功能粉体钛白粉

2017-06-09

  矿物概况

  钛白粉学名为二氧化钛( Titanium Dioxide),分子式为TiO2,相对分子质量79.90。CAS 登录号:13463-67-7 ,EINECS 登录号:236-675-5.也称钛白。属于惰性颜料,被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料。

  二氧化钛分子量为79.9,是一种化学性质十分稳定的两性(偏酸性)氧化物。无毒,常温下几乎不与其他物质发生反应,对氧、氮、氨、硫化氢、二氧化硫、二氧化碳都是稳定的,不溶于水、稀酸、脂肪酸、有机酸和弱无机酸,微溶于碱和热硝酸,只有在长时间煮沸条件下,才能完全溶于浓硫酸和氢氟酸。

  性质结构

  二氧化钛是多晶形化合物,自然界存在三种晶形结构:金红石型、锐钛矿型和板钛矿型。它们的晶体性质存在差异。三者结构的共同点是,其结构都是由[TiO6]八面体组成。而它们结构的区别在于:它们结构中的[TiO6]八面体分别共两棱、三棱和四棱。表1为二氧化钛三种晶型的晶体特征。

  表1 二氧化钛的晶体特征

二氧化钛晶型

晶系

晶型

单位晶格中分子数/个

晶格常数/nm

a

b

c

金红石型

四方

针形

2

0.4584


0.2953

锐钛矿型

四方

锥形

4

0.3776


0.9486

板钛矿型

斜方

板形

8

0.545

0.918

0.515

 

    板钛矿型属于斜方晶系。只存在于自然界的矿物中,数量很少。它的晶形不稳定,当加热到650℃以上时,会直接转化为金红石型,目前工业上没有应用。锐钛矿型属于四方晶系,在低温下很稳定,但在温度达到610℃时,开始缓慢转化为金红石型,730℃高速转化,915℃可完全转化为金红石型。金红石型也属于四方晶系,是细长的成对孪生晶体,性质最为稳定,即使在高温下也不发生转化和分解。图1为金红石型TiO2和锐钛矿型TiO2的晶体结构图。表2为三者的物理常数。
 

TiO2的两种晶体结构图  

图1 TiO2的两种晶体结构图 

表2二氧化钛的物理常数、

性质

金红石型

锐钛矿型

板钛矿型

折射率

2.71

2.52

密度(g/cm3)

4.2 ~ 4.3

3.8 ~ 3.9

4.12 ~ 4.23

莫氏硬度

6 ~ 7

5.5 ~ 6.0

5.5 ~ 6.0

热导率[W/(cm?K)]

0.620

1.80

耐光性

很好

介电常数

114

48

78

熔点(℃)

1858

变成金红石型

变成金红石型

沸点(℃)

3200±300

比热容(25℃)[J/(g?K)]

0.71

0.71

  用途作用

  钛白粉(化学成分是TiO2)是一种白色的无机颜料,由于它具有折射指数高、着色力强、遮盖力大、分散度及耐候性好等优点,被认为是目前世界上性能最好的一种白色无机颜料和重要的精细化工材料。广泛用于涂料、塑料、造纸、橡胶、化纤、油墨和搪瓷等工业领域。

  (1)涂料

  涂料工业是钛白粉的第一大用户,特别是金红石型钛白粉,市场最大,约占钛白粉消费量的50%以上。尤其是这几年随着汽车工业和建筑业的发展,涂料工业不仅从数量上需要更多的钛白,而且对质量和品种也提出更高要求。例如,在油漆中使用的钛白粉,其分散性对涂料的性能有决定性作用。因此,生产分散性好的浆状钛白是一个重要发展方向。

  在涂料生产中使用钛白作为颜料,不仅可以大大减少颜料的用量,而且用钛白粉生产出的涂料遮盖力高、着色力强、色彩鲜艳、耐候性好,并且能保护介质的物理稳定性,增强漆膜的机械强度和附着力,防止裂纹和裂缝,用时还能防止紫外线及水分穿透,延长漆膜的寿命,被广泛用于白漆和色漆的生产中,是室外用漆的必需原料。

  (2)塑料

  塑料工业是目前钛白粉的第二大用户,是近几年增长最快的领域。年平均增长率高达6%。在塑料中,颜料的遮盖力、亮度、颜色效应、防止紫外光降解等性质尤为重要。在塑料制品中添加钛白粉,除了利用钛白粉的遮盖力、消色能力外,还能提高塑料制品的耐热性、耐光性和耐候性能以使塑料制品免受紫外光的降解。由于塑料要吸取大量的紫外线,而钛白粉具有紫外线吸取剂的作用,钛白粉能吸取紫外线光谱,并能转换紫外线光谱的能量为热能。因为电子的转移,在钛白粉的晶体表面生成“活化点”。当大气中的氧渗入聚合物的膜时,就易被“活化点”的电子化学吸取而产生新生态氧,使聚合物发生氧化作用而老化,而经过表面处理的钛白粉,就能起到对氧的隔绝作用,从而延长塑料的使用寿命。充填钛白颜料的塑料比充填其他矿物颜料的塑料更能经受长期在紫外光中的暴露,且金红石型钛白优于锐钛矿型钛白。一般金红石型用于户外塑料,锐钛矿型主要用于室内。塑料中应用钛白时,分散性尤为重要,一般都要将二氧化钛进行无机包膜和有机包膜处理以提高其分散性。应用钛白最多的是聚烯烃类,其次是聚氯乙烯和工程树脂。

  (3)造纸

  从世界范围来说,纸张是钛白粉的第三大用户。在造纸中,钛白是纸张的重要填料,主要用于高级纸张和薄型纸张。钛白的添加可以提高纸张的不透明度、平滑度、光泽度和白度,增强弹性,减少吸湿性和提高印刷性能。数据显示,全球纸张和纸板产量每年在3×108t以上,但在纸张中添加的钛白量仅4.5×105t,平均用量只有1.4kg/t纸。造纸用钛白粉要用白度高的钛白,一般使用未经表面处理的锐钛矿型钛白粉,可以起到荧光增白剂的作用,增加纸张的白度。但层压纸要求使用经过表面处理的金红石型钛白粉,以满足耐光、耐热的要求。

  (4)橡胶

  钛白粉是橡胶的一种很好的着色剂,具有补强、防老化、填充等作用。因为它的物理化学性能稳定,颗粒小,不含锰、铜、镉、钴等杂质,不会损坏硫化过程,由于其着色力和遮盖力高,使用少量的钛白粉即能达到最好的着色效果,而对制品的伸长率和弯曲性能都没有影响。同时抗晒性能极强,用钛白粉制成的白色和彩色橡胶制品在日光照射下,耐暴晒、不龟裂、老化慢、强度高、伸展率大、不易褪色等特点,并且有耐酸碱的性能。在硅橡胶加入二氧化钛,可提高橡胶的耐热性和稳定性。因此在橡胶工业中少不了钛白粉。橡胶用钛白粉,主要用于汽车轮胎以及胶鞋、橡胶地板、手套、运动器材等,一般使用锐钛矿型为主,但用于汽车轮胎,常加入一定量金红石型钛白粉,以便增强其抗臭氧和抗紫外线能力。

  橡胶用钛白,要求它具有较好的耐热性,硫化加热时(110~170℃)不泛黄,对硫黄和其他配合剂不起反映,铜、锰、钴、硅、钙、镁等杂质含量低。

  (5)化学纤维

  化学纤维表面光滑,有一定的透明度,在光线照射下,反射光线很强,使纤维具有肉眼看起来不愉快的强烈光泽。由于钛白粉具有折射率高、着色力强、遮盖力大、白度高、颗粒细而均匀、分散性好、化学稳定性好、不易发生变化、不影响纤维的拉力和染色,且耐光性和耐候性好,所以是一种优良的消光剂。在有一定透明度的化学纤维中加入钛白粉后,可使其具有永久的消光作用,对其强度和拉伸性能又无影响,还会增加化纤织物的棉毛感,其白度和色光都很好,印染后其色泽美丽、鲜艳。

  化纤用钛白粉一般不需表面处理,但某些特殊品种为了降低二氧化钛的光化学作用,避免纤维在二氧化钛光催化的作用下降解,需进行表面处理。

  (6)油墨

  在油墨生产中,颜料对油墨的质量起着关键作用,二氧化钛应用于油墨是由于二氧化钛具有颗粒细、遮盖力强、消色力高、流动性小、耐酸碱、耐光、耐热等优点,是高级油墨中不可缺少的白色颜料,用二氧化钛制成的油墨,耐久不变色、表面湿性好、易分散。

  油墨使用的钛白,外观要纯白,耐光不黄泛,表面润湿性好,易于分散。根据油墨品种不同,可选择锐钛矿型钛白或金红石型钛白。

  (7)其它

  钛白粉对紫外线具有极强的反射和散射作用,可用于防晒化妆品。此外,钛白粉还用于电焊条、光催化剂、搪瓷、陶瓷、皮革、蜡笔、食品、医药和化学试剂等。

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