[包核鈦白顏料生產的技術原理及發展方向]
發布日期:[2008/8/22]
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1.概述
眾所周知,鈦白(TiO2)作為一種優異的白色顏料,實際可被利用和發揮作用的只是鈦白顏料粒子的外表面。而粒子的內核則沒有發揮應有作用。因此,作為顏料級鈦白,其以內核形式存在實際是一種資源的嚴重浪費。據資料[1]介紹:目前每年全球鈦白顏料的生產和消費量350~380萬噸,而鈦白作為內核的浪費則占總量的30%~60%,這是一個十分驚人的數字。
如果將這部分被浪費的內核節約下來,用低成本的無機內核取,核外包覆可充分利用和發揮作用的顏料級鈦白,則將極大地提高顏料級鈦白的資源利用性,更給經濟、環保及社會帶來意義深遠的價值和影響。目前市上出售的云母鈦珠光顏料,嚴格意義上也是一種全膜鈦白粉,只不過云母鈦珠顏料與包核鈦白所包覆的內核不同,而且,全覆量、包覆方法、包覆粒子的粒徑以及用途不同而已。因此從一定意義上說包核鈦白已具有30多年的歷史。
正是因為云母鈦珠光顏料的生產原理和成熟技術給我們的啟發,使包核鈦白能較快地得到工業化生產和應用。在實際應用中包核鈦白的某些性能甚至超過美國杜邦公司的R-902的水平,而成和介格則遠低于R-902,顯示出誘人的廣闊前景。
2.包核鈦白的生產技術原理
2.1根據文獻介紹及我們的研究結果表明,目前國內包核鈦白的生產有三種方法:①物理方法②化學方法③物理和化學綜合方法,這三種方法由于原理的不同,生產出的包核鈦白在質量和成本上有很大差異。
上述三種方法盡管有方法、質量、成等差異,但是很重要的一點是相同的。那就是干法生產包核鈦白,與一般包覆方法,如云母鈦生產的濕法有本質的不同。干法生產包核鈦白的優點是:設備投資少,生產效率高,生產成本低,沒有環境污染。
2.2物理法生產原理及其缺陷
2.2.1物理法生產包核鈦白是自俄羅斯高效工藝材料研究院(原蘇聯國家建委建材中心)引進的一項技術。該技術以無機內核材料(碳酸鈣、高嶺土等)外包鈦白的方法生產包核鈦白。生產中采用離心振動磨等相關設備和工藝,使內核與鈦白之間產生分子間力(范德華力、氫鍵力)和靜電力等,從而相互吸附成為包核鈦白。該法的優點是:生產效率高、工藝流程短、節約原材料和能源,沒有環境污染。
2.2.2物理法生產包核鈦白的缺陷
2.2.2.1由于工藝和設備的原因,生產過程中鈦白與內核之間相互吸附是不完全的,核與鈦白之間的相互吸附不可能達到100%,而是呈概率分布,因此只具有統計學上的意義。所以生產出的包核鈦白量極不穩定,難以被市場和客戶接受。
2.2.2.2由于鈦白對內核的包覆僅是物吸附,其分子間的作用力和靜電力較弱,鈦白容易從內核的表面脫落。包核鈦白在介質中不能承受高剪切力和強擠出力,從而使包核鈦白應用性能下降甚至喪失。因此,綜合以上因素分析,單純依靠物理法生產包核鈦白這條途徑是行不通的,將逐步被淘汰。
2.3化學法生產包核鈦白的原理
針對物理法生產包核鈦白的缺陷,我們摒棄了物理法,成功地開發出化學法生產包核鈦白的配方和工藝,從而使包核鈦白在實用化方面較物理法大大地前進了一步。
2.3.1化學法包核就是用專用的包覆劑進行化學包覆。這里采用的包覆每個分子中必須有至少兩個或兩個以上的官能團,其中一個官能團可以與內核材料作用使包覆劑能牢固地吸附在內核材料上,另一個基團可與鈦白反應并吸附在鈦白的表面上,從而使內核材料與外層鈦白粉牢固地相互吸附。以上兩個反應可以同時進行,又可以分步進行。具體如何進行,應視包核鈦白產品的用途及其具體配方,工藝要求而言。
2.3.2采用化學法包覆后,其中的內核與鈦白之間是以共價健的形式吸附的,所以化學法包覆的內核與外層鈦白之間吸附力比物理法牢固得多。故生產的包核鈦白較物理法無論是質量還是性能均大大地提高了一步,各項性能都能滿足應用要求。
2.3.3為了使化學法包核鈦白分別適用于涂料、塑料、橡膠、造紙等領域,可以選擇不同的包覆劑以形成包核鈦白的系列產品,每個系列產品又可分為若干個牌號。為了提高包核鈦白的通用性能,我們可以選擇兩種或兩種以上的包覆劑,以增加包覆后的協同效果,提高其通用性能,使包核鈦白具有更廣闊的應用領域。
2.3.4雖然化學法生產包核鈦白成功地解決了應用性能,穩定性等量問題,但我們三年多的實踐證明單純的化學法生產包核鈦白仍然有一些缺點。其一:雖然可以解決質量的根本性問題,但因考慮到環境保護,設備投資,生產效率以及能源消耗等限制因素,選擇了干法工藝生產包核鈦白。由于干法工藝身的局限,不得不加大包覆劑的用量,以其達到最佳質量。這無疑提高了生產成本,使利潤大幅下降。第二,包覆利用量并非越多越好,過量的包核劑對介質的性能具有一定負面影響,這方面應用實例很多,本文不再深入討論。
2.3.5根據以上討論,我們以為:單純的化學生產法絕非盡善盡美,而是有缺點的。若不考慮過量的包覆劑造成的負面影響,單就包覆劑成本這一項而言,也是不能令人滿意的。
2.4化學物理綜合法生產原理
2.4.1鑒于化學法包覆成本較高,包覆劑用量為內核的0.1~10%,且單純的化學包覆法中過量的包覆劑對介質有一定負面影響等原因,我們進一步開發出化學物理綜合法生產包核鈦白的技術,從而使產品質量、產品成本等技術指標達到了令人滿意的程度。
2.4.2化學物理綜合法包核就是利用化學法和理法包覆原理,通過工藝和配方的調整,巧秒地將化學法和物理法有機地結合起來,達到單純用物理法或化學法無法達到的目的。
2.4.3化學物理法摒棄了物理法單純依靠物理作用力包覆,使物理法的作用力得到最大程度地發揮的保持。同時又揚棄了化學法過份依賴于覆劑和成本較高的缺點,使包覆劑用量下降了一個數量級,大幅度降低了成本。化學物理法的實質量充分發揮化學法和物理法各自的作用,按照一定的工藝和配,二法并存產生協同作用,達到二法單獨所難以達到的作用,提高了產品的性能和穩定性,降低了產品成本,產品的競爭力得到了最大程度的提高。
眾所周知,鈦白(TiO2)作為一種優異的白色顏料,實際可被利用和發揮作用的只是鈦白顏料粒子的外表面。而粒子的內核則沒有發揮應有作用。因此,作為顏料級鈦白,其以內核形式存在實際是一種資源的嚴重浪費。據資料[1]介紹:目前每年全球鈦白顏料的生產和消費量350~380萬噸,而鈦白作為內核的浪費則占總量的30%~60%,這是一個十分驚人的數字。
如果將這部分被浪費的內核節約下來,用低成本的無機內核取,核外包覆可充分利用和發揮作用的顏料級鈦白,則將極大地提高顏料級鈦白的資源利用性,更給經濟、環保及社會帶來意義深遠的價值和影響。目前市上出售的云母鈦珠光顏料,嚴格意義上也是一種全膜鈦白粉,只不過云母鈦珠顏料與包核鈦白所包覆的內核不同,而且,全覆量、包覆方法、包覆粒子的粒徑以及用途不同而已。因此從一定意義上說包核鈦白已具有30多年的歷史。
正是因為云母鈦珠光顏料的生產原理和成熟技術給我們的啟發,使包核鈦白能較快地得到工業化生產和應用。在實際應用中包核鈦白的某些性能甚至超過美國杜邦公司的R-902的水平,而成和介格則遠低于R-902,顯示出誘人的廣闊前景。
2.包核鈦白的生產技術原理
2.1根據文獻介紹及我們的研究結果表明,目前國內包核鈦白的生產有三種方法:①物理方法②化學方法③物理和化學綜合方法,這三種方法由于原理的不同,生產出的包核鈦白在質量和成本上有很大差異。
上述三種方法盡管有方法、質量、成等差異,但是很重要的一點是相同的。那就是干法生產包核鈦白,與一般包覆方法,如云母鈦生產的濕法有本質的不同。干法生產包核鈦白的優點是:設備投資少,生產效率高,生產成本低,沒有環境污染。
2.2物理法生產原理及其缺陷
2.2.1物理法生產包核鈦白是自俄羅斯高效工藝材料研究院(原蘇聯國家建委建材中心)引進的一項技術。該技術以無機內核材料(碳酸鈣、高嶺土等)外包鈦白的方法生產包核鈦白。生產中采用離心振動磨等相關設備和工藝,使內核與鈦白之間產生分子間力(范德華力、氫鍵力)和靜電力等,從而相互吸附成為包核鈦白。該法的優點是:生產效率高、工藝流程短、節約原材料和能源,沒有環境污染。
2.2.2物理法生產包核鈦白的缺陷
2.2.2.1由于工藝和設備的原因,生產過程中鈦白與內核之間相互吸附是不完全的,核與鈦白之間的相互吸附不可能達到100%,而是呈概率分布,因此只具有統計學上的意義。所以生產出的包核鈦白量極不穩定,難以被市場和客戶接受。
2.2.2.2由于鈦白對內核的包覆僅是物吸附,其分子間的作用力和靜電力較弱,鈦白容易從內核的表面脫落。包核鈦白在介質中不能承受高剪切力和強擠出力,從而使包核鈦白應用性能下降甚至喪失。因此,綜合以上因素分析,單純依靠物理法生產包核鈦白這條途徑是行不通的,將逐步被淘汰。
2.3化學法生產包核鈦白的原理
針對物理法生產包核鈦白的缺陷,我們摒棄了物理法,成功地開發出化學法生產包核鈦白的配方和工藝,從而使包核鈦白在實用化方面較物理法大大地前進了一步。
2.3.1化學法包核就是用專用的包覆劑進行化學包覆。這里采用的包覆每個分子中必須有至少兩個或兩個以上的官能團,其中一個官能團可以與內核材料作用使包覆劑能牢固地吸附在內核材料上,另一個基團可與鈦白反應并吸附在鈦白的表面上,從而使內核材料與外層鈦白粉牢固地相互吸附。以上兩個反應可以同時進行,又可以分步進行。具體如何進行,應視包核鈦白產品的用途及其具體配方,工藝要求而言。
2.3.2采用化學法包覆后,其中的內核與鈦白之間是以共價健的形式吸附的,所以化學法包覆的內核與外層鈦白之間吸附力比物理法牢固得多。故生產的包核鈦白較物理法無論是質量還是性能均大大地提高了一步,各項性能都能滿足應用要求。
2.3.3為了使化學法包核鈦白分別適用于涂料、塑料、橡膠、造紙等領域,可以選擇不同的包覆劑以形成包核鈦白的系列產品,每個系列產品又可分為若干個牌號。為了提高包核鈦白的通用性能,我們可以選擇兩種或兩種以上的包覆劑,以增加包覆后的協同效果,提高其通用性能,使包核鈦白具有更廣闊的應用領域。
2.3.4雖然化學法生產包核鈦白成功地解決了應用性能,穩定性等量問題,但我們三年多的實踐證明單純的化學法生產包核鈦白仍然有一些缺點。其一:雖然可以解決質量的根本性問題,但因考慮到環境保護,設備投資,生產效率以及能源消耗等限制因素,選擇了干法工藝生產包核鈦白。由于干法工藝身的局限,不得不加大包覆劑的用量,以其達到最佳質量。這無疑提高了生產成本,使利潤大幅下降。第二,包覆利用量并非越多越好,過量的包核劑對介質的性能具有一定負面影響,這方面應用實例很多,本文不再深入討論。
2.3.5根據以上討論,我們以為:單純的化學生產法絕非盡善盡美,而是有缺點的。若不考慮過量的包覆劑造成的負面影響,單就包覆劑成本這一項而言,也是不能令人滿意的。
2.4化學物理綜合法生產原理
2.4.1鑒于化學法包覆成本較高,包覆劑用量為內核的0.1~10%,且單純的化學包覆法中過量的包覆劑對介質有一定負面影響等原因,我們進一步開發出化學物理綜合法生產包核鈦白的技術,從而使產品質量、產品成本等技術指標達到了令人滿意的程度。
2.4.2化學物理綜合法包核就是利用化學法和理法包覆原理,通過工藝和配方的調整,巧秒地將化學法和物理法有機地結合起來,達到單純用物理法或化學法無法達到的目的。
2.4.3化學物理法摒棄了物理法單純依靠物理作用力包覆,使物理法的作用力得到最大程度地發揮的保持。同時又揚棄了化學法過份依賴于覆劑和成本較高的缺點,使包覆劑用量下降了一個數量級,大幅度降低了成本。化學物理法的實質量充分發揮化學法和物理法各自的作用,按照一定的工藝和配,二法并存產生協同作用,達到二法單獨所難以達到的作用,提高了產品的性能和穩定性,降低了產品成本,產品的競爭力得到了最大程度的提高。
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