高白度耐光性金红石型二氧化钛基材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高白度耐光性金红石型二氧化钛基材的制备方法,属于钛白粉颜料应用技术领域。
背景技术
二氧化钛,俗称钛白粉,具有高白度、不透明性和优异的物理化学性质等优点,被广泛应用于塑料、涂料、油墨和造纸等领域。颜料领域作为二氧化钛的主要应用领域之一,其中装饰纸生产领域对钛白粉的耐光性和白度有着更高的要求。
装饰纸生产应用热压成型工艺,在制备过程中通过将二氧化钛与纤维一起经热固性树脂浸渍,然后热压成型得到成品。通过这种工艺所得的层压纸具有耐撞击、耐热和致密等特点,但对于钛白粉而言,这种层压纸结构致密,在受到外界紫外线辐照时,其表面的四价钛容易被还原为三价钛,造成制品容易变灰色。因此为了能更好的将钛白粉应用于造纸领域,在钛白粉生产中提高二氧化钛的抗变色能力即耐光性显得十分重要。
钛白粉的传统工业化生产方法一般分为硫酸法和氯化法,其中硫酸法生产钛白粉的主要原料是钛铁矿和硫酸,主要工艺步骤为:钛铁矿与硫酸酸解得到硫酸氧钛、经沉降、结晶、水解生成偏钛酸;偏钛酸经一洗、漂白、二洗,盐处理、锻烧得到金红石型二氧化钛基材;二氧化钛基材经湿磨、砂磨、包膜和气粉,得到钛白粉产品。
在现有技术中,为了提高钛白粉产品的白度和耐光性,一般是对二氧化钛基材进行包膜表面处理,如美国专利US2004025749公开了用磷酸盐、钛和铝的化合物加入到二氧化钛的浆料中,提高了二氧化钛的抗变色能力,在纸张和层压纸领域中具有良好的应用效果;又如美国专利US5785748采用铝化合物和磷酸在加热条件下配制成混合溶液,经过稀释后加入到钛白粉浆料中,然后将pH值调节到3-3.5,从而使处理剂沉淀在二氧化钛表面,同时再附加添加碘酸钾、硫酸钾或硝酸钾到原料中,才能够使颜料的耐光性得到提高。这种方法的缺点是,需要加入大量的磷酸到体系中,不仅造成了资源浪费,也增加了钛白粉的生产成本,商业价值有限。
再如中国发明专利 CN101857736A和CN102585559A公开了采用在二氧化钛浆料中加入锆化合物、硅化合物和铝等化物来提高钛白粉的耐光性能,这些专利都是通过包膜手段来提高钛白粉的白度和耐光性,但采用多种化合物包膜不能从本质上大幅度提高耐光性,我们应该从本质上提高二氧化钛基材的耐光性和白度上着手考虑。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足,提供一种高白度和耐光性的金红石型二氧化钛基材的制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是这样的:
一种高白度耐光性金红石型二氧化钛基材的制备方法,包括以下步骤:
(1)制备偏钛酸:钛铁矿与硫酸酸解得到硫酸氧钛、经沉降、结晶、水解生成偏钛酸;
(2)偏钛酸一次水洗:用温度为50~80℃的去离子水洗涤偏钛酸,去除其中的金属杂质;
(3)制备偏钛酸浆料:水洗后的偏钛酸中加水打浆,浆料的浓度为300~350g/L;
(4)漂白偏钛酸浆料:向偏钛酸浆料中加入硫酸,使浆料的硫酸浓度为60~90g/L,并同时向浆料中加入5wt%的金红石型钛白煅烧晶种和0.2wt%的Ti3+溶液,重量百分比计量基准为偏钛酸浆料中二氧化钛的总质量,所述Ti3+溶液的浓度为0.6g/L;
(5)偏钛酸二次水洗:将还原漂白的偏钛酸浆料,用带有真空负压的叶滤机或转筒真空过滤机吸浆过滤,再用温度为50~80℃的去离子水洗涤偏钛酸,进一步洗去硫酸亚铁,以便降低铁的含量,直至偏钛酸中亚铁离子的含量小于20ppm;
(6)盐处理:将二次水洗后的偏钛酸加水打浆,浆料的浓度为300~350g/L;向偏钛酸浆料中一次加入0.27wt%的钾化合物、0.2wt%的磷化合物、0.4-0.8wt%的铝化合物和0.15wt%的锑氧化物,混合均匀,其重量百分比计量基准为二洗偏钛酸浆料中二氧化钛的总质量,钾化合物加入量以K2O计,磷化合物加入量以P2O5计,铝化合物加入量以Al2O3计,锑氧化物加入量以Sb2O3计;
(6)煅烧粉碎:上述偏钛酸浆料脱水煅烧,煅烧温度控制在1050℃~1080℃之间,煅烧后粉碎即得金红石型二氧化钛基材。
所述钾化合物选自氢氧化钾、碳酸钾和硝酸钾。
所述磷化合物选自磷酸、六偏磷酸钠和磷酸铵。
所述铝化合物选自硫酸铝、氯化铝和偏铝酸钠。
所述锑氧化物为三氧化二锑。
众所周知,偏钛酸需在高温下长时间煅烧才能转变为金红石型晶型,这必将导致粒子团聚或烧结,造成产品晶格缺陷过多,晶粒过大且很硬,进而影响产品的分散性、遮盖力和颜料性能,同时高温操作也给钛白生产带来一定困难,因而,要得到性能优良的金红石型钛白粉,在生产过程中必须控制好偏钛酸转化的工艺条件,本发明将金红石型钛白煅烧晶种加入煅烧前的偏钛酸中,在煅烧处理时,该晶种在钛白粉由锐钛型向金红石型转化的过程中起诱导转化的作用,从而降低了转化温度,同时使颜料粒子外形圆滑,颜料性能优越。
偏钛酸在锻烧前加人少量化学品添加剂进行改性处理的过程,称为盐处理,亦称前处理。盐处理是偏钛酸非常重要的一个步骤,偏钛酸如不进行盐处理而直接锻烧,得到的产品颗粒往往很硬,色相及其他颜料性能很差,漆用性能低劣。盐处理步骤所用的添加剂有很多,比如钾盐、磷盐、铝盐等,它们大多是金红石型的负催化剂。
本发明通过在偏钛酸中依次加入磷盐、钾盐、铝盐和锑盐来调控煅烧过程,以达到提高二氧化钛耐光性的目的,同时也不影响金红石型的转化。本发明盐处理剂配方是相互配合、相辅相成的,若只单独添加其中一种或两种盐份则达不到理想效果。如少量P2O5在煅烧时可以提高产品的白度,使产品柔软好粉碎;钾盐可以抑制金红石型的转化速度、降低煅烧脱硫温度、避免粒子烧结长大;铝盐可以进入到二氧化钛的晶格中,使得产品颗粒致密,从本质上提高二氧化钛颜料的耐光性;同时为了消除铝盐含量的增加带来钛白粉黄相的问题,本发明额外增加了锑氧化物,锑化合物的加入可以使钛白粉呈蓝相,进而使得本发明制得的钛白粉能够在具有高耐光性的性能上也保持很高的白度,使得白度和耐光性得到矛盾统一。但是这些盐的加入量也是有讲究的,若加入过多,则抑制金红石型的转化,但加入过少,则白度、耐候性又达不到理想效果。本发明通过一系列的实验得出:磷盐添加量为TiO2的0.20%(以P2O5计);钾盐添加量为TiO2的0.27%(以K2O计);铝盐舔加量为TiO2的0.4-0.6%(以Al2O3计);锑盐舔加量为TiO2的0.15%(以Sb2O3计)时,可以获得综合性能优异、高白度和高耐候性的金红石型钛白粉基材。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)在盐处理步骤通过调控盐处理配方,即可实现高白度高耐候性的钛白粉产品,与包膜方法相比操作简单,方法更加有效;
(2)在盐处理步骤将铝含量提高至0. 4-0.8%,使得铝盐在钛白粉晶体增长过程中进入到晶格中,从而本质上提高二氧化钛颜料的耐光性能;
(3)通过在盐处理过程引入锑盐,消除了铝含量提高带来的黄相问题,从而改善了产品的白度;
(4)本发明盐处理剂配方保证了产品的白度和耐光性,同时降低煅烧温度至1050℃~1080℃之间即可得到金红石型二氧化钛基材,避免了煅烧温度过高对颜料性能产生的影响,得到的产品分散性能好,白度高,耐光性强。
具体实施方式
为了更加清楚的理解本发明的目的、技术方案及有益效果,下面对本发明做进一步的说明,但并不将本发明的保护范围限定在以下实施例中。
本发明高白度耐光性金红石型二氧化钛基材的制备方法,包括以下步骤:
(1)制备偏钛酸:钛铁矿与硫酸酸解得到硫酸氧钛、经沉降、结晶、水解生成偏钛酸;
(2)偏钛酸一次水洗:用温度为50~80℃的去离子水洗涤偏钛酸,去除其中的金属杂质;
(3)制备偏钛酸浆料:水洗后的偏钛酸中加水打浆,浆料的浓度为300~350g/L;
(4)漂白偏钛酸浆料:向偏钛酸浆料中加入硫酸,使浆料的硫酸浓度为60~90g/L,并同时向浆料中加入5wt%的金红石型钛白煅烧晶种和0.2wt%的Ti3+溶液,重量百分比计量基准为偏钛酸浆料中二氧化钛的总质量,所述Ti3+溶液的浓度为0.6g/L;
(5)偏钛酸二次水洗:将还原漂白的偏钛酸浆料,用带有真空负压的叶滤机或转筒真空过滤机吸浆过滤,再用温度为50~80℃的去离子水洗涤偏钛酸,进一步洗去硫酸亚铁,以便降低铁的含量,直至偏钛酸中亚铁离子的含量小于20ppm;
(6)盐处理:将二次水洗后的偏钛酸加水打浆,浆料的浓度为300~350g/L;向偏钛酸浆料中一次加入0.27wt%的钾化合物、0.2wt%的磷化合物、0.4-0.8wt%的铝化合物和0.15wt%的锑氧化物,混合均匀,其重量百分比计量基准为二洗偏钛酸浆料中二氧化钛的总质量,钾化合物加入量以K2O计,磷化合物加入量以P2O5计,铝化合物加入量以Al2O3计,锑氧化物加入量以Sb2O3计;
(6)煅烧粉碎:上述偏钛酸浆料脱水煅烧,煅烧温度控制在1050℃~1080℃之间,煅烧后粉碎即得金红石型二氧化钛基材。
下面以具体实施例来说明:
实施例1:
(1)制备偏钛酸浆料:取一洗过后的偏钛酸,加入足量的去离子水,配置成浆料总质量为2000g,TiO2含量为25%的偏钛酸浆料;
(2)偏钛酸的漂白:缓慢加入90g浓硫酸,并加以搅拌,然后将体系在水浴中加热至60℃;
(3)加入5.0%煅烧晶种,即加入238.1g质量分数为10.5%的煅烧晶种,搅拌30min后加入14g质量分数为5.15%的Ti3+溶液,然后继续搅拌90min;
(4)用温度为50-80℃的去离子水洗涤漂白后的偏钛酸,然后打浆配置为300g/L的偏钛酸浆料并对浆料进行定量分析,其亚铁离子含量小于20ppm;
(5)将7.80g质量分数为17.31%的KOH(加入后K2O的质量分数为0.27%)、4.20g质量分数为23.86%的H3PO4(加入后P2O5的质量分数为0.20%)、35.46g质量分数为5.64%的Al2(SO4)3(加入后Al2O3的质量分数为0.40%)和0.75g三氧化二锑粉末混合后一起加入上述偏钛酸浆料中混合均匀;
(6)将上述浆料烘干后在马弗炉中一小时内从室温升到600℃,然后以1℃/min 升温速度从600℃升温至1050℃即得金红石型二氧化钛基材。
实施例2:
(1)制备偏钛酸浆料:取一洗过后的偏钛酸,加入足量的去离子水,配置成浆料总质量为2000g,TiO2含量为25%的偏钛酸浆料;
(2)偏钛酸的漂白:缓慢加入90g浓硫酸,并加以搅拌,然后将体系在水浴中加热至60℃;
(3)加入5.0%煅烧晶种,即加入238.1g质量分数为10.5%的煅烧晶种,搅拌30min后加入14g质量分数为5.15%的Ti3+溶液,然后继续搅拌90min;
(4)用温度为50-80℃的去离子水洗涤漂白后的偏钛酸,然后打浆配置为300g/L的偏钛酸浆料并对浆料进行定量分析,其亚铁离子含量小于20ppm;
(5)将7.80g质量分数为17.31%的KOH(加入后K2O的质量分数为0.27%)、4.20g质量分数为23.86%的H3PO4(加入后P2O5的质量分数为0.20%)、53.20g质量分数为5.64%的Al2(SO4)3(加入后Al2O3的质量分数为0.60%)和0.75g三氧化二锑粉末混合后一起加入上述偏钛酸浆料中混合均匀;
(6)将上述浆料烘干后在马弗炉中一小时内从室温升到600℃,然后以1℃/min 升温速度从600℃升温至1060℃即得金红石型二氧化钛基材。
实施例3 :
(1)制备偏钛酸浆料:取一洗过后的偏钛酸,加入足量的去离子水,配置成浆料总质量为2000g,TiO2含量为25%的偏钛酸浆料;
(2)偏钛酸的漂白:缓慢加入90g浓硫酸,并加以搅拌,然后将体系在水浴中加热至60℃;
(3)加入5.0%煅烧晶种,即加入238.1g质量分数为10.5%的煅烧晶种,搅拌30min后加入14g质量分数为5.15%的Ti3+溶液,然后继续搅拌90min;
(4)用温度为50-80℃的去离子水洗涤漂白后的偏钛酸,然后打浆配置为300g/L的偏钛酸浆料并对浆料进行定量分析,其亚铁离子含量小于20ppm;
(5)将7.80g质量分数为17.31%的KOH(加入后K2O的质量分数为0.27%)、4.20g质量分数为23.86%的H3PO4(加入后P2O5的质量分数为0.20%)、70.92g质量分数为5.64%的Al2(SO4)3(加入后Al2O3的质量分数为0.40%)和0.75g三氧化二锑粉末混合后一起加入上述偏钛酸浆料中混合均匀;
(6)将上述浆料烘干后在马弗炉中一小时内从室温升到600℃,然后以1℃/min 升温速度从600℃升温至1080℃即得金红石型二氧化钛基材。
对比实施例:
步骤同实施例3,只是步骤(5)中仅添加44.33g质量分数为5.64%的Al2(SO4)3(加入后Al2O3的质量分数为0.25%),步骤(6)煅烧温度做相应改变。
各实施例实验结果见下表所示:
从上表可以看出,用本发明方法制得的金红石型二氧化钛基材,不仅各项质量指标较好,且耐光性得到了大幅度的提高。本发明采用增加铝盐的所制得的金红石型二氧化钛保持了很高的干粉白度,同时不影响其他颜料性能。
以上所述仅为本发明的较佳的实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同和改进,均包含在本发明的包含范围之内。