钛白粉的性能及其在涂料中的应用

hujian662000 · 发表于 2010-1-28 17:28:28

概要：阐述了钛白粉的分类、质量标准、性能、用途及其在涂料中的作用和应用。
1 颜料级钛白粉的分类和质量标准
钛白粉颜料分为锐钛型和金红石型2种，按国际惯例，分别称为R型和A型。未经后处理的金红石型和锐钛型分别称为RI型和AI型;经过后处理的金红石型和锐钛型分别称R2、R3和A2型。目前市售的金红石型钛白粉绝大多数属于R2和R3型，其中R2型销售量占70%以上。R2和R3分别占涂料用金红石型钛白粉的77%和22%。
目前我国使用的型号与国际惯例有所不同。颜料钛白粉只分3种，即BA0101型、BA0102型和BA0103型。BA0101型和BA0102型为锐钛型，BA0103型为金红石型，BA0101是未经后处理的，BA0102和BA0103是经过后处理的。我国颜料钛白粉的质量标准参见GB/T1706—93。
我国的标准与国外标准差距很大。特别是金红石型钛白粉只有一个型号，使许多新开发的、引进的和专用的钛白粉品种无法与我国现行标准对照使用。同时我国生产厂和用户长期以来只依照国家标准来控制和验收产品质量，而不是根据用户需求通过变更工艺过程，生产出满足客户不同需求的产品。据悉我国很快就要出台新的标准。
为什么BA0102锐钛型和BA0103金红石型的钛白粉要经过包膜后处理呢?原因是经过包膜后处理后，钛白粉的水溶物降低，不易凝聚，吸油量降低，并且白度、电阻率、消色力、遮盖力、颜料研磨分散性、漆浆贮存稳定性、漆膜耐水性、耐光性、耐候性和耐久性等都得到提高，从而提高钛白粉的质量。
在我国不论采取硫酸法还是氯化法，制备的金红石型钛白粉的质量都比进口的R一930和R一902等金红石型钛白粉差，主要表现在消色力低、遮盖力低、耐候性差、油分散性差、吸油量高。因此国产金红石型钛白粉至今仍抵御不了进口金红石型钛白粉的竞争，以至每年都要进口大量金红石型钛白粉。
2 颜料级钛白粉的性能和用途
基于颜料级钛白粉具有折射率高、消色力强、遮盖力大、分散性好、白度好、无毒、物理和化学性质稳定，并且具有优良的光学、电学性能。因此其用途十分广泛，涂料、塑料、造纸、化纤、油墨、橡胶、化妆品等都要用到颜料级钛白粉。其中用量最大的是涂料，约占57%。特别是金红石型钛白粉，大部分被涂料工业所消耗。随着中国汽车工业、建筑工业和水性涂料的迅速崛起，涂料工业不仅从数量上需要更多的钛白粉，而且对质量要求更高、品种要求更多。
金红石型钛白粉的折射率为2.76，锐钛型钛白粉的折射率为2.55。遮盖力是由颜料的折射率和介质的折射率之差来决定的，它们的相对数值可根据公式计算出来。金红石型钛白粉的反射系数比锐钛型钛白粉高25%~30%，说明若与锐钛型钛白粉产生同等的遮盖力，则金红石型钛白粉的用量可以减少25%～30%。另外，金红石型钛白粉的结构致密，比较稳定，光化学活性小，能耐紫外光的照射，在室外不易粉化，耐候性、光泽度比锐钛型钛白粉好。因此广泛用于高度耐候性的各种高级船舶、桥梁、汽车、建筑等室外用涂料，其在涂料的用量约占70%，而锐钛型钛白粉易粉化、易泛黄，一般只用于室内涂料或底漆，其用量只占涂料所用钛白粉的30%。
3 颜料级钛白粉在涂料中的作用
涂料是由基料、颜料、填料、溶剂和助剂等组成的黏稠悬浮液。将其涂布在物体表面形成一层坚韧的涂膜，对物体起到装饰和防护的作用。
涂料中的颜料具有一定的遮盖力，它不仅能遮住被涂物面原来的色彩，还能赋于涂膜鲜艳的色彩，达到美观和装饰的作用。同时颜料与固着剂紧密结合，融成一体，能增强涂膜的机械强度和附着力，防止裂纹，并且能增加涂膜厚度，防止紫外线及水分等的穿透，提高涂膜耐老化性能，延长使用寿命。
不论溶剂型还是水性涂料，若使用了钛白粉，其作用不仅仅是遮盖和装饰，更重要的作用是改善涂料的物化性能，增强化学稳定性，以至提高遮盖力、消色力、防腐蚀性、耐光、耐候性，增强漆膜的机械强度和附着力，防止裂纹，防止紫外线和水分的透过，从而推迟老化，延长漆膜寿命。同时还可节省用料和增多品种。
在颜料中，白色颜料用途最广，白色涂料和浅色涂料都要用到它，所以在涂料生产中，白色颜料的用量要比其他颜料多得多。涂料常用的白色颜料有锌白、锌钡白、钛白等。由于有些合成树脂涂料聚合度较大，若加入锌白，则因锌白有碱性，与涂料中的游离脂防酸作用而有变稠的倾向;若加入锌钡白，则耐候性差。但是使用了钛白就可以改善上述缺点。因为钛白粒子细小而均匀，光化学稳定性高，在遮盖力方面，金红石型钛白是锌白的7倍、是锌钡白的5.56倍，锐钛型钛白是锌白的5.57倍、是锌钡白的4.3倍;在消色力方面，金红石型钛白是锌白的8.3倍，是锌钡白的6.25倍，锐钛型钛白是锌白的6.4倍，是锌钡白的4.8倍。在使用效果方面，1t钛白至少相当于4t锌钡白;在使用寿命方面(指室外抗粉化性)，用钛白作颜料的涂层比锌钡白作颜料的涂层高3倍。因此，使用钛白可以大大降低整个涂料中颜料的用量，同时制成的涂料色彩鲜艳、不易泛黄、耐光、耐热、耐磨、耐候、耐碱、耐硫、耐稀酸。正是由于钛白具有比锌白、锌钡白更优越的性能，以至成为涂料生产中必不可少的最好的白色颜料。钛白用量占涂料用颜料总量的90%以上，占涂料用白色颜料的95%以上。在涂料原材料成本中占10%～25%。
4 颜料级钛白粉在涂料中的应用
基于颜料级钛白粉既具有优异的颜料性能，又无毒，且人们对白色和浅色作为一种装饰色，有着日益增长的需求和偏爱，因此，钛白粉在涂料中的应用很广泛，汽车、船舶、建筑、木器和金属家具、家用电器、卷材涂装、玩具和日用品等的涂料都用到钛白粉。在涂料产品中，消耗钛白粉最多的是建筑涂料(含交通标志涂料)，约占涂料用钛白粉总量的60%，其次是用于汽车、船舶、铁路车辆、家具的工业涂料，约占25%，特种涂料约占l5%。其应用主要在下列几方面：
(1)量大、面广的纯白色涂料需要大量的颜料级钛白粉;
(2)在多彩花纹涂料中，几乎每一种图案的配色都离不开颜料级钛白粉。汽车漆中，除了金属闪光漆和黑色漆不使用钛白粉外，其余皆用钛白粉，甚至底漆也用.原因是含有钛白粉的底漆，不仅色浅、明亮、遮盖力大，还能增加涂膜的完整性。
(3)浅色、复色涂料也需要较多的颜料级钛白粉。如珍珠色含钛白粉95%、铁黄2%、中铬黄3%;淡紫色含钛白粉97.2%、铁黄1.8%、中铬黄l%;粉红色含钛白粉99%，天铁蓝含钛白粉94.8%，淡铁蓝含钛白粉91%。
(4)在耐高温和超耐久等特种功能型涂料中，也少不了颜料级钛白粉。
(5)将金红石型钛白粉放在水中搅拌打浆，并升温至70～80℃，在此温度下缓慢加入氯化锡和氯化锑的乙醇溶液，由于水解作用，在钛白粉粒子表面形成氧化锡和氧化锑的包膜，经过滤、水洗，在500℃条件下保持2h，可以得到氧化锡导电包膜层，这种导电钛白粉可作为涂料的导电材料(防静电材料)。
(6)随着环保形势的发展和技术的进步，现在大多数涂料，甚至高档涂料都水性化了，水性涂料需要水性钛白粉，水性钛白粉的生产是在硫酸法锐钛型钛白粉生产基础上进行的。通常采用自生晶种稀释法水解工艺，要求产品pH不低于7，等电点大于4，杂质含量要尽量少。广东韶关化工厂生产这种水性钛白粉。
(7)将颜料级钛白粉包覆在于遮盖力较高的体质颜料，如云母、高岭土、碳酸钙、硅灰石、氧化锌、硫酸钡、立德粉、二氧化硅(白炭黑)的表面，制成包核钛白粉，常应用于涂料。
(8)现在发展了一种浆料钛白。对于生产方制造浆料钛白，可以省略干燥和粉碎工序，降低生产成本;对于用户，可省去制浆研磨工艺，减少粉尘污染，降低生产成本，提高产品性能，是一种双赢的做法。一般年用量为200t钛白粉以上的水性体系用户，可选择浆料钛白。目前北美油漆商钛白粉用量的50%是浆料钛白。制浆料钛白也需要颜料级钛白粉。
5 纳米级钛白粉的性能及其在涂料中的应用
颜料级钛白粉的粒径在0.2～0.4μm(即200～400nm)，它对整个光谱都具有同等程度的强反射，因此外观呈白色，遮盖力很强。而纳米级钛白粉的粒径一般在10～50nm，是颜料级钛白粉粒径的1/10，光线通过粒子后发生绕射，因此呈现透明而失去遮盖力。但是纳米级钛白粉具有颜料级钛白粉所不具备的独特的多种奇异性能，因而也就具有颜料级钛白粉所不具备的多种用途。
(1)利用纳米级钛白粉具有紫外线屏蔽的功能，将其制成防紫外线涂料，应用于需要紫外线屏蔽的场所。如涂覆在阳伞的布料上，可以制成防紫外线的阳伞;利用纳米级钛白粉在全部紫外光区都具有有效的紫外线滤除能力，加上其化学性质稳定(熔点大于1800℃，热分解温度超过2000℃)、无毒(大鼠的ID50>5000mg/kg)而得到广泛应用。在清漆和浅色涂料中可以作为紫外线吸收剂，例如在清漆中含有0.5%～4%的纳米级钛白粉，便能防止木材受光照后发黑。同时可以制成耐候性优异的建筑外墙涂料和提高汽车涂料的耐老化性。
特别是金红石型纳米级钛白粉，在汽车面漆中，它还可以起到效应颜料的作用，若与云母珠光颜料(或铅粉颜料)以1：1或2：1拼用时，会生产十分迷人的富有变幻的精美的双色光效应，即随角异色效应。这种金属闪光涂层，从不同方向观察，能看到不同的闪色和变角异色的蓝光;若与银白色珠光钛白粉(或铝粉颜料)拼用，正视时涂膜呈金色金属外观，掠视或平视时则呈蓝色闪光，而金光和蓝光之间的连续变化会贯穿涂膜表面的所有弧面和棱角，因此能增加金属面漆颜色的丰满度和色彩美感。这种效应颜料的神秘色彩和独特超群的光学性能很快便得到汽车涂料商的欢迎，使之成为当代最高档次的颜料，而用于豪华轿车的面漆。将纳米级钛白粉添加在轿车用金属闪光漆中，不仅能使涂层产生很好的色彩效应，而且可以明显地提高轿车漆的附着力、抗冲性和耐候性。1985年BASF公司首次将纳米级钛白粉用于金属色轿车面漆，并于I985年申请专利，I989年由福特汽车公司在其金属闪光轿车面漆中首先使用取得成功，到1991年世界上已有8种含有纳米级钛白粉的金属闪光面漆被应用。目前，世界上有一半以上的轿车采用金属闪光面漆。这是目前纳米级钛白粉的最大用途。
(2)由于纳米级钛白粉具有高活性的巨大表面积，与成膜物和溶剂形成强大的相互作用，可极大地改进涂料的流变性，将其用于建筑涂料，可以提高涂层的附着力，防止涂料流挂。
(3)由于纳米级钛白粉与树脂之间形成强大的界面结合力，因而可以提高涂层的强度、硬度、耐磨性和耐刮伤性等。
(4)由于纳米级钛白粉是具有半导体性质的粒子，将其加入到树脂中，并涂覆到家用电器上形成涂层，有很好的静电屏蔽性能。
(5)由于纳米级锐钛型钛自粉具有光催化特性和亲水性，因而在玻璃、镜面、瓷砖、铝合金等建材表面涂以纳米级钛白粉涂层，可以使这些材料的表面经光照后，具有防尘、防污垢沉积、易洗、易干等“自洁”功能，并且具有很强的氧化还原能力，以及净化空气、除臭等功能，可制成抗菌、防霉内墙涂料。纳米级钛白粉对不同细菌的杀菌率都在92%以上，并且其杀菌效果不会随时间的延长而逐渐降低，甚至消失。
(6)利用纳米级钛白粉的光催化特性可以制得光催化净化大气的环保涂料，将这种涂料涂覆在高速公路、桥梁、建筑物、广告牌、内外墙等的表面上，在太阳光和室内自然光的作用下，可将大气中的NO催化转化为硝酸。并且该涂料在催化活性降低后，只要用水冲洗，即可恢复催化活性。它在消除室内外大气和工厂中的NO等污染物方面和消除化石燃料(石油和天然气)及柴油引擎的催化转化器中产生的硫化物方面，具有潜在的应用前景。