DE2414628A1

DE2414628A1 - Titandioxydpigmentaufschlaemmungen

Info

Publication number: DE2414628A1
Application number: DE2414628A
Authority: DE
Inventors: John Miles Daubenspeck; Jun Bernard Holton Jett
Original assignee: Kronos Titan GmbH
Current assignee: Kronos Titan GmbH
Priority date: 1973-03-26
Filing date: 1974-03-26
Publication date: 1974-10-17
Also published as: FR2223437A1; NO134526B; NL7403995A; IT1003877B; NO134526C; US3847640A; FR2223437B1; BE812791A

Description

Die Erfindung betrifft wäßrige Titandioxydpigmentaufschlämmungen, die zur Herstellung von Überzugszusammensetzungen auf Latexgrundlage geeignet sind.

Die Praxis, Titandioxydpigment in Form von wäßrigen Aufschlämmungen anstelle des trocknen in Säcken verpackten Pigments, in Verkehr zu bringen, ist relativ jung und wird in großem Umfang durch die gesteigerte Nachfrage für Papierüberzüge und Überzugsmaterialien auf Latexgrundlage als auch durch wirtschaftIiehe Vorteile, die sich dadurch ergeben, daß sowohl bei dem Hersteller als auch bei dem Kunden Kosten für das Einsacken, die Bereitstellung von Lagerhallen und die Handhabung eingespart werden können, gefördert. In der US-PS 3 663 28M wird die Herstellung von wäßrigen TiO₉-AUf-

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schlämmungen mit einem Peststoffgehalt von-hO bis 80 % (berechnet als TiOp) beschrieben, wobei in diesem Falle die Dispersion des Pigments dadurch erfolgt, daß man Zitronensäure oder Weinsäure oder deren Salze, vorzugsweise in Kombination mit einem Gummi, das das Absitzen verzögern soll, und ein Komplexierungsmittel für Kalziumkationen zugibt.

Es hat sich gezeigt, daß sich bei Mattläcken auf Latexbasis ein erheblicher Verlust der Färbekraft ergibt, wenn man TiO₂-Pigment mit hoher Färbekraft und einem relativ großen ölabsorptionsvermögen in Form einer wäßrigen Aufschlämmung zugibt, die bezogen auf das Fließvermögen maximale Feststoffkonzentrationen, 'd.h. Fest stoff gehalte von 68 bis 66 % aufweist. Dieser Verlust der Färbekraft kann 150 bis 300 Einheiten betragen.

Obwohl die genauen Gründe für dieses Verhalten nicht bekannt sind, wird aufgrund der Erfahrungen bei der Formulierung von Lacken angenommen, daß aufgrund der stark porösen Natur der wasserhaltigen Oxydüberzüge auf dem Pigment relativ große Wassermengen absorbiert werden, die in Verbindung mit der Handhabung des Pigments durch heftiges Rühren, Pumpen und dergl. eine gewisse Pigmentagglomerierung bewirken,wodurcn ein entsprechender Verlust der Färbekraft verursacht wird. Andere Theorien nehmen an, daß der poröse wasserhaltige Oxydüberzug verändert wird, wodurch seine Wirksamkeit der Ausbildung einer verbesserten Färbekraft in einem gegebenen Lacksystem vermindert wird.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß, wenn man wäßrige Aufschlämmungen von Titandioxydpigmenten mit hohem Feststoffgehalt herstellt, die für matte Überzugszusammensetzungen auf Latexgrundlage verwendet werden sollen und wobei das eingesetzte Titandioxyd eine hohe Färbekraft und ein relativ großes ölabsorptionsvermögen besitzt, die

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Konzentration des TiO_-Pigments in der wäßrigen Aufschlämmung innerhalb eines kritischen Bereiches gehalten werden muß, der sich von mehr als.60 bis nicht mehr als 65 % erstreckt und der vorzugsweise etwa 6k %, bezogen auf das Gewicht der Aufschlämmung, beträgt, damit man Überzugszusammensetzungen auf Latexgrundlage erhält, die durchwegs eine hohe Färbekraft besitzt und wodurch die Herstellung von Latexfarbformulierungen erleichtert und die Transportkosten für die Aufschlämmung niedrig gehalten werden.

Erfindungsgemäß werden die wäßrigen Titandioxydpigmentaufschlämmungen dadurch hergestellt, daß man ein Titandioxydpigment in Gegenwart eines geeigneten Dispergiermittels in Wasser dispergiert, wobei man als TiO₂-Pigment ein Pigment der Qualität verwendet, die üblicherweise bei der Herstellung von matten Farben auf Latexgrundlage und Formulierungen mit hoher volumenmäßiger Pigmentkonzentration verwendet wird. Diese besonderen Titandioxydpigmente zeichnen sich durch hohe Färbekraft und ein relativ großes ölabsorptionsvermögen aus. Weiterhin erhält man die erfindungsgemäßen wäßrigen Aufschlämmungen dadurch, daß man das genannte nachbehandelte TiOp-Pigment in Gegenwart eines geeigneten Dispergiermittels in Wasser einarbeitet. Es hat sich gezeigt, daß eine Reihe von Dispergiermitteln verwendet werden können, wie z.B. Kaliumtripolyphosphat, Tetrakaliumpyrophosphat, Monoisopropanolamin und dergleichen. Insgesamt ist es jedoch bevorzugt, Kaliumtripolyphosphat in einer Menge von etwa 0,2 bis etwa 0,7 Ji₉ bezogen auf das Gewicht des Pigments, zu verwenden.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung liegt in der Art des nachbehandelten TiO₂-Pigments und der Menge, in der dieses in die wäßrige Dispersion eingebracht wird. Es wurde gefunden, daß, wenn die Menge an zugesetztem Titandioxydpigment in einem kritischen Bereich von mehr als 60 % bis nicht mehr als

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65 %» bezogen auf das Gewicht der Aufschlämmung, vorzugsweise bei etwa 64 % gehalten wird, man mit diesen Aufschlämmungen Lacke oder Farben auf Latexgrundlage herstellen kann, die eine gleichmäßig starke Färbekraft besitzen. Aufschlämmungen mit Feststoffgehalten von 60 % oder weniger, berechnet als TiO₉-Pigment, besitzen eine gute Färbekraft und geeignetes Dispersionsverhalten und Fließvermögen, sind jedoch, da sie eine erhebliche Wassermenge enthalten, für die meisten Färbformulierungen nicht zufriedenstellend und sind auch vom Gesichtspunkt des Transports aus gesehen nicht wirtschaftlich.

Das Titandioxydpigment kann nach irgendeiner der beiden, derzeit in der Industrie angewandten Verfahren hergestellt werden, d.h. entweder nach dem sogen. Sulfatprozeß oder dem Chloridprozeß, wobei das TiOp-Pigment vorzugsweise in der Rutil-Form vorliegt. Weiterhin ist das Pigment durch ein relativ großes Ölabsorptionsvermögen gekennzeichnet, d.h. ein Absorptionsvermögen im Bereich von mehr als 36 bis 46, bestimmt als die Gewichtsmenge Leinsamenöl in Gramm, die erforderlich ist, um 100 g des Pigments zu einer kohärenten Masse zu verarbeiten. Das große Ölabsorptionsvermögen ist im allgemeine eine Folge von wasserhaltigen Oxydüberzügen, z.B. überzügen aus wasserhaltigen Oxyden von Aluminium, Titan, Silicium und Mischungen dieser Verbindungen. Typische überzüge können Siliciumdioxydhydrate in einer Menge von 5 bis 8 % SiO₂J Aluminiumoxyd im Bereich von 3 bis 5 % AIpO, und Titandioxyd im Bereich von 0 bis 2 %_y bezogen auf das Gewicht des TiO₂,enthalten.

Die erfindungsgemäßen Titandioxydpigmentaufschlämmungen erhält man dadurch, daß man zunächst eine wäßrige Lösung eines Dispergiermittels herstellt, wozu man in den meisten Fällen Kaliumtripolyphosphat verwendet und das Titandioxydpigment so schnell, wie es aufgrund der Benetzung mit der Lösung möglich

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ist, unter heftigem Rühren zusetzt, wobei man beispielsweise eine Dispergiereinrichtung verwendet, die mit einem Cowles-Rührflügel ausgerüstet ist.

Erfindungsgemäß wird die Menge des zugesetzten Titandioxydpigments derart gesteuert, daß sich eine Konzentration des Pigments von mehr als etwa 60 bis 65 % TiOp, bezogen auf das Gewicht der Aufschlämmung, ergibt.

Das Pigment kann unter Anwendung irgendeines Verfahrens zur Ermittlung der Färbekraft von Latexfarben bewertet werden. Der in den folgenden Beispielen verwendete Test ist der "Latex C^ Tinctorial Strength Test", der genauer beschrieben ist in "Physical Test Methods, ϊ & D Department, USTP, herausgegeben am 5· Juli 1972, Seite P-15. Im wesentlichen besteht dieser Test darin,· daß man das zu untersuchende Pigment zu einem zusammengesetzten Latexträgermaterial zusetzt, das einen Farbstoff enthält und die Reflexionsstärke der Farbe unter Verwendung einer geeigneten Meßeinrichtung (Colormaster Differential Colormeter, Model IV oder V C Mfg. Eng. & Equip Corp., 250 Titua Avenue, Warrington, Pa. J) bestimmt. Es ist festzuhalten, daß die Vergleiche der Farbstärken von Farben, die mit trockenem TiOp-Pigment hergestellt wurden, gegenüber den Farben, die mit TiOp-Aufschlärnmungen bereitet wurden, bei gleichen TiOp-Pigmentkonzentrationen erfolgten.

Weiterhin wurden alle Aufschlämmungen bezüglich der Dilatanz untersucht, die mit einem Scherviskosimeter (Hercules High Shear Viscometer) bestimmt wurde, welches bei einer maximalen Schergeschwindigkeit von 4084 Sek.~ betrieben wurde.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern, ohne sie jedoch zu beschränken.

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Beispiel 1

Als zu untersuchendes Pigment wird ein Titandioxydpigment in der Rutil-Form eingesetzt, das durch eine Nachbehandlung etwa 8 % SiOp und etwa 5- % k\J$-, enthält und ein Ölabsorptionsvermögen von 46 besitzt. Unter Verwendung dieses Pigments werden vier wäßrige Aufschlämmungen (a-d) mit verschiedenen Konzentrationen hergestellt, indem man das Pigment in unterschiedlichen Mengen zu wäßrigen Lösungen gibt, die 0,7 % Kaliumtripolyphosphat als Dispergiermittel enthalten. Während der Zugabe des Titandioxydpigments werden die Aufschlämmungen heftig unter Verwendung einer Dispergiervorrichtung gerührt, die mit einem Cowles-Rührer ausgerüstet ist und bei hoher Geschwindigkeit betrieben wird. Die TiO₂-Pigmentaufschlämmungen werden dann zu einer Standardlatexformulierung zugesetzt und zu einer Farbe bzw. einem Lack verarbeitet. Die bei der Herstellung eingehaltenen Bedingungen und die bei der Untersuchung erhaltenen Ergebnisse der vier Farbproben sind in der weiter unten angegebenen Tabelle aufgeführt.

Aus den V/erten ist deutlich zu ersehen, daß eine Titandioxydaufschlämmung mit einer Titandioxydpigmentkonzentration von 69 % relativ nicht-dilatant ist und eine Viskosität von 25.cP besitzt. Wenn man dieses Material jedoch unter Ausbildung einer Farbe zu einer Latexformulierung zusetzt, ergibt sich eine Färbekraft von lediglich 1805, was einer Abnahme der Färbekraft von 270 Maßeinheiten, verglichen mit der Latexfarbe, die aus dem ursprünglichen trockenen Pigment hergestellt wurde, entspricht. Wenn man jedoch eine Aufschlämmung herstellt, die eine Titandioxydkonzentration von 65 % aufweist, erhält man ein nicht-dilatantes Material (Viskosität 15 cP) und kann aus diesem eine Farbe auf Latexgrundlage herstellen, die eine Färbekraft von I905 besitzt. Ausgehend von Aufschlämmungen mit abnehmenden Konzentrationen, d.h. Konzentrationen von 64 %_t 62 % bzw. 6l %_t erhält man Farben auf Latexgrundlage mit stei-

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gender Färbekraft, wobei man mit der Aufschlämmung, die 61 % TiOp als Peststoffe enthält, eine Farbe auf Latexgrundlage mit einer Färbekraft von 2050 erhält, einer Färbekraft, die wesentlich gleich der der Farbe ist, die man mit Hilfe des Trockenpigments hergestellt hat.

Beispiel

Unter Verwendung eines Titandioxydpigments, das mit 8 % und 5,2 % Al₂O, nachbehandelt wurde, stellt man eine Reihe von Aufschlämmungen her. Das ölabsorptionsvermögen dieses Materials beträgt 46. In der oben beschriebenen Weise werden unter Anwendung der Hochgesphwindigkeits-Dispergiereinrichtung vier Aufschlämmungen mit Pigmentkonzentrationen von 65 %, 64 %, 63 % bzw. 60 % hergestellt.

Wie aus der folgenden Tabelle zu ersehen ist, besitzt die Farbe auf Latexgrundlage, die mit Hilfe des trockenen Pigments hergestellt wurde, eine Färbekraft von 2030. Wenn man bei der Herstellung einer Farbe auf Latexgrundlage eine Aufschlämmung mit 65 % TiO₂ verwendet, nimmt die Färbekraft auf I905 ab. Verwendet man jedoch TiO₂~Pigmentaufschlämmungen mit Konzentrationen von 64 %, 63 % bzw. 60 %₃ so nimmt die Färbekraft der mit Hilfe dieser Aufschlämmungen hergestellten Überzugszusammensetzungen auf Latexgrundlage gleichmäßig bis auf einen Wert von 2050 zu, d.h. dem Wert, der im wesentlichen dem der Farbe auf Latexgrundlage entspricht, die mit Hilfe des trockenen Pigments hergestellt wurde.

Beispiel

Unter Venrendung eines Titandioxydpigments, das mit 7»5 % SiO_? und 5 % Al₂Ow einer Nachbehandlung unterzogen wurde, wird eine

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dritte Reihe von Aufschlämmungen hergestellt. Das Pigment besitzt ein relativ großes olabsorptionsvermögen von 43. In gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben stellt man drei nicht-dilatante Aufschlämmungen unterschiedlicher TiO_?- Pigmentkonzentration her.

Wie aus der Tabelle zu ersehen ist, zeigt eine Farbe auf Latexgrundlage, die unter Verwendung eines trockenen Pigments mit dem gleichen olabsorptionsvermögen hergestellt wurde, eine Färbekraft von I960. Mit der Aufschlämmung, die eine TiOp-Konzentration von 65 % aufweist, erhält man eine Farbe auf Latexgrundlage mit einer Färbekraft von I87O, während die Titandioxydpigmentaufschlämmungen mit abnehmender TiOp-Konzentration zu Farben auf Latexgrundlage führen, die eine gleichmäßig zunehmende Färbekraft zeigen, wobei die höchste Färbekraft von 19^5 mit einer Aufschlämmung erreicht wird, die eine TiOp-Pigmentkonzentration von 60 % besitzt.

Beispiel

Es wird eine vierte Reihe von Aufschlämmungen hergestellt, wobei ein Titandioxydpigment eingesetzt wird, das mit 5 % SiOp und 3 % AIpO, nachbehandelt wurde. Das Pigment besitzt ein olabsorptionsvermögen von 36, was einem relativ niedrigen Ölabsorptionswert für» TiOp-Pigmente entspricht, die zur Formulierung von Latexfarben verwendet werden. Unter Anwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Dispergiermittels werden vier Aufschlämmungen mit unterschiedlicher TiOp-Konzentration hergestellt.

Wie aus der Tabelle zu ersehen ist, besitzt die Farbe auf Latexgrundlage, die mit Hilfe des trockenen Pigments mit dem gleichen Olabsorptionsvermögen hergestellt wurde, eine Färbekraft 'von 1890. Die gemäß diesem Beispiel hergestellten TiO-

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Pigmentaufschlämmungen besitzen Konzentrationen von 66 %₃ 65 %, 64 % bzw, 60 Jf, sind in allen Fällen nicht dilatant und werden unter Ausbildung von Farben auf Latexgrundlage zur Latexformulierungen zugesetzt. Die aus diesen Aufschlämmungen hergestellten Farben auf Latexgrundlage zeigen im wesentlichen äquivalente Färbekraft, verglichen mit der Latexfarbe, die mit dem trockenen Pigment bereitet wurde. Hierdurch wird verdeutlicht, daß nur mit Pigmenten mit relativ großem ölabsorptionsvermögen, d.h. einem ölabsorptionsvermögen von mehr als 36, ein unerwarteter Abfall der Färbekraft eintritt, wenn man Pigmentaufschlämmungen verwendet, die eine TiO„-Konzentration von mehr als 65 % aufweisen.

Aus der Beschreibung und den Beispielen ist deutlich zu ersehen, daß eine kritische Beziehung zwischen der Pigmentkonzentration wäßriger Titandioxydpigmentaufschlämmungen, die bei der Herstellung von Formulierungen auf Latexgrundlage verwendet werden, und der Färbekraft der daraus hergestellten Farben auf Latexgrundlage besteht'. So führen Pigmentaufschlämmungen mit einer TiOp-Konzentration von mehr als 65 % zu einer erheblichen Verminderung der Färbekraft einer Farbe auf Latexgrundlage verglichen mit der Färbekraft einer Farbe auf Latexgrundlage, die mit dem trockenen TiO₂-Pigment hergestellt worden ist. Liegt die Ti0₂~Pigmentkonzentration der Aufschlämmung in einem Bereich von 65 % bis mehr als etwa 60 %, so nimmt die Färbekraft der daraus hergestellten Farbe auf Latexgrundlage zu und kann tatsächlich den Wert einer Farbe auf Latexgrundlage erreichen, die aus einem trockenen Pigment hergestellt wurde. Weiterhin ist dieses Phänomen besonders deutlich bei Titandioxydpigmenten, die ein großes ölabsorptionsvermögen besitzen, was üblicherweise bei TiOp-Pigmenten der Fall ist, die relativ hohe Mengen von wasserhaltigen Oxyden, wie Siliciumdioxyd, Aluminiumoxyd und Titandioxyd, enthalten.

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TABELLE

Beispiel Pigment- Konzentration Viskosität olabsorptions·

behandlung der Auf- bei - vermögen

{%) schlämmung 4084 see (*)

	1	8,0 SiO
409842/	(a) (b) (C)	0, 1 Hl₂U₃
1022	(el) 2	8,0 SiO₂
		. 5,2 Al₂O₃
	(a)
	(b)
	(c)
	(d)

69 65 62 61

65 64

63 60

33 cP 94 cP 27 cP 30 cP

25	cP	ti
21	cP	It
23	cP	ti
22	cP	tt

Färbekraft der Latexfarbe

TiO₂~Aufschlämmung

trockenes

2075

1805 1965 2010 2050

2030

1905 1935 1945 2050

■Ο· C)" iSJJ CO

• TABELLE ' (Ports.)

Beispiel Pigment- Konzentration Viskosität ölabsorptions·
behandlung der Auf- bei *. vermögen
schlämmung 4084 see

Pärbekraft der Latex-■farbe

TiO₂~Auf- trockenes schlämmung TiO₂

O NJ KO

(a)
(b)
(c)

7,5 SiO₂
5,0 Al₂O₃

5,0 SiO₂,
3,0 Al₂O₃

65 64 60

.66

65 64 60

cP cP cP

cP cP cP cP

It ti It It

I960

1870 1920 19,45

I89O

1915 1895 1915 1890

Claims

Patentansprüche

1.) Wäßrige Titand'ioxydpigmentauf schlämmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschlämmung ein Dispergiermittel und ein Titandioxydpigment enthält, wobei das Titandioxydpigment ein relativ großes ölabsorptionsvermögen aufweist und in einer Menge von mehr als 6o bis nicht mehr als 65 %, bezogen auf das Gewicht der Aufschlämmung, in der Aufschlämmung enthalten ist.

2.) Aufschlämmung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergiermittel Kaliumtripolyphosphat, Tetrakaliumpyrophosphat oder Monoisopropanolamin, vorzugsweise Kaliumtripolyphosphat,ist.

3.) Aufschlämmung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ölabsorptionsvermögen des Titan- " dioxydpigmehts mehr als J>6 beträgt.

4.) Aufschlämmung gemäß einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Titandioxydpigment in bekannter Weise einer Nachbehandlung mit wasserhaltigen Oxyden, wie wasserhaltigen Metalloxyden, Siliciumdioxyd oder Mischungen davon, unterzogen worden ist.

5·) Aufschlämmung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Titandioxydpigment mit wasserhaltigen Oxyden von Silicium, Aluminium und/oder Titan, vorzugsweise wasserhaltigen Oxyden von Silicium und Aluminium, nachbehandelt· ist.

6.) Aufschlämmung gemäß einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Titandioxydpigment mit 5 - 8 $

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wasserhaltigem Siliciumoxyd und 3 - 5i2 % wasserhaltigem Aluminiumoxyd, berechnet als SiOg* bzw. AIgO-*, und bezogen auf das Gewicht an Titandioxyd, nachbehandelt- ist.

7.) Aufschlämmung gemäß einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß das Titandioxydpigment mit 7 % wasserhaltigem Siliciumoxyd, 3 %' wasserhaltigem Aluminiumoxyd und 1 % wasserhaltigem Titandioxyd, berechnet als SiOo, AlpO-x und TiOp und bezogen auf das Gewicht an Titandioxyd, nachbehandelt ist.

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