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提高钛白粉耐候性的技术研究    
来源:中国涂料在线www.coatingol.com
热词:涂料、油漆、防水涂料、防火涂料、外墙涂料、涂料品牌

【中国涂料在线新闻资讯】

引言
钛白粉即TiO2 颜料,是一种消色力和遮盖力最佳的白色无机颜料,广泛用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶和化妆品等工业。
作为工业级钛白粉产品需根据不同应用领域(如涂料、塑料、造纸等行业)的特点进行后处理,目的是改善其应用性能,如提高钛白粉的耐候性;提高钛白粉在不同介质和应用体系中的分散性;提高钛白粉润湿性;提高遮盖力及光泽等。其中耐候性能是高档钛白粉的主要应用性能, 也是在众多应用领域中表征钛白粉品质的重要指标。故此,在钛白行业提高钛白粉耐候性技术已成为代表企业技术水平的重要标志。
 
1 钛白粉耐候性
耐候性是钛白粉的颜料性能之一, 颜料在制漆涂装后,涂层经日晒雨淋,受阳光、氧气、水和温度等的综合作用,会发生黄变、失光、粉化和失重等老化现象,颜料具有抗拒发生上述变化的能力(或称能抵御紫外线侵蚀的能力),称为耐候性。
钛白粉耐候性变差的原因主要有:(1)颜料的光化学活性;(2)树脂基料受紫外线作用出现降解。钛白粉的光化学活性比较强,是由于它的晶格存在某些缺陷,在阳光特别是紫外线的照射和水、催化剂的作用下,钛白粉中的Ti4+极易被还原为Ti3+,同时释放出具有极强反应活性的初生态氧,致使作为漆基的有机物被氧化,发生高分子链的断裂和降解, 形成可溶性或易挥发性的物质,从而破坏了涂层的连续性。
为了改善钛白粉的耐候性, 可对钛白粉进行包膜处理,在钛白粉颗粒表面包覆一层“致密膜”,防止紫外线的直接照射,并使钛白粉颗粒与漆基的有机物隔离,降低光化学作用的破坏力,避免出现降解现象,因而提高它的耐候性。
 
2 试验部分
在研究提高钛白粉的耐候性之前, 需要确定钛白粉的应用领域,结合应用领域的需求和实际应用环境,确定提高钛白粉耐候性的技术方案。由于金红石(R)型钛白粉的晶体结构比锐钛(A)型钛白粉结构更为紧密,A 型比R 型的光化活性高10 倍,因而R 型比A 型具有更好的耐候性。本项技术研究中所选用的钛白粉均为R 型钛白粉。
在钛白粉耐候处理中, 钛白粉用铝或硅的氧化物包覆,以增加耐候性、抗老化性、改善钛白颗粒在介质中分散性,称为无机包膜法。铝或硅的氧化物也是无机包膜普遍使用的包膜试剂, 本项技术在传统方法的基础上研究了致密硅包膜技术, 同时也探索了一种新的包膜试剂的包膜技术, 以不同的技术方式保证钛白在应用中具有优异的耐候性。根据对杜邦不同型号产品分析(见表1),发现用传统的包膜方法,可以确定硅主要起的耐候性作用,而铝在光泽性上起着关键作用。本文在对传统硅包膜技术进行研究的同时, 结合实际应用对磷锆包膜进行分析研究。

2.1 硅包膜
2.1.1 实验原料与仪器设备
(1)原料
未经表面处理的氯化法R 型钛白浆料, 硅酸钠、硫酸铝、盐酸、硫酸、偏铝酸钠:锦州钛业有限公司。
(2)仪器设备
HH.S11-Ni2 型电热恒温水浴锅:北京长安永创科学仪器有限公司;FN101-1A 型鼓风干燥箱:长沙仪器仪表厂制造;YZ1515 LanGe-Pump:保定兰格恒流泵有限公司;YQ50 实验室小型气粉机: 上海赛三公司;SHB-ⅢA 循环水式多用真空泵:郑州长城科工贸有限公司;表盘式黏度计:美国Brookfield 公司。
2.1.2 实验方法
取一定量的R 型钛白浆料, 充分分散后加热到一定温度,加入硅酸钠溶液,用pH 调节剂维持一定的pH值进行包膜处理,熟化一定时间后降温、出料,洗涤至水溶性盐合格,固液分离、干燥、粉碎,即得到硅包膜试样。
2.1.3 检测方法
(1)酸溶性的测定:值越低,说明致密硅包覆得越均匀完整。
(2)包膜形态确定:高分辨率透射电镜(TEM)扫描样品。
2.1.4 结果讨论
(1)包膜前的分散条件
取一定量的R 型钛白浆料,pH 调为8.0~10.0,搅拌分散,测黏度;加入分散剂,搅拌分散,测黏度,测量结果见表2。
从表2 中可以看出, 随着R 型钛白浆料pH 值的提高,分散黏度下降,即分散效果转好;随着分散剂加入量的增加,黏度呈曲线变化,曲线的峰值处分散剂的加入量为0.2%。
表2 分散剂加量对钛白浆料黏度及其变化率的影响                                                                   

(2)pH 调节剂
采用硫酸铝、盐酸、硫酸3 种不同的酸性溶液作为pH 调节剂,进行硅包膜处理,不同pH 调节剂实验样品测试结果见表3。
表3 不同pH 调节剂硅包膜试样酸溶性测试结果

从表3 可以看出, 采用盐酸和硫酸作为pH 调节剂硅包膜试样酸溶性较低, 说明单一硅包膜比硅铝混包膜试样的酸溶性低,即硫酸铝不利于致密硅包膜。
(3)硅包膜剂用量
以SiO2 计硅包膜量,测试硅包膜量与试样酸溶性的关系,测试结果如图1 所示。
从图1 可以看出,硅包膜量与酸溶性成反比,通常,一般耐候品种要求酸溶性<1.0, 高耐候品种要求<0.5。适宜的硅包膜量为2.5%~3.0%。
(4)最佳方案验证
选用以上确定的关键条件进行方案验证, 试样酸溶性为0.2%~0.4%,TEM 微观形貌观察(见图2),试样硅包膜连续、完整均匀地包覆于钛白粉粒子表面,清晰可见。

2.1.5 实验结论
(1)包膜分散条件:碱性环境pH=9~10,分散剂加入量0.2%最佳;
(2)酸式调节剂:盐酸和硫酸效果优于硫酸铝;
(3)硅包膜剂用量:2.5%~3%最佳;
(4)从扫描电镜照片看,膜层比较均匀致密,包覆效果较好。
2.2 锆磷、铝磷双层包膜
2.2.1 实验原料
未经表面处理的氯化法R 型钛白浆料,无机锆盐溶液、无机磷酸盐溶液、无机铝盐溶液及pH 调节剂。
2.2.2 实验方法
取一定量的未经表面处理的氯化法R 型钛白浆料,充分分散后加热到一定温度,加入至少1 种无机盐溶液,用pH 调节剂控制pH 值在一定范围内进行包膜处理,熟化一定时间;加入pH 剂,控制pH 值在一定范围内,进行2 次包膜处理,熟化一定时间,出料,洗涤至水溶性盐合格,干燥、气流粉碎,即得到双层包膜试样。
2.2.3 性能检测
耐光性的测定(△E):钛白粉在甘油介质中,与氧化还原反应剂混合在一起,置于紫外光下照射,在相同时间内, 以照射前后色差的变化评定钛白粉UV 光稳定性。检测值越低,说明钛白粉的耐光性能越好。
2.2.4 结果讨论
(1)铝磷包膜
改变铝盐和磷酸盐加量, 对铝磷包膜试样进行耐光性检测,结果如图3 所示。
由图3 可以看出, 铝、磷包膜量分别为4.5%~4.8%、0.8%~0.9%和铝、磷包膜量分别为>5%、0.6%~0.7%时,钛白粉的△E 最。茨凸庑宰詈。
(2)锆磷包膜
改变锆盐和磷酸盐加量, 对锆磷包膜试样进行耐光性检测。
由图4 可以看出, 锆、磷包膜量分别控制在>0.3%、0.02%~0.10%时,钛白粉的△E 最。茨凸庑院。
2.2.5 实验结论
(1)钛白粉单铝、单锆和单磷包膜均不能达到较好的耐光性, 双层包膜的铝磷或锆磷包膜量控制在一定范围内,可得到较好的耐光性能最佳。
(2)与铝磷包膜相比,锆磷包膜耐光性更好,耐光性能满足应用行业使用要求。
 
3 产品性能对比
与国外著名钛白粉品牌耐候级产品对比测试情况见表4。可以看出,两者的性能基本相当。
4 结语
(1)钛白粉包膜的前提是钛白浆料中的TiO2 粒子处于充分分散条件下;
(2)硅包膜可以提高产品的耐候性能,但包膜条件的不同影响硅膜的致密程度, 从而影响钛白粉的耐候性能;
(3)锆磷包膜技术能够有效提高钛白粉的耐光性能(主要耐候性能之一),锆磷的加量控制是技术关键点;
(4)硅包膜与锆磷包膜均能起到提高钛白粉耐候性作用, 硅包膜及锆磷包膜实验产品主要性能达到国外同类产品水平。

 

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