CN115247006B

CN115247006B - 一种轻质复合钛白粉及其制备方法

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Publication number: CN115247006B
Application number: CN202111338527.1A
Authority: CN
Inventors: 孙彤; 程毅; 唐磊; 李纲; 高双之
Original assignee: Langfang Nippon Paint Co ltd; Nippon Paint China Co Ltd
Current assignee: Langfang Nippon Paint Co ltd; Nippon Paint China Co Ltd
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2041-11-12
Also published as: CN115247006A; AU2022383976A1; WO2023082646A1

Abstract

本发明公开一种轻质复合钛白粉，其原料按重量份计，包括：白色无机填料50‑90份，金红石型钛白粉1‑50份，分散助剂0.1‑3份，丙烯酸树脂胶粘剂1‑20份，羟乙基纤维素0.1‑2份，PH调节剂0.1‑2份；其中，所述复合钛白粉具有多孔微球结构，密度为0.5‑1.2g/cm³。该复合钛白粉密度小，轻质，在涂层中浮于表层，分布均匀致密，比表面积小，对光的反射和散射能力强，可以提升涂膜的遮盖力、白度以及耐候性。同时，该复合钛白粉的制备方法简单环保，成本低廉，可行性强，且制备过程可调控复合钛白粉多孔微球的团聚过程。因此，本发明中轻质复合钛白粉在涂料领域具有良好的应用前景。

Description

一种轻质复合钛白粉及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域。更具体地，涉及一种轻质复合钛白粉及其制备方法。

背景技术

钛白粉由于其优良的物理性质、化学性质和光学性质在涂料、塑料、造纸和油墨等众多化工领域的得到广泛的应用。钛白粉也是应用范围最广和用量最高的白色颜料(占所有白色颜料的90％以上)。涂料行业是钛白粉最大的用户，市面上60％以上的钛白粉是被涂料行业所消耗。用钛白粉制造的涂料，色彩鲜艳，遮盖力高，着色力强，而且能增加漆膜的机械强度，防止紫外线和水分透过，延长漆膜寿命。

随着我国涂料行业的不断发展，对钛白粉的需求量也在不断增加。钛白粉的生产加工对环境以及有限的自然资源都会产生影响，同时因生产成本的增加和消费需求增加导致价格不断上涨给钛白粉下游产业带来沉重的负担。由于钛白独特的特性，目前无法完全被取代。长期有效的解决方向在于提升钛白粉的使用效率，减少低效使用。

目前提升钛白粉使用效率的主要技术路线有提高钛白粉的分散度、功能性聚合物、复合钛白粉等。提高钛白粉分散度的路线通过高速分散或研磨工艺来改进钛白粉颗粒的分散度，因此会涉及到涂料生产工艺和设备的变动，影响生产效率和场地成本，同时浆料的储存也是一大问题。功能性聚合物通过引入特殊功能单体提高钛白粉分散效率，但并不适用于所有的钛白类型以及涂料配方，并且价格较高并不经济。以上两种方案在涂料配方应用中都存在局限性。相较而言，复合钛白粉则适用范围更广。

复合钛白粉生产工艺主要有化学沉积包覆法、固相机械力化学研磨法和机械混合法、液相机械力研磨法。以上方法各自都存在缺陷，例如化学沉积包覆法在制备过程中产生废水形成环境污染；固相机械力化学颗粒包覆法容易产生颗粒团聚，分散性差的缺点；液相机械力研磨法存在能耗高，耗时长的缺点。

因此，需要提供一种能够提升钛白粉利用率的轻质复合钛白粉及其相应的制备方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种轻质复合钛白粉，其原料主要成分为白色无机填料，复合钛白粉具有多孔微球结构，比表面积小，具有价廉、质轻、白度高、遮盖力强等优点，在实际应用中可以部分代替涂料中的钛白粉。

本发明的另一个目的在于提供一种轻质复合钛白粉的制备方法，使用喷雾干燥法，所需时间短、工艺环保、成本低廉、可行性强。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种轻质复合钛白粉，所述复合钛白粉的原料，按重量份计，包括：

其中，所述复合钛白粉具有多孔微球结构，其密度为0.5-1.2g/cm³。

优选地，所述复合钛白粉的原料，按重量份计，包括：

优选地，所述多孔微球结构的比表面积为1-6m²/g。

优选地，所述复合钛白粉的平均粒径为40μm-50μm。

所述白色无机填料选自煅烧高岭土、重钙粉、硫酸钡中的至少一种；

优选地，所述白色无机填料的粒径为3-6μm；

优选地，所述白色无机填料具有针状、柱状或片状形貌结构。

优选地，所述金红石型钛白粉的粒径为0.5μm-1.0μm。

优选地，所述分散助剂为改性聚丙烯酸铵盐分散剂。

一种如上所述一种轻质复合钛白粉的制备方法，包括如下步骤：

(1)分散：将水、分散助剂、羟乙基纤维素、PH调节剂依次加入容器内分散均匀，得分散液；

(2)制浆：向分散液中加入金红石型钛白粉和白色无机填料，分散得悬浊浆料；

(3)混胶和调稀：向悬浊浆料中加入丙烯酸树脂胶粘剂，分散混匀，加入水，调节浆料的固体含量为40％-50％；

(4)喷雾干燥：对浆料进行喷雾干燥得到轻质复合钛白粉。

优选地，步骤(2)制浆过程中分散速度为1200-1500rpm/min，分散时间为5-20min；

优选地，步骤(3)中，所述分散速度为500-800rpm/min，分散时间为5-20min。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种轻质复合钛白粉，具有多孔微球结构，主要成分为白色无机填料，金红石型钛白粉颗粒均匀的分布在无机填料间。该复合钛白粉密度小，轻质，在涂层中浮于表层，分布均匀致密，比表面积小，对光的反射和散射能力强，可以提升涂膜的干遮盖、湿遮盖、白度以及耐候性。同时，本发明提供了轻质复合钛白粉的制备方法，该方法简单环保，成本低廉，可行性强，且制备过程可调控复合钛白粉多孔微球的团聚过程。因此，本发明中轻质复合钛白粉在涂料领域具有良好的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明中轻质复合钛白粉的制备过程。

图2示出本发明中轻质复合钛白粉研发及量产过程。

图3示出实施例1中的轻质复合钛白粉SEM图。

图4示出实施例1中的轻质复合钛白粉的TEM图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

一种轻质复合钛白粉，其原料按重量份计，包括：

本发明中复合钛白粉的主要成分为白色无机填料和金红石型钛白粉，添加适量分散助剂帮助填料分散，辅以胶粘剂，以喷雾干燥实现金红石型钛白粉包覆白色无机填料，得到具有多孔微球结构的复合钛白粉。

本发明中复合钛白粉微球结构存在大量孔隙的同时，还包括了大量的白色无机填料使其密度更低，为0.5-1.2g/cm³。轻质这一特点，使复合钛白粉在涂料中更容易上浮至涂层上表面，具有防沉降效果，且复合钛白粉在涂层表面分布均匀紧密，对光的反射和漫散射效果更明显，有效提升涂膜的白度和遮盖力。另外，由于入射光在涂层上表层的折射更明显，光程缩短，可以减少入射光对有机物的降解作用，从而提升涂层的耐候性。可见本发明中钛白粉可以提升钛白使用效率，减少资源浪费，同时提升涂膜性能，使行业向着更绿色环保的方向发展。

在一些优选的示例中，所述复合钛白粉的原料中白色无机填料的含量最高，且远高于金红石型钛白粉，这样使复合钛白粉的密度更低，成本更低廉，同时保证了复合钛白粉的白度、遮盖力、耐候性。例如，所述钛白粉的原料，按重量份计，包括：

本发明中复合钛白粉的多孔微球结构主要是由白色无机填料以及分布在其间隙的金红石型钛白粉形成的，制备过程中采用的喷雾干燥技术，使微球内部形成大量孔隙，在一些优选的示例中，比表面积为1-6m²/g。

在一些优选的示例中，所述复合钛白粉的平均粒径为40μm-50μm。

例如，所述复合钛白粉的平均粒径包括但不限于为41μm-49μm、42μm-48μm、43μm-47μm、44μm-46μm或45μm等。

对于一般内墙涂料，要求其细度≤50μm，即颗粒的粒径需要小于50μm，本发明中的复合钛白粉形成多孔结构，可以有效提升光的反射和漫反射效果，有效提升涂膜的白度和遮盖力，所述复合钛白粉的平均粒径越高，其多孔结构提升的效果越明显。

本发明中轻质复合钛白粉在涂层表面分布均匀且紧密，对光的反射和漫散射效果明显，蓝光白度优选为Wr≥80。

在一些优选的示例中，所述白色无机填料包括但不限于为煅烧高岭土、重钙粉或硫酸钡等，其粒径优选为3-6μm，包括但不限于，例如3.5μm、4.0μm、4.5μm、5.0μm或5.5μm等。适合的无机填料粒径在制备过程中利于形成本发明所设计的多孔微球结构，无机填料粒径较小，所形成的微球结构孔隙小，比表面积小，对光的折射和散射能力弱；而无机填料粒径过大，很难形成微球结构。

本发明中白色无机填料是形成多孔微球的基体，其断裂面存在的羟基等活性基团，或者其产生的具有水化作用的不饱和离子基团，有利于金红石型钛白粉与其产生牢固的界面结合，且结合越牢固，复合钛白粉的颜料性能就越好。在一些优选的示例中，所述白色无机填料具有针状、柱状或片状形貌结构，这些形貌结构可以最大限度的发挥白色无机填料与金红石型钛白粉之间的结合协同作用，利于提高复合钛白粉的颜料性能。

在一些优选的示例中，所述金红石型钛白粉的二次粒径为0.5μm-1μm。0.25μm-0.3μm是人眼目视敏感度最高的黄绿光光波的一半，具有此二次粒径的金红石型钛白粉的遮盖效果最佳。

白色无机填料与金红石型钛白粉在有机粘结剂丙烯酸树脂作用下团聚成微球状，分散剂的存在则使金红石型钛白粉在微球中的分布更加均匀，使微球的成型过程可控。

上述轻质复合钛白粉的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

(4)喷雾干燥：对浆料进行喷雾干燥得到轻质复合钛白粉。

本发明所述轻质复合钛白粉的制备方法，制浆过程中，在分散助剂存在的情况下，对白色无机填料和金红石型钛白粉进行机械研磨混合，旨在提高白色无机填料的活化能和减小金红石型钛白粉颗粒粒径，增加颗粒表面的桥接作用；然后混胶过程中使用丙烯酸树脂胶粘剂，使白色无机填料和金红石型钛白粉之间产生粘结作用，进而实现更好的颜料功能协同效应。

在一些优选的示例中，喷雾干燥过程中干燥粉末的平均粒径为40-50μm。喷雾干燥具有生产效率高、产品质量稳定、产量高、可直接干燥成粉末等优点。

分散速度的改变会影响粉末间的分散效果，合理的分散速度和分散时间对浆料的细度影响较大。步骤(2)制浆过程中分散速度优选为1200-1500rpm/min，分散时间优选地为5-20min。

机械力的碰撞产生的作用力可能会破坏胶体的机械稳定性，步骤(3)混胶过程中分散速度优选为500-800rpm/min，分散时间优选为5-20min。

浆体的固含量会影响喷雾干燥粉末颗粒的粒径，因此步骤(3)调稀过程中，所述浆体的固含量为40％-50％。

本发明制备方法工艺简单环保，成本低廉，可行性强，制备的复合钛白粉密度轻，白度高，比表面积小，具有可部分替换涂料中钛白含量的可行性。此外，本发明中浆料分散工艺为工业化涂料生产工艺，产业化成熟，而且喷雾干燥加热模式采用天然气加热，环保无污染，符合国家发展环保规划。

如图2所示，发明方案在确定过程中，首先进行了树脂、助剂和填料等种类和用量的筛选工作，基础配方和工艺确定后，进行小试、中试和量产过程的探索，无论哪一步出现不合格，都需要返回上一步骤，再次进行探索。经过大量研发工作，得到了本发明中所述的可部分替换涂料中钛白含量的复合钛白粉。

下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

下面以纯金红石型钛白粉、纯高钙粉、纯煅烧高岭土以及超级硫酸钡为对比例，将实施例中的轻质复合钛白粉性能对其对比，说明本发明提供的轻质复合钛白粉具有比表面积小、密度小、粒径大、白度高的特性，可以部分代替涂料中的钛白粉。

实施例

实施例中轻质复合钛白粉的制备过程如下：

(4)喷雾干燥：对浆料进行喷雾干燥得到轻质复合钛白粉。

实施例1-5中以重钙粉为白色无机填料的轻质复合钛白粉的原料组成以及性能参数如表1所示：

表1实施例1-5中轻质复合钛白粉的原料组成及性能参数

由表1可知，与对比例1中的金红石型钛白粉和对比例2中的重钙粉相比较，实施例1-5中轻质复合钛白粉的粒径大，比表面积小，密度更小，吸油值更大，同时白度虽然有降低，但依然优良。因此，实施例1-5中的轻质复合钛白粉可以部分代替涂料中的钛白粉。

同时由图3可见，本发明中复合轻质钛白粉为多孔微球结构。图4显示在多孔微球中，金红石型钛白粉均匀分布在多孔微球结构中。

同时，重钙粉价格低廉，物理性能稳定，具有一定的干遮盖力，可以起到骨架作用，与钛白粉配合使用，可以降低配方成本。

实施例6-8中以煅烧高岭土为白色无机填料的轻质复合钛白粉的原料组成以及性能参数如表2所示：

表2实施例6-8中轻质复合钛白粉的原料组成及性能参数

由表2可知，与对比例1中的金红石型钛白粉和对比例3中的煅烧高岭土相比较，实施例6-8中轻质复合钛白粉的粒径大，比表面积小，密度更小，吸油值更大，同时白度虽然有降低，但依然优良。因此，实施例6-8中的轻质复合钛白粉可以部分代替涂料中的钛白粉。

此外，煅烧高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中、良好物理性能。以煤矸石为原材料，开发合适的工艺路线，同时利用煤矸石中的热能和矿物质，制备合格的煅烧高岭土，不仅可以提高煤矸石综合利用的经济效益，也可以扩大高岭土的矿物来源。与此同时，煤矸石灰渣基本全部变成煅烧高岭土，实现无固废排放的绿色燃烧。

实施例9-12中以煅烧高岭土为白色无机填料的轻质复合钛白粉的原料组成以及性能参数如表3所示：

表3实施例9-12中轻质复合钛白粉的原料组成及性能参数

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由于煅烧高岭土本身颗粒极细，比重小，比表面积大，吸油量高。而硫酸钡质地细腻，耐候性好，比重大，吸油量低，具有较高的折射率(1.63～1.65)，表现出颜色较白并有一定的遮盖力，可以如实施例9-11所示，选择和煅烧高岭土复配使用，降低轻质复合钛白粉的比表面积和粉末吸油值。或者将其单独使用，如实施例12所示，亦具有良好的特性，可以部分代替涂料中的钛白粉。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种轻质复合钛白粉，其特征在于，其原料按重量份计，包括：

其中，所述复合钛白粉具有多孔微球结构，其振实密度为0.5-1.2g/cm³；

所述轻质复合钛白粉的制备方法包括如下步骤：

(4)喷雾干燥：对浆料进行喷雾干燥得到轻质复合钛白粉。

2.根据权利要求1所述的轻质复合钛白粉，其特征在于，所述复合钛白粉的原料，按重量份计，包括：

3.根据权利要求1所述的轻质复合钛白粉，其特征在于，所述多孔微球结构的比表面积为1-6m²/g。

4.根据权利要求1所述的轻质复合钛白粉，其特征在于，所述复合钛白粉的平均粒径为40μm-50μm。

5.根据权利要求1所述的轻质复合钛白粉，其特征在于，所述复合钛白粉的蓝光白度为Wr≥80。

6.根据权利要求1所述的轻质复合钛白粉，其特征在于，所述白色无机填料的平均粒径为3-6μm。

7.根据权利要求1所述的轻质复合钛白粉，其特征在于，所述白色无机填料具有针状、柱状或片状形貌结构。

8.根据权利要求1所述的轻质复合钛白粉，其特征在于，所述金红石型钛白粉的二次粒径为0.5-1.0μm。

9.根据权利要求1所述的轻质复合钛白粉，其特征在于，所述分散助剂为改性聚丙烯酸铵盐分散剂。

10.一种如权利要求1-9任一所述轻质复合钛白粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(4)喷雾干燥：对浆料进行喷雾干燥得到轻质复合钛白粉。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)制浆过程中分散速度为1200-1500rpm/min，分散时间为5-20min。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述分散速度为500-800rpm/min，分散时间为5-20min。