CN112574600A - 一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：使用原料钛精粉依次经一次粉碎、酸解、还原、洗渣澄清、绿矾结晶分离、精滤、浓缩、水解、过滤、一次水洗、漂白、盐处理、煅烧、二次粉碎、二次水洗、包膜、洗涤、干燥以及超微粉碎获得二氧化钛；该制备方法制备的二氧化钛较传统工艺制备的二氧化钛具有更加优异的光学性能、遮盖力、消色力以及耐候性。

Description

一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法

技术领域

本发明属于纺织原材料技术领域，具体为一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法。

背景技术

对于腈纶化纤，在纺丝前要加入白色颜料以改善其光学性能，这个过程称为纺丝消光，所加的白色颜料则称为“消光剂”。锐钛型二氧化钛具有良好的折射率和足够的硬度，附着力强，性质稳定，熔点高，被认为是当今世界上最好的白色颜料。广泛应用于涂料、塑料、橡胶、化妆品、化纤行业。化纤行业中普遍使用锐钛型二氧化钛作消光剂。纤维级消光用二氧化钛平均添加量为纤维总量的0.3％，市场缺口较大，大部分依赖进口。

在科学技术的推动下，二氧化钛的生产工艺也渐趋于完善，当前，最常用的二氧化钛生产工艺技术就是硫酸法二氧化钛生产工艺。硫酸法二氧化钛工艺是工业生产常用的方法，其主要将二氧化钛进行硫酸酸解，然后对酸解溶液进行沉降，将可溶性的硫酸氧钛从固体杂质中分离出来，通过水解、煅烧等工艺，除去水分及杂质，生产纯二氧化钛的过程。

长期以来，我国硫酸法钛白生产的工艺落后，产品质量不稳定，档次低。经煅烧后的二氧化钛产品粒径粗，煅烧强度不够，导致TiO2含量低，金红石型转化率低，在纺织原料应用中表现出耐候性差、分散性差、消色力低、遮盖力低、吸油量高。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，该制备方法制备的二氧化钛较传统工艺制备的二氧化钛具有更加优异的光学性能、遮盖力、消色力以及耐候性。

本发明采用的技术方案如下：

一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：使用原料钛精粉依次经一次粉碎、酸解、还原、洗渣澄清、绿矾结晶分离、精滤、浓缩、水解、过滤、一次水洗、漂白、盐处理、煅烧、二次粉碎、二次水洗、包膜、洗涤、干燥以及超微粉碎获得二氧化钛。

其中，所述水解工序具体为将底水加热至80～90℃，底水与钛液的比例为4～6；在预热好的底水中添加0.5～0.7wt％硫酸钠、0.06～0.07wt％羧酸以及1.9～2.2wt％晶种；在搅拌状态下，分次加入浓缩的钛液，第一次加入钛液量的7～10％，保温7～15min，然后升温至90～95℃；第二次加入剩余钛液量的30～50％，保温10～15min；第三次加入剩余的所有钛液，保温15～20min，然后持续加热至沸腾，保持沸腾状态30～50min；然后缓慢冷却至50～70℃后抽滤。

其中，所述包膜工序在二氧化钛浆料中滴加硫酸铝溶液和硅酸钠混合溶液，两者分子量比例为2:1～3:1，用碱或酸将PH调解并保持在8-10，滴加时间为2～4h，然后保温陈化；完成后调解PH至6-7并进行水洗；然后在常温下添加0.03～0.09wt％有机胺、多元醇或有机硅中的一种或多种混合物。

其中，所述煅烧工序采用煅烧回转窑，所述煅烧回转窑分为干燥区、晶型转化区和粒子成长区，温度分别为180～750℃，750～850℃，850～900℃。

其中，所述盐处理工序添加碳酸钾0.4～0.5wt％、磷酸0.04～0.06wt％及氧化锌0.4～0.6wt％。

其中，所述澄清阶段工序添加0.1～03wt％硫酸铝絮凝溶解在钛液中的杂质。

其中，所述酸解工序添加90％以上溶度的硫酸，酸解温度为160～200℃。

其中，所述钛精粉干燥粉碎研磨至200目以内。

其中，所述二氧化钛的制备方法中，对于粉状物料的输送采用一气力输送系统；所述气力输送系统包括气力输送管道，所述气力输送管道包括内管和套设在内管外的外管；所述内管内壁上沿其轴向方向连续设置有多个环形且轴向截面为圆滑弧形的流体力学体；对于任一一个流体力学体，其两端与所述内管交汇处的内管上沿所述流体力学体的边缘分别开设一环形进风细缝和一环形出风缝；所述环形进风细缝和环形出风缝的相对位置分别位于粉料输送方向的上游和下游；所述环形进风细缝和环形出风缝分别与所述流体力学体圆滑衔接且与所述流体力学体衔接处的弧面相切；所述外管为环形管道，所述环形进风细缝分别通过环形进风腔与外管连通，加压气流经所述外管、环形进风腔以及环形进风细缝流出。

其中，所述环形出风缝与相邻流体力学体的环形进风细缝在所述环形进风细缝内部连通，环形出风缝出口处朝向环形进风细缝的出口方向。

其中，所述外管中的加压气流流动方向与粉料输送方向相反，所述环形进风腔轴向截面为弧形，引导加压气流回旋后进入环形进风细缝。

本发明具有如下有益效果：

本发明的制备方法制备的二氧化钛较传统工艺制备的二氧化钛具有更加优异的光学性能、遮盖力、消色力以及耐候性。

本发明在水解阶段通过添加硫酸钠来抑制其他离子的作用，通过添加羧酸来稳定晶核，采用多步添加的方式，各步添加的钛液量不同、保温时间不同、温度不同，产生的水合二氧化钛粒子熟度适当，粒度均匀，为最终二氧化钛成品的优异质量打下了良好的基础。

本发明在包膜工序中采用了硫酸铝溶液和硅酸钠混合溶液进行无机包膜，实现有效的互补作用，弥补单一包膜产生的表面缺陷，使钛白粉具有良好的屏蔽光催化的作用，通过堵塞、遮盖钛白粉的晶格缺陷，减少钛白粉与光的直接接触来提高了钛白粉的耐候性、酸溶率；并通过二次进行有机包膜有效的提高了钛白粉在有机介质中的流变性能、分散和湿润性能。

本发明在二氧化钛的制备方法中应用了气力输送系统，该气力输送系统采用了利用科恩达效应形成气流隔膜，采用接力的方式在隔绝分料的同时驱动分料沿输送方向移动，由于采用了接力的方式，因此传输过程较为稳定，避免了现有分料气力输送系统需要在管道端部通入大流量气流的弊端，该弊端包括所需气流极大，传输距离无法较远，能耗大，传输不稳定，粉料与管壁摩擦碰撞严重，造成周围环境中粉尘含量高等，这些弊端通过本发明的气力输送系统均可以较为显著的改善。

本发明通过科恩达效应在流体力学体表面形成风膜，该风膜一方面带动粉料朝输送方向移动，另一方面隔绝粉料与管道内壁的直接接触，减少了摩擦，还利用了流体力学体的弧形结构使粉料在自身惯性的作用下越过环形出风缝，而紧贴流体力学体表面的气流则在科恩达效应下流入环形出风缝，实现了固-气分离，避免粉料也进入环形出风缝；而在粉料阻力下部分向内管中部逸散的气流又可托起粉料，分散粉料，使粉料受气流的推力更加均匀，显著提高输送效率。

本发明利用了管道的圆形结构，使环形进风细缝与流体力学体也成环形，配合出风形成了闭环流体，根据伯努利原理，从而带动了后方空气均匀的朝前移动，形成了空气放大效应，从而使管道中部的分料也实现了被气流接力式且均匀的朝前带动。

本发明的环形出风缝与相邻流体力学体的环形进风细缝在内部连通，且开口方向朝向环形进风细缝的流体方向，该结构再利用了位于上游的相邻流体力学体完成风膜任务后的余风增加了环形进风细缝出风的风力，同时环形进风细缝内的气流风速较大，根据伯努利原理，其与环形出风缝之间形成负压，因此能够吸引环形出风缝的空气进入，这增加了环形出风缝开口处的负压，从而使在流体力学体上完成风膜任务后的气流更容易进入环形出风缝，只需设计好环形出风缝与环形进风细缝的口径，配合适当的进风压力，即可实现合适的固-气分离，而环形出风缝与环形进风细缝的连通结构也使即使有少量粉料进入环形出风缝，也能再通过环形进风细缝会到内管中。

附图说明

图1为本发明的工艺示意图；

图2为本发明气力输送管道的结构示意图；

图3为本发明气力输送管道的局部结构示意图。

图中标记：

1-内管、2-外管、3-流体力学体、4-环形进风细缝、5-环形出风缝、6-环形进风腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明方法中的工序，未具体说明的只需按照现有成熟技术与工艺施行即可，经实验室验证，对本发明未具体提及的工艺，具有较强的灵活性，采用现有相关成熟工艺施行对本发明的制备方法的最终效果无明显不良影响。

参见图1，方案一：

一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：使用原料钛精粉依次经一次粉碎、酸解、还原、洗渣澄清、绿矾结晶分离、精滤、浓缩、水解、过滤、一次水洗、漂白、盐处理、煅烧、二次粉碎、二次水洗、包膜、洗涤、干燥以及超微粉碎获得二氧化钛。

水解工序具体为将底水加热至85℃，底水与钛液的比例为5；在预热好的底水中添加0.6wt％硫酸钠、0.06～0.07wt％羧酸以及2.1wt％晶种；在搅拌状态下，分次加入浓缩的钛液，第一次加入钛液量的8％，保温10min，然后升温至93℃；第二次加入剩余钛液量的40％，保温13min；第三次加入剩余的所有钛液，保温17min，然后持续加热至沸腾，保持沸腾状态40min；然后缓慢冷却至60℃后抽滤。

包膜工序在二氧化钛浆料中滴加硫酸铝溶液和硅酸钠混合溶液，两者分子量比例为5:2，用碱或酸将PH调解并保持在9，滴加时间为3h，然后保温陈化；完成后调解PH至6并进行水洗；然后在常温下添加0.06wt％有机胺、多元醇或有机硅中的一种或多种混合物。

煅烧工序采用煅烧回转窑，所述煅烧回转窑分为干燥区、晶型转化区和粒子成长区，温度分别为180～750℃，750～850℃，850～900℃。

盐处理工序添加碳酸钾0.45wt％、磷酸0.05wt％及氧化锌0.5wt％。

澄清阶段工序添加0.2wt％硫酸铝絮凝溶解在钛液中的杂质。

酸解工序添加95％溶度的硫酸，酸解温度为180℃。

钛精粉干燥粉碎研磨至200目以内。

本发明的制备方法制备的二氧化钛较传统工艺制备的二氧化钛具有更加优异的光学性能、遮盖力、消色力以及耐候性。

其中在水解阶段通过添加硫酸钠来抑制其他离子的作用，通过添加羧酸来稳定晶核，采用多步添加的方式，各步添加的钛液量不同、保温时间不同、温度不同，产生的水合二氧化钛粒子熟度适当，粒度均匀，为最终二氧化钛成品的优异质量打下了良好的基础。

在包膜工序中采用了硫酸铝溶液和硅酸钠混合溶液进行无机包膜，实现有效的互补作用，弥补单一包膜产生的表面缺陷，使钛白粉具有良好的屏蔽光催化的作用，通过堵塞、遮盖钛白粉的晶格缺陷，减少钛白粉与光的直接接触来提高了钛白粉的耐候性、酸溶率；并通过二次进行有机包膜有效的提高了钛白粉在有机介质中的流变性能、分散和湿润性能。

方案二：

方案二与方案一的不同之处在于：

水解工序具体为将底水加热至80℃，底水与钛液的比例为4；在预热好的底水中添加0.7wt％硫酸钠、0.07wt％羧酸以及1.9wt％晶种；在搅拌状态下，分次加入浓缩的钛液，第一次加入钛液量的10％，保温7min，然后升温至90℃；第二次加入剩余钛液量的50％，保温15min；第三次加入剩余的所有钛液，保温20min，然后持续加热至沸腾，保持沸腾状态30min；然后缓慢冷却至50℃后抽滤。

包膜工序在二氧化钛浆料中滴加硫酸铝溶液和硅酸钠混合溶液，两者分子量比例为2:1，用碱或酸将PH调解并保持在8，滴加时间为4h，然后保温陈化；完成后调解PH至7并进行水洗；然后在常温下添加0.09wt％有机胺、多元醇或有机硅中的一种或多种混合物。

盐处理工序添加碳酸钾0.5wt％、磷酸0.06wt％及氧化锌0.4wt％。

澄清阶段工序添加0.3wt％硫酸铝絮凝溶解在钛液中的杂质。

酸解工序添加91％溶度的硫酸，酸解温度为160℃。

方案三：

方案三与方案一的不同之处在于：

水解工序具体为将底水加热至90℃，底水与钛液的比例为6；在预热好的底水中添加0.5wt％硫酸钠、0.06wt％羧酸以及2.2wt％晶种；在搅拌状态下，分次加入浓缩的钛液，第一次加入钛液量的7％，保温15min，然后升温至95℃；第二次加入剩余钛液量的30％，保温10min；第三次加入剩余的所有钛液，保温15min，然后持续加热至沸腾，保持沸腾状态50min；然后缓慢冷却至70℃后抽滤。

包膜工序在二氧化钛浆料中滴加硫酸铝溶液和硅酸钠混合溶液，两者分子量比例为3:1，用碱或酸将PH调解并保持在10，滴加时间为2h，然后保温陈化；完成后调解PH至6并进行水洗；然后在常温下添加0.03wt％有机胺、多元醇或有机硅中的一种或多种混合物。

盐处理工序添加碳酸钾0.4wt％、磷酸0.04wt％及氧化锌0.6wt％。

澄清阶段工序添加0.1wt％硫酸铝絮凝溶解在钛液中的杂质。

进一步的，所述酸解工序添加97％溶度的硫酸，酸解温度为200℃。

将上述三种方法制备的二氧化钛与某日本进口型号TiO 2产品(对照1)以及中国内某公司的化纤级TiO 2产品(对照2)进行质量对比。测试结果总结如下：

测试结果上看，本方法制备的二氧化钛相比对照1和对照2，总体质量有明显提高，铁含量相差不大，水分略高于对照1，但明显低于对照2，在粒度分布方面，总体粒度分布合理，粒径接近甚至超过对照1，相对于对照2明显改善；比表面积已经略微超过对照1，超过对照2较多。

将上述三种方法制备的二氧化钛与某日本进口型号TiO 2产品(对照1)以及中国内某公司的化纤级TiO 2产品(对照2)应用于腈纶化纤生产，检测纤维质量(长丝)，测试结果总结如下：

	实施例一	实施例二	实施例三	对照1	对照2
						断裂强度/(cN.dtex<sup>-1</sup>)	3.4	3.4	3.3	3.3	3.2
断裂伸长率/％	51	50	51	47	45
						疵点/(mg.0.01.g<sup>-1</sup>)	0	0	0	0	0
粉末/(mg.0.01.g<sup>-1</sup>)	5	5	5	5	8
						线密度偏差率/％	3	2	3	2	1

测试结果上看，上述三种方法制备的二氧化钛相比对照1和对照2，在作为消光剂应用于腈纶化纤生产的纤维长丝产品质量均合格，添加实施例一至三的二氧化钛的长丝其断裂伸长率有一定的提高，粉末与对照1相同，低于对照2，对环境较为友好。

参见图2和3，进一步的，所述二氧化钛的制备方法中，对于粉状物料的输送采用一气力输送系统；所述气力输送系统包括气力输送管道，所述气力输送管道包括内管1和套设在内管1外的外管2；所述内管1内壁上沿其轴向方向连续设置有多个环形且轴向截面为圆滑弧形的流体力学体3；对于任一一个流体力学体3，其两端与所述内管1交汇处的内管1上沿所述流体力学体3的边缘分别开设一环形进风细缝4和一环形出风缝5；所述环形进风细缝4和环形出风缝5的相对位置分别位于粉料输送方向的上游和下游；所述环形进风细缝4和环形出风缝5分别与所述流体力学体3圆滑衔接且与所述流体力学体3衔接处的弧面相切；所述外管2为环形管道，所述环形进风细缝4分别通过环形进风腔6与外管2连通，加压气流经所述外管2、环形进风腔6以及环形进风细缝4流出。

进一步的，所述环形出风缝5与相邻流体力学体3的环形进风细缝4在所述环形进风细缝4内部连通，环形出风缝5出口处朝向环形进风细缝4的出口方向。

进一步的，所述外管2中的加压气流流动方向与粉料输送方向相反，所述环形进风腔6轴向截面为弧形，引导加压气流回旋后进入环形进风细缝4。

在二氧化钛的制备方法中应用了气力输送系统，该气力输送系统采用了利用科恩达效应形成气流隔膜，采用接力的方式在隔绝分料的同时驱动分料沿输送方向移动，由于采用了接力的方式，因此传输过程较为稳定，避免了现有分料气力输送系统需要在管道端部通入大流量气流的弊端，该弊端包括所需气流极大，传输距离无法较远，能耗大，传输不稳定，粉料与管壁摩擦碰撞严重，造成周围环境中粉尘含量高等，这些弊端通过本发明的气力输送系统均可以较为显著的改善。

通过科恩达效应在流体力学体表面形成风膜，该风膜一方面带动粉料朝输送方向移动，另一方面隔绝粉料与管道内壁的直接接触，减少了摩擦，还利用了流体力学体3的弧形结构使粉料在自身惯性的作用下越过环形出风缝5，而紧贴流体力学体3表面的气流则在科恩达效应下流入环形出风缝5，实现了固-气分离，避免粉料也进入环形出风缝5；而在粉料阻力下部分向内管1中部逸散的气流又可托起粉料，分散粉料，使粉料受气流的推力更加均匀，显著提高输送效率。

利用了内管1的圆形结构，使环形进风细缝4与流体力学体3也成环形，配合出风形成了闭环流体，根据伯努利原理，从而带动了后方空气均匀的朝前移动，形成了空气放大效应，从而使内管1中部的粉料也实现了被气流接力式且均匀的朝前带动。

环形出风缝5与相邻流体力学体3的环形进风细缝4在内部连通，且开口方向朝向环形进风细缝4的流体方向，该结构再利用了位于上游的相邻流体力学体3完成风膜任务后的余风增加了环形进风细缝4出风的风力，同时环形进风细缝4内的气流风速较大，根据伯努利原理，其与环形出风缝5之间形成负压，因此能够吸引环形出风缝5的空气进入，这增加了环形出风缝5开口处的负压，从而使在流体力学体3上完成风膜任务后的气流更容易进入环形出风缝5，只需设计好环形出风缝5与环形进风细缝4的口径，配合适当的进风压力，即可实现合适的固-气分离，而环形出风缝5与环形进风细缝4的连通结构也使即使有少量粉料进入环形出风缝5，也能再通过环形进风细缝4回到内管中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，使用原料钛精粉依次经一次粉碎、研磨、酸解、还原、洗渣澄清、绿矾结晶分离、精滤、浓缩、水解、过滤、一次水洗、漂白、盐处理、煅烧、二次粉碎、二次水洗、包膜、洗涤、干燥以及超微粉碎获得二氧化钛。

2.如权利要求1所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述水解工序具体为将底水加热至80～90℃，底水与钛液的比例为4～6；在预热好的底水中添加0.5～0.7wt％硫酸钠、0.06～0.07wt％羧酸以及1.9～2.2wt％晶种；在搅拌状态下，分次加入浓缩的钛液，第一次加入钛液量的7～10％，保温7～15min，然后升温至90～95℃；第二次加入剩余钛液量的30～50％，保温10～15min；第三次加入剩余的所有钛液，保温15～20min，然后持续加热至沸腾，保持沸腾状态30～50min；然后缓慢冷却至50～70℃后抽滤。

3.如权利要求1所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述包膜工序在二氧化钛浆料中滴加硫酸铝溶液和硅酸钠混合溶液，两者分子量比例为2:1～3:1，用碱或酸将PH调解并保持在8-10，滴加时间为2～4h，然后保温陈化；完成后调解PH至6-7并进行水洗；然后在常温下添加0.03～0.09wt％有机胺、多元醇或有机硅中的一种或多种混合物。

4.如权利要求1所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述煅烧工序采用煅烧回转窑，所述煅烧回转窑分为干燥区、晶型转化区和粒子成长区，温度分别为180～750℃，750～850℃，850～900℃。

5.如权利要求1所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述盐处理工序添加碳酸钾0.4～0.5wt％、磷酸0.04～0.06wt％及氧化锌0.4～0.6wt％。

6.如权利要求1所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述澄清阶段工序添加0.1～03wt％硫酸铝絮凝溶解在钛液中的杂质。

7.如权利要求1所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述酸解工序添加90％以上溶度的硫酸，酸解温度为160～200℃。

8.如权利要求1至7任一权利要求所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述二氧化钛的制备方法中，对于粉状物料的输送采用一气力输送系统；所述气力输送系统包括气力输送管道，所述气力输送管道包括内管(1)和套设在内管(1)外的外管(2)；所述内管(1)内壁上沿其轴向方向连续设置有多个环形且轴向截面为圆滑弧形的流体力学体(3)；对于任一一个流体力学体(3)，其两端与所述内管(1)交汇处的内管(1)上沿所述流体力学体(3)的边缘分别开设一环形进风细缝(4)和一环形出风缝(5)；所述环形进风细缝(4)和环形出风缝(5)的相对位置分别位于粉料输送方向的上游和下游；所述环形进风细缝(4)和环形出风缝(5)分别与所述流体力学体(3)圆滑衔接且与所述流体力学体(3)衔接处的弧面相切；所述外管(2)为环形管道，所述环形进风细缝(4)分别通过环形进风腔(6)与外管(2)连通，加压气流经所述外管(2)、环形进风腔(6)以及环形进风细缝(4)流出。

9.如权利要求8所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述环形出风缝(5)与相邻流体力学体(3)的环形进风细缝(4)在所述环形进风细缝(4)内部连通，环形出风缝(5)出口处朝向环形进风细缝(4)的出口方向。

10.如权利要求9所述的一种腈纶化纤消光用二氧化钛的制备方法，其特征在于：所述外管(2)中的加压气流流动方向与粉料输送方向相反，所述环形进风腔(6)轴向截面为弧形，引导加压气流回旋后进入环形进风细缝(4)。

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