首页 >> 技术服务 >> 技术论文 >> GR复合钛白颜料在塑料领域的应用探讨

字号:   

GR复合钛白颜料在塑料领域的应用探讨

浏览次数: 日期:2008年5月6日

 

Discussion on the application of GR-TiO2 composite white pigment in plastics

柴修安、王新春、王家俊(滁州格锐矿业有限责任公司)
杨改 (清华大学核能与新能源技术研究院)

摘要:简述钛白粉的行业状况,GR复合钛白颜料的技术特点、产品性能,并对该产品在塑料领域的应用特点进行探讨。

Abstract:The basic situation of titanium dioxide, the technology innovation and properity of the product of GR-TiO2 composite white pigment were summarized in brief, application of the product in plastics was discussed.
关键词:钛白粉、复合钛白颜料、塑料、遮盖力、耐候性
Keywords: titanium dioxide; composite white pigment; plastic; hiding power; weather resistance
一、引言

钛白粉(TiO2),学名二氧化钛。被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料。在自然界中二氧化钛有金红石、锐钛矿和板钛矿三种变体。商业钛白粉有两种:一种是金红石型二氧化钛,密度为 4.26g/cm3,折射率为2.72,耐光性非常强,适合制造室外用漆和化妆品;另一种是锐钛矿型二氧化钛,密度为 3.84g/cm3,折射率为2.55,耐光性较差,适用于制造室内漆。由于其化学性质稳定,具有高折射率和理想的粒度分布,广泛应用于近年来发展较快的许多领域,如涂料、油墨、塑料、橡胶、纸张、日化、医药、食品、陶瓷及合成纤维等。
近些年来,生产钛白粉的优质钛资源在全球范围内短缺,现有资源加工工艺由此变得日趋复杂,同时环境保护的要求也越发严格,这些因素导致钛白粉成本加大,生产能力和供应量减少;另一方面,随着世界经济发展、社会进步和人们生活水平的提高带动了建筑等行业的迅猛发展,钛白粉的需求量与日俱增。钛白粉供需之间的矛盾将在相当长的时间内长期存在,由此产生的钛白粉价格上扬使塑料、涂料等钛白消费产业的负担加重,从而对这些行业的发展形成制约。因此解决钛白粉生产和消费过程中的问题多年来一直受到广泛关注。采用无机材料的复合技术,制备与钛白粉性能相似且成本低廉的钛白粉代用品,即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被认为是最具成效的解决问题的途径。日前,一种可替代钛白粉使用的GR复合钛白颜料在滁州格锐矿业有限责任公司研制成功并投入正式生产,由于具有与钛白基本相同的使用性能和优越的性价比,产品一经推出便受到市场用户的密切关注。
二、GR复合钛白颜料的技术原理

GR复合钛白颜料产品由滁州格锐矿业有限责任公司和中国地质大学联合研制,其技术原理是TiO2的光学性质和颜料性能的利用仅仅是粒子的表面层,用无机原料作为内核,核体包覆一层TiO2做成复合颜料,既发挥了TiO2的颜料性能,又节约了TiO2用量,降低了成本。产品精选结构外型与钛白相似、且表面具有反应活性官能团的复合无机粉体为内核,TiO2为包膜物,通过在湿法超细研磨体系中的粉体均化、表面羟基化改造和机械力化学作用等高新技术工艺实现粒-粒包覆改性方式制备而成。选择两种型号的GR复合钛白颜料与钛白粉进行性能检验,结果见表1:

 
表1 GR复合钛白颜料与钛白粉的颜料性能对比
 
产品 遮盖力
g/m2
吸油值
g/100g
白度 ○ 平均粒径
μm

锐钛型

TA101 23.6 26.7 94.5 0.93
钛白粉 19.3 25.9 94.2 0.41

金红
石型

TR818 21.7 23.4 95.1 0.86
钛白粉 17.4 22.6 94.8 0.39
 
将GR复合钛白颜料(金红石型)与金红石型钛白粉(R818)用水配成0.2% 的悬浮体。经超声波分散20分钟后,取样放入72型紫外与可见光光度计中测试其光透过率(见表2):以此来判断产品对紫外光的吸收情况。
 
表2 GR复合钛白颜料、金红石型钛白粉水悬浮体对不同波长光的透过率%
 
波长(nm)
样品名称
200 250 300 350 380 400 430 480 500 550 600 650 700 750 780

GR复合钛白

7.8 6.5 4.3 0.2 5.6 9.2 15.6 20.2 26.9 35.6 36.8 38.8 40.2 40.5 39.9
金红石型钛白粉 8.7 4.5 2.5 0.1 4.5 6.7 12.4 17.8 23.4 30.6 34.5 39.4 45.6 43.4 41.8
 
从检测结果可以看出,在颜料主要性能遮盖力上,GR复合钛白颜料与钛白粉比较接近,而在吸收紫外线的光学性能上与金红石基本相同,因此完全可以替代钛白粉使用,其价格只有钛白粉的60% 左右,可为用户节约大量成本。该产品技术通过北京市科委组织的专家鉴定,被评价为“技术先进,具有新颖性和独创性,达到国际先进水平”。被评审认定为“安徽省高新技术产品”,并被列入“国家重点新产品计划项目”和“安徽省高技术产业化示范项目”。 产品自投产以来质量稳定,深受用户好评。

三、GR复合钛白颜料在塑料中的应用特点

塑料工业是钛白粉的第二大用户,是近几年增长最快的领域,年均增长率达 6%,全世界500余个钛白粉牌号中,有50多个牌号是属于塑料专用的。钛白粉在塑料制品中的应用,除了利用它的高遮盖力、高消色力以及其他颜料性能外,它还能提高塑料制品的耐热、耐光、耐候性能,使塑料制品免受UV光的侵袭,改善塑料制品的机械性能和电性能。由于塑料制品比油漆和油墨的涂膜厚得多,因此它不需要太高的颜料体积浓度,加上它遮盖力高,着色力强,一般用量只有3%—5%。几乎所有的热固性和热塑性的塑料中都使用它,如聚烯烃类(主要是低密度的聚乙烯)、聚苯乙烯、ABS 、聚氯乙烯等,它既可以与树脂干粉混合,也可以与含增塑剂的液体相混合,还有一些是把钛白粉先加工成色母粒后再使用。
笔者所在企业以GR复合钛白颜料按1.2:1的比例取代钛白粉,经过一年多的实际使用,不但使吨成本下降近30元,在制品的着色性、耐候性方面也取得与钛白粉完全相同的效果,完全改变了以往复合钛白颜料只能应用于中低档产品的观念。对GR复合钛白颜料以50%的钛白含量取得80%以上的功效,笔者一直多方收集相关文献予以探索,认为主要有以下几方面原因:
1、廉价内核对钛白粉的取代提高了产品使用效率
钛白粉作为一种性能优异的白色颜料,实际可被利用和发挥作用的只是钛白颜料粒子的外表面,而粒子的内核则没有发挥应有作用。因此作为颜料级钛白,其以内核形式存在实际是一种严重的资源浪费。据资料统计,目前每年全球四百万吨左右的钛白消耗量,作为内核浪费的约占30%—60%,这是一个十分惊人的数字。GR复合钛白颜料将这部分被浪费的内核节约下来,用低成本的复合无机内核取代,核外包覆可充分利用和发挥作用的颜料级钛白,极大地提高了钛白的利用率,使使用成本大大降低。
2、国际先进的复合技术
滁州格锐矿业有限责任公司拥有具有国际先进水平的物理化学法钛白复合技术,其精选的基体材料具有结构外型与钛白相似、且表面具有反应活性官能团的特点,加上羟基化助剂和湿法超细研磨体系的机械力化学作用,使基体和包核物以化学键形式牢固结合。对GR复合钛白颜料配成0.2%的悬浮体,经超声波分散20分钟后进行电镜分析,钛白微粒依然以原始粒径与基体材料牢固结合,保证了GR复合钛白颜料在应用过程中的使用性能稳定性。
3、独特的粒径分布结构避免团聚
颜料钛白的粒径分布是影响产品应用性能的重要因素。钛白粉虽然原始粒径极小,约0.15-0.4微米,但实际使用过程中是以团聚体形式存在,极大地影响了钛白的使用效果。即使采用先进的分散工艺和设备,但由于粒径较小,粒子间相互作用力较强,钛白在解聚后很容易重新团聚。特别是塑料加工工艺对原料分散性较差,分散和团聚问题更为严重。而GR复合钛白颜料中外层钛白以原始粒径存在,充分发挥颜料作用,而基体粒径相对钛白较大,使钛白粒子间的相互作用力大大减小,起到空间阻隔的作用,使复合钛白的分散性能得到大幅度提高,在某些使用性能上甚至优于纯钛白。
四、结论

GR复合钛白颜料作为一种新产品,国内外首次实现了钛白替代品的产业化生产。该产品投产以来质量指标稳定,性能与钛白粉相近,完全可以替代钛白粉在塑料行业应用,为用户节约大量使用成本,是钛白应用上的重大创新,因此越来越受到塑料行业用户重视,并被广泛选用。同时该产品对提高钛资源利用率,实现钛白行业的可持续发展具有积极意义。

所属类别 技术论文