P2O5/Al2O3包覆的裝飾紙用鈦白粉的制備

周永基，王曉真

（山東道恩鈦業(yè)有限公司，山東龍口 265600）

隨著近幾年全球資源的匱乏，國家對環(huán)保的要求也越來越嚴格，在家居行業(yè)人造板及其他非木材原料替代部分木材能節(jié)省大量的自然資源，而裝飾紙材料廣泛引用于纖維板、膠合板、強化木地板等辦公或家具貼面裝飾材料，是其二次裝飾加工的主要材料，裝飾紙產(chǎn)業(yè)進入了迅猛發(fā)展期。而隨著市場需求量的增大，對裝飾紙品質(zhì)的要求也越來越高，鈦白粉具有高亮白、高遮蓋、耐光性好等優(yōu)點，其作為優(yōu)質(zhì)白色顏料被廣泛應用于裝飾紙材料。鈦白粉應用于裝飾紙材料，其對裝飾紙的色相、光澤、白度及色牢度都有明顯的應用優(yōu)勢，尤其是耐光性和色牢度起著決定性的作用。在體現(xiàn)出較強的遮蓋力及色彩穩(wěn)定性的同時，還具有極佳的耐候性，能夠有效延長裝飾紙最終制品的使用壽命[1-2]。

鈦白粉在白色系或淺色系的裝飾紙生產(chǎn)過程中，其用量達到30%～45%。為滿足裝飾紙高要求的耐光能力與耐熱性，保證其有較好的白度、遮蓋力、良好的印刷性、耐久性及耐黃變性，必須采用經(jīng)過一定表面包覆處理的金紅石型鈦白粉。裝飾紙用鈦白粉常采用磷酸或磷酸鹽或者鋁鹽對鈦白粉產(chǎn)品進行包覆處理，或者進行磷鋁復合包膜，P2O5/Al2O3復合包膜的鈦白粉產(chǎn)品應用于裝飾紙能提高留著率并具有優(yōu)異的耐光性。其可能機理為：第一層P2O5/Al2O3復合膜較為致密，能明顯提升顏料親水性能，紙張留著率及耐光性也相應提高。當鋁化合物與磷酸鹽聚集反應時，在溶液中會形成-O-P-O-Al-O-P 共價鍵，這些鍵聚集形成長鏈及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能完全覆蓋顏料，對顏料的親和力也有提高。第二層在磷鋁膜上繼續(xù)包覆水合氧化鋁膜層，可以提高顏料的艷麗度及光澤度，并使鈦白粉顆粒表面形成正電勢，而紙張纖維表層具有少量負電荷，使鈦白粉與紙張之結(jié)合力更好，其顏料在紙張上的留著率也相應提高[3-4]。本文以磷酸鹽和鋁鹽對鈦白粉進行表面復合包膜，并對鈦白粉應用于裝飾紙的留著率和耐光性進行分析，利用正交試驗分析方法，確定了P2O5/Al2O3復合包膜的最佳表面處理條件，并對最佳表面處理條件制備的鈦白粉進行掃描電鏡和表層元素分析。

1 實驗過程與結(jié)果分析

試劑：鈦白粉漿料為公司自產(chǎn)的未經(jīng)表面包覆處理的金紅石型鈦白粉粗品；偏鋁酸鈉，硫酸鋁，氫氧化鈉，硫酸，磷酸，磷酸鹽：均為工業(yè)純。

儀器設備：電動攪拌器，pH 計，電熱鼓風干燥箱，掃描電子顯微鏡，X 射線光電子能譜分析儀，紫外老化測試儀，水循環(huán)式真空泵，掃描電鏡，小型高速粉碎機。

1.1 表面處理劑選擇

鈦白粉表面包覆大量的含磷化合物會引起水洗后濾餅稀化的問題，對于裝飾紙用鈦白粉必須考慮其水洗加工性能，本文考察了不同表面處理劑水洗濾餅的狀態(tài)，采用磷酸鹽B、硫酸鋁與偏鋁酸鈉作為表面處理劑，其處理步驟為：在鈦白粉漿料中加入磷酸鹽 B與硫酸鋁混合均勻，再以少量堿性鋁中和，調(diào)整pH，陳化反應一定時間，包覆第一層；然后以偏鋁酸鈉和稀硫酸并流，調(diào)整pH 后陳化反應一定時間，包覆第二層；最后將體系pH 調(diào)到中性，包膜完成后，經(jīng)水洗、過濾、干燥、粉碎研磨，得到P2O5/Al2O3包覆的鈦白粉成品。

1.2 磷鋁包膜鈦白粉正交試驗設計

利用正交試驗方法考察不同因素對P2O5/Al2O3包覆的鈦白粉的影響。本文選擇 P2O5包覆量（ωp）、鋁包覆總量（ωAl）、第一層鋁包覆量（ωFAl）、第二層包覆陳化 pH 作為P2O5/Al2O3包覆的鈦白粉性能影響的四個因素，采用四因素三水平設計正交試驗，其試驗方案如表1。

表1 P2O5/Al2O3包覆鈦白粉正交試驗設計

對P2O5/Al2O3包覆鈦白粉的不同影響因素的留著率進行考察，其結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，2號實驗方案制備的鈦白粉留著率達89.79%，留著率最佳；從正交試驗各影響因素的K值分析可以得出，第一層鋁包覆量（ωFAl）1.0%、鋁包覆總量（ωAl）5.5%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二層陳化pH 為7時其組合平均留著率最高。從正交試驗表中各個影響因素的極差分析可知，第二層包覆陳化的pH 對留著率影響最大，第一層鋁包覆量對留著率影響最小。通過正交試驗結(jié)果分析可知，要得到最佳留著率，需控制第一層鋁包覆量1.0%、鋁包覆總量5.5%、P2O5包覆量1.0%、第二層陳化pH 為7。

表2 P2O5/Al2O3包覆鈦白粉留著率

對P2O5/Al2O3包覆鈦白粉的不同影響因素的耐光性進行考察，其結(jié)果如表3 所示。從表3可以看出，第二層陳化pH 同樣對P2O5/Al2O3包覆鈦白粉的耐光性影響最大，鋁包覆量對耐光性無明顯影響。1號和9號實驗方案的耐光性最佳，從正交試驗各影響因素的K值分析可以得出，P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二層陳化pH為6時其組合耐光性最佳。考慮到耐光性，第二層鋁包覆陳化需在弱酸條件下進行，磷包覆量不能過量。

表3 P2O5/Al2O3包覆鈦白粉耐光性

通過對P2O5/Al2O3包覆鈦白粉不同影響因素的正交試驗結(jié)果分析，綜合考慮鈦白粉的留著率和耐光性指標，得出P2O5/Al2O3包覆的裝飾紙用鈦白粉最佳表面處理工藝為：第一層鋁包覆量（ωFAl）1.0%、鋁包覆總量（ωAl）5.0%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二層陳化pH 為6。

1.3 磷鋁包膜鈦白粉的形態(tài)分析

對上述正交試驗得到的最佳表面處理工藝制備的鈦白粉進行表面形貌分析，圖1為掃描電鏡（SEM）分析圖，樣品a 為未進行表面處理的鈦白粉，樣品b為最佳表面處理工藝制備的P2O5/Al2O3復合包膜鈦白粉。圖1顯示，未經(jīng)表面處理的鈦白粉樣品a 表面輪廓較為模糊，形狀不規(guī)則，顆粒有少量聚集現(xiàn)象。而P2O5/Al2O3復合包膜鈦白粉樣品b，其表層光滑、連續(xù)，顆粒分明，呈現(xiàn)出明顯的包覆層，包覆效果較好。

圖1 鈦白粉掃描電鏡分析圖

1.4 磷鋁包膜鈦白粉表層元素含量分析

對P2O5/Al2O3復合包膜鈦白粉利用X 射線光電子能譜分析儀進行表層元素分析，X-能譜分析能通過測量物質(zhì)表面的光電子峰強度，實現(xiàn)對物質(zhì)表層元素的定量分析，其測量表層為3～5nm，其能譜不受原子核和光吸收性質(zhì)的限制。將其與未處理的鈦白粉對比分析，其表層元素分析結(jié)果如表4所示，其中包覆后鋁和磷元素含量明顯增加，鈦元素含量明顯減少，說明鈦白粉表層包膜厚度較大，包覆完整性較好。

表4 鈦白粉顆粒表層元素含量分析

2 結(jié)論

以磷酸鹽和鋁鹽對鈦白粉進行表面復合包膜，并通過對鈦白粉應用于裝飾紙的留著率和耐光性進行正交試驗設計分析，確定了P2O5/Al2O3復合包膜的最佳表面處理條件：第一層鋁包覆量（ωFAl）1.0%、鋁包覆總量（ωAl）5.0%、P2O5包覆量（ωp）1.0%、第二層陳化pH 為6。并對制備的鈦白粉進行掃描電鏡和表層元素分析，結(jié)果表明，其包膜厚度較大，包覆完整性較好，研制出的鈦白粉具有優(yōu)異的裝飾紙應用性能，可以在裝飾行業(yè)廣泛應用。