0 引言
鈦白粉學名二氧化鈦，是一種重要的白色顏料，跟傳統(tǒng)的鉛白、鋅白、鋅鋇白等白色顏料相比，鈦白粉具有折射率高、消色力強、遮蓋力大、分散性好、白度好、無毒等多種優(yōu)異性能，被稱為白色顏料之王，廣泛應用在涂料、塑料、油墨、造紙、化纖、陶瓷等行業(yè)。其中涂料用量最大，約占鈦白粉總量的５７％。
涂料，俗稱“油漆”，是一種可通過不同的施工工藝涂覆在物體表面，形成粘附牢固、具有一定強度的連續(xù)固態(tài)薄膜物質(zhì)，能對物體起到保護、裝飾和特性功能作用。涂料具有很多優(yōu)點，①涂料應用范圍廣，能廣泛的應用在各種不同材質(zhì)的物體表面，如金屬、木材、水泥制品、塑料制品、皮革、紙制品、紡織品等；②涂料品種繁多，能滿足不同性能的要求，可根據(jù)需要生產(chǎn)出不同性能的涂料；③涂料使用方便，一般用比較簡單的方法和設備就可施工在被涂物體表面；④容易維護和更新，物體上的涂膜舊了可以擦洗或重涂，部分破損可以修補，也可根據(jù)需要改變涂膜外觀，不需要較大投資即可經(jīng)常得到新的涂膜。由于其優(yōu)點和所發(fā)揮的作用對人類社會做出了巨大的貢獻，因而得到了長期廣泛的應用和發(fā)展。本文從鈦白粉的性能，鈦白粉在涂料中的作用及其應用現(xiàn)狀，鈦白粉主要質(zhì)量波動對涂料的影響等幾個方面進行概述，并就涂料用鈦白粉的發(fā)展提出幾點建議，為鈦白粉在涂料中的應用提供參考。
1 鈦白粉的性能
二氧化鈦按結晶形態(tài)可分為板鈦型、銳鈦型和金紅石型，板鈦型很不穩(wěn)定，溫度高于６５０℃時就會直接轉化為金紅石型，無實際的工業(yè)價值，目前工業(yè)上實際應用的只有銳鈦型和金紅石型鈦白粉。而銳鈦型晶體結構不如金紅石型致密，折射率低于金紅石型，因而其遮蓋力和消色力比金紅石型低２０－３０％，耐久性也遠不如金紅石型，因此，涂料工業(yè)主要用的是金紅石型鈦白粉。
鈦白粉無毒，化學性質(zhì)很穩(wěn)定，常溫下幾乎不與其它物質(zhì)反應，但是，二氧化鈦本身存在一些晶格缺陷，其表面上存在許多光活化點，在光作用下，鈦白粉可發(fā)生連續(xù)的氧化還原反應，具有光化學活性，所以，現(xiàn)在涂料用鈦白粉都要經(jīng)過表面處理。顏料的折射率是支配顏料光學性能的首要因素，也是其它性能的基礎，而光學性能與顏料性能又是密不可分的，顏料性能是光學性能的具體表現(xiàn)形式，表１列出了鈦白粉和其它常見白色顏料的光學性能和對應的顏料性能，從表１中可以看出，鈦白粉的折射率最高，其它顏料性能指標也最好，所以鈦白粉是必不可少，用量最多的白色顏料。
鈦白粉與其它白色顏料的光學性質(zhì)對比
粒徑的大小對二氧化鈦的光學性質(zhì)和顏料性能有很大的影響，在可見光范圍內(nèi)，鈦白粉最適宜的粒徑范圍在０．１５－０．３５μｍ，相當于被散射可見光波長的一半，粒徑在此范圍的鈦白粉，具有最高的散射力，白度、遮蓋力、消色力和光澤度等也最好。
分散性是指顏料在被著色介質(zhì)中的分散能力，在一定條件下，在一定的時間內(nèi)顏料粒子在基料介質(zhì)中的分散程度，或者在一定的分散條件下，在體系中達到一定的分散程度所需要的分散時間，分散性又稱研磨分散性或研磨潤濕性，在以水為分散介質(zhì)時又稱為水分散性。分散性是二氧化鈦顏料的重要應用性能指標，直接影響其消色力、遮蓋力、表面光澤、吸油量等指標，用在涂料中時，其在涂料中的分散性好壞影響涂料的貯存穩(wěn)定性、流動性、流平性、涂膜光澤、耐候性等等，而且還直接影響涂料生產(chǎn)過程中的研磨分散時間。因此，為了提高鈦白粉的分散性，生產(chǎn)廠家通常都是對其進行表面改性處理，添加有機或無機的表面活性劑，以增強其在不同展色劑中的親和能力，從而提高鈦白粉的分散性和分散穩(wěn)定性。
耐候性是指二氧化鈦顏料的涂膜暴露在室外氣候環(huán)境下，抵抗日光和大氣的作用，避免發(fā)生變色、粉化、失光的能力。影響耐候性的因素很多，二氧化鈦顏料的光化學活性就是影響耐候性的主要因素，由于二氧化鈦本身存在一些晶格缺陷，其表面上存在許多光活化點，對可見光紫外光譜段有輕微的吸收，在紫外光照射下，如果有水等催化劑的作用，鈦白粉可發(fā)生連續(xù)的氧化還原反應，生成羥基和過氧羥基自由基，它們具有高度的活性，能使涂膜中的有機聚合物氧化，發(fā)生高分子鏈斷鏈和降解，破壞涂膜的連續(xù)性，使涂膜的耐候性降低。為了提高鈦白粉的耐候性，通常在偏鈦酸煅燒前加入少量鹽處理劑或?qū)︹伆追圻M行無機包膜處理，加入鹽處理劑可以填補二氧化鈦本身存在的晶格缺陷，降低其光化學活性，無機包膜是在二氧化鈦顆粒表面包一層“膜”，阻止紫外光對二氧化鈦的直接照射，也可以避免二氧化鈦與涂膜有機物的直接接觸，降低其光化學作用的破壞力，從而提高涂膜耐候性。
2 鈦白粉在涂料中的作用及其應用現(xiàn)狀
涂料主要由成膜物質(zhì)、顏料、溶劑和助劑等四個部分組成，涂料中的顏料具有一定的遮蓋力，它不僅能遮蓋住被涂物體原來的顏色，而且能賦予涂膜鮮艷的色彩，實現(xiàn)亮化美化的裝飾效果。同時，顏料與固化劑和基材緊密結合，融為一體，能增強涂膜的機械強度和附著力，防止開裂或脫落，并且能夠增強涂膜的厚度，阻止紫外線或水分的穿透，提高涂膜的抗老化和耐久性能，延長涂膜和被保護物體的使用壽命。而顏料中，白色顏料的用量最大，涂料對白色顏料的性能要求：①白度好；②研磨潤濕性好；③耐候性好；④化學穩(wěn)定性好；⑤粒度小，遮蓋力和消色力高，不透明度和光澤度好。
鈦白粉是涂料用最多的一種白色顏料，其產(chǎn)量占無機顏料的７０％以上，消費量占白色顏料總消費量的９５．５％。目前，世界上約６０％的鈦白粉用于制造各種涂料，特別是金紅石型鈦白粉，大部分被涂料工業(yè)所消耗。用鈦白粉制造的涂料，色彩鮮艷，遮蓋力高，著色力強，用量省，品種多，對介質(zhì)的穩(wěn)定性起保護作用，并能增強漆膜的機械強度和附著力，防止裂紋，防止紫外線和水分透過，延長漆膜壽命，多彩花紋涂料中幾乎每一個圖案的配色都離不開鈦白粉。
不同種類不同用途的涂料對鈦白粉有不同的要求，如粉末涂料就要求用分散性好的金紅石型鈦白粉。銳鈦型鈦白粉消色力低，光化學活性強，用于粉末涂料中，涂膜容易出現(xiàn)黃變。而硫酸法生產(chǎn)的金紅石型鈦白粉具有價格適中、分散性好，遮蓋力和消色力好等優(yōu)點，非常適合用于戶內(nèi)粉末涂料，而戶外粉末涂料用鈦白粉除了要求分散性、遮蓋力和消色力好外，還要求具有很好的耐候性，因此，戶外粉末涂料用鈦白粉一般為氯化法生產(chǎn)的金紅石型鈦白粉。
水性涂料是指涂料配方中的揮發(fā)性物質(zhì)絕大部分是水的涂料，隨著人們環(huán)保意識的增強和環(huán)保法規(guī)的日趨嚴格，水性涂料已經(jīng)普及。和溶劑型涂料一樣，要求鈦白粉白度和分散性好，遮蓋力、消色力和耐候性高，雜質(zhì)含量低等。目前市場上的鈦白粉大多都是通用型的鈦白粉，既可以用于溶劑型涂料，又可以用于水性涂料，但是，畢竟水性涂料和溶劑型涂料存在本質(zhì)上的差別，這些通用型的鈦白粉在水性涂料中分散效果不是很好，因此，為了使鈦白粉能在水性涂料中很好的分散，要有針對性的選擇鈦白粉表面處理方式。建筑涂料要求耐酸、耐堿、抗水、防潮，不論在粗糙或光滑的基層表面均要有良好的附著力。用于建筑涂料的鈦白粉除了要求具有以上提及的好的光學性能和顏料性能外，最重要的是要求鈦白粉具有高的耐候性，抗粉化能力強，尤其是外墻用建筑涂料。一般通用型鈦白粉如Ｒ－９０２、Ｒ－９３０、ＲＣＬ－５７５、ＴＲ－９２等，屬于中等抗粉化型的鈦白粉。
高抗粉化型又稱超耐候型，特別適用于要求重涂期很長的高層臨街建筑外墻涂料，主要的品種有ＤｕＰｏｎｔ生產(chǎn)的Ｒ－９６０、Ｒ－９６０－ＨＧ、Ｒ－９６０ＶＨＧ，Ｈｕｎｔｓｍａｎ生產(chǎn)的ＴＲ－６３和ＴＲ－６１，Ｋｒｏｎｏｓ生產(chǎn)的２３１０和２３３０，ＩＳＫ生產(chǎn)的ＣＲ－９５、ＣＲ－９３、ＣＲ－９７、Ｒ－９５０和Ｒ－９７０、Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ 生產(chǎn)的ＲＣＬ－６２８和ＲＣＬ－６６６等金紅石型鈦白。
3 鈦白粉主要質(zhì)量波動對涂料的影響分析
3．１ 白度
鈦白粉作為一種優(yōu)質(zhì)的涂料用白色顏料，其白度至關重要，是涂料要求的關鍵質(zhì)量指標之一，鈦白粉白度差，會直接影響涂膜的外觀。影響鈦白粉白度的最主要因素是其中有害雜質(zhì)的種類和含量，因為鈦白粉對雜質(zhì)非常敏感，尤其是金紅石型鈦白粉，所以，即使是微量的雜質(zhì)，也會對鈦白粉白度產(chǎn)生明顯的影響，影響鈦白粉白度的各種雜質(zhì)的極限值見表２。氯化法工藝生產(chǎn)的鈦白粉白度往往比硫酸法工藝生產(chǎn)的好，這是因為氯化法工藝生產(chǎn)鈦白粉所用的原料四氯化鈦已經(jīng)蒸餾凈化，本身雜質(zhì)含量少，而硫酸法工藝所用的原料雜質(zhì)含量高，只能通過洗滌和漂白等工藝技術來除掉雜質(zhì)。
各種雜質(zhì)影響二氧化鈦白度的極限值
其次，鈦白粉粒子的形狀、大小和粒徑分布，以及鈦白粉出現(xiàn)不理想的晶體結構和混晶現(xiàn)象也會影響其白度。為了使鈦白粉具有最佳的白度，要求鈦白粉為球形顆粒，表面光滑圓潤，不帶棱角，不團聚，粒徑分布控制在０．１５－０．３５μｍ。
3．２ 遮蓋力
遮蓋力為每平方厘米被涂物體的表面積，在達到完全被遮蓋時，需要用顏料的最低質(zhì)量。涂同樣面積的表面，所用鈦白粉的遮蓋力越大，涂膜便可以越薄，所需的涂料量越少，則所需要鈦白粉的量也越少，如果鈦白粉遮蓋力降低，為達到同樣的遮蓋效果，所需要的鈦白粉量增加，則生產(chǎn)成本就會增加，且鈦白粉用量增加，會導致鈦白粉在涂料中難以分散均勻，出現(xiàn)聚集，同樣會影響涂料的遮蓋效果。鈦白粉遮蓋力大小主要由其本身的折射率來決定，金紅石型鈦白粉的折射率是所有白色顏料中最大的，因此其遮蓋力也最高，銳鈦型鈦白粉次之。其次，鈦白粉粒子的形狀、大小、粒徑分布和分散程度也會影響其遮蓋力，在大于可見光半波波長的范圍內(nèi)，鈦白粉粒子表面越光滑，粒徑越小，表面積越大，分散越好，其遮蓋力越大。
3．３ 耐候性
涂料對鈦白粉的耐候性要求高，尤其是戶外用表面涂料，要求高耐候性或超高耐候型的鈦白粉。使用耐候性低的鈦白粉，涂膜會出現(xiàn)褪色、變色、粉化、開裂、剝落等問題。金紅石型鈦白粉的晶體結構比銳鈦型鈦白粉的結構更為緊密，光化學活性低，因而耐候性也遠高于銳鈦型鈦白粉，所以涂料用鈦白粉基本上全是金紅石型鈦白粉。提高鈦白粉耐候性最主要的方法是對其進行無機表面處理，即在鈦白粉粒子表面包覆一層或多層無機氧化物或水合氧化物，通常包覆的氧化物有ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２等，其中氧化鋯和致密氧化硅包膜是目前公認的耐候性最好的包膜方式，氧化鋯包膜技術國內(nèi)已經(jīng)掌握，但致密氧化硅包膜技術仍然被國外壟斷，國內(nèi)還未能攻破，有待繼續(xù)研究。
3．４ 分散性
鈦白粉為超細粒子，比表面積大，表面能高，顆粒之間容易發(fā)生聚集，在涂料中難以穩(wěn)定分散。鈦白粉分散性差會直接影響其在涂料中的消色力、遮蓋力和表面光澤度等光學性能，而且還會影響涂料的貯存穩(wěn)定性、流動性、流平性、涂層耐久性、防腐蝕性和導電性等應用性能，此外，還會影響涂料的生產(chǎn)成本，因為研磨分散作業(yè)的能耗高，占涂料制造過程總能耗的大部分，且儀器設備的損耗大。影響鈦白粉分散性的因素主要有鈦白粉粒徑大小、比表面積、表面自由能、表面電荷、ｐＨ 值、極性、表面吸附狀態(tài)等表面性質(zhì)，此外，也與展色劑的性質(zhì)、分散劑的種類和用量、研磨分散設備和分散工藝等因素有關。為了使鈦白粉在涂料中達到最好的分散效果，使鈦白粉粒子在涂料中處于或接近于原始粒子狀態(tài)，充分體現(xiàn)其優(yōu)異的性能，通常在鈦白粉生產(chǎn)過程對其進行表面處理，提高其分散性，此外，在涂料生產(chǎn)過程中也要選擇正確的潤濕分散劑、研磨分散設備和分散工藝。
５ 涂料用鈦白粉的發(fā)展建議
金融危機后，隨著全球經(jīng)濟的回暖與快速發(fā)展，市場對涂料的需求持續(xù)增長，２００９年我國涂料總產(chǎn)量達７�。担担矗�×１０３ ｔ，首次超過美國，躍居世界第一，２０１０年我國涂料產(chǎn)
為了生產(chǎn)出高端優(yōu)質(zhì)的金紅石型鈦白粉，我們首先需要做的就是攻克技術難點，加快我國氯化法工藝的研究開發(fā)與生產(chǎn)步伐。由于原材料和生產(chǎn)工藝的不同，氯化法工藝生產(chǎn)的鈦白粉質(zhì)量要明顯優(yōu)于硫酸法工藝生產(chǎn)的鈦白粉質(zhì)量，目前我國還僅有錦州鈦業(yè)有限公司一家氯化法鈦白生產(chǎn)企業(yè)，且規(guī)模小，產(chǎn)量低。其次加大研究開發(fā)力度，研究致密硅包膜技術。由于汽車工業(yè)和建筑工業(yè)用涂料要求超高的耐候性，而致密硅包膜是公認的耐候性最好的包膜方式。再有，我們要改變鈦白粉品種結構，針對不同用途的涂料，可通過改變鈦白粉的生產(chǎn)工藝和表面處理方式生產(chǎn)出滿足不同涂料需求的鈦白粉。
