的顏料性能逐漸提高；復合顆粒顏料的吸油量隨鈦白粉含量的增加呈現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(shí)間為60min。
3、碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒顏料與其他顏料性能對比
表5 碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒顏料與其他顏料性能對比
| 性能 |
碳酸鈣/鈦白粉復合顏料 |
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；白度略低于RD和RS，但高于RJ和立德粉。
碳酸鈣/鈦白粉復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(shí)防止涂料分層，保持體系穩定。
碳酸鈣/鈦白粉復合顏料的粒度、水懸浮液pH值和105℃揮發(fā)物指標也滿(mǎn)足有關(guān)要求。因此認為，碳酸鈣/鈦白粉復合顏料可作為白色顏料加以應用。
碳酸鈣/鈦白粉復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(jìn)行鈦白粉改性修飾的良好效果。
4、結論
以機械力活化的方法制備碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒材料，其優(yōu)化的工藝參數為：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/鈦白粉復合顆粒顏料的遮蓋力22.8g/m2、吸油量22.5g/100g、白度95.50%，說(shuō)明碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒材料已經(jīng)具有類(lèi)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(jiǎn)單、節約原料和能源、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)，已成功制備了以賦予其顏料功能的高嶺土/鈦白粉復合顆粒材料、水鎂石/鈦白粉復合顆粒材料、硅灰石/鈦白粉復合顆粒材料、碳酸鈣/鈦白粉復合顆粒材料、以增白和提升環(huán)境凈化功能為目標的電氣石/鈦白粉復合顆粒材料等。
想要GET以下新技能：
顆粒復合的主要目的與用途；
顆粒復合的主要方法及其原理；
化學(xué)沉淀法復合顆粒的技術(shù)與實(shí)踐；
機械力化學(xué)法制備復合顆粒的原理與實(shí)踐；
機械力化學(xué)法制備碳酸鈣/鈦白粉復合顏料的工藝與實(shí)踐；
化學(xué)沉淀法制備硅灰石/硅酸鋁復合粉體的實(shí)踐與應用；
珠光云母的制備與應用；
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