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怎样让高白度硅灰石替代钛白粉?

钛白粉主要由晶相二氧化钛(TiO2,金红石和锐钛矿型)颗粒组成,由于其颗粒微细(200300nm),表面活性高,故团聚现象十分严重,导致其颜料性能不能有效发挥,使用效率降低。

通过制备与钛白粉性能相似的矿物- TiO2复合颜料,是缓解钛白粉生产和应用中存在的资源、环境与成本价格等问题的有效措施,同时还有利于非金属矿物资源的高效利用。

硅灰石是一种偏硅酸盐矿物,其折光指数(1.63)高于许多白色矿物,表面易生成OH-等活性基团,这些特征都有助于在制备以硅灰石为基体,通过表面包覆TiO2的复合颜料中形成协同效应。

1、硅灰石-TiO2复合颜料的制备

原料:硅灰石样品白度94.0%,盖力272.65g/m2,吸油量11.2g/100gD5015.25μmD9058.65μm

采用液相机械力研磨方式,通过硅灰石与TiO2湿法共混研磨手段实现TiO2颗粒在硅灰石表面的包覆。

将预先研磨的硅灰石基体与预先分散的TiO2悬浮体均混,然后置于超细搅拌磨中研磨制得复合物浆料,复合物浆料脱水、干燥、打散即制得硅灰石-TiO2复合颜料.

硅灰石-TiO2共研磨的目的是:1)使硅灰石和TiO2颗粒得到分散和表面活化,进而促进二者在水介质中的水化及羟基化等反应;(2)通过研磨过程输入较高能量,提高硅灰石与TiO2颗粒间的碰撞几率,克服二者排斥作用的能垒以接近到颗粒表面官能团相互作用的范围,促进硅灰石与TiO2颗粒间实现牢固结合。

2、硅灰石研磨时间对复合颜料性能的影响

硅灰石系硅酸盐矿物,链状结构,主要解理面(平行(100)面,沿纵向表面)上为Si-O断键,因平衡该断键,硅灰石在水介质中易发生表面水解羟基化现象而产生一定数量的Si-OH活性基团,这些羟基基团即可成为与TiO2表面羟基通过氢键,或彼此脱羟缩合作用实现牢固结合的基础。

对硅灰石矿物进行预先研磨,不仅能使所制备的复合颗粒材料满足在应用时的粒度要求,也可使基体颗粒表面产生一定程度的活性以促进其与TiO2的复合反应。

随硅灰石研磨时间增加,硅灰石- TiO2复合颜料吸油量持续增大,至研磨90min时平稳;复合颜料遮盖力呈先减小后增大现象。结果说明硅灰石基体适度研磨有利于提高颜料性能,以预先研磨30min为最佳。

3、复合体系pH值对复合颜料性能的影响

pH值由6增大至7,复合颜料遮盖力和吸油量值均呈现下降趋势,当pH值再逐渐增大至9时,遮盖力和吸油量均又显著提高,然后趋于平稳。显然,pH值为7时复合颜料性能最佳。

4、复合过程机械力对复合颜料性能的影响

随搅拌磨转速增加,所得复合颜料的遮盖力先增大后减小,吸油量值逐渐增大;随球料比提高,复合颜料吸油量先增大后降低,其中在球料比为5:1时达值,说明复合效果差。

复合产物遮盖力则随球料比从04.5:1范围增加而显著降低,球料比超过4.5:1,遮盖力小幅增加后又降低。由于球料比4.5:1条件下复合颜料遮盖力值最小,吸油量也保持较低值,所以认为该条件的复合效果为最佳。同时也说明,在湿法机械研磨制备硅灰石-TiO2复合颜料过程中,球料比应保持合理值。

在湿法机械研磨制备硅灰石-TiO2复合颜料工艺中,研磨过程所传递的机械力对复合过程具有重要影响,以保持适度为佳。

5、硅灰石-TiO2比例对复合颜料的性能的影响

硅灰石原料(TiO2复合比例0%)白遮盖力值高达272.65g/m2,说明基本没有遮盖能力,而硅灰石与TiO2各比例复合产物遮盖力大多小于20g/m2,并与TiO2接近,这说明复合颗粒呈现TiO2性质,而硅灰石的性质被弱化,推测应为TiO2在硅灰石表面包覆所致。

TiO2比例的增加,硅灰石-TiO2复合颗粒的遮盖力值逐渐降低,表明遮盖性能逐渐提高,其中TiO2复合量45%时,遮盖力值为17.97g/m2,相对遮盖力(E)为81.08%,相比于所含TiO2按自身比例的贡献值提升(△E36.08%;硅灰石-TiO2复合颜料的吸油量在TiO2复合量35%45%较低,在30%50%条件下较高,显然,TiO2含量45%较适宜。

6、硅灰石-TiO2复合颜料的形貌与结构

硅灰石颗粒呈棒状,解理完整,表面光滑平整。TiO2颗粒呈块状,粒度大小均匀,约0.3μm,分散良好。

硅灰石与TiO2复合后,表面出现均匀包覆的细小颗粒物,这使得硅灰石光滑的表面变得粗糙,显然,这是TiO2颗粒在硅灰石表面包覆所造成。由于TiO2颗粒的包覆完整,所以推断硅灰石-TiO2复合颜料应呈现出TiO2性质,即具有和TiO2相似的颜料性能。

7、结论

硅灰石-TiO2颗粒复合过程中,硅灰石基体研磨时间、复合体系pH值和研磨机械力是影响硅灰石与TiO2颗粒复合及颜料性能的重要因素。

采用水介质中湿法超细研磨方式制备了硅灰石-TiO2复合颜料,其性能与钛白粉相当,TiO2比例45%的复合颜料遮盖力为17.97g/m2,比TiO2按自身比例的贡献值提升36.08%。硅灰石-TiO2复合颜料的颗粒以TiO2颗粒均匀包覆在硅灰石表面为特征所形成。

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