CN102093758B - 一种人工复合颜料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工复合颜料及其制备方法，其中颜料以天然粉石英“准球形”硅微粉为基体，以二氧化钛晶体为包覆物，所述基体占所述颜料总重量的50％至70％；基体占所述颜料总重量的50％至70％。通过原料、产品、工艺创新，本发明开创了用天然粉石英为主要原料，制造钛白粉替代产品的新技术，钛白粉，其白度高，吸油量低，遮盖力强，耐候性、耐酸碱性好，成本低廉，可广泛应用于涂料、塑料、橡胶等领域，具有广阔的应用前景。

Description

一种人工复合颜料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种对天然“准球形”粉石英包覆结晶二氧化钛颗粒制成的人工复合颜料，及其制备方法，属于用人工制品替代天然钛白粉的颜料技术领域。

背景技术

钛白粉享有“白色颜料之王”的美誉。它具有无毒、高白度、高折射率、高物化性能稳定性等特点，常温下几乎不与任何物质发生化学作用，不溶于水、稀酸，以及任何有机物，微溶于碱和热酸，其消色力极强，遮盖力很高，光泽度很大。钛白粉在许多行业是不可替代的基础原料，国内外市场消耗量巨大。

钛白粉广泛应用于涂料、塑料、油墨、纸张、化纤、日化、医药、食品等行业，其消费量是国民经济发展水平的重要标志。例如，它在涂料、油墨、陶瓷、玻璃等工业中，广泛充当着色颜料；在造纸工业，广泛充当填料和涂覆料；在橡胶行业，常被用作着色剂和补强剂；在塑料行业，不但充当填料还充当着色剂；在化纤、印染行业，广泛用于原液着色和印花色浆；在食品、化妆品、医药行业，广泛用作添加剂。它还广泛用于制备电焊条、海绵钛、钛合金、美术颜料、涂料等。

为了向全球供应钛白粉产品，美国杜邦公司在山东东营市投资约50亿元人民币，建造了20万吨/年钛白粉的生产基地。该项目大量消耗我国天然钛矿物原料，并用硫酸法生产工艺，污染巨大。该项目的污染情况是：500万吨废酸/年、8万吨废渣/年、12万吨废烟尘/年；它还产生大量的致癌物质二恶英。

该项目采用“地下排毒”方法，即钻探深井，把污染物排入地下。杜邦公司已用爆破法炸开东营市1078米到3000多米的各个地层，排泄的废水、废酸、放射性物质、二恶英等高致癌物质将污染整个莱州湾，甚至整个渤海湾，东营、潍坊、淄博、滨州四大城市的地下饮用水源将受污染。该项目排放的废烟、废渣等放射性物质也会降低当地空气质量，降低水产品、蔬果、粮油品质。这类项目，在发达国家已被完全禁止建设。如何寻求替代性技术和替代性产品，最终关闭山东杜邦项目，这是我国急需突破的科技和产业难题。

由于国内需求量得不到满足，我国已经把钛白粉产品，及其天然钛矿原料列入《2008年加工贸易禁止类商品目录》中“禁止出口”的商品，并鼓励钛白粉，及其天然钛矿原料进口。原来，越南是我国天然钛矿原料主要进口国。2008年，越南也将钛矿列入限制出口的产品目录，大幅减少了对中国的出口，使我国钛白粉生产企业的天然原料供应紧张局面极度加剧。

我国天然钛矿主要分布在四川等地，储量小，产能低；2008年，四川大地震再次极大降低了国内钛矿原料的产能，导致山东等地大型企业用户货源告急，并影响到下游大量产业的产能。随着用于生产钛白粉的矿物原料资源逐年减少，钛资源的品质也明显下降，造成生产成本增加，价格上扬，使大量相关行业发展受到严重制约，钛白粉代用品的人工合成技术已成为一个必然的发展趋势。开发一种人工复合产品，取代现有的钛白粉制品，解决钛白粉供应安全难题，同时用新工艺代替杜邦等公司所应用的主流高污染技术，推动政府尽早关闭杜邦公司山东钛白粉项目，以及类似的高污染项目，这是相关行业急需解决的一个技术难题。

发明内容

本发明中，颜料泛指各种物料，包括应用于涂料、塑料、油墨、纸张、化纤、日化、医药、食品等各种行业的物料。通过原料、产品、工艺创新，本发明开创了用天然粉石英为主要原料，制造钛白粉替代产品的新技术。

本发明使用粉石英这种天然“准球形”二氧化硅矿物原料来制备钛白粉替代品，不用人工合成的超细二氧化硅。

本发明使用的天然粉石英对环境不造成污染，是回归大自然的“环境友好”天然矿物制品。粉石英是一种高纯度天然粉末状石英，具有粒度均匀，晶内无缺陷，质纯无离子性杂质，颗粒呈近等轴和均匀特性。与传统的人工硅质原料相比，粉石英具有无可比拟的易加工性、高性能，以及更好的实用性。其对资源和能源的消耗更低。

本发明生产的新产品是一种性能可与天然钛白粉相媲美的“准球形”硅微粉人工复合钛白粉，其主要成分为SiO₂和TiO₂，本发明采用价格廉价的天然粉石英为原料，在其颗粒表面牢固包覆微量的结晶二氧化钛颗粒，制成替代天然钛白粉的人工复合产品，该产品品质优良，成本更低，解决了钛白粉的大规模生产污染环境以及绿色环保生产问题，是解决钛白粉供应链安全问题的重大技术突破。

本发明通过以下创新工艺实现了结晶二氧化钛颗粒在固体包核物颗粒表面牢固包覆与均匀包覆：

对天然粉石英进行超细、颗粒整形(颗粒球化率达98％以上)，并对天然粉石英矿物表面实现-OH化；在机械混合和化学包覆联合作用下实现钛白粉对高纯、超细“准球形”硅微粉(即天然粉石英)的包覆。

本发明的人工复合颜料，以天然粉石英“准球形”硅微粉为基体，以二氧化钛晶体为包覆物，所述基体占所述颜料总重量的50％至70％；

所述基体与所述包覆物通过作为粘结包覆助剂的外加剂结合；

所述基体的加工方法包括如下步骤：

A、超细、整形：将粉磨后的天然粉石英细粉在60～70％高浓度下，添加特种助磨剂，优化球介质与球料配比，对天然粉石英进行超细、颗粒整形，使颗粒球化率达98％以上，天然粉石英矿物表面实现-OH化；

B、漂白提纯：利用微波辐射催化，加稀硫酸和保险粉对超细后的天然粉石英物料进行还原漂白除杂，其条件为：微波功率700～800W，稀硫酸(20％浓度)用量3～5kg/t，保险粉用量0.8～1.5％，时间15min～30min。

C、包覆：在机械混合和化学包覆联合作用下实现钛白粉对高纯、超细“准球形”硅微粉的包覆，其条件为：包覆温度110～120℃，时间30～40min，转速750～1500r/min；

所述包覆步骤中，使用的钛白粉用量优选占所述颜料总重量的30～50％，外加剂用量占所述颜料总重量的0.3～0.8％；

对所述基体实施包覆前，先对所述天然粉石英表面进行羟基化反应，在天然粉石英实施湿法超细过程中，使天然粉石英“准球形”硅微粉表面形成具有反应活性的官能团(-OH)，然后再以结晶二氧化钛包膜物，通过机械力粉体均化、高温催化表面官能团化学反应、外加助剂催化反应联合作用下形成结晶二氧化钛对基体的均匀、致密覆层；

所述高纯、超细“准球形”硅微粉的白度大于91％，-2μm≥97％，SiO₂≥99.0％，Fe₂O₃≤0.02％，Al₂O₃≤0.15％，颗粒球化率优选达98％以上。

本发明可用如下工艺实现：

将天然粉石英矿物进行粗碎、粉磨、磁选、超细、漂洗、干燥等，添加外加剂催化矿物表面缩合反应，其步骤包括：

1、加入500kg粉磨后的325目粉石英物料、220～330kg水、2kg六偏磷酸钠于调浆池中，搅匀，用隔膜泵打入湿式搅拌磨内；

2、采用湿式搅拌磨，按照闭路磨矿方式对粉石英粉体与水制成的高浓度矿浆(60％～70％浓度)进行超细研磨、颗粒整形，使磨细产物粒度达到-2μm≥97％，颗粒球化率达98％以上；

3、将细磨后料浆用渣浆泵打入漂白桶，进行化学氧化还原漂洗；

4、利用Xy60/92液压板框压滤机压滤形成滤饼，滤饼水分小于25％；

5、将滤饼置于温度100℃～120℃的XFG-600干燥机中干燥至含水0.1％以下，并打散物料；

6、将干燥后的物料送入高速加热混合机中，加热温度至110℃，搅拌速度750～1500r/min，搅匀10min，再加入500kg钛白粉、外加助剂3～8kg，搅拌充分反应30～40min后卸料。

其工艺要点是：

A、超细、整形：将粉磨后的粉石英细粉在60～70％高浓度下，添加特种助磨剂，优化球介质与球料配比，对天然粉石英进行超细、颗粒整形(颗粒球化率达98％以上)、矿物表面实现-OH化。采用粉石英“准球形”硅微粉为复合钛白粉基体；

B、漂白提纯：利用微波辐射催化，加稀硫酸和保险粉对超细后的粉石英物料进行还原漂白除杂，其条件为：微波功率700～800W，稀硫酸(20％浓度)用量3～5kg/t，保险粉用量0.8～1.5％，时间15min～30min。

C、包覆：在机械混合和化学包覆联合作用下实现钛白粉对高纯、超细“准球形”硅微粉的包覆，其条件为：钛白粉用量30～50％，外加剂用量0.3～0.8％，包覆温度110～120℃，时间30～40min，转速750～1500r/min。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的产品与生产方法作进一步的详细说明。

实施例1

将天然粉石英矿物进行粗碎、粉磨、磁选、超细、漂洗、干燥等，添加外加剂催化矿物表面缩合反应，其步骤包括：

1、加入500kg粉磨后的325目粉石英物料、220kg水、2kg六偏磷酸钠于调浆池中，搅匀，用隔膜泵打入湿式搅拌磨内；

2、采用湿式搅拌磨，按照闭路磨矿方式对粉石英粉体与水制成的高浓度矿浆(70％浓度)进行研磨使磨细产物粒度达到-2μm等于97％；

3、将细磨后料浆用渣浆泵打入漂白桶，进行化学氧化还原漂洗；

4、利用Xy60/92液压板框压滤机压滤形成滤饼，滤饼水分等于20％；

5、将滤饼置于温度120℃的XFG-600干燥机中干燥至含水0.03％，并打散物料；

6、将干燥后的物料送入高速加热混合机中，加热温度至110℃，搅拌速度1500r/min，搅匀10min，再加入215kg金红石型钛白粉、外加助剂2.2kg，搅拌充分反应30min后卸料。

工艺要点是：

A、超细、整形：将粉磨后的粉石英细粉在70％浓度下，添加特种助磨剂，优化球介质与球料配比，对天然粉石英进行超细、颗粒整形(颗粒球化率达98％)、矿物表面实现-OH化。采用粉石英“准球形”硅微粉为复合钛白粉基体；

B、漂白提纯：利用微波辐射催化，加稀硫酸和保险粉对超细后的粉石英物料进行还原漂白除杂，其条件为：微波功率700W，稀硫酸(20％浓度)用量3kg/t，保险粉用量0.8％，时间15min。

C、包覆：在机械混合和化学包覆联合作用下实现钛白粉对高纯、超细“准球形”硅微粉的包覆，其条件为：钛白粉用量30％，外加剂用量0.3％，包覆温度110℃，时间30min，转速1500r/min。

本实施例使用的高纯超细“准球形”硅微粉基体物化参数为：SiO₂含量为99％；-2μm等于97％，白度等于91％，颗粒球化率达98％。本实施例使用的结晶钛白粉包覆物为市场上常见的金红石型钛白粉晶体。

实施例2

实施例2的加工工艺包括如下步骤：

1、加入500kg粉磨后的粉石英物料(325目)、330kg水、2kg六偏磷酸钠于调浆池中，搅匀，用隔膜泵打入湿式搅拌磨内；

2、采用湿式搅拌磨，按照闭路磨矿方式对粉石英粉体与水制成的高浓度矿浆(60％浓度)进行研磨使磨细产物粒度达到-2μm等于98.1％；

3、将细磨后料浆用渣浆泵打入漂白桶，漂洗；

4、利用Xy60/92液压板框压滤机压滤形成滤饼，滤饼水分等于15％；

5、将滤饼置于温度110℃的XFG-600干燥机中干燥至含水0.04％，并打散物料；

6、将干燥后的粉石英物料送入高速加热混合机中，加热温度至120℃，搅拌速度1500r/min，搅匀10min，再加入500kg锐钛型钛白粉、外加助剂8kg，搅拌充分反应40min后卸料。

工艺要点是：

A、超细、整形：将粉磨后的粉石英细粉在60％浓度下，添加特种助磨剂，优化球介质与球料配比，对天然粉石英进行超细、颗粒整形(颗粒球化率达98％以上)、矿物表面实现-OH化。采用粉石英“准球形”硅微粉为复合钛白粉基体；

B、漂白提纯：利用微波辐射催化，加稀硫酸和保险粉对超细后的粉石英物料进行还原漂白除杂，其条件为：微波功率800W，稀硫酸(20％浓度)用量5kg/t，保险粉用量1.5％，时间30min。

C、包覆：在机械混合和化学包覆联合作用下实现钛白粉对高纯、超细“准球形”硅微粉的包覆，其条件为：钛白粉用量50％，外加剂用量O.8％，包覆温度120℃，时间40min，转速1500r/min。

本实施例使用的高纯超细“准球形”硅微粉基体物化参数为：SiO₂含量为99.1％；-2μm等于98.1％，白度等于91.3％，颗粒球化率达98％。本实施例使用的结晶钛白粉包覆物为市场上常见的锐钛型钛白粉晶体。

经检测，按实施例1和实施例2分别制成的两种天然粉石英“准球形”硅微粉复合钛白粉的性能参数列于表1；用复合钛白粉制备的聚酯卷材涂料的性能及其与进口钛白粉的对比列于表2。检测结果表明天然粉石英“准球形”硅微粉复合钛白粉具有与进口钛白粉相类似的颜料性能，完全可以充当进口钛白粉产品的替代品。

表1  天然粉石英“准球形”硅微粉复合钛白的性能

表2  漆膜性能测定结果

上述技术指标的测定，均按国家标准或行业标准执行。本发明的人工复合产品可选用钛精矿制备的钛白粉晶体，包覆天然粉石英“准球形”硅微粉基体，大大降低钛白粉原料需求量，降低钛白粉产品成本，替代传统的高污染产品。本发明的加工工艺也不污染环境，适合替代传统钛白粉产品加工工艺。

本实施例中，硅微粉的物化指标检测，全部采用现有技术已经公开的检测方法、检测手段：

例如，如下文献公开了非金属矿石物化性能的测试方法和步骤：

文献名(书籍)：非金属矿石物化性能测试和成分分析方法手册；

作者：金永铎、董高翔；

出版社：科学出版社；

出版号：ISBN7-03-011738-7；

出版时间：2004年1月第一次印刷。

该书第六章“硅藻土”(即本发明专利申请中的粉石英)第六节讲到硅藻土的粒度分布测定，该节158页第11行到第15行的内容是：

粒度分布是测定试料中各粒组质量占试料总质量的百分数。粒组按粒径＜1μm，1～2μm，2～5μm，5～10μm，10～20μm，20～30μm，30～50μm，50～75μm，75～100μm，＞100μm粒径范围划分。

根据粒组划分要求，采用筛析法和仪器分析法联合测定，粒径＞50μm部分采用筛析法，粒径＜50μm部分采用仪器分析法。

该节158页第22行到第23行，列明了仪器分析法使用的仪器，为“粒度分析仪”和“20W的超声波分散器”。

再如，如下文献公开了非金属矿石物化性能的测试方法和步骤：

文献名(书籍)：非金属矿石物化性能测试和成分分析方法手册；

作者：金永铎、董高翔；

出版社：科学出版社；

出版号：ISBN7-03-011738-7；

出版时间：2004年1月第一次印刷。

该书第六章“硅藻土”(即粉石英)第三节紧实密度的测定，第153页第13行到第154页第3行内容如下：

方法提要

紧实密度(即夯实密度)指一定粒度和含水量的试料，在量筒内径重力撞击紧实后，测定试料质量与自由下落撞击紧实后的试料体积之比。

仪器

量筒；50ml，带橡皮塞。

木架；使量筒悬起11cm高度。

橡胶垫；厚度2mm。

测试步骤

试料：取粒径小于0.074mm风干试样，体积不小于150cm³，控制试料水分含量在4-10％。如水分超过10％，则应在75-80℃烘箱中干燥除去部分吸附水。如水分低于4％，则应置于空气中吸湿。

校正试验；随同试料进行同类型标准试样的测试。

测试。

将试料慢慢加入已知质量量筒中直至50ml刻度。盖上橡皮塞，将量筒置于木架中，再将量筒与木架放在橡胶垫上。

手提量筒至11cm高度并松手使量筒自由下落。如此连续自由下落100次后，除去量筒橡皮塞，用手笔刷净橡皮塞和量筒壁上可能附着的试料，再轻敲量筒壁使试料在量筒内平齐，读出试料体积。

将量筒外壁擦净，称量。

测试结果的计算

按下式计算紧实密度：

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{m_2-m_1}{V}$

式中：p_c-紧实密度的数值，单位为克每立方厘米(g/cm³)；

Mm₁-量筒质量的数值，单位为克(g)；

Mm₂-量筒和试料质量的数值，单位为克(g)。

该文献中的硅藻土就是粉石英；该文献中的硅藻土紧实密度就是粉石英夯实密度，其测定方法、步骤、计算公式都已经公开。

再如，如下文献公开了非金属粘土矿物化性能的测试方法、工具和步骤。粉石英属于非金属粘土，其吸油值的测定采用该文献公开的方法、工具和步骤：

文献名(书籍)：非金属粘土矿物化性能测试技术方法研究报告；

作者：李水兰，李世逮，张全秀；

单位：湖南矿产测试利用研究所；

出版时间：1990年3月。

该书第七节吸油量的测定(第62页倒数第2行到第63页第13行)公开了如下内容：

非金属矿物的吸油量是指完全润湿100克非金属矿物试样所需油的体积或重量。其值用ml/100g样或g/100g表示。

主要仪器与试剂

1、毛玻璃板  不少于300×400mm

2、调墨刀    用中碳钢与弹簧钢装上木柄而制成

3、滴定管    10ml

4、精制亚麻仁油

操作方法

称取试样2.0000g置于毛玻璃板上，用滴定管逐滴加入亚麻仁油，开始先加3-5滴，用调墨刀将油与试样充分调匀研压，每隔1-2分钟加1-2滴亚麻仁油，每加一次油都要用调墨刀充分研压均匀，推平后再收拢一处，如此反复，直至无粉状颗粒存在，并全部为油所润湿。当用调墨刀铲起时不粘刀，不粘玻璃，且不开裂的整块状态即为终点，记录滴定管内所消耗的亚麻仁油毫升数。

此外，名称为《颜料吸油量的测定》的工业标准(编号：GB/T 5211.15-1988)也公开了包括粉石英在内的颜料吸油值的测定方法。从该标准公开的内容看，其计算、测定方法与上述文献相同，没有其他计算、测定方法可供选择。这表明，粉石英颜料的测定，已经由现有技术公开，该方法具有唯一性，没有自由选择余地。本发明专利申请毋须赘述吸油值的测定方法。

本实施例中，硅微粉中二氧化硅含量的测定方法按机械电子工业部部标准(SJ 3228.4-89)《高纯石英砂中二氧化硅的测定》。

Claims (1)

1.一种人工复合颜料，其特征在于，所述颜料以天然粉石英“准球形”硅微粉为基体，以二氧化钛晶体为包覆物，所述基体占所述颜料总重量的50%至70%；所述基体与所述包覆物通过作为粘结包覆助剂的外加剂结合；所述基体的加工方法包括如下步骤：

A、超细、整形：将粉磨后的天然粉石英细粉在60～70%高浓度下，添加特种助磨剂，优化球介质与球料配比，对天然粉石英进行超细、颗粒整形，使颗粒球化率达98%以上，天然粉石英矿物表面实现-OH化；所述特种助磨剂是六偏磷酸钠；

B、漂白提纯：利用微波辐射催化，加稀硫酸和保险粉对超细后的天然粉石英物料进行还原漂白除杂，其条件为：微波功率700～800W，20%浓度的稀硫酸用量3～5kg/t，保险粉用量0.8～1.5%，时间15min～30min；

C、包覆：在机械混合和化学包覆联合作用下实现钛白粉对高纯、超细“准球形”硅微粉的包覆，其条件为：包覆温度110～120℃，时间30～40min，转速750～1500r/min；

所述包覆步骤中，使用的钛白粉用量占所述颜料总重量的30～50%，外加剂用量占所述颜料总重量的0.3～0.8%；

对所述基体实施包覆前，先对所述天然粉石英表面进行羟基化反应，在天然粉石英实施湿法超细过程中，使天然粉石英“准球形”硅微粉表面形成具有反应性的官能团—OH，然后再以结晶二氧化钛包膜物，通过机械力粉体均化、高温催化表面官能团化学反应，外加助剂催化反应联合作用下形成结晶二氧化钛对基体的均匀、致密覆层;

所述包覆基体高纯、超细“准球形”硅微粉的白度大于91%，-2μm≥97%，SiO₂≥99.0%，Fe₂O₃≤0.02%，Al₂O₃≤0.15%，颗粒球化率达98%以上。