钛白粉的介绍之颜料性能

一阳天下 · 发表于 2011-1-17 10:40:26

所谓颜料特性，主要是指颜色、遮盖力、着色力，耐候性和吸油量等指标。

１、颜色

作为一种白色颜料，这里指的是它的白度。所谓“白度”，就是物质对可见光吸收和反射两部分之比，它综合了色调和亮度两种光学效果。

我们知道，白昼的自然光（日光）是由许多不同的波长的光波组成。每一种波长的光具有它特定的一种颜色。各种不同颜色的光组合起来，就成为白光。而物体的不同颜色是由于它们对自然光中不同波长的光波吸收或反射的程度不同而产生的。二氧化钛能对各种不同波长的光均匀地反射，因而呈现白色。

但TiO2与可见光的作用并非完美无缺，它在均匀反射的同时，对可见光近紫外的400-500nm区域具有一定的吸收作用，因而和最佳的白色颜料氧化镁比带有轻微的乳黄色，而锐钛型的吸收程度比金红石型小，所以比金红石型外观稍呈蓝相。影响二氧化钛白度的因素是复杂的，在钛白粉生产中，具有实际意义的是二氧化钛中的杂质含量和粒径与粒径分布。因此为了提高白度，除了尽可能的减少杂质含量，提高化学纯度，避免二氧化钛晶格出现缺陷，同时还要调整和控制二氧化钛的粒径和粒径分布，增强其分散性。

在硫酸法生产中，影响钛白粉白度的主要因素，首先是它所含有的有害杂质的种类和含量。对某些杂质，即使含量甚微，也会对白度产生明显的影响。这类杂质主要有铁、铬、钴、铈、铜、锰、钒、铅等。以铁为例，对锐钛型而言，当Fe2O3含量达到0.009%时，即会呈现黄色。同时，这也与钛白的晶型有关，一般地说，金红石型对杂质更为敏感，当Fe2O3含量达到0.003%时即会显示色彩。而氯化法TiO2的生产中，由于所用的原料TiCl4已经过仔细蒸馏净化，所以其产品的白度有可能更好一些。其次，是钛白颗粒的形状、大小和粒度分布。其形状要求外型轮廓光滑，不带棱角，因为带棱角的表面会减弱对光的反射。对粒子大小，一般地说是越细越好，但也不能大细，最理想的粒径为0.2-0.4微米，从理论上说就是相当于可见光的半个波长，当小于此值时粒子将会成为透明的。对于粒度分布，则要求均匀，分布带要狭窄。

白度通常是以颜色指数（Color index，简称CI）表达的。通过测定TiO2颜料在红（R），绿（G），蓝（B）光下的反射值，按下式进行计算：

颜色指数
CI=（R-B）/G×100

计算后如为正值，表示颜料呈黄相；负值表示呈蓝相。

2、光泽

物体的光泽是指物质对投射来的光线的反射能力，反射能力越强，光泽度越大，也就是说光泽是人们肉眼对物体表面所反射的光线强度的感觉，是一种观察者的主观效应。在实际应用中颜料只是涂料组分中的一种，颜料本身无光泽，涂膜才有光泽，但是在实际生产中颜料特征的影响决定了涂膜的光泽。

光泽是表层涂料（面漆）的一项重要指标，涂层中TiO2颜料的分布和浓度对光泽有重要的影响。如果涂膜表面光滑平整，则能折射出镜面般的光泽，然而，由于含有颜料以及流平性不佳等原因，涂膜总是存在一定的粗糙度。

涂膜中应用TiO2颜料的主要原因是利用其不透明度和白度。二氧化钛的反射率很高，又由于二氧化钛具有高的不透明度，所以经它着色后的材料色调鲜明。但如果用量增加，涂膜的表面粗糙度上升，光线在涂膜表面不单是反射，而且会产生散射或漫射现象，所以涂膜的光泽就会下降。因为涂膜的平整度很大程度上受颜料分散度的影响，所以提高颜料的分散性对其在大多数体系中的应用都是相当重要的。当然，应用体系中如含有絮凝剂对光泽也是不利的，因为它会使颜料粒子絮凝，导致涂膜表面不平整。

影响二氧化钛颜料成膜后光泽度的主要原因是它的粒径和分散性，如果二氧化钛的粒径很细，并能均匀地分散到漆料中，则涂抹平整，光滑如镜，光泽度就好，相反二氧化钛粒径过粗，涂膜粗糙，光泽度就会降低，并会带有其他底色，着色后色调发暗。

此外，在杜邦为RM-1做出的测试当中，RM-1光泽在25度和60度均超过龙蟒996及杜邦产品，在高光泽领域中有较好地展现，可以大力推广。

３、着色力和消色力

颜料的着色力是指当它加入到一种涂料介质中以后能改变该种涂料色彩，并呈现出自身色彩的能力。着色力的更新替代名称是消色力，它是指TiO2在一种涂料中能消除该种涂料色彩，呈现出自身色彩的能力。我国TiO2现行国标中规定：是在特制的含有群青的蓝色浆料中，加入定量的TiO2制成的浆料，再与用标准TiO2样品制成的浆料进行色彩比较，称为相对消色力。对白色颜料而言，消色力不只是由这种白色颜料本身的性质而定，还取决于体系的所有组分，包括黑色或有色颜料和载色剂，以及它们之间的相互作用。

着色力是二氧化钛的重要特性指标，就是二氧化钛与另一种颜料混合后，能够得到混合物显示它本身颜色的能力。着色力是颜料对光的吸收和散射的结果。二氧化钛是一种白色颜料，对光的吸收非常小，不像有色颜料，光的吸收起着重要作用，因此其着色力的大小，主要取决于它对可见光的散射能力，散射力大，着色力高。一般说来，有较高的折射率，就有较高的消色力。二氧化钛的着色力高于其它白色颜料，金红石型二氧化钛的着色力高于锐钛型的。

同遮盖力一样，二氧化钛的着色力与二氧化钛的粒径、粒径分布和分散性有很大关系。消色力还随着粒度的减小和粒度均匀性的增加而增大。金红石型钛白之所以在白色颜料里消色力最高，就是因为它的折射率最大、粒度小而均匀（在0.15-0.3微米）。

二氧化钛的消色力还与它的制备条件有关。例如：提高钛液的稳定性、确定合适的铁钛比和酸比值（F值），优化晶种和水解的方法和条件，配以正确的煅烧和粉碎的操作，对提高消色力乃至遮盖——最重要的颜料性能是至关重要的。

４、耐候性（耐久性）

耐候性是指颜料在日光曝晒下，能抵抗大气的作用，避免发生黄变、失光和粉化的能力。影响涂膜的耐久性归结于两方面的原因：树脂基料由于紫外线的作用出现降解；TiO2颜料的光化活性。

TiO2颜料的光化活性是因吸收紫外线而引起的。TiO2对涂膜降解究竟是起促进或延缓作用，取决于其光化活性是大于或小于树脂基料单独存在时被降解的速度。TiO2光化活性引起涂膜降解的机理是：吸收了紫外线之后，激发出电子，在晶格中留下带正电性的空穴，这种激发电子和空穴可能在晶格内重新结合，也可能游离到晶格表面，于是，便发生引起周围基料介质连续的化学反应：

TiO2+hv
e（-）+空穴（+）

空穴（+）+OH
OH+（吸收）

e+O2
O2-（吸收）

O2-（加成）+H2O
OH-+ HO2-

反应中所产生的羟基和过羟基团都能引发有机树脂基料分子的破坏。从反应式中很明显看出，氧气和湿气是TiO2发生光催化降解现象的基本条件。

在TiO2的两种晶型的产品中，锐钛型的光化活性要大于金红石型。

为了降低TiO2，尤其是用于户外金红石型TiO2的光化活性，提高其耐久性，可以考虑的途径有两种：首先是在金红石型的晶格中混入能起稳定作用的元素（一般为锌和铝），使晶格中的空穴和电子的位置固定，防止其到达晶粒表面，另外用致密的硅、铝的氧化物，更新的是用锆的水合氧化物对金红石型晶粒基体进行包覆，在TiO2晶粒表面形成屏障，避免出现降解现象。这两种技术的综合应用，能很大程度上降低TiO2的光化学活性，从而又开发出一系列的高耐久性的产品。

５、吸油量

颜料的吸油量是指每100g颜料在达到完全润湿时所需要用油的最低克数，用百分率表示。吸油量也是钛白粉的重要颜料性质之一，因为它涉及到钛白粉在展色剂中的填充状态，并能说明它在介质中的分散性能。在涂料工业中用于油漆混炼前估计涂料的稠度，指导涂料的配方。

吸油量是产品粒径、粒形、比表面积和粒子表面状态的函数，也是颜料的三大关键指标（消色力、颜色、吸油量）之一。影响吸油量的因素较多，如粒子小，比表面积大，粒子表面所包裹的油度，吸油量就高；凝聚和絮凝的颗粒多，粒子之间的间隙较大，间隙中所需要填充的油多，吸油量也高；片状颗粒，在捏合时呈平行排列，孔隙小，吸油量低；针状或不规则形状的颗粒，由于孔隙较大，吸油量高；而接近球形的颗粒，理论上吸油量在40%左右。

对吸油量应有正确的认识，并不能简单地认为总是越低越好。对用于溶剂型涂料、塑料等领域的颜料，吸油量应尽可能低，因为高吸油的颜料在这些产品中应用会造成多废基料及引起涂料产品粘度增稠等弊端。但是对于平光乳胶漆，为了使在高PVC下的涂膜产生高的干遮盖力，所应用的TiO2颜料必须经过高量疏松状无机表面包膜（SiO2/Al2O3），这种包覆物是多孔性的，比表面积大，因而吸油量也大。如R-780的吸油量为33，而R-780-2为40以上。

6、着色底相

着色底相又称灰漆色调，或底层色相。它受二氧化钛的平均粒径及其散射能力的大小影响十分明显，不同的粒径在不同的波长下会呈现不同的色调，可以用下式表示：

底色＝蓝色调/红色调

当二氧化钛的平均粒径为0.2μm时，它对可见光中的短波蓝光（400nm）有较强的散射力，底层色相带有较微的蓝相，当二氧化钛的平均粒径为0.4μm时，它对可见光中的长波红光（700nm）有较强的散射力，底层色相带有较微的红相。所以，SCX值取在一个范围，并不是越高越好或者越低越好，值高了，蓝色调太明显，将变成蓝色颜料，反之，则相反。

在取色时，使用正确底色的钛白粉对精确取色而言，至关重要。这种底色差很难用颜料的颜色来补救。

7、颜料体积浓度

因为干的油漆膜是一种三元结构，各个成分之间的体积关系，对油漆性能有重要作用。颜料体积浓度（PVC）是油漆内的全部颜/填料对整个不挥发物的体积比。就白色油漆来说：

颜料体积浓度％＝颜料体积（二氧化钛＋填充料）/(颜料体积＋胶粘剂体积)×100％

在称为临界颜料体积浓度的特定颜料体积浓度百分比时，油漆的许多物理性质和光学性质会突然变化。例如光泽、透气性、多孔性，遮盖力、着色强度和底彩这类性质都与颜料体积浓度有直接关系。

（1）颜料体积浓度对散射系数和遮盖力消色力等性能的影响

当二氧化钛的颜料体积浓度增加至10%以上时，由于二氧化钛粒子的聚集会使绕射光的散射效率减少，这个效应的结果会使遮盖力降低，在颜料体积浓度较低时，散射取决于介质单位体积中的钛白粉粒子数。在某一颜料体积粘度，粒径愈小含有的粒子数愈多，散射光就越多。相应的遮盖力和消色力也较高。但在高颜料体积粘度区，由于粒子数甚多，粒子间距离减小，当粒子间距离小于入射光波长的一半时，光学上就不能实现逐粒析象的要求，以致产生粒子密集现象，使散射能降低。此时，粒径大的粒子，单位体积内的粒子数少，不易产生密集现象，所以散射能高。

（2）表面处理与颜料体积粘度防止二氧化钛粒子在高颜料含料系统中拥挤的一个办法，就是在颜料表面加上涂膜，表面涂膜作用就像物理性间隔片，保持相邻的二氧化钛粒子的间隔，使其在颜料粘度增加时，绕射光的散射效率损耗减至最小程度。

（3）颜色、颜料体积粘度和粒子大小粒子大小和二氧化钛颜料体积粘度的综合效应对调色漆的颜色有很大的影响。

（4）颜料体积浓度和不透明度的关系在一定PVC时，其不透明度可达最高，而随PVC含量增加，不透明度反而下降。在同一PVC下薄膜愈厚其不透明度愈大。

此外，还有另外一种说法，即颜基比，是颜料和基料之比。

8、光色互变现象

含有氧化铁、氧化铬、氧化镍等杂质的二氧化钛在阳光照射下会变为褐色，离开阳光后恢复原色，这一性质称为光色互变现象，但纯二氧化钛一般无此性质。