硫酸法制備高白度藍相鈦白粉

王曉真，周永基(山東道恩鈦業有限公司，山東 龍口 265600)

0 引言

鈦白粉是一種物理化學性質較為穩定的白色無機顏料，因其良好的顏料性能被廣泛應用于涂料、塑料和造紙等化學工業，近幾年我國鈦白粉工業飛速發展，鈦白粉總產量位居世界前列。根據鈦白粉的生產工藝不同，鈦白粉主要為硫酸法和氯化法兩大類。其中氯化法自動化程度高、能耗低，但成本高、設備復雜，開發難度較大，關鍵技術主要集中在國外鈦白粉龍頭企業。而硫酸法主要原料為鈦鐵粉與濃硫酸，兩者酸解反應生成硫酸亞鈦后水解成偏鈦酸，再經過煅燒、粉碎得到硫酸法鈦白粉。硫酸法相比于氯化法其優點是鈦鐵礦與硫酸原料易得，成本低，設備簡單，工藝相對比較成熟，既可生產金紅石型又可生產銳鈦型產品，國內大部分的鈦白粉生產均為硫酸法。國內大部分鈦白粉產品定位偏向中低端市場，中高端市場基本被國外鈦白粉企業占據，白度好偏藍相的鈦白粉產品主要集中在國外鈦白粉龍頭企業，國內鈦白粉的產品檔次、產品質量與鈦白粉生產強國還有一定差距。因此，對白度好的藍相硫酸法鈦白粉的制備工藝研究具有重要的意義[1]。

本文以硫酸法鈦白粉生產中的主要水解產物偏鈦酸為原料，考察不同鹽處理劑對金紅石型鈦白粉的影響，并對其進行氧化鋁表面處理，提升鈦白粉分散性和顏料性能，最終得到高白度藍相的硫酸法金紅石型鈦白粉，并對鈦白粉產品晶型結構、表面形態及粒徑進行分析表征，得到顏料性能良好的硫酸法金紅石型鈦白粉。

1 實驗部分

1.1 實驗原料和儀器

實驗原料：水解偏鈦酸，取自公司生產車間；硫酸鋅、碳酸鉀、磷酸、硫酸、硫酸鋁、氫氧化鉀、偏鋁酸鈉、六磷偏酸鈉均為國產工業純。

實驗儀器：電動攪拌器、馬弗爐、電熱恒溫干燥箱、電子分析天平、PHD－5WD多功能pH測定儀；az210壓片機，DA60B氣流粉碎機；D8 DISCOVER XRD衍 射 儀；MA22300粒 徑 測 定儀；WSEAS 25型掃描電子顯微鏡。

1.2 鈦白粉的制備

取公司自產水解偏鈦酸于燒杯中加入去離子水定容，攪拌均勻，將磷酸溶液、碳酸鉀溶液、硫酸鋅溶液加入漿料中，攪拌均勻一定時間后抽濾，壓濾得到濾餅。將濾餅置于馬弗爐中煅燒，煅燒機制為：勻速升溫至420 ℃，保溫0.5 h；升溫至650 ℃，保溫1 h；升溫至850 ℃，保溫0.5 h，即得金紅石鈦白粉粗品A。將鈦白粉粗品置入燒瓶中加水稀釋成600 g/L的鈦白粉漿料，加熱至60 ℃，加入2.2%偏鋁酸鈉和2.5%硫酸鋁溶液(質量分數以 Al2O3計)，熟化反應2 h。過濾、洗滌，將得到的濾餅置于 100 ℃烘箱中干燥8 h，用粉碎機粉碎得到金紅石型鈦白粉成品。

2 結果與討論

2.1 不同鹽處理劑對鈦白粉的影響

2.1.1 鋅鹽對鈦白粉的影響

以鉀鹽添加量0.40%，磷鹽添加量0.10%，考察鋅 鹽 添 加 量 為0.20%、0.40%、0.60%、0.80%和1.00%對煅燒鈦白粉的影響，其結果如表1所示，鋅鹽添加量對其明度L值影響不大，對紅綠相的a值影響也較小，但對黃藍相的b值影響較大。一般的鈦白粉b值普遍偏大，白度較低，一方面偏鈦酸沒有進行漂白處理，水洗處理并不能完全除去鐵離子，在煅燒過程中形成Fe2O3導致鈦白粉偏黃；另一方面當鋅鹽添加量較高時，鈦白粉晶粒成長速度較快，易于燒結，會使鈦白粉底相變紅，鈦白粉的白度也會下降。從表1可以看出，鋅鹽對金紅石轉化率的影響較大，其作為金紅石促進劑，添加量越多，金紅石轉化率也明顯提升，金紅石含量也越多，消色力(TCS)也有所增強。當添加量過多時，晶粒成長過快導致部分聚集，晶格出現缺陷，消色力反而下降。綜合考慮其顏料性能，鋅鹽添加量為0.60%時，晶紅石轉化率較高，白度也較好，后續以0.60%為鋅鹽添加量[2]。

表1 鋅鹽對煅燒鈦白粉的影響

2.1.2 鉀鹽對鈦白粉的影響

以鋅鹽添加量0.60%，磷鹽添加量0.10%，在相同條件下煅燒，考察不同鉀鹽添加量對煅燒鈦白粉的影響，其結果如表2所示，隨著鉀鹽添加量的增加，金紅石轉化率明顯提高，當鉀鹽添加量達0.30%，轉化率高達98.73%。若鉀鹽添加量超過0.40%時，金紅石轉化率明顯降低，鉀鹽是一種晶型穩定劑，但加量過高時，會增加鈦白粉燒結的阻力，抑制金紅石的轉化。從表2可以看出，當鉀鹽添加量在0.10%～0.30%之間時，鈦白粉的白度及消色力隨著加入量提高而提升，當鉀鹽添加量為0.30%時，其顏料性能最佳，故后續以0.30%作為鉀鹽最佳添加量。

表2 鉀鹽對煅燒鈦白粉的影響

2.1.3 磷鹽對鈦白粉的影響

以鋅鹽添加量0.60%，鉀鹽添加量0.30%，在相同條件下煅燒，考察不同磷鹽添加量對煅燒鈦白粉的影響，其結果如表3所示, 磷鹽是一種負促進劑，能阻礙金紅石轉化，但較少量的磷鹽影響較小。當磷鹽加量為0.10%時，金紅石轉化率最佳。從表3可以看出，當磷鹽添加量在0.06%～0.10%之間時，白度隨磷鹽的添加有明顯提升。這是因為磷鹽是一種鐵離子掩蔽劑，使鈦白粉呈高白度、藍底相。當磷鹽添加量為0.10%時，其白度和消色力均最佳，顏料性能較好。結果表明鋅鹽、鉀鹽和磷鹽三種鹽處理劑共同作用能使鈦白粉呈現高白度、藍底相，明顯提升其顏料性能[3]。

表3 磷鹽對煅燒鈦白粉的影響

2.2 表面形態分析

研究分析了鹽處理后煅燒的鈦白粉粗品A及經氧化鋁表面處理后的鈦白粉成品B的表面形態，其掃描電鏡結果如圖1所示，可以看出，鈦白粉粗品A顆粒大小不一，邊緣不清晰，有明顯聚集現象；而經過后處理的鈦白粉樣品B顆粒表面細膩光滑，表面有明顯的膜物，結果表明制備的鈦白粉表面包覆均勻，分散性較好。

圖1 鈦白粉的SEM圖

2.3 XRD衍射分析

研究分析鈦白粉的晶體結構，分別對鹽處理后煅燒的鈦白粉粗品A及表面處理后的鈦白粉成品B進行XRD分析，從圖2可以看出，鈦白粉粗品A和成品B在27.5°、35.5°、42.0°、55.0°及68.0°衍射角處均有特征峰，表明鈦白粉粗品A和成品B均為單一結構的金紅石型(R型)鈦白粉。同時兩者的衍射峰基本表現一致，但經氧化鋁包覆處理后的鈦白粉未出現氧化鋁的衍射峰，這是因為沒有經過高溫退火處理的氧化鋁在衍射角范圍內不會出現明顯的衍射峰，包覆處理后的鈦白粉對其晶型結構無明顯影響，結果表明表面包覆處理前后鈦白粉晶相單一、其晶型對稱性良好，結構規整[4]。

圖2 鈦白粉的XRD圖

2.4 粒徑分析

對鹽處理后煅燒的鈦白粉粗品A及表面處理后的鈦白粉成品B進行粒徑分析，其粒徑分析結果如表4所示。從表中可以看出，鈦白粉成品B較粗品A在D10、D50、D99粒徑分布上其尺寸均略小，在0.2～0.5 μm粒徑尺寸范圍內占比，鈦白粉粗品A在62.87%，鈦白粉成品B為85.28%，說明經過表面處理的鈦白粉粒徑分布范圍更加集中，粒徑分布表現均一，其分散性能表現更佳。

表4 鈦白粉粒徑分析

2.5 鈦白粉基本性能分析

將制備的鈦白粉成品B與市場上表現較好的市售國內硫酸法金紅石型鈦白粉產品及市售國外產品進行基本性能對比分析，其結果如表5所示。其結果表明，本文制備的硫酸法金紅石型鈦白粉成品的白度、消色力以及遮蓋力等顏料性能均優于市售國內硫酸法金紅石型鈦白粉產品，基本性能與市售國外產品接近，說明本文制備的鈦白粉具備高白度，呈藍底相，其顏料性能優異。

表5 鈦白粉基本性能對比

3 結語

本文以硫酸法制備一種高白度藍相金紅石型鈦白粉，考察了鋅鹽、鉀鹽和磷鹽三種鹽處理劑對金紅石型鈦白粉的影響，結果表明鋅鹽添加量0.60%，鉀鹽添加量0.30%，磷鹽添加量0.10%三種鹽處理劑共同作用為最佳鹽處理條件，對其進行氧化鋁表面包覆處理，提升鈦白粉分散性和顏料性能，將鹽處理后煅燒的鈦白粉粗品A及表面處理后的鈦白粉成品B的晶型結構、表面形態及粒徑進行對比分析表征，與市售國內外硫酸法金紅石型鈦白粉對比分析，結果表明制備的鈦白粉具備高白度、藍底相特點，其顏料性能優異，可以應用于生產。