CN1234057A - 二氧化钛基有色颜料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二氧化钛基有色颜料的制备方法,其中包括焙烧锐钛矿二氧化钛直到锐钛矿二氧化钛完全转化为金红石二氧化钛为止,其间使用金红石化温度至少为1000℃并且以SO3表示的硫酸盐比率至多为1%(重量)的锐钛矿二氧化钛。

Description

二氧化钛基有色颜料的制备方法
本发明涉及二氧化钛基有色颜料的制备方法。本发明同样涉及采用本法获得的有色颜料。
金红石相有色颜料,即主要由金红石型二氧化钛组成的有色颜料通常在塑料、油漆和清漆中以及在化妆品和制药领域中作为着色物质使用。
先有技术的该类颜料一般经(ⅰ)锐钛矿二氧化钛与一种或几种着色添加剂混合,(ⅱ)研磨而后(ⅲ)焙烧予以制备。
该类着色颜料应符合某些标准,尤其是对温度、对光线以及对因酸性或碱性的化学试剂引起的分解表现出良好的稳定性。DE3604317提出热稳定性得到改善的有色颜料,其除包含由钛、锑和铬组成的三元体系外还含有0.1至2%(重量)镁。
事实上,重要的是颜料的颜色例如在它们加入到塑料或涂料中或者当它们处于特别严厉的气候条件下不会消褪。按照同一思路,EP318783推荐加入比例为0.01至0.25%(重量)的锂,这样来限制经浸渍处理含铬和锑的金红石相颜料的脱色倾向。
不过,工业上至今采用的金红石相颜料的颜色在色彩强度和颜色饱和度方面并不总是令人满意的。
本发明打算通过提供制备二氧化钛基有色颜料改进方法来解决色彩的强度问题。采用本方法获得的有色颜料提供一个比目前市场上销售的颜料更经久而不易褪色的色彩。
为此,本发明涉及二氧化钛基有色颜料制备方法,其中包括焙烧锐钛矿二氧化钛直到锐钛矿二氧化钛完全转化为金红石二氧化钛为止,其间锐钛矿二氧化钛具有金红石化温度至少为1000℃,优选至少为1060℃,以SO3表示的硫酸盐比率至多为1%(重量),优选低于0.8%。
按照本发明第一基本特征,所用的二氧化钛应具有以SO3表示的硫酸盐比率至多为1%(重量),优选低于0.8%。事实上,可以观察到当从含有过高硫酸盐比率的锐钛矿二氧化钛出发,所得的颜料的色彩不够强。更具体地说尽可能低的硫酸盐比率是有利的。
本领域专业人员按照现有技术已知分析方法的任一种,如用X-射线荧光法易于测定硫酸盐的比率。
锐钛矿二氧化钛中的硫酸盐含量能在制造锐钛矿二氧化钛过程中予以控制。
遵照本领域专业人员已知的方法制备能用于本发明方法的起始锐钛矿二氧化钛。关于此事,可求助于Ullman Band的著作(18卷,574页)和Kirk Othmer的著作(23卷,146页)。优选地,分三步获得锐钛矿二氧化钛:(1)硫酸氧钛溶液的水解;(2)过滤水解产物和(3)用水洗涤滤液。
二氧化钛的硫酸盐含量尤其能在步骤(3)滤液的洗涤期间予以控制。
按照本发明第二基本特征,所用的二氧化钛应具有金红石化温度至少为1000℃,优选至少1060℃。
二氧化钛金红石化温度控制一般在二氧化钛合成过程中完成。锐钛矿相二氧化钛纯度可能是控制该温度的要素:锐钛矿相二氧化钛的比率越接近100%,金红石化温度就越高。
在步骤(1)经在水解介质中引入晶种尤其可调节锐钛矿的比率。该晶种可为生成的水解产物的类型定向:遵循引入的二氧化钛晶种的类型,所产生的主要由锐钛矿二氧化钛构成的水解产物含有或高或低百分比的金红石二氧化钛,目的是减少该百分比。
具有用于本发明方法所需特征的锐钛矿二氧化钛已如由罗纳-普朗克公司销售。该公司以索引号为G5出售的二氧化钛是粉末,罗纳-普朗克公司同样以索引号G5-300销售二氧化钛溶胶。
金红石化温度并不总是由制造商指定,也容易地由本领域专业人员通过使用下述的操作方法予以测定。
金红石化温度一般定义为锐钛矿二氧化钛中锐钛矿相重量的50%经焙烧转化为金红石相的温度。按照本发明,测定金红石化温度采用高温X-射线衍射法。
该测定在十分精确的操作条件下进行以便摆脱外来的参数的影响(如准确的升温条件):锐钛矿二氧化钛样品安置在铂平面支架上并在焙烧时保持在封闭环境(无空气吹扫)中,如在封闭的容器内。容器内的温度按照5℃/分速率升至1250℃。
在650℃和1250℃之间进行衍射测量。衍射谱图按固定的间隔(如每隔50℃)绘出,间距为0.032°扫描从10°到60°角度范围所需时间固定为10秒。
分别从由100%金红石相和100%锐钛矿相构成的参照样开始以此方式实施预备性试验。
依据获得的参考衍射谱图,锐钛矿二氧化钛和金红石二氧化钛分别对应的衍射谱峰已定位。
随后在相同的条件下从二氧化钛试样开始进行分析。
通过两相最强谱峰的面积与来自参照样扫描的衍射谱图上所记录下来的谱峰面积相比较可计算在每一温度下生成的金红石相的比例。
金红石相和锐钛矿相百分数相等时观察到的温度就是金红石化温度。
按照本发明,金红石化温度至少应是1000℃,优选至少应是1060℃。依据色彩强度和颜色饱和度,低于1000℃是不足取的。
按照本发明优选方式,本方法包括如下步骤:
a)锐钛矿二氧化钛与至少一种颜料添加剂相混合;
b)研磨所得的混合物,和
c)在氧化气氛下进行焙烧。
锐钛矿二氧化钛与一种或多种颜料添加剂的混合可实行干法混合或从水悬浮液出发进行混合。
优选具有BET法比表面至少为250克/米2的锐钛矿二氧化钛以便于混合操作。
BET法比表面应理解为采用BET方法,即氮气吸附法测定的比表面,该法符合[“美国协会杂志”60卷,309页,(1938年)]期刊描述的BRUNAUER-EMMETT-TELLER方法制定的标准ASTM03663-78。当二氧化钛以水悬浮液(例如溶胶)形态出现时,在测定其比表面之前预先将水悬浮液雾化。
当进行干法混合操作时,锐钛矿二氧化钛是以颗粒的附聚物所构成的粉末形态而存在,附聚物的平均大小在1和2微米之间并且颗粒的平均大小在40和60纳米之间。
此粉末按自身已知方式通过实施如下步骤获得:
-硫酸氧钛溶液的水解,
-过滤水解产物,
-用水洗涤滤液,
-将滤液再悬浮于水中,和
-所得悬浮液的雾化。
按照另一个实施方式,混合步骤a)可在从锐钛矿二氧化钛颗粒悬浮于水介质中出发的溶液中进行,颗粒的平均大小在40和60纳米之间。这样,在研磨和焙烧之前,其中的水从水悬浮液中排除掉。该第二个实施方式与从相应的锐钛矿二氧化钛粉末出发进行干法混合操作a)的第一个实施方式相比较,由于所生成的颜料呈现更加经久的色调而显得尤为有利。
在所有的情况中,缩小颗粒的大小便于混合操作。
以锐钛矿二氧化钛为主要成分的水悬浮液可经如下步骤获得:
-硫酸氧钛溶液的水解,
-过滤水解产物,
-用水洗涤滤液,
-滤液在酸性介质,例如硝酸或盐酸溶液中再分散。在此步骤避免使用硫酸以免使硫酸盐的比率升高。
颜料添加剂是通常用于本领域中的那些添加剂。例如这些添加剂可从过渡元素Sb、Cr、Ni、Co、Zn、Cu、Mn和W的化合物中选取,并且或是氧化物形态(尤其Sb2O5、Cr2O3、NiO、CuO、MnO和WO3),或是如实施焙烧步骤时在氧化气氛中可氧化的化合物。
优选地,实施二氧化钛与铬和锑化合物的混合,其中锑与铬的摩尔比接近于1,例如在0.8和1.2之间。
作为说明性内容,注意到焙烧可在氧气氛或空气中进行,焙烧温度有利地在800和1400℃之间。
在进行研磨和焙烧以二氧化钛为主要成分的混合物之前,可将无机添加剂(本领域称“矿物剂”)加入其中,该矿物剂例如是氟化钠、氯化钠、氯化钾、氟化钙或氯化钙。同样可以添加如在EP318783中描述的锂化合物(碳酸锂、氟化锂、氯化锂、氧化锂、氢氧化锂、硫酸锂、硝酸锂、磷酸锂、锑酸锂或钛酸锂)或镁化合物,如同在DE3604317中竭力推荐的镁化合物(碳酸镁和氧化镁)。
本发明同样涉及用上述方法获得的有色颜料。其用于塑料、油漆和清漆中以及用于化妆品和制药领域。
最后,本发明涉及具有金红石化温度至少1000℃,优选至少1060℃并且以SO3表示的硫酸盐比率至多为1%(重量),优选低于0.8%的锐钛矿二氧化钛于制备二氧化钛基有色颜料方面的应用。
如下的实施例的目的在于便于理解本发明而不是对其进行任何限定。
实施例1-锐钛矿二氧化钛金红石化温度的测定。
用于实施例的试样具有如下特性:
-试样1:罗纳-普朗克公司市售的粉末G5。该二氧化钛具有BET比表面300米2/克并且以SO3表示的硫酸盐比率低于0.8%(重量);粉末呈现颗粒的附聚物形态,附聚物平均大小接近1.5微米。
-试样2:对照的粉末具有BET比表面高于250米2/克并且以SO3表示的硫酸盐比率为5%(重量);粉末呈现颗粒的附聚物形态,附聚物平均大小接近1.5微米。
试样的金红石化温度按如下方式测定。
首先,参照试样粉末用高温X-射线衍射予以研究。使用100%锐钛矿和100%金红石粉末作为对应于锐钛矿相和金红石相的谱峰定位参考。每一个要测试的参照样粉末被放置在位于封闭容器内的铂平面支架上。封闭容器的温度以5℃/分加热速度逐渐地升高。衍射谱图于温度650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200和1250℃在如下条件下扫描:
-扫描所需时间:10秒
-间距为0.032°扫描角度范围10°到60°。
对应于金红石相和锐钛矿相的谱峰被定位。
从试样1和2出发应实施相同的测定。所获得的衍射谱图通过两相最强谱峰的面积与来自参照样扫描的衍射谱图上所记录下来的谱峰面积相比较可估计金红石相和锐钛矿相的百分比。
那么,其结果可用曲线形式来显现金红石相或锐钛矿相的百分比依据温度的变化。图1和2示出的曲线可易于图解决定金红石化温度。
图1对应于试样1,其显示金红石化温度为1080℃。
图2对应于试样2,其显示金红石化温度为850℃。
只有当试样1粉末的金红石化温度高于1000℃时方可用于本发明方法。
实施例2-金红石化温度为1080℃的锐钛矿二氧化钛基有色颜料的制备。
试样1的锐钛矿二氧化钛粉末(参看实施例1)与氧化铬(Cr2O3)和氧化锑(Sb2O5)相混合。该混合物呈片状。
而后,在氧气氛下于920℃焙烧这些片状物12小时。接着在重新焙烧之前进行研磨,首先在氧气氛下于980℃焙烧12小时,再于970℃下在空气中焙烧4小时,研磨所得到的粉末。
制备两种橙色颜料试样:
-试样3:其实验式为(Ti0.9Cr0.05Sb0.05)O2
-试样4:其实验式为(Ti0.99Cr0.005Sb0.005)O2
借助氧化铬、氧化锑和二氧化钛各自的量来调整最终化合物的化学式。
依据颜色饱和度测验获得的两种颜料。
这里色彩定量借助于CIE体系1976(L*、a*、b*)的色彩座标L*、a*和b*,如由国际照明委员会定义并且编索引于法国标准汇编中的比色法的色调n°X08-12(1983)。该色调借助于太平洋科学公司出售的DATACOLOR比色计予以测定。
L*给出反射本领的大小和色调明亮的情况。
a*和b*表示着色趋向:
a*正值显示红色,
a*负值显示绿色,
b*正值显示黄色,和
b*负值显示兰色。
因此,以图解的方式L*表示从白色变到黑色(明亮),a*表示从绿色变到红色和b*表示从兰色变到黄色。
从试样3和4出发进行测定的结果记入下表1中:
                      表1
    颜料     L*     a*     b*
    试样3     67.5     24     59
    试样4     84     6     38
实施例3(比较例)-金红石化温度为850℃的锐钛矿二氧化钛基有色颜料的制备。
从如在实施例1中描述的锐钛矿二氧化钛试样2出发按照实施例2的操作方式制备出实验式分别为(Ti0.9Cr0.05Sb0.05)O2和Ti0.99Cr0.005Sb0.005)O2的两种有色颜料(试样5和6)。
测定的色彩数据记入下表2中。
                       表2
    颜料     L*     a*     b*
    试样5     66     20     57
    试样6     85.8     3.2     28.2
因此,通过比较同样化学式的颜料(一方面试样3和5,另一方面试样4和6)可以确认本发明的颜料呈现较高的a*和b*值,因而总体上呈现更经久的橙色。
实施例4-金红石化温度为1080℃的锐钛矿二氧化钛基有色颜料的制备。
所使用的锐钛矿二氧化钛呈现以溶胶形式。该溶胶由罗纳-普朗克公司以索引号G5-300销售。有关的二氧化钛特征在于BET比表面为300米2/克,以SO3表示的硫酸盐比率低于0.8%(重量)并且金红石化温度为1080℃。溶胶的干提出物是20%(重量)。
通过下述步骤制备二氧化钛有色颜料:(ⅰ)将溶胶G5-300与硝酸铬和硝酸锑混合,(ⅱ)雾化所得的含水混合物,以及(ⅲ)焙烧/研磨,步骤(ⅲ)焙烧/研磨如在实施例2中那样进行。因此,制备了两种橙色试样:
-试样7具有实验式:(Ti0.9Cr0.05Sb0.05)O2
-试样8具有实验式:(Ti0.99Cr0.005Sb0.005)O2
借助硝酸锑、硝酸铬和溶胶G5-300各自的量来调整颜料的化学式。
依据颜色的饱和度分析试样7和8。所得结果列于表3。
                     表3
    颜料     L*     a*     b*
    试样7     68     24     61.5
    试样8     85     8     41.2
一方面比较试样3和7的a*和b*值,另一方面比较试样4和8的a*和b*值均显示试样7和8颜料的色彩更经久。
由此证实由本发明锐钛矿二氧化钛溶胶制备的颜料的色彩牢固。

Claims (12)

1.二氧化钛基有色颜料制备方法,其中包括焙烧锐钛矿二氧化钛直到锐钛矿二氧化钛完全转化为金红石二氧化钛为止,其特征在于使用金红石化温度至少为1000℃,优选至少为1060℃,以SO3表示的硫酸盐比率至多为1%(重量),优选低于0.8%的二氧化钛。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于该方法包括如下步骤:
a)上述锐钛矿二氧化钛与至少一种颜料添加剂相混合,
b)研磨所得的混合物,和
c)在氧化气氛下焙烧。
3.根据权利要求1或2中任一项的方法,其特征在于锐钛矿二氧化钛的BET比表面至少是250米2/克。
4.根据权利要求2或3中任一项的方法,其特征在于在步骤a)中,从锐钛矿二氧化钛粉末出发实行干法混合。
5.根据权利要求4的方法,其特征在于上述粉末由二氧化钛颗粒的附聚物构成,附聚物的平均大小在1和2微米之间并且颗粒的平均大小在40和60纳米之间。
6.根据权利要求2或3中任一项的方法,其特征在于在步骤a)中,从锐钛矿二氧化钛水悬浮液出发进行混合,在研磨混合物之前脱除悬浮液中的水。
7.根据权利要求6的方法,其特征在于水悬浮液包含平均粒径在40和60纳米之间的悬浮状锐钛矿二氧化钛颗粒。
8.根据权利要求2-7中任一项的方法,其特征在于上述颜料添加剂从过渡元素Sb、Cr、Ni、Co、Zn、Cu、Mn和W的化合物中选取,该化合物或是氧化物形态或是在氧化气氛中可氧化的化合物形态。
9.根据权利要求8的方法,其特征在于上述锐钛矿二氧化钛与锑和铬的化合物相混合,锑与铬的摩尔比在0.8和1.2之间,优选等于1。
10.根据权利要求2-9中任一项的方法,其特征在于焙烧温度在800和1400℃之间。
11.通过实施权利要求1-10中任一项的方法获得的二氧化钛基有色颜料。
12.金红石化温度至少为1000℃,优选至少1060℃并且以SO3表示的硫酸盐比率至多为1%(重量),优选低于0.8%的锐钛矿二氧化钛于制备二氧化钛基有色颜料方面的用途。
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