CN101210117A - 具有白色颜料性能的绢云母/TiO2复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有颜料二氧化钛性质的绢云母/TiO₂复合材料及其制备方法。本发明使用高品位绢云母粉体为包核基体，结晶TiO₂为包膜物，在湿法超细研磨体系中，通过粒－粒包覆改性方式，实现TiO₂在包核基体表面的反应包覆和改性修饰，由此制备具有颜料二氧化钛性质的绢云母/TiO₂复合材料。在本发明材料中，TiO₂在绢云母表面包覆均匀、两者间结合稳定。复合颗粒表面TiO₂性质及TiO₂与绢云母性能的综合导致绢云母/TiO₂复合材料呈现强烈的遮盖能力和与应用体系良好相容等颜料性能，当包膜物为金红石型TiO₂时，还具有等同或优于金红石型TiO₂的吸收抗紫外线功能。绢云母/TiO₂复合材料还具有制造工艺简单、成本低廉等特点，在涂料等制品中应用可取得与使用钛白粉相同的技术性能，且较大幅度降低成本。绢云母/TiO₂复合材料还可用于塑料、造纸等利用白色颜料物理性能的场合，起到改善应用产品性能和降低成本的作用。

Description

具有白色颜料性能的绢云母/TiO2复合材料

所属技术领域

本发明涉及到利用无机物改性与复合技术制备具有颜料性质的复合材料的生产技术领域，具体地讲，涉及到绢云母/TiO₂复合材料的制备方法。

背景技术

钛白粉(颜料二氧化钛)作为迄今为止人们所制造的最佳白色颜料，在涂料、造纸、塑料等众多工业部门已获得大量应用，从而成为国民经济建设中重要的化工原料。近些年来，因经济发展、社会进步和人们生活水平提高等因素带动的建筑业及相关涂料产业的迅猛发展，使白色颜料钛白粉的需求量与日俱增。而另一方面，世界优质钛资源日趋短缺，资源加工工艺复杂化，环境保护要求严格，这些都导致钛白粉生产成本增大，价格上扬。上述问题使涂料等钛白消费产业负担不断加重，行业发展因此受到制约。

采用无机材料的改性与复合技术制备与钛白性能相似且成本低廉的复合制品是解决钛白粉生产和消费中存在问题的有效途径。通过无机表面包覆改性方式，在非金属矿物等无机材料表面包覆TiO₂层而形成具有二氧化钛颜料性质的复合白色颜料一直受到国内外的关注，并形成了主要以无机沉淀反应-热处理晶化法和干式条件粒-粒包覆改性法两种制备复合颜料的技术方法。

无机沉淀反应-热处理晶化方法的具体特征为：将作为基体的非金属矿物颗粒置于钛盐(主要是硫酸氧钛)的水解体系里，引发钛盐水解，生成水合二氧化钛(TiO₂·H₂O)覆盖在矿物颗粒表面，再经热处理使复合物表面的TiO₂·H₂O生成结晶型TiO₂包膜物。这一方法存在的问题主要有：矿物质包核基体的诱导作用导致水合二氧化钛沉淀物难以通过后续晶化生成金红石型二氧化钛；受水解过程钛盐浓度和固含量的制约，包覆TiO₂量和均匀程度受到限制，产品的颜料性能一般达不到要求；钛盐水解和铁离子等杂质的去除产生大量酸性废水，污染环境。

干式条件粒-粒包覆改性法是将TiO₂和非金属矿物置于具有干式冲击作用的机械搅拌体系中，通过机械分散、冲击剪切等作用实现细颗粒TiO₂在较粗的非金属矿物颗粒表面的包覆。采用该方法，因包核基体与TiO₂的分散程度较差，基体与钛白之间缺少产生牢固作用的激发外力和键合基团因而复合物颜料性能差且不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种在绢云母颗粒表面牢固包覆结晶TiO₂颗粒为特征、并因表面层TiO₂性质及TiO₂与绢云母性能的综合作用而具有颜料二氧化钛性质且成本低廉的复合白色颜料。

本发明通过以下措施实现了绢云母/TiO₂复合材料中结晶TiO₂颗粒在绢云母颗粒表面牢固而均匀的包覆：

(1)采用湿法超细研磨方法将作为包核物的绢云母颗粒和作为包膜物的结晶TiO₂颗粒分别细化至两者相匹配的粒度范围，即包核物颗粒直径(球型等效直径)：TiO₂颗粒直径约为5-10∶1；

(2)通过超细研磨使绢云母颗粒产生机械力活化效应，以此促进其与TiO₂之间的反应结合；

(3)绢云母颗粒和TiO₂在反应体系中各自形成表面官能团，通过官能团间的化学键合实现两颗粒的相间反应；

本发明制备的绢云母/TiO₂复合材料因颗粒表面TiO₂包覆层的高折射率、绢云母高径厚比片体平行排列形成致密层、异质颗粒材料导致的强分散作用和高散射作用，以及形成涂层时包裹较多空气介质导致的较强遮盖作用而具有类似钛白粉的颜料性质。

本发明制备的绢云母/TiO₂复合材料由于其中只含有部分TiO₂，且固体包核物绢云母价格相对低廉，因此其成本与钛白粉相比被大大降低。

本发明最终形成的绢云母/TiO₂复合材料的成分与组成为：绢云母50％-85％，结晶TiO₂(锐钛型或金红石型)15％-50％。

实现本发明的绢云母/TiO₂复合材料的具体制备方法是：

原材料选用：

1.绢云母粉体，细度400-800目，矿物纯度大于50％；

2.锐钛型或金红石型钛白粉工业品(结晶TiO₂)，白度大于95％；

3.三聚磷酸钠(工业纯以上级别)，与去离子水配制成水溶液，溶液浓度20％，在绢云母和TiO₂粉体制浆时作为分散剂添加使用；

4.工业水玻璃(模数3)，与去离子水配制成水溶液，溶液浓度10％，在已均化TiO₂和超细绢云母混合浆体进行研磨，即二者实现反应包覆的过程中作为结合剂添加使用；

原则生产工艺过程的具体步骤是：

一、首先按绢云母与水形成悬浮体中固含量35％～55％的要求，称取绢云母粉体、水和占干粉量0.5％-1.2％的三聚磷酸钠，置于湿式搅拌磨的超细研磨系统内，通过具有高速搅拌作用的搅拌机搅拌制成待超细研磨浆体；

二、按结晶TiO₂(锐钛型或金红石型)与水形成悬浮体中固含量50％～70％的要求，称取TiO₂、水和占干粉量1％-2％的三聚磷酸钠，置于具有高速搅拌作用的搅拌机内搅拌，制成浆体；

三、启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，对绢云母与水制成的浆体进行研磨作业，使磨细产物粒度达到小于2μm含量55％～75％，并将其与TiO₂浆体混合搅拌，两者的混合比例(干粉重量)按TiO₂/(绢云母+TiO₂)＝15％-50％的要求确定。同时加入占干粉量0.5％-1.5％的水玻璃，然后对混合浆体进行搅拌均化；

四、启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，对已均化的TiO₂浆体和绢云母混合浆体进行研磨作业，使磨细产物粒度达到小于2μm含量82％～88％，并导入具有中等搅拌强度的搅拌罐内；

五、向装有绢云母和TiO₂混合超细浆体的搅拌罐内加水，使其稀释至固含量15％-35％，并搅拌均匀。然后用GSDF-25(Ф25)型超细水力分级机对其进行分级，使分级溢流粒度达到小于2μm含量87％～92％。

六、利用板框压过滤机或离心机将分级溢流过滤形成滤饼；

七、将滤饼置于温度90℃-120℃的干燥机中干燥至含水1％以下；

八、将干燥后的物料送入打散机中进行处理，使之形成粒度均匀的粉末；

具体实施方式

实施例1：

1.将绢云母粉体(500目)400kg、去离子水400kg置于湿式搅拌磨的超细研磨系统内，通过具有高速搅拌作用的搅拌机搅拌15min，然后加入含4kg三聚磷酸钠的溶液(溶液浓度20％，加入该溶液20kg)，再搅拌40min制成待超细研磨浆体；

2.启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，按照连续磨矿方式对绢云母粉体与水制成的浆体进行研磨使磨细产物粒度达到小于2μm含量70％；

3.将结晶TiO₂(金红石型钛白粉)200kg、去离子水200kg置于具有高速搅拌作用的搅拌罐内搅拌15min，然后加入含3kg三聚磷酸钠的溶液(溶液浓度20％，加入该溶液15kg)，再搅拌40min制成浆体；

4.将绢云母磨细浆体300kg、TiO₂浆体160kg、浓度10％的水玻璃溶液27.6kg混合，并高速搅拌40min以实现混合浆体的均化；

5.启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，按照连续磨矿方式对已均化的TiO₂浆体和超细绢云母混合浆体进行研磨作业，使磨细产物粒度达到小于2μm含量85％，并导入具有中等搅拌强度的搅拌罐内；

6.向装有已超细TiO₂和超细白色矿物混合浆体400kg的搅拌罐内加水400kg，并搅拌均匀。然后用GSDF-25(Ф25)型超细水力分级机对其进行分级，使分级溢流粒度达到小于2μm含量90％。

7、利用Ф800型三足离心机将分级溢流过滤形成滤饼；

8、将滤饼置于温度90℃-120℃的干燥机中干燥至含水1％以下；

9、将干燥后的物料送入打散机中进行处理，使之形成粒度均匀的粉末；

实施例2：

1.将绢云母粉体(500目)400kg、去离子水400kg置于湿式搅拌磨的超细研磨系统内，通过具有高速搅拌作用的搅拌机搅拌15min，然后加入含4kg三聚磷酸钠的溶液(溶液浓度20％，加入该溶液20kg)，再搅拌40min制成待超细研磨浆体；

2.启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，按照连续磨矿方式对绢云母粉体与水制成的浆体进行研磨使磨细产物粒度达到小于2μm含量70％；

3.将结晶TiO₂(锐钛型钛白粉)200kg、去离子水200kg置于具有高速搅拌作用的搅拌罐内搅拌15min，然后加入含3kg三聚磷酸钠的溶液(溶液浓度20％，加入该溶液15kg)，再搅拌40min制成浆体；

4.将绢云母磨细浆体300kg、TiO₂浆体160kg、浓度10％的水玻璃溶液27.6kg混合，并高速搅拌40min以实现混合浆体的均化；

5.启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，按照连续磨矿方式对已均化的TiO₂浆体和超细绢云母混合浆体进行研磨作业，使磨细产物粒度达到小于2μm含量85％，并导入具有中等搅拌强度的搅拌罐内；

6.向装有已超细TiO₂和超细白色矿物混合浆体400kg的搅拌罐内加水400kg，并搅拌均匀。然后用GSDF-25(Ф25)型超细水力分级机对其进行分级，使分级溢流粒度达到小于2μm含量90％。

7、利用Ф800型三足离心机将分级溢流过滤形成滤饼；

8、将滤饼置于温度90℃-120℃的干燥机中干燥至含水1％以下；

9、将干燥后的物料送入打散机中进行处理，使之形成粒度均匀的粉末；

按实施例1和实施例2分别制成的绢云母/TiO₂复合材料的性能列于表1，使用实施例1制成的绢云母/TiO₂复合材料制备的外墙乳胶涂料的遮盖性能、使用实施例2制成的绢云母/TiO₂复合材料制备的内墙乳胶涂料的性能及其与钛白粉的对比列于表2。

结果表明：以绢云母/TiO₂复合材料作为单一颜料，其制备涂料的遮盖力与使用钛白粉相当，绢云母/TiO₂复合材料以较大比例与钛白粉复合使用，涂料遮盖力明显高于使用钛白粉。因此认为绢云母/TiO₂复合材料具有与钛白粉相类似的颜料性能。

绢云母/TiO₂复合材料的性能    表1

绢云母/TiO₂复合材料和钛白粉制备涂料性能(对比率，％)检测结果    表2

Claims (3)

1.绢云母/TiO₂复合材料，其特征是：以高品位绢云母粉体为包核基体，结晶TiO₂(锐钛型和金红石型)为包膜物，采用绢云母湿法超细研磨和绢云母与结晶TiO₂湿法共混研磨途径，通过固体颗粒的分割细化、表面羟基化改造和机械力化学效应导致的粒-粒包覆改性反应等方式制备而成。

要求作为包核基体的绢云母粉体中绢云母含量应大于50％，绢云母/TiO₂复合材料的细度达到小于2μm含量87％～92％，各组分按重量的组成比为：绢云母粉体50％-85％，结晶TiO₂(锐钛型或金红石型)15％-50％。

2.绢云母/TiO₂复合材料，其制备工艺和方法特征为：

A、按绢云母与水形成悬浮体中固含量35％～55％的要求，称取绢云母粉体、水和占干粉量0.5％-1.2％的三聚磷酸钠，置于湿式搅拌磨的超细研磨系统内，通过具有高速搅拌作用的搅拌机搅拌制成待超细研磨浆体；

B、按结晶TiO₂(锐钛型或金红石型)与水形成悬浮体中固含量50％～70％的要求，称取TiO₂、水和占干粉量1％-2％的三聚磷酸钠，置于具有高速搅拌作用的搅拌机内搅拌，制成浆体；

C、启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，对绢云母与水制成的浆体进行研磨作业，使磨细产物粒度达到小于2μm含量55％～75％，并将其与TiO₂浆体混合搅拌，两者的混合比例(干粉重量)按TiO₂/(绢云母+TiO₂)＝15％-50％的要求确定。同时加入占干粉量0.5％-1.5％的水玻璃，然后对混合浆体进行搅拌均化；

D、启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，对已均化的TiO₂浆体和绢云母混合浆体进行研磨作业，使磨细产物粒度达到小于2μm含量82％～88％，并导入具有中等搅拌强度的搅拌罐内；

E、向装有绢云母和TiO₂混合超细浆体的搅拌罐内加水，使其稀释至固含量15％-35％，并搅拌均匀。然后用GSDF-25(Φ25)型超细水力分级机对其进行分级，使分级溢流粒度达到小于2μm含量87％～92％。

F、利用板框压过滤机或离心机将分级溢流过滤形成滤饼；

G、将滤饼置于温度90℃-120℃的干燥机中干燥至含水1％以下；

H、将干燥后的物料送入打散机中进行处理，使之形成粒度均匀的粉末。

3.根据权利要求2所述的绢云母/TiO₂复合材料的制备工艺和方法，特征在于：

A、按绢云母/(绢云母+水)＝50％、三聚磷酸钠占绢云母粉体1％的要求，在湿式搅拌磨的超细研磨系统内，通过高速搅拌作用的搅拌机搅拌制成由绢云母粉体、水和三聚磷酸钠形成的待超细研磨浆体。所采用绢云母粉体中绢云母矿物含量大于50％；

B、按结晶TiO₂(锐钛型或金红石型)与水形成悬浮体中固含量50％的要求，称取TiO₂、水和占干粉量1.5％的三聚合磷酸钠，置于具有高速搅拌作用的搅拌机内搅拌，制成浆体；

C、启动湿式搅拌磨的超细研磨系统，对绢云母粉体与水制成的浆体进行研磨作业，使磨细产物粒度达到小于2μm含量70％，然后将其与TiO₂浆体按TiO₂/(绢云母粉体+TiO₂)＝34％、同时加入占干粉量1.2％的水玻璃的要求进行搅拌混合均化；

D、利用湿式搅拌磨的超细研磨系统，对已均化的TiO₂和绢云母粉体混合浆体进行研磨并使磨细产物粒度达到小于2μm含量85％；

E、加水对已超细TiO₂和超细绢云母混合浆体进行稀释至固含量25％，搅拌分散均匀后用GSDF-25(Φ25)型超细水力分级机进行分级，使分级溢流粒度达到小于2μm含量90％；

F、利用离心机或真空过滤机将分级溢流过滤形成滤饼；

G、将滤饼置于温度100℃的干燥机中干燥至含水1％以下；

H、将干燥后的物料送入打散机中进行处理，使之形成粒度均匀的粉末。