JP4838798B2 - 二酸化チタン顔料の後処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、二酸化チタン顔料の後処理方法、このようにして製造された二酸化チタン顔料、及び着色剤、塗料、及びプラスチックにおけるその使用に関する。
着色剤及び塗料、プラスチック等における白色顔料としてのTiO2の使用の際には、UV吸収により生じる不所望な光触媒反応が、この着色した材料の分解を生じることが公知である。
この際TiO2顔料は、近紫外範囲にある光を吸収し、この結果電子−正孔−対が生じ、これにより前記TiO2表面での高反応性のラジカルが生じる。この形成されたラジカルは有機媒体中で結合剤崩壊を引き起こす。TiO2の光活性は、前記TiO2粒子を、例えばSi及び/又はAl及び/又はZrの酸化物を用いて無機的に後処理することで減少できることが公知である。更に、前記光活性もその他の顔料特性も、例えばSn化合物の使用により改善できることが公知である。
TiO2顔料の後処理の成分としてのSnのいくつかの例は、特許公報JP61141616及びJP61286221に挙げられていて、これはTiO2上の導電性層の製造を記載するものであり、前記層はスズ被覆及びアンチモン被覆の組み合わせにより製造される。特許公報DE2951805C2及びUS3316204は積層顔料の製造を記載し、その際特許公報DE2951805C2は、Ceホスファート及びAlホスファートからなる被覆並びにフッ化物化合物からなる外側層、特にSn−フッ化物であってよい外側層を有する積層顔料を記載する。特許公報US3,316,204は、Sn酸化物及びAl酸化物からなる被覆を記載し、その際この製造された顔料は引き続き、ラミネート領域における使用の際のUV線に対して格別な耐性を得るべく625℃を上回る温度でか焼される。
更に特許公報JP58134158及びUS4,405,376(DE3145620C3)は、改善した分散能、良好な光沢、及び良好な安定性を有する顔料を記載し、前記顔料は特に塗料領域に適する。このうち、前記特許公報JP58134158は、Sn−ホスファート及びアルミニウム−酸化物−水和物からなる被覆を記載する。
この観点において及び以下において、粒子表面上に沈殿した酸化物とは、このそれぞれの水含有酸化物(酸化物水和物(Oxidhydrat))も常に理解される。US4,405,376(DE3145620C3)は、Sn酸化物及びZr酸化物からなる内側層並びにAl酸化物からなる外側層を有する顔料を開示する。Sn酸化物及びZr酸化物からなる内側層の設置は、Zr化合物及びSn化合物の添加後に、pH値2で、NaOHを用いて中和するか、又はZr化合物の添加後にpH値10〜10.5で、酸性のSn化合物を添加することにより行われる。これに引き続いて、前記内側のSn−Zr−酸化物−層上に、外側のAl−酸化物−層を設ける。上記した特許公報により製造される顔料は、高い光沢、良好な分散能、及び高い光安定性(白亜化抵抗性)示す。同時に前記顔料はしかしながら、不所望な黄変を示す。
本発明の課題は、良好な光学的特性の維持下で、公知技術に対して更に改善した光安定性(白亜化抵抗性)を有する二酸化チタン顔料を製造できる方法を提供することである。
前記課題は、以下の工程を有する二酸化チタンの後処理方法により解決される:
a)多くとも3のpH値又は少なくとも10のpH値を有する二酸化チタン基材の水性懸濁液の製造工程、
b)スズ及びジルコニウムの水溶性化合物並びに、アルミニウム、ケイ素、及びチタンのグループからの少なくとも1つの更なる元素の水溶性化合物の添加工程であって、pH値3を上回らないか、又はpH値10を下回らない工程、
c)前記懸濁液のpH値6〜8への調整工程。
本発明の更に有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
前記懸濁液の途中で切り替えられる(zwischengeschalteten)中和の結果、Zr酸化物/Sn酸化物及びAl酸化物の別個の層が生じるUS4,405,376(DE3145620C3)による方法とは異なり、本発明による方法は、全成分−Sn、Zr、及び更なる少なくとも1つのAl、Si、及びTiのグループからの成分−が前記懸濁液へ添加された後に初めて中性のpH値6〜8に調整することに特徴付けられる。意外にも、本発明による方法の実施は、前記TiO2顔料の顕著に改善した耐候性を生じる。引き続き更なる層を堆積させ、例えば最終的なAl−酸化物層をこの隠ぺい力の改善のために堆積させる。
この出発二酸化チタン顔料は、公知のスルファート方法又はクロリド方法により製造された基材であり、かつアナターゼ形又はルチル形にある。
特に、スルファート方法により製造された基材は、有利には公知の様式で、加熱発光性添加物(Gluehzusatz)、例えばカリウム、アルミニウム、リン、リチウム、及びこの類似物により安定化されていることが望ましい。本発明による方法は、二酸化チタン基材−水性懸濁液から出発して、強力に酸性である多くとも3の、有利には多くとも2のpH値を用いても、強力にアルカリ性である少なくとも10の、有利には少なくとも11のpH値を用いても実施できる(工程a)。
引き続く工程(b)の間に、前記懸濁液に、後処理成分Sn、Zr、及び更なる少なくとも1つのAl、Si、及びTiのグループからの成分の水溶液を添加する。前記添加の間に、前記懸濁液のpH値は、工程(a)において明記した範囲に留まり、即ち、多くとも3、有利には多くとも2、又は少なくとも10、有利には少なくとも11に留まる。それぞれの添加後に、15〜30分間の維持時間を行ってよい。
引き続き、工程(c)において、前記懸濁液をpH値6〜8に、アルカリ性又は酸性化合物の添加により調整する。
これに更なる層の堆積が引き続いてよく、例えば最終的なAl23層の堆積である。
酸性pH値範囲で開始する処理の際には、まずSn塩水溶液及びZr塩水溶液、並びに更なる少なくとも1つの成分−Al化合物及び/又はTi化合物及び/又はSi化合物−を添加する(工程b)。この際重要なことは、全ての成分の添加の間にこのpH値が多くとも3であることである。有利には従って、酸性のSn塩溶液又はZr塩溶液が使用される。又は、アルカリ性溶液を使用してもよく、その際この場合には酸の並行した供給を介して、このpH値が3を上回らないように配慮しなくてはならない。当業者には、制御のための適した物質及び必要な量が公知である。前記添加の順番は、本発明の意味合いにおいて重要ではない。
中性範囲、6〜8への引き続くpH値の増加(工程c)は、アルカリ溶液、例えばNaOH、又はアルカリ性化合物を、場合によりアルカリ溶液と組み合わせて用いて行う。特に、工程(b)において既に使用したアルカリ性化合物(例えばアルミン酸ナトリウム又はケイ酸ナトリウム)を使用してもよい。
選択的に、工程(b)(多くとも3のpH値範囲における添加)及び工程(c)(前記pH値の増加)の間に、均質化のための撹拌時間を挿入してもよい。
アルカリ性範囲からの沈殿の際に、前記成分の添加の順番も同様に変更してよい。まず、少なくとも10の、有利には少なくとも11のpH値で、前記後処理成分−Sn及びZr、並びにAl及び/又はSi及び/又はTiの水溶液−を前記懸濁液中に添加する(工程b)。この間に、このpH値を少なくとも10、有利には少なくとも11に、例えばアルカリ溶液、例えばNaOHの並行した添加により維持する。当業者には、制御のための適した物質及びこの必要な量が公知である。例えば、まず水溶性のアルカリ性Al化合物及び/又はアルカリ性Si化合物、及び引き続きSn成分及びZr成分、並びに場合によりTi成分の水溶液を前記懸濁液中に添加する。このpH値の中性範囲6〜8への引き続く減少(工程c)を、酸、例えばHCl、又は酸性化合物を、場合により酸、例えばHClと組み合わせて用いて行ってよい。特に、既に工程(b)において使用された酸性化合物(例えば、酸性のSn化合物又はZr化合物又は硫酸アルミニウム)を使用してもよい。
記載された本発明の方法による実施態様及びその他全ての本発明の方法による実施態様において、例えば以下の水溶性化合物を後処理成分として使用してよく、しかしながらこれらの列挙した成分が全てであると見なすべきではない:
酸性のスズ化合物として、二価の、また同様に四価のスズの酸性に反応するスズ塩、例えば塩化スズ(II)又は硫酸スズ(II)を考慮する。アルカリ性のスズ化合物として、例えばスズ酸ナトリウム又はスズ酸カリウムが使用される。酸性のジルコニウム化合物として、例えば硫酸ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、又は硝酸ジルコニウムが適する。アルカリ性のジルコニウム化合物として、例えば炭酸ジルコニウム複合体(Zirkoncarbonatkomplex)のグループから選択されてよい。
アルカリ性のアルミニウム化合物として、アルカリ金属アルミン酸塩、特にアルミン酸ナトリウムが適する。酸性に反応するアルミニウム化合物として、硫酸アルミニウム又は塩化アルミニウムが考慮される。
アルカリ性のケイ素化合物として、有利にはアルカリ金属ケイ酸塩、特にケイ酸ナトリウム(水ガラス)が使用される。
適したチタン化合物は、チタニル化合物、例えば硫酸チタニル又は塩化チタニルである。
工程(b)において使用した後処理成分の量は、その酸化物として計算して、かつTiO2基材に対して以下のとおりである:0.1〜1.0質量%、有利には0.2〜0.5質量%のSnO2
0.1〜1.5質量%、有利には0.2〜1.0質量%のZrO2
0.1〜1.5質量%、有利には0.2〜1.0質量%のSiO2
0.1〜1.0質量%のTiO2
0.1〜3.0質量%、有利には0.2〜1.5質量%のAl23
上記した方法により被覆されたTiO2粒子上に引き続き公知の後処理方法により、Al−酸化物−層を、TiO2基材に対して、Al23として計算して、変更可能である量、有利には〜6.0質量%で設けてよい。
TiO2懸濁液の最終的な処理は、当業者に公知の方法により行われる。例えば、前記懸濁液を終pH値、約7に調整する。有利には、前記終pH値を少なくとも7の値に、特に少なくとも7.5の値に調整する。これにより、改善した光学的な値、特に改善した色相bが達成される。特に、アルカリ性の範囲で少なくとも10のpH値で開始する特別な一実施態様において、前記色相bの最適化が少なくとも7、有利には少なくとも7.5の終pH値への調整により達成される。引き続き前記顔料から洗浄により、水溶性の塩を除去する。乾燥を、通常は約110〜160℃で行う。最終的に前記顔料を破砕する。
前記被覆中のスズの高含量が、前記二酸化チタン含量の変色、特に色相bの増加を生じる可能性があることは公知である。本発明により後処理した顔料の、125℃超から500℃までの、有利には約160℃、特に約250℃の温度での熱処理により、この安定性を損なうことなしに前記色相bは顕著に改善されてよい。
本発明により製造された顔料は従って、比較顔料に対して改善した光安定性(白亜化抵抗性)及び更に、熱処理により改善された光学的特性を示す(明度及び色相(Farbton))。これらは、プラスチック、着色剤、及び塗料の着色化にとりわけ適する。
実施例
以下に、本発明をいくつかの実施例に基づいて説明するが、これらは制限するものとして考慮されてはならない。質量%の量の記載は、そのつどTiO2基材に対する。それぞれの添加に対して約15〜30分間の撹拌時間が引き続いた。
実施例1
クロリド法に従って製造した、サンドミル処理した、450g/lのTiO2濃度を有するTiO2基材からの懸濁液を、60℃で、HClを用いてpH値2に調整した。撹拌下で、前記懸濁液に、塩化スズ(II)溶液として0.5質量%のSnO2を、この後でオキシ塩化ジルコニウムとして0.5質量%のZrO2を添加した。撹拌下で、アルミン酸ナトリウムとして0.3質量%のAl23を添加し、引き続きこのpH値をアルミン酸ナトリウムの更なる添加により約7に調整した。固定したpH法(fixed−pH Verfahren)の形で、Al23−アルミン酸ナトリウムとして添加−をHClに対してpH値7〜8で沈殿させ、この結果Al23の総量は3.0質量%である。
最終的に前記懸濁液から洗浄により、この水溶性の塩を除去し、16時間160℃又は250℃で乾燥させ、引き続き破砕した。前記顔料の白亜化抵抗性は100%であった。色相bは160℃での乾燥後0.4であり、250℃での乾燥後0.3であった。
実施例2
クロリド法に従って製造した、サンドミル処理した、450g/lのTiO2濃度を有するTiO2基材からの懸濁液を、60℃で、HClを用いてpH値2に調整した。撹拌下で、前記懸濁液に塩化スズ(II)溶液として0.5%のSnO2を添加した。引き続き、前記懸濁液に硫酸ジルコニウムとして0.5質量%のZrO2を、次工程においてNa−水ガラスとして0.5質量%のSiO2を添加した。このpH値は約1.4であった。引き続きアルミン酸ナトリウムとして2.6質量%のAl23及び硫酸アルミニウムとして0.4質量%のAl23を添加した。
前記懸濁液を最終的にpH値7に調整し、洗浄によりこの水溶性の塩を除去し、乾燥させ、かつ破砕した。前記顔料の白亜化抵抗性は111%であった。
実施例3
クロリド法に従って製造した、サンドミル処理した、450g/lのTiO2濃度を有するTiO2基材からの懸濁液を、60℃で、HClを用いてpH値2に調整した。撹拌下で、前記懸濁液に塩化スズ(II)溶液として0.5%のSnO2を添加した。引き続き前記懸濁液に、硫酸ジルコニウムとして0.5質量%のZrO2を、この後で塩化チタニルとして0.2質量%のTiO2を添加した。次工程において、前記懸濁液にNa−水ガラスとして0.3質量%のSiO2を添加した。引き続き、アルミン酸ナトリウムとして0.3質量%のAl23を添加し、引き続きこのpH値をアルミン酸ナトリウムの更なる添加により約8の値に調整した。引き続き、固定したpH法の形で、Al23−アルミン酸ナトリウムとして添加−をHClに対してpH値7〜8で沈殿させ、この結果Al23の総量は3.0質量%である。
前記懸濁液を最終的にpH値7に調整し、洗浄によりこの水溶性の塩を除去し、160℃又は250℃16時間乾燥させ、かつ破砕した。
前記顔料の白亜化抵抗性は111%であった。色相bは160℃での乾燥後0.5であり、250℃での乾燥後0.3であった。
実施例4
クロリド法に従って製造した、サンドミル処理した、450g/lのTiO2濃度を有するTiO2基材からの懸濁液を、60℃で、NaOHを用いてpH値11に調整した。攪拌下で、この懸濁液にオキシ塩化ジルコニウムとして0.5質量%のZrO2を添加した。前記懸濁液のpH値をNaOHを用いて11に安定化した。
前記懸濁液を次工程においてNa−水ガラスとして0.5質量%のSiO2、引き続きSnCl2として0.5質量%のSnO2を添加した。引き続き、このpH値をHClを用いて7〜8に調整した。
引き続き3.0質量%のAl23−アルミン酸ナトリウムの形で添加−を、HClに対して固定したpH値7〜8で沈殿させた。
前記懸濁液を最終的にpH値7に調整し、洗浄によりこの水溶性の塩を除去し、160℃又は250℃で16時間乾燥させ、引き続き破砕した。
前記顔料の白亜化抵抗性は90%であった。色相bは160℃での乾燥後0.5であり、250℃での乾燥後0.3であった。
比較例A
クロリド法に従って製造した、サンドミル処理した、450g/lのTiO2濃度を有するTiO2基材からの懸濁液を、60℃で、HClを用いてpH値2に調整した。撹拌下で、前記懸濁液に、塩化スズ(II)溶液として0.5質量%のSnO2を、この後で硫酸ジルコニウムとして0.5質量%のZrO2を添加した。前記懸濁液を次工程においてNaOHの添加によりpH8に調整した。
引き続き、Al23をアルミン酸ナトリウム及びHClの並行した添加の形で、固定したpH値7〜8で混合し、この結果Al23の総量は3.0質量%である。
最終的に前記懸濁液から洗浄により、この水溶性の塩を除去し、16時間160℃で乾燥させ、破砕した。
前記顔料の白亜化抵抗性は83%であった。この色相bは乾燥後に160℃で0.5であった。
比較例B
比較例Bは、SiO2の添加なしの例4に相当する:
クロリド法に従って製造した、サンドミル処理した、450g/lのTiO2濃度を有するTiO2基材からの懸濁液を、60℃で、NaOHを用いてpH11に調整した。攪拌下で、前記懸濁液にオキシ塩化ジルコニウムとして0.5質量%のZrO2を添加した。前記懸濁液のpH値をNaOHを用いて11に安定化した。
引き続きSnCl2として0.5質量%のSnO2を添加した。
引き続き3.0質量%のAl23−アルミン酸ナトリウムの形で添加−をHClに対して固定したpH値7〜8で沈殿させた。
前記懸濁液を最終的にpH値7に調整し、洗浄によりこの水溶性の塩を除去し、160℃又は250℃で16時間乾燥させ、引き続き破砕した。
前記顔料の白亜化抵抗性は83%であった。この色相bは乾燥後に160℃で0.5であった。
試験
製造された実施例の顔料及び比較例の顔料の光安定性を、短期間の耐候性試験に曝したアルキド樹脂−塗料系において試験した。この耐候性試験は、耐候性試験装置、いわゆるウェザロメーター(WOM)において行われ、前記装置は
a)放射線供給源(作動中にアークを生じる炭素電極)、
b)特殊ガラスからなる放射線フィルター、
c)試料に散水するための装置、
d)空気湿分を生じるための噴霧機、
e)回転可能である試料ホルダー
を有する換気した試験室からなる。
前記試験サイクルの間に、時間縮約して屋外耐候性試験(Freibewitterung)を模擬実験した。この試験期間の間に前記塗料は風化した。並行して白亜化抵抗性を試験した。それぞれの試験サイクル時に、更に、標準として比較顔料を使用した。前記白亜化の測定を、DIN53159により行った。この際この白亜化する塗料表面上に、水で湿らせた黒色印画紙を圧着させた。白亜化開始(白亜化抵抗性)として、顔料粒子及び充填物粒子が完全な白色の跡を残す日数が考慮される。前記標準に対するパーセントにおいて白亜化抵抗性が記載される。
光学的特性、特に色相bの測定は、DIN5033を教示として、塗料不含及び溶媒不含の粉体圧縮体(Pressling)中での二酸化チタン顔料の明度L*、色相a*、及び色相b*の測定を介して行った。前記粉体圧縮体を、定義した条件下で試験すべき顔料から製造した。HUNTERLAB-Colorimeterを用いて拡散反射値(Remissionwert)を測定した。
試験結果
本発明による方法の実施が、公知技術(DE3145620C3)から公知である、別個のZr−Sn−酸化物層を堆積させた方法の実施に対して、顕著に改善した、TiO2顔料の光安定性(白亜化抵抗性)を生じることが示された。これは、酸性範囲における処理(実施例1、2、及び3/比較例A)にも、アルカリ性範囲における処理(実施例4/比較例B)にも当てはまる。
実施例顔料1、3、及び4に対する結果は更に、Sn酸化物処理したTiO2顔料の色相bが高温(例えば160℃に対して250℃)での最終的な熱処理により、より低い値へと移行できることを示す。

Claims (23)

  1. a)多くとも3のpH値又は少なくとも10のpH値を有する二酸化チタン基材の水性懸濁液の製造工程、
    b)スズ及びジルコニウムの水溶性化合物並びに、アルミニウム、ケイ素、及びチタンのグループからの少なくとも1つの更なる元素の水溶性化合物の添加工程であって、pH値3を上回らないか、又はpH値10を下回らない工程、
    c)工程b)により得られた懸濁液のpH値6〜8への調整工程、
    を特徴とする、二酸化チタンの後処理方法。
  2. 前記二酸化チタン基材に対して、SnO2として計算して、0.1〜1.0質量%のスズ化合物を使用することを特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. 前記二酸化チタン基材に対して、SnO 2 として計算して、0.2〜0.5質量%のスズ化合物を使用することを特徴とする、請求項2記載の方法。
  4. 前記二酸化チタン基材に対して、ZrO2として計算して、0.1〜1.5質量%のジルコニウム化合物を使用することを特徴とする、請求項1記載の方法。
  5. 前記二酸化チタン基材に対して、ZrO 2 として計算して、0.2〜1.0質量%のジルコニウム化合物を使用することを特徴とする、請求項4記載の方法。
  6. 前記二酸化チタン基材に対して、Al23として計算して、0.1〜3.0質量%のアルミニウム化合物を使用することを特徴とする、請求項1記載の方法。
  7. 前記二酸化チタン基材に対して、Al 2 3 として計算して、0.2〜1.5質量%のアルミニウム化合物を使用することを特徴とする、請求項6記載の方法。
  8. 前記二酸化チタン基材に対して、SiO2として計算して、0.1〜1.5質量%のケイ素化合物を使用することを特徴とする、請求項1記載の方法。
  9. 前記二酸化チタン基材に対して、SiO 2 として計算して、0.2〜1.0質量%のケイ素化合物を使用することを特徴とする、請求項8記載の方法。
  10. 前記二酸化チタン基材に対して、二酸化チタンとして計算して、0.1〜1.0質量%のチタン化合物を使用することを特徴とする、請求項1記載の方法。
  11. d)水含有酸化アルミニウムからなる外側層の堆積工程を特徴とする、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
  12. 工程d)の後に、このpH値を、少なくとも7に調整することを特徴とする、請求項11記載の方法。
  13. 使用したスズ化合物を、塩化スズ(II)、硫酸スズ(II)、スズ酸カリウム、及びスズ酸ナトリウムのグループから選択することを特徴とする、請求項1又は3記載の方法。
  14. 使用したジルコニウム化合物を、硫酸ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、及び炭酸ジルコニウムのグループから選択することを特徴とする、請求項1、4又は5記載の方法。
  15. 使用したアルミニウム化合物は、アルカリ金属アルミン酸塩、又は酸性のアルカリ化合物であることを特徴とする、請求項1、6、7又は11記載の方法。
  16. 使用したケイ素化合物は、アルカリ金属ケイ酸塩であることを特徴とする、請求項1、8又は9記載の方法。
  17. 使用したチタン化合物は、チタニル化合物であることを特徴とする、請求項1又は10記載の方法。
  18. 工程c)において、アルカリ溶液又は酸、又は工程b)において添加された化合物又はこれらの混合物が添加されることを特徴とする、請求項1から17までのいずれか1項記載の方法。
  19. 二酸化チタンを最終的に、125℃超から500℃までの温度で熱処理することを特徴とする、請求項1から18までのいずれか1項記載の方法。
  20. 二酸化チタンを最終的に、160℃の温度で熱処理することを特徴とする、請求項19記載の方法。
  21. 二酸化チタンを最終的に、250℃の温度で熱処理することを特徴とする、請求項19記載の方法。
  22. 請求項1から21までのいずれか1項記載の方法により得られる二酸化チタン顔料。
  23. 着色剤、塗料、及びプラスチックにおける請求項22記載の二酸化チタン顔料の使用。
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