JP6557327B2 - コーティングされた二酸化チタン分散物 - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は、二酸化チタン顔料生成物の製造方法に関する。特に方法は、優れた耐久性を有する塗料又はインキの製造における使用に適した顔料(pigmentary)二酸化チタン粒子を含んでなる二酸化チタン顔料生成物の製造を含む。本発明の方法は、乾燥段階を必要とせずにそのような生成物を製造することを可能にする。結果として、方法はエネルギー効率及びコスト効率がより高い。
発明の背景
二酸化チタン(TiO2)は通常、商業的に主要な白色顔料であるとみなされている。それは例外的に高い屈折率、無視し得る色を有し、不活性でもある。二酸化チタンは市場で一般に2つの主な多形、アナターゼ又はルチルのいずれかにおいて存在し;大部分の商業的用途のために、ルチルは望ましい形態である。二酸化チタンは、塗料、紙、プラスチック、セラミック、インキなどにおける不透明剤として有用であるとして周知である。二酸化チタンは商業的に販売される時、一般に150nm〜350nmの平均粒度を有する。
顔料二酸化チタン原料(raw pigmentary titanium dioxide)の製造のために、2つの主な方法:サルフェート法及びクロリド法がある。
サルフェート法は濃硫酸中でのイルメナイト又はチタニアスラグの温浸(digestion)に基づく。硫酸鉄として鉄を除去した後、溶液を加熱し、水で希釈する。チタンは加水電解し、オキシ硫酸チタン沈殿を生成し、それをさらに処理してTiO2顔料を製造する。
クロリド法は、低−鉄チタン含有鉱石又は中間生成物をカルボクロリネーション(carbo−chlorination)してTiCl4を形成し、続いてTiCl4を気相酸化することに頼っている。
二酸化チタン含有分散物から、分散物のpH調整により二酸化チタンを凝集及び/又は沈殿させることができる。
既知の方法により得られる二酸化チタンのための仕上げ法は:乾式磨砕、湿式磨砕、分別(classification)、ろ過、洗浄、乾燥、蒸気超微粉砕(steam micronizing)及び包装の1つもしくはそれより多くを含むことができる。
一般に商業的な方法において二酸化チタン分散物は、所望の粒度分布を達成するために常に磨砕され、超微粉砕されるであろう。
場合により、表面処理段階があり得る。表面処理段階は一般に、二酸化チタンの表面上にアルミナ、シリカ、ジルコニア及び/又は他の金属酸化物を沈殿させることを含む。このコーティング処理の目的は、光安定性、保存寿命、分散性及び/又は流動性を賦与することである。この段階は一般に湿式磨砕段階の後且つ乾燥段階の前に行われる。
二酸化チタンを磨砕し、表面処理し、次いで乾燥するのは普通である。表面処理の後の乾燥段階は、コーティングが粒子上に十分に濃縮され、必要なレベルの活性を有すること
を確実にすると思われる。
所望の粒度分布を有する最終的な二酸化チタン白色顔料生成物を得るために、仕上げ法は:磨砕;続く必要な表面処理段階、例えば金属酸化物コーティング;続くろ過及び/又は洗浄;続く乾燥;ならびに次いで超微粉砕を含むのが当該技術分野において一般的に好ましい。
生成物を処理及び乾燥する段階は、粒子を凝集させ得る。続く超微粉砕段階は、乾燥及び処理された生成物中の粒子が分離され、所望の粒度分布が回復することを確実にする。
従って通常二酸化チタンは、塗料又はインキの製造の間の機械エネルギー投入が低い塗料、インキなどにおける白色顔料としての使用に適した所望の粒度分布を与えるために、常に超微粉砕される。
塗料又は他の顔料含有生成物における粒度分布は、顔料含有生成物により達成される隠蔽力を決定する。
平均粒度(Brookhaven BI−XDCW X−ray Disc Centrifuge System又はOD法を用いて決定される時)は、1.45より小さい幾何標準偏差を以て0.29〜0.32ミクロンの範囲内にあるべきである。熟練者が認識する通り、粒度分布は対数正規分布に則っている。
Brookhaven BI−XDCW X−ray Disc Centrifuge System(XDC)を用いる粒度分布測定値は以下のように決定され得る:Boschミルポット中で乾燥TiO2材料(0.92g)を1/16%のケイ酸ナトリウム溶液(16.80g)及び脱イオン水(5.28g)と混合し、〜4%固体の希薄懸濁液を与える。2滴の水酸化ナトリウム溶液(2%)を用いてpHを10〜10.5に調整する。次いでBosch高速羽根車を用いて試料を10分間激しく磨砕する。この方法は、ほとんどの塗料及びインキの製造において用いられる機械エネルギーの代表的なものであるべく設計されている。
OD(光学濃度)法Bを用いる粒度分布測定値は以下のように決定され得る:Boschミルポット中で乾燥TiO2材料(0.92g)を1/16%のケイ酸ナトリウム溶液(16.80g)及び脱イオン水(5.28g)と混合し、〜4%固体の希薄懸濁液を与える。2滴の水酸化ナトリウム溶液(2%)を用いてpHを10〜10.5に調整する。次いでBosch高速羽根車を用いて試料を10分間激しく磨砕する。この方法は、ほとんどの塗料及びインキの製造において用いられる機械エネルギーの代表的なものであるべく設計されている。次いで多重散乱を避ける濃度まで分散物を希釈する。この希釈された分散物の光学濃度を、次いでUV/可視分光計を用いて一系列の波長において測定する。これらの測定値を、Mie理論を用いて計算される球状粒子の対数正規分布に関して予測されるこれらの波長における光学濃度と比較する。実験結果と理論的結果の間の最良適合は、幾何体積平均粒度(geometric volume mean particle size)(PS(OD)又はOD粒度)及び幾何標準偏差(GSD(OD))を与える。
粒度分布は長い「尾部」を持っていない、言い換えると有意な量の大きな寸法の粒子が存在しないのも望ましいかも知れない。例えば粒子の90重量%かもしくはそれより多くが0.5ミクロンより小さい粒度を有するべきであることが一般に望ましい。0.5ミクロンより大きい粒子の高い濃度は塗料又はインキの光沢にとって有害である。X線沈降(X−ray sedimentation)を用いて粒度径(particle siz
e diameter)を決定することができる。理想的には、粒子の99重量%かもしくはそれより多くが1.5ミクロンより小さい粒度径(X線沈降を用いて決定される)を有することも事実である。
上記の通り、生成物を処理及び乾燥する段階は粒子を凝集させ得、それは、粒子を所望の寸法に戻すために、通常の二酸化チタン顔料製造経路において通常流体エネルギー磨砕(超微粉砕)が必要であることを意味する。そうでないと、例えば塗料又はインキの生成のために最終的な生成物を続いてビヒクル中に分散させる時(例えば高速分散により)、得られる二酸化チタンの粒子を含有する生成物は所望の寸法分布を有しておらず、代わりに多すぎる量の特大粒子(oversize particles)を有するであろう。
流体エネルギー磨砕は流体エネルギーミル(又は超微粉砕機)中で行われる。ほとんどの流体エネルギーミルは、軸壁を区画する2つの一般的に平行な円板及び外周壁を区画する環状の縁により囲まれた円板形粉砕室の基本的な形状に基づく変形であり、軸長又は室の高さは実質的に直径より小さい。ミルの円周の周りには、微粉砕されるべき粒子状材料を供給するための1個もしくはそれより多い供給ノズルと共に、微粉砕のための追加のエネルギーを提供する粉砕流体を噴射するための複数の均一な間隔のジェットが置かれる。粉砕流体及び粒子状材料が室の円周より小さい円の円周への接線方向に噴射されるようにジェットを向ける。粉砕室への接線である側入口(side inlet)を介して、あるいは上部からある角度で、通常粉砕室の平面に30oの角度で粉砕室への供給を導入することができる。側供給超微粉砕機(side feed micronizers)は一般により優れた粉砕分散物(grinding dispersion)を与えるが、上部供給超微粉砕機はより速い速度を与えることができる。
粉砕室の外周の周りに環状の配置で置かれる供給入口を介するか又は流体ノズルを介する圧縮ガスのような粉砕流体の導入により、粉砕室内で渦が形成される。室の外周内に接線方向に供給される粉砕流体(圧縮ガス、例えば空気、蒸気、窒素など)は、それが粉砕室内を移動する時に高速の渦を形成する。高速の渦は粒子状材料を掃き上げ(sweep
up)、それは高速の粒子から粒子への(particle−to−particle)衝突ならびに粉砕室の壁の内部との衝突を生ずる。二酸化チタンの超微粉砕において、粉砕流体は通常、過熱された蒸気である。
明らかに、より重い粒子は渦内でより長い滞留時間を有する。より軽い粒子は、排出導管に達するまでガスの渦と一緒に移動する。典型的には、流体エネルギーミルは微(10ミクロンより小さい直径)及び超微(5ミクロンより小さい直径)粒子を与えることができる。しかしながら、それでも時々、粉砕の間に望ましくなく大きな粒度が生成物中に抜け出すのが見出され得る。
一般に白色顔料工業において、得られる顔料生成物中に早まって通過する特大材料の量を減らす特別な必要性がある。かくして超微粉砕の間の粉砕の強度は、他の生成物を超微粉砕する時に比較して典型的に高くなる。これは流体の使用、エネルギー消費及びミル当たりの容量の減少の点でより高いコストの必然的な結果を有する。
さらに、そのような方法を用いると、特大材料の量を減らすことができるが、顔料の性質への悪影響があり得る。
通常の顔料仕上げ法が高度にエネルギー集約的な方法であることは、著しい懸念である。仕上げにおける最高のエネルギー消費操作は一般に過熱蒸気を用いる乾燥生成物の流体エネルギー磨砕である。
所望の粒度分布を有する最終的な二酸化チタン白色顔料生成物が得られたら、通常それを再スラリ化する。
一般に、与えられる商業用生成物は、水性分散物の形態における二酸化チタン白色顔料生成物である。これは通常比較的濃厚な分散物であり、顔料コンセントレートと呼ばれることができる。
本発明は、そのような顔料コンセントレートを得るための改良された方法を提供する。
発明の概略
本発明は、1つの側面において:
二酸化チタン生成物を製造する方法であって、
−二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を与える段階、ここで、分散物は50g/l〜600g/lのTiO2を含有する;
および、次いで、いずれかの順序での
−コーティングの段階の前及び/又はその間にコロイドの安定性を維持するための1つもしくはそれより多い段階を行いながら二酸化チタン粒子に無機コーティングを適用する段階;
−分散物をクロスフローろ過の効果に供し、分散物が800g/lかもしくはそれより多いTiO2を含有する濃厚形態になるまでクロスフローろ過を続けることにより分散物を濃縮する段階
を含むことにより、コーティングされた粒子の濃厚分散物の形態の二酸化チタン生成物を与える方法を提供する。
この方法の利益は、二酸化チタン粒子の乾燥がないことである。方法のすべての段階の間、粒子は湿潤形態に、すなわち分散物中に留まる。
粒子の乾燥を避けることは、通常の乾燥法と関連する加熱が必要でない故に、コストの低下の利益を有する。
さらに上記の通り、生成物の処理及び乾燥を含む通常の方法は粒子を凝集させ得、それは通常の二酸化チタン顔料製造経路において通常流体エネルギー磨砕(超微粉砕)が必要であることを意味する。従って粒子の乾燥を避けることは、まず第一に凝集が起こることを避ける利益を有する。本発明の方法において用いられるコーティング段階は、コーティングが行われる時にコロイドの安定性が維持されるので、粒子の凝集にも導かない。
従ってエネルギー集約的な超微粉砕段階の必要性が避けられ、だから方法はエネルギー効率及びコスト効率がより高い。
当該技術分野において、最終的な二酸化チタン生成物が塗料又はインキの製造における使用に適しているのに十分な耐久性を有するために、コーティングを粒子上に乾燥接着させる(dried onto)必要があるという考え方があった。従ってコーティング及び乾燥は必要であるとみなされた。
かくして光触媒活性を低下させるコーティングを初期の分散物の形態の間に粒子に適用し、次いで粒子を乾燥し、それらの粒子に耐候性を与えるように粒子上にコーティングを濃縮する(condensing)ことにより有効な表面処理を与えるのが通常であった。そのような二酸化チタンの光触媒活性を低下させる(かくして二酸化チタンが導入される顔料生成物が日射に供される時の生成物の寿命を延ばす)ための表面処理は当該技術分
野において周知である。
驚くべきことに、本発明の表面処理は二酸化チタン粒子上にコーティングを与えるが、全く乾燥されないにも拘わらずこのコーティングは二酸化チタンの光触媒活性の低下において有効であり、かくして二酸化チタンが導入される顔料生成物(例えば塗料又はインキ)のための優れた耐久性を与える。表面処理は、二酸化チタン粒子が分散物の形態にある時に行われ、処理後のいずれの時点にも二酸化チタン粒子を乾燥する必要がない。かくして表面処理とコーティングされた粒子の濃厚分散物の形態にある二酸化チタン生成物である顔料コンセントレートを得る間に乾燥段階はない。言い換えると、二酸化チタン粒子は、二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を与える初期段階から塗料又はインキにおける使用に適した最終的な二酸化チタン生成物を得る段階までずっと分散物の形態に保持される。
従って乾燥の必要なく、且つ続く超微粉砕の必要なく、塗料又はインキにおける使用に適した顔料コンセントレートを得ることが可能である。従って本方法はエネルギー効率及びコスト効率がより高い。
本方法により得られる塗料又はインキにおける使用に適した顔料コンセントレートをビヒクル中に容易に分散させ、二酸化チタン顔料を含んでなる顔料生成物(例えば塗料又はインキ生成物)を与えることができる。二酸化チタン顔料は低下した光触媒活性を有し、かくして顔料生成物は優れた耐久性を有する。言い換えると、顔料生成物が日射に供される時でも、顔料生成物の寿命は優れている。
1つの態様において、得られる顔料コンセントレートを続いてビヒクル中に分散させ、該ビヒクル中に分散された顔料二酸化チタン粒子を含んでなる塗料又はインキ生成物のような顔料生成物を与える。分散は機械的又は手動の撹拌によるか、あるいは高速分散によるか、あるいは他の適した手段によることができる。分散を達成するために特定の必要条件は存在しない;本発明の方法において、顔料粒子は、いずれかの有意な力を適用する必要なく、容易に分散される。
かくして本発明の方法を、優れた耐久性を有する塗料又はインキ生成物のような顔料生成物を得るために用いることができる。
図面の記述
図1は、実施例1に記載される本発明に従う濃厚シリカの2つのコーティングを有するルチルチタニア粒子の調製のための方法の間に記録されるミクロンにおける粒度(光学濃度法を用いて決定される)及びmS/cmにおける導電率の値を示すグラフである。 図2は、シリカコーティングの適用の前の実施例1で用いられるルチルチタニア結晶を示す電子顕微鏡写真である。 図3は、シリカコーティングの適用の後の実施例1で用いられるルチルチタニア結晶を示す電子顕微鏡写真である。
発明の詳細な記述
本発明の方法において、二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を最初に与える。この分散物中に50g/l〜600g/lのTiO2、例えば50g/l〜500g/lのTiO2がある;例えば100g/l〜600g/lのTiO2又は100g/l〜550g/lのTiO2又は150g/l〜550g/lのTiO2又は150g/l〜500g/l
のTiO2があるかも知れない。
1つの態様において、初期の分散物中に200g/l〜500g/lのTiO2、例えば200g/l〜450g/lのTiO2又は250g/l〜450g/lのTiO2又は250g/l〜400g/lのTiO2又は300g/l〜400g/lのTiO2がある。
初期の分散物中のTiO2の濃度に関する範囲は、上記で挙げた種々の下限及び上限のすべての可能な組み合わせに関して意図されている。
該濃度の二酸化チタン粒子を有する分散物を与えるために、分散物は場合により希釈されていることができるか、あるいは濃縮されていることができる。
下記でさらに詳細に議論する通り、いずれの通常の段階によっても二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を得ることができる。一般に二酸化チタン粒子の初期の分散物を得ることは標準的であり、本発明により改変されない。当該技術分野における通常通り、例えば塗料又はインキ中の顔料としての二酸化チタンの意図される用途及び従って寸法などの点での粒子の関連する特性を留意しながら分散物を得るであろう。
二酸化チタン粒子が与えられる分散物中の液体担体は、好ましくは極性である。
1つの態様において、液体担体は水性である;これは水又は水溶液であることができる。しかしながら粒子のための他の極性担体も包含され、例えばそれらを極性有機溶媒又はアルコールから選ぶことができる。液体担体は2種もしくはそれより多い極性担体の混合物であることもでき、例えばそれは水とアルコールの混合物であることができる。
本発明の方法において無機コーティングを二酸化チタン粒子に適用する。クロスろ過(cross−filtration)により分散物を濃縮する前あるいはクロスろ過により分散物を濃縮した後にこのコーティングを適用することができる。
従って無機材料をコーティングするように、二酸化チタン顔料粒子を表面処理する。処理は、二酸化チタンの光触媒活性を低下させ、かくして二酸化チタンが導入された顔料生成物が日射に供される時に生成物の寿命を延ばすために施される。熟練した読者は、そのような二酸化チタン粒子のための表面処理が当該技術分野において既知であることを知っているであろう。しかしながら、上記の通り、通常そのような処理は有効なコーティングを達成するために続く乾燥段階を必要とするとみなされている。対照的に本発明において、コーティングされた粒子は処理の後に乾燥されない。本発明において、コーティング段階の間にコロイド安定性を維持しながらコーティングを適用する時、続く乾燥段階の必要なく有効なコーティングが達成され得ることが確定された。
使用に適したコーティング剤には無機酸化物及び水和酸化物(hydrous oxides)が含まれる。これらの材料は、粒子の表面上に無機酸化物又は水和酸化物をコーティングするために通常用いられる。コーティング剤としての使用のために挙げることができる典型的な無機酸化物及び水和酸化物には、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、亜鉛、セリウム、リン又は錫の1種もしくはそれより多い酸化物及び/又は水和酸化物が含まれる。
例えばコーティング剤はAl23、SiO2、ZrO2、CeO2、P25、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、アルミン酸ナトリウム、塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム又はそれらの混合物であることができる。ケイ酸も挙げられ得る。
コーティングは濃厚又は非濃厚(non dense)であることができる。例えば濃厚もしくは非濃厚シリカコーティングを用いることができ、及び/又は濃厚もしくは非濃厚アルミナコーティングを用いることができる。
1つの態様において、コーティング剤は濃厚形態で適用される二酸化ケイ素を含む。1つのそのような態様において、コーティングは米国特許第2,885,366号明細書に記載されている型の濃厚シリカコーティングを含む。
1層のみのコーティングを適用することができるか、あるいは1層より多いコーティングを適用することができる(例えば2層又は3層)。1層より多いコーティングを適用する場合、各層は同じかもしくは異なることができる。
1つの態様において、1層のみの濃厚シリカコーティングを加える。他の態様において、2層の濃厚シリカコーティングを加える。別の態様において、1層の濃厚シリカコーティング及び1層の濃厚アルミナコーティングを加える。
1つの態様において、粒子をコーティングするために2種もしくはそれより多いコーティング材料が用いられる。これらのコーティングを1つの操作で同時に、あるいは連続的に適用することができる。同時に適用する場合、異なるコーティング材料を組み合わせて用い、1つの層を形成することができる。連続的に適用する場合、異なるコーティング材料を個別に用いて2つもしくはそれより多い層を形成することができ、各層は異なる組成を有する。
例えば1つの態様において、粒子に濃厚シリカのようなシリカをコーティングして1つの層を形成し、ジルコニアもコーティングして別の層を形成する。
二酸化チタンの表面上にコーティングされるコーティングの量は、二酸化チタンの合計重量に対して約0.1重量%〜約20重量%のコーティング(例えば無機酸化物及び/又は水和酸化物)の範囲であることができる。1つの態様において、コーティング剤の量は二酸化チタンの合計重量に対して約0.1〜約15重量%又は約0.1〜約10重量%である。
例えば最高で二酸化チタンの合計重量に対して約7重量%、例えば約0.1重量%〜約7重量%あるいは例えば約0.5重量%〜約7重量%、あるいは例えば約0.5重量%〜約6重量%あるいは例えば約1重量%〜約6重量%のレベルで粒子にコーティング剤をコーティングすることができる。二酸化チタンの合計重量に対して約0.1重量%〜約5重量%あるいは例えば約0.5重量%〜約5重量%ならびに特に約1重量%〜約5重量%のレベルで粒子にコーティング剤をコーティングするかも知れない。
本発明において、二酸化チタン粒子上へのコーティングの添加レベルに言及する場合、これはw/wの量として、すなわち処理される二酸化チタン粒子の合計重量に関する加えられるコーティング材料の合計重量として与えられる。かくして例えばシリカコーティングを考慮する場合、それは「SiO2の添加レベルはTiO2上への1.5%w/wであった」と記述され得る。
コーティング材料を分散物に加えることにより、あるいは分散物をコーティング材料に加えることにより、コーティング材料を用いて、与えられる分散物中の二酸化チタン粒子を処理することができる。好ましくは、当該技術分野において既知の通常の混合装置を用いて、コーティング材料と分散物の混合を行う。
いずれかの適した長さの時間、例えば1分間かもしくはそれより長時間、2分間かもしくはそれより長時間、3分間かもしくはそれより長時間、4分間かもしくはそれより長時間あるいは5分間かもしくはそれより長時間、混合を行うことができる。混合は3時間より長くない時間、例えば2時間より長くない時間、例えば1時間かそれより短時間行われるかも知れない。1つの態様において、混合は5分間〜1時間、例えば10分間〜45分間、例えば20分間〜40分間行われる。
1つの態様において、以下の通りにコーティングを適用することができる:二酸化チタンの粒子を含んでなる水性分散物を撹拌のためのタンク中に導入する。次いで分散物の温度を調整し(例えば75〜90℃に)、そのpHを調整する(例えば約10.5に)。次いで撹拌されたタンク中に、所望のコーティングを形成するのに十分な量でコーティング材料を導入する。例えば1重量%の濃厚シリカコーティングを形成するために、撹拌されたタンクに1%のシリカ(二酸化チタン上への%wt/wt)を30分間かけて加え、次いで30分間撹拌する;一方、3重量%の濃厚シリカコーティングを形成するために、3%のシリカ(二酸化チタン上への%wt/wt)を同じやり方で加える。1つの態様において、コーティング材料としてのケイ酸ナトリウムの形態で、撹拌されたタンクにシリカを加えることができる。粒子上に濃厚シリカコーティングを沈殿させるために、例えば撹拌されたタンクに硫酸を加えることにより、pHを調整する。1つの特定の態様において、60分間かけて硫酸を加え、pHを約8にする。
熟練した読者はもちろん、この方法を容易に修正して、所望通りに種々の量のコーティングを加え得ることを認識するであろう。本発明はコーティングの適用それ自体にあるのではない;そのようなコーティングはすでに当該技術分野において既知であり、容易に実施され得る。
本発明の方法において、分散物内の二酸化チタン粒子のコロイド安定性を維持しながらコーティングを達成する。これは本発明の重要側面である。熟練した読者は認識するであろう通り、分散物中の電解質濃度及び分散物のpHのような因子の制御を介してこれを達成することができる。
コーティングプロセスを開始する前にコロイド安定性を維持するための段階を行うことができ、及び/又はコーティングの間に;例えば第1のコーティングの適用と第2のコーティングの適用の間に段階を行うことができる。
1つの態様において、以下の因子:
(a)コーティング段階の前又はその間における分散物中の電解質濃度の低下;
(b)コーティング段階の間に加えられる可溶性塩のレベルの低下;
(c)コーティング段階の前又はその間の立体安定剤(steric stabilizer)の添加;
(d)コーティング段階の前又はその間に分散物のpHを二酸化チタンの等電点から離して調整すること;
(e)コーティング段階の前又はその間に分散剤の添加により二酸化チタンの等電点を分散物のpHから離して調整すること
の1つもしくはそれより多くの制御により分散物内の二酸化チタン粒子のコロイド安定性を維持しながらコーティングを達成する。
これに関し、コロイド安定性はコロイド粒子間の反発力を必要とする。しかしながら、水中又は他の溶媒中の二酸化チタン粒子は自然に互いに引き付け合う。粒子上の電荷は静電反発力を生じ、それはこの引力を阻止する(screens)。従ってコロイド安定性
があるべき場合、そのような静電反発力は望ましい。この静電反発力の強さは、高い表面電荷ならびに低い電解質濃度を有することに依存する;高い電解質濃度において静電力の範囲は減少し、従って引力の阻止は有効性が低い。二酸化チタン粒子上の表面電荷はH+/OH-イオンの吸着により決定される;従って粒子上の正味の表面電荷は粒子が分散される溶液のpHにより影響される。あるpH(等電点)において、粒子は正味の電荷を保有していない(そして静電反発力はないであろう);pHがこのpHから上方に上昇するとともに粒子はだんだん負に帯電し、コロイド安定性は向上するであろう。類似して、pHが低下するとともに粒子はだんだん正に帯電し、コロイド安定性は向上するであろう。
(a)コーティング段階の前又はその間における分散物中の電解質濃度の低下
分散物中の電解質(塩)の濃度は、起こる凝集の程度に影響する。従って1つの好ましい態様において、コーティング段階の前又はその間に分散物中の電解質濃度を低下させる。好ましくは、コーティング段階が開始される前にそれを低下させる。1つより多いコーティング層を適用する場合、場合によりこれらのコーティング層の適用の間にそれを低下させることができる。
適切には、透析ろ過の使用により分散物中の電解質濃度を低下させる。この限外ろ過膜法は当該技術分野において周知である。それは、塩のような透過可能な分子を除去するための微小分子透過可能フィルターの使用を含む。方法は、多孔質膜フィルターを選択的に使用して溶液及び懸濁液の成分をその分子サイズに基づいて分離する。塩のようなより小さい分子は限外ろ過膜を自由に通過し、限外ろ過膜はより大きな分子を保持する。
透析ろ過を行うために、Axium 250 L“Ultrafiltration Pilot Plant”のような限外ろ過装置を用いることができる。関連する電解質が除去されることを確実にするために、6.6m2の膜面積を有する“Koch SUPER−COR(登録商標)”管状膜のような適した膜が選ばれる。
1つの態様において、分散物の導電率を0.5mS/cmかもしくはそれより大きく、例えば1mS/cmかもしくはそれより大きく又は1.5mS/cmかもしくはそれより大きく又は2mS/cmかもしくはそれより大きく、例えば2.5mS/cmかもしくはそれより大きく低下させる。言い換えると、これは処理、例えば透析ろ過の結果として起こる分散物の導電率における低下である。従ってそれは、処理前の分散物の導電率から処理後の分散物の導電率を引き去ることにより計算される。
1つの態様において、処理後(例えば透析ろ過の後)の分散物の導電率が5mS/cmかもしくはそれより低く、例えば4.5mS/cmかもしくはそれより低くあるいは4mS/cmかもしくはそれより低くあるいは3.5mS/cmかもしくはそれより低くなるように、分散物の導電率を低下させる。分散物の導電率を3mS/cmかもしくはそれより低い、例えば2.5mS/cmかもしくはそれより低い又は2mS/cmかもしくはそれより低い又は1.5mS/cmかもしくはそれより低いレベルにあるべく低下させるかも知れず、例えばそれは0.1〜2mS/cm又は0.5〜1.5mS/cmであることができる。
1つの態様において、コーティングが適用される前の分散物の導電率が5mS/cmかもしくはそれより低く、例えば4.5mS/cmかもしくはそれより低くあるいは4mS/cmかもしくはそれより低くあるいは3.5mS/cmかもしくはそれより低くあるいは3mS/cmかもしくはそれより低く、例えば2.5mS/cmかもしくはそれより低くあるいは2mS/cmかもしくはそれより低くあるいは1.5mS/cmかもしくはそれより低くなるように分散物の導電率を低下させる。場合によりコーティングを適用する間、分散物の導電率を5mS/cmかもしくはそれより低いレベルに維持するかも知れない。
1つの態様において、コーティングが適用される前の分散物の導電率が0.05〜3mS/cm、例えば0.1〜2.5mS/cm、例えば0.15〜2mS/cm又は0.2〜1.5mS/cm又は0.25〜1mS/cmであるように分散物の導電率を低下させる。
これらのレベルの使用は、無機材料の1回のコーティングの間の電解質のレベルにおける向上を許してさえ、分散物の導電率が粒子のためのコロイド安定性を十分に保持するレベルに維持されることを保証するであろう。
上記の通り、1つより多い無機材料のコーティングを適用する場合、これらのコーティング層の適用の間に分散物の導電率を低下させるのが望ましいかも知れない。言い換えると、1つの態様において、各コーティング層が適用される前に分散物の導電率における低下がある。各低下は上記のレベルまでの低下であることができる。しかしながら、各低下は同じである必要はない;各コーティング適用の開始の前に分散物の導電率の異なるレベルに達することも可能である。
熟練した読者は認識するであろう通り、溶液の導電率は2つの電極間の溶液の抵抗を決定することにより測定される。これは室温及び室圧において導電率計を用いて測定される。広範囲のそのような計測器が商業的に入手可能である。
(b)コーティング段階の間に加えられる可溶性塩のレベルの低下
分散物中の電解質(塩)の濃度は、起こる凝集の程度に影響する。塩の1つの源はコーティング剤自身からであり得る。
コーティングの間に加えられる可溶性塩のレベルを、塩の形態にあるコーティング剤の低いレベルを加えることにより低下させることができる。
従って塩の形態にあるコーティング剤(例えばケイ酸ナトリウム)を用いるが、比較的低いレベルのコーティング剤を使用することにより、コーティング段階の間に加えられる可溶性塩のレベルを低下させることができる。
従って1つの態様において、二酸化チタンの合計重量に対して最高で約4重量%、例えば約0.1〜約4重量%又は例えば約0.5〜約3重量%又は例えば約0.5〜約2.5重量%のレベルで粒子にコーティング剤をコーティングする。
1つの好ましい態様において、二酸化チタンの合計重量に対して約0.5〜約2重量%、例えば約1〜約1.5重量%のレベルで粒子にコーティング剤をコーティングする。
代わりに又はさらに、塩の形態にないコーティング剤の選択により、コーティング段階の間に加えられる可溶性塩のレベルを低下させることができる。
例えばコーティング剤として「活性シリカ」(ケイ酸)を選ぶことができる。ケイ酸ナトリウムをイオン交換カラムに通過させて落とす(passing down)ことにより、「活性シリカ」を生成させることができる。これは当該技術分野において既知であり、例えば米国特許第2 885 366号明細書の実施例21に記載されている。
(c)コーティング段階の前又はその間の立体安定剤の添加
立体安定剤の添加により、凝集の程度を低下させ、かくしてコロイド安定性を維持することができる。コーティング段階を開始する前又はコーティング段階を行っている間に安定剤を加えることができる。
加えられ得る立体安定剤の例にはポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリル酸ならびにポリアクリレート及びメタクリレートとのそのコポリマー、ポリメタクリル酸ならびにポリアクリレート及びメタクリレートとのそのコポリマーならびにポリビニルアルコールならびにそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限られない。
いずれかの適した量で立体安定剤を加えることができる。例えば粒子表面のm2当たりに0.2mgかもしくはそれより多い、例えば粒子表面のm2当たりに0.5mgかもしくはそれより多い、そして好ましくは粒子表面のm2当たりに1mgかもしくはそれより多い、例えば粒子表面のm2当たりに1.5mgかもしくはそれより多いレベルで立体安定剤を用いることができる。1つの態様において、粒子表面のm2当たりに10gかもしくはそれより少ない、例えば粒子表面のm2当たりに7mgかもしくはそれより少ない、そして好ましくは粒子表面のm2当たりに5mgかもしくはそれより少ない、例えば粒子表面のm2当たりに4.5mgかもしくはそれより少ないレベルで立体安定剤を用いることができる。
立体安定剤は粒子表面のm2当たりに0.2〜10mg、例えば粒子表面のm2当たりに0.5〜7mg、そして好ましくは粒子表面のm2当たりに1〜5mgのレベルで用いられるかも知れない。
(d)コーティング段階の前又はその間に分散物のpHを二酸化チタンの等電点から離して調整すること
上記の通り、等電点(約pH5−6)においてチタニア粒子は正味の電荷を保有せず、静電反発力はないであろう;しかしながらpHがこの等電pHから離れるとともに、粒子はだんだん帯電し、コロイド安定性は向上するであろう。
従ってコーティング段階が開始される前又はコーティング段階の間に、酸性材料の添加又は塩基性材料の添加によるpHの調整によってpHを等電点から離すことができる。これは凝集を低下させるであろう。
1つの態様において、塩基性材料を加えてpHを上昇させ、それを等電点から離す。pHを上昇させるために、KOH、NaOH及びNH4OHのような塩基ならびにDMAMP、AMP(アミノ−2−メチルプロパノール)、MEA(モノエタノールアミン)及びDEAE(ジエチルアミノエタノール)のような中和性アミン(neutralizing amine)を適切に用いることができる。しかしながら熟練した読者は、塩基性を有する多様な材料を適切に用いることができ、本発明が塩基性材料の選択により制限されないことを認識するであろう。
例えばpHを9かもしくはそれより高く、例えば9.5かもしくはそれより高く、特に10かもしくはそれより高くまで上昇させるかも知れない。例えばpHを9.5〜11又は10〜10.5の範囲内になるまで上昇させることができる。
あるいはまた、酸性材料を加えてpHを下げ、それを等電点から離す。pHを下げるためにHCl又はHNO3のような酸を適切に用いることができる。しかしながら熟練した読者は、酸性を有する多様な材料を適切に用いることができ、本発明が酸性材料の選択により制限されないことを認識するであろう。
例えばpHを4かもしくはそれより低く、例えば3.5かもしくはそれより低く、特に3かもしくはそれより低くまで下げるかも知れない。例えばpHを2〜3.5又は1.5〜3の範囲内になるまで下げることができる。
(e)コーティング段階の前又はその間に分散剤の添加により二酸化チタンの等電点を分散物のpHから離して調整すること
上記の通り、等電点(約pH5−6)においてチタニア粒子は正味の電荷を保有せず、静電反発力はないであろう;しかしながらpHがこの等電pHから離れるとともに、粒子はだんだん帯電し、コロイド安定性は向上するであろう。
従ってコーティング段階が開始される前又はコーティング段階の間に、等電点の調整により等電点を分散物のpHから離すことができる。これは凝集を低下させるであろう。
分散剤の使用による等電点の調整は当該技術分野において既知である。1つの適した分散剤はクエン酸のようなα−ヒドロキシカルボン酸である。
1つの好ましい態様において、以下の因子:
(a)コーティング段階の前又はその間における分散物中の電解質濃度の低下;
(b)コーティング段階の間に加えられる可溶性塩のレベルの低下;
(c)コーティング段階の前又はその間の立体安定剤の添加
の1つ又はそれより多く(例えば2つ又はそれより多くあるいは3つすべて)の制御により分散物内の二酸化チタン粒子のコロイド安定性を維持しながらコーティングを達成する。
場合により因子(d)及び/又は因子(e)も用いられ得る。
1つの好ましい態様において、以下の因子:
(a)コーティング段階の前又はその間における分散物中の電解質濃度の低下
の制御により分散物内の二酸化チタン粒子のコロイド安定性を維持しながらコーティングを達成する。
場合により因子(b)〜(e)の1つもしくはそれより多くも用いられ得る。例えば因子(b)及び/又は因子(c)を用いることもできる。
本方法において、クロスろ過により分散物を濃縮する。コーティングが適用される前又はコーティングが適用された後にこれを行うことができる。1つの態様において、コーティングが適用される前に濃縮段階を行うことができ、且つコーティングが適用された後に濃縮段階を行うことができる。
熟練した読者は認識するであろう通り、「クロスフロー」ろ過法は、膜を横切って圧力勾配がある間に膜に平行な方向で分散物を通過させる方法である。固体は膜の上に留まりながら系を介して移動し、保持分(retentate)として集められ、一方液体は膜を通過し、透過分(permeate)として集められる。
「クロスフロー」ろ過法の例には接線流ろ過(tangential flow filtration)ならびに膜の面に接線方向で激しく振動を起こすことにより追加のせん断を導入するクロスフローろ過の形態が含まれる。
本発明は、分散物の濃縮のためにクロスフローろ過を行う時に、例えば接線流ろ過法を用いることができる。
濃縮段階の後、濃縮された分散物は800g/lかもしくはそれより高い、例えば900g/lかもしくはそれより高い、1000g/lかもしくはそれより高い、1100g/lかもしくはそれより高い、1200g/lかもしくはそれより高い、1300g/lかもしくはそれより高い、1400g/lかもしくはそれより高いあるいは1500g/lかもしくはそれより高い二酸化チタン粒子の濃度を有するであろう。
これに関し、濃縮段階の後、濃縮された分散物は適切には800g/l〜3000g/l、例えば800g/l〜2700g/l又は800g/l〜2500g/l又は800g/l〜2000g/lの二酸化チタン粒子の濃度を有することができる。好ましくは、濃縮された分散物は1000g/l〜3000g/l、例えば1000g/l〜2700g/l又は1000g/l〜2500g/l又は1000g/l〜2000g/lの二酸化チタン粒子の濃度を有する。より好ましくは、濃縮された分散物は1200g/l〜3000g/l、例えば1200g/l〜2700g/l又は1200g/l〜2500g/l又は1200g/l〜2000g/lの二酸化チタン粒子の濃度を有する。濃縮された分散物は1400g/l〜3000g/l、例えば1400g/l〜2700g/l又は1400g/l〜2500g/l又は1400g/l〜2000g/lの二酸化チタン粒子の濃度を有するかも知れない。
1つの態様において、濃縮された分散物は1500g/l〜2000g/lの二酸化チタン粒子の濃度を有する。
1つの態様において、濃縮段階の前にコーティング段階を行う。
上記の通り、本発明の方法において最初に与えられる分散物は通常のものであることができる。
分散物中で与えられる二酸化チタン顔料粒子はアナターゼ、ルチル又は非晶質あるいはそれらの混合物であることができる。
1つの態様において、二酸化チタンは実質的にルチル晶癖にある。かくして1つの態様に従い、粒子状材料の合計重量に基づいて90重量%より多くの二酸化チタン、好ましくは95%より多くの二酸化チタン、そしてさらに好ましくは99重量%より多くの二酸化チタンがルチル晶癖にある。既知の方法により、例えばX線回折パターンの測定により、ルチル晶癖にある二酸化チタンのパーセントを決定することができる。しかしながらいくつかの態様において、粒子状材料はアナターゼ結晶形における二酸化チタンを含むことができる。
熟練した読者が気づく通り、結晶寸法は粒度と異なる。結晶寸法は粒子状材料を構成する基本的な結晶の寸法に関する。これらの結晶は次いでいくらかの程度まで凝集し、より大きな粒子を形成することができる。例えばルチル結晶形における通常の二酸化チタンは約0.17μm〜0.29μmの結晶寸法及び約0.25μm〜0.40μmの粒度を有するが、アナターゼ結晶形における通常の二酸化チタンは約0.10μm〜0.25μmの結晶寸法及び約0.20μm〜0.40μmの粒度を有する。かくして粒度は結晶寸法ならびに調製の間に用いられる磨砕法、例えば乾式、湿式又は練りこみ磨砕(incorporative milling)及び結晶を凝集させる続く処理のような因子により影響される。
従って二酸化チタンの粒度は結晶寸法より大きいか又は大体それに等しいことができる。
当該技術分野における熟練者に周知の方法により、二酸化チタンの結晶寸法及び粒度を決定することができる。例えばこすり取られた(rubbed out)試料についての透過型電子顕微鏡により、得られる写真の画像分析を以て結晶寸法を決定することができる。ラテックスNANOSPHERETM Size Standards(Thermo
Scientificから入手可能)を用いる引照により、結晶寸法の結果をさらに確
認することができる。二酸化チタンの粒度の決定のために用いられ得る方法は、X線沈降である。
二酸化チタン粒子が与えられる分散物中の液体担体は、好ましくは極性である。
1つの態様において、液体担体は水性であり;これは水又は水溶液であることができる。しかしながら、粒子のための他の極性担体も包含され得、例えばそれらを極性有機溶媒又はアルコールから選ぶことができる。液体担体は2種もしくはそれより多い極性担体の混合物であることもでき、例えばそれは水とアルコールの混合物であることができる。
二酸化チタンの調製のために、天然鉱石(例えばイルメナイト及びミネラルルチル(mineral rutile))、濃縮鉱石(enriched ores)(例えばチタンスラグ及び選鉱イルメナイト(beneficiated ilmenite))あるいはそれらの混合物を出発原材料として用いることができる。サルフェート法又はクロリド法のようないずれかの適した手段によりこれらの鉱石を加工し、必要な純度及び寸法の二酸化チタン結晶を調製することができる。しかしながら、本発明の方法における分散物の形態で与えられる二酸化チタンは、結局いずれかの適した方法により得られ得、本発明はいずれかの調製方法に制限されないことが認識されるであろう。
上記の通り、粒度及び結晶寸法は同じではない。当該技術分野における通常通り、二酸化チタンを磨砕し、所望の粒度分布が得られることを保証することができる。
かくして本発明の方法において与えられる分散物の形態における二酸化チタンは、その二酸化チタン分散物において所望の粒度分布が得られることを保証するために、磨砕されていることができる。
これに関し、二酸化チタン粒子は、分散物の形態に分散される前に乾式磨砕されたかも知れない。代わりに又はさらに、分散物の形態における二酸化チタン粒子は、例えば微細媒体ミル(fine media mill)中で湿潤状態において磨砕されていることができる。いずれの場合も意図は、本発明の方法において与えられる二酸化チタン粒子を含んでなる分散物が、意図される最終用途に望ましい粒度分布を有することである。
本発明の方法において与えられる二酸化チタン粒子を含んでなる分散物は、以下の寸法基準の1つかもしくはそれより多くを満たす二酸化チタン粒子を含有するかも知れない:a)平均粒度(Brookhaven BI−XDCW X−ray Disc Centrifuge Systemを用いて決定される時)が1.45より小さい幾何標準偏差を以て0.29〜0.32ミクロンである。
b)粒子の90重量%かもしくはそれより多くが0.5ミクロンより小さい粒度(直径)を有する。
c)粒子の99重量%かもしくはそれより多くが1.5ミクロンより小さい粒度(直径)を有する。
好ましくは、本発明の方法において与えられる二酸化チタン粒子を含んでなる分散物は、それらの寸法基準の2つかもしくはそれより多くを満たす二酸化チタン粒子を含有する;最も好ましくは、それはそれらの寸法基準のすべてを満たす二酸化チタン粒子を含有する。
上記で議論した通り、本発明の利益は、二酸化チタン粒子の凝集を引き起こし得る乾燥段階がないことである。かくして所望の粒度特性が保持される。かくして最終的な二酸化チタン生成物を用いて、適した特性、例えば優れた隠蔽力及び光沢性を有する塗料又はイ
ンキ生成物のような顔料生成物を与えることができる。
本発明の方法は、いずれの段階においても分散物を乾燥する段階を含まない。
従って1つの態様において、方法のすべての段階を室温又はその近くの温度において行う。例えば方法のすべての段階を10〜30℃、例えば15〜25℃、例えば18〜23℃の温度において行うことができる。
コーティングされた粒子の濃厚分散物の形態における二酸化チタン生成物(顔料コンセントレート)を、通常用いられる二酸化チタン顔料コンセントレートとして用いることができる。
1つの態様において、コーティングされた粒子の濃厚分散物を貯蔵のために容器中に包装する。この段階を濃縮段階の直後に行うことができる;乾燥段階は必要でない。
従って本発明は、包装容器中に含有されるコーティングされた二酸化チタン粒子の濃厚分散物を含んでなる包装生成物を与える。
明らかに、包装容器は分散物を含有するために適していなければならない。好ましくは、それは水密性である。
本発明は、包装容器中に含有されるコーティングされた二酸化チタン粒子の濃厚分散物を含んでなる包装生成物の製造方法も提供し、方法は:
−第1の側面の方法(上記の場合による段階の1つもしくはそれより多くを含む)を実施し;そして次いで
−コーティングされた二酸化チタン粒子の濃厚分散物を包装容器内に入れる
ことを含んでなる。
かくして本発明は、包装容器中に含有されるコーティングされた二酸化チタン粒子の濃厚分散物を含んでなる包装製品の製造方法を提供し、方法は:
−二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を与える段階、ここで、分散物は50g/l〜600g/lのTiO2を含有する;
および、次いで、いずれかの順序での
−コーティングの段階の間にコロイドの安定性を維持しながら二酸化チタン粒子に無機コーティングを適用すること;
−分散物をクロスフローろ過の効果に供し、分散物が800g/lかもしくはそれより多いTiO2を含有する濃厚形態になるまでクロスフローろ過を続けることにより分散物を濃縮すること;
により、コーティングされた粒子の濃厚分散物の形態の二酸化チタン生成物を与える段階;
および、次いで、
−コーティングされた粒子の濃縮分散物を包装容器内に入れる段階
を含んでなる。
別の態様において、コーティングされた粒子の濃厚分散物をビヒクル中に分散させ、所望の顔料生成物を得る。この段階を濃縮段階の直後に行うことができる;乾燥段階は必要でない。
ビヒクルは、中に粒子状材料を分散させることができるいずれの成分又は成分の組み合わせであることもでき、樹脂、担体、結合剤又はそれらの混合物が含まれるが、それらに
限られない。
従って本発明は、ビヒクル中に分散されたコーティングされた二酸化チタン粒子状材料を含んでなる顔料生成物を提供する。
本発明は、ビヒクル中に分散されたコーティングされた二酸化チタン粒子状材料を含んでなる顔料生成物の製造方法も提供し、方法は:
−第1の側面の方法(上記の場合による段階の1つもしくはそれより多くを含む)を実施し;そして
−コーティングされた粒子の濃厚分散物をビヒクル内に分散させる
ことを含んでなる。
かくして本発明は、ビヒクル中に分散された二酸化チタン粒子状材料を含んでなる顔料生成物の製造方法を提供し、方法は:
−二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を与える段階、ここで、分散物は50g/l〜600g/lのTiO2を含有する;
および、次いで、いずれかの順序での
−コーティングの段階の間にコロイドの安定性を維持しながら二酸化チタン粒子に無機コーティングを適用すること;
−分散物をクロスフローろ過の効果に供し、分散物が800g/lかもしくはそれより多いTiO2を含有する濃厚形態になるまでクロスフローろ過を続けることにより分散物を濃縮すること;
により、コーティングされた粒子の濃厚分散物の形態の二酸化チタン生成物を与える段階;
および、次いで、
−コーティングされた粒子の濃厚分散物をビヒクル中に分散させて顔料生成物を得る段階を含んでなる。
二酸化チタン粒子状材料は、例えば顔料生成物の合計容量に基づいて約1容量%〜約40容量%(例えば2容量%〜35容量%又は5容量%〜30容量%)の濃度で顔料生成物中に存在することができる。
1つの態様において、ビヒクルは合成又は天然樹脂である。樹脂はポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ABS樹脂、ポリスチレン樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、アルキド樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、フルオロポリマー又はエポキシ樹脂であることができるが、これらに限られない。
別の態様において、ビヒクルは担体である。担体は水性溶媒であることができるが、これに限られない。例えば担体は水であることができるか、あるいは本質的に水から成ることができる。
しかしながら担体は場合により非水性溶媒を含むことができ、例えばそれは有機溶媒、例えば石油蒸留物、アルコール、ケトン、エステル、グリコールエーテルなどであることができるか又はそれらを含むことができる。
さらに別の態様において、ビヒクルは結合剤である。結合剤は金属ケイ酸塩結合剤、例えばアルミノシリケート結合剤であることができる。結合剤は高分子結合剤、例えばアクリルポリマーもしくはコポリマー結合剤であることもできる。
顔料生成物は、場合により1種もしくはそれより多い通例の添加物を含むことができる。使用に適した添加物には、増粘剤、安定剤、乳化剤、調質剤(texturizers)、定着剤、UV安定剤、艶消し剤(de−glossing agents)、分散剤、消泡剤、湿潤剤、融合助剤(coalescing agent)、スペーサー粒子及び殺生物剤(biocides)/殺菌・殺カビ剤(fungicides)が含まれるが、これらに限られない。
粒子状材料を含有する顔料生成物をいずれの型の用途においても用いることができ、材料又は基材のいずれの1つもしくはそれより多い表面に適用することもできる。
例えば顔料生成物は、塗料、ワニス、インキ、プラスチック、コーティング、ゴムなどであることができるか、あるいはそれら中で使用され得る。
さらに、顔料生成物を適用する(既知の手段により)ことができる基材(material substrates)及びそれらの表面は本質的に制限されない;これらには建築物表面、自動車、給水塔、ポータブルコンテナ、路面、編織布、航空機、ボート、船舶、他の型の船艇、窓用形材、サイディング(siding)、標識、家具、フェンス、デッキ及び手すりが含まれるが、これらに限られない。
顔料生成物を、製品を形成することができる独立組成物(stand alone composition)として用いることもできる。
ここで以下の実施例に言及することにより、制限ではないやり方で本発明をさらに記述する。
[比較実施例1]
クロリド経路により、ルチル二酸化チタン粒子を調製した。これらの二酸化チタン粒子を続いて実験室規模で微細媒体磨砕(fine media milling)に供し、目的粒度分布を達成した。
出発分散物は0.31ミクロンの粒度及び1.42の幾何標準偏差を有した。出発材料のTiO2濃度は390g/lであった。
次いでUltrafiltration Hollow Fiber Cartridge(UFP−500−E−4MA GE Healthcare)を用いて実験室規模のクロスフローろ過により分散物を濃縮した。
pH、TiO2濃度及び粒度分布を測定した。後者は上記のOD(光学濃度)法を用いて決定された。
分散物は濃縮後に以下の性質を有した:
[比較実施例2]
クロリド経路により、ルチル二酸化チタン粒子を調製した。これらの二酸化チタン粒子を続いて実験室規模で微細媒体磨砕に供し、目的粒度分布を達成した。
出発分散物は0.31ミクロンの粒度及び1.42の幾何標準偏差を有した。出発材料のTiO2濃度は350g/lであった。
付録1に記載される方法を用い、これらの粒子に3%シリカコーティング(TiO2粒子上におけるSiO2のw/w添加レベル)を適用した。コーティング段階の最後における導電率は8.4mS/cmにおいて測定された。
次いでUltrafiltration Hollow Fiber Cartridge(UFP−500−E−4MA GE Healthcare)を用いて実験室規模のクロスフローろ過により分散物を濃縮した。
pH、TiO2濃度及び粒度分布を測定した。後者は上記のOD(光学濃度)法を用いて決定された。
分散物は濃縮後に以下の性質を有した:
比較実施例2に伴う問題がコーティング及び濃縮の後の粒度における上昇であったことがわかる。これは凝集の故であると思われる。
クロリド経路によりルチル二酸化チタン粒子を調製した。これらの二酸化チタン粒子を続いてプラント規模で微細媒体磨砕に供し、目的粒度分布を達成した。
出発分散物は、上記のOD(光学濃度)法を用いて決定される0.31ミクロンの粒度及び1.42の幾何標準偏差を有した。
この微細媒体磨砕された反応器の排出物(製造流(production stream)から採取される)の分散物を、この実施例のための出発材料として用いた。
出発材料のTiO2濃度は350g/lであった。
次いでNaOHの添加により、このコーティング供給材料のpHを10に上昇させた。
pH−調製された材料の導電率は3.97mS/cmであった。次いでコロイド安定性を維持するために、実験室規模のクロスフロー透析ろ過を用いてこれを0.93mS/cmに低下させた。次いで付録1の方法により1.5%濃厚シリカコーティング(TiO2
粒子上におけるSiO2のw/w添加レベル)を適用した。
コーティングの後、導電率は4.8mS/cmに上昇した。次いでコロイド安定性を維持するために、クロスフロー透析ろ過を用いて導電率を0.5mS/cmに低下させた。次いで付録1の方法により第2の1.5%シリカコーティング(TiO2粒子上におけるSiO2のw/w添加レベル)を適用した。
各コーティングの前及び各コーティング後の種々の時点に、上記のOD(光学濃度)法を用いて粒度分布を測定した。これらの時点にそれぞれにおける導電率も測定した。
コーティングに関して記録される粒度及び導電率を図1に示す。
比較実施例2において観察されたコーティングの間の粒度の上昇は避けられたことがわかる。かくして分散物の導電率を5mS/cmより低く保持することによるコロイド安定性の維持により、凝集の問題に対処した。
電子顕微鏡写真は、シリカコーティングの適用の前(図2)及び後(図3)のTiO2結晶を示す。
コーティングされた粒子を含有する分散物を、次いで1mS/cmの導電率まで洗浄し、次いでクロスフローろ過を用いて1300g/lに濃縮した。
pH、TiO2濃度及び粒度分布を測定した。後者は上記のOD(光学濃度)法を用いて決定された。
分散物は濃縮後に以下の性質を有した:
実施例のすべての段階の間、粒子は湿潤形態に、すなわち分散物中に留まった。
従って、この場合にはコーティング法の間に分散物の導電率を5mS/cmより低く保つことを保証することによりコーティングの時のコロイド安定性を維持することによって、粒度における有意な上昇を引き起こさずにシリカコーティングを適用できることが認識され得る。次いで粒子を成功裏に濃縮して、最終的な用途における直接の使用に適したコーティングされた粒子の濃厚分散物(顔料コンセントレート)を形成することができる。
この実施例のための出発材料は実施例1に記載されたものと同じであった。出発材料のTiO2濃度は390g/lであった。
6.6m2の膜面積を有する“Koch SUPER−COR”管状膜を用いるAxium 250 L“Ultrafiltration Pilot Plant”上における希釈により、分散物を洗浄した。この洗浄は、コロイド安定性を維持するために分散
物の導電率を3.5mS/cmから1mS/cmに低下させた。
洗浄された分散物中のTiO2濃度を、次いで希釈により350g/lに調整した。
次いで粒子をコーティングした。これに関し、分散物のpHを10に調整し、その温度を90℃に上げた。分散物にケイ酸ナトリウムを45分間かけて加え、30分間混合した。SiO2の添加レベルはTiO2上に1.5%w/wであった。硫酸の添加により、分散物のpHを90分間かけて10から8に下げた。次いで分散物を室温に冷ました。
コーティングに続いて分散物を洗浄し、1mS/cmの導電率を与えた。
次いで“Koch SUPER−COR”膜を用いて分散物を1000g/lに濃縮した。
追加の濃縮段階:この濃厚液の一部を、1.4m2の膜面積を有する“Koch ABCOR−FEG”管状膜を用いて1800g/lにさらに濃縮した。
上記のBrookhaven BI−XDCW X−ray Disc Centrifuge System(XDC)法及びOD(光学濃度)法の両方を用い、粒度分布を測定した。
分散物は濃縮後に以下の性質を有した(両濃厚液に関して)。
実施例のすべての段階の間、粒子は湿潤形態に、すなわち分散物中に留まった。
従って、この場合にはコーティング法の間に分散物の導電率を5mS/cmより低く保つことを保証することによりコーティングの時のコロイド安定性を維持することによって、粒度における上昇を引き起こさずにシリカコーティングを適用できることが認識され得る。次いで粒子を成功裏に濃縮して、最終的な用途における直接の使用に適したコーティングされた粒子の濃厚分散物(顔料コンセントレート)を形成することができる。
[比較実施例3]
この実施例のための出発材料は実施例1に記載されたものと同じであった。出発材料のTiO2濃度は390g/lであった。
6.6m2の膜面積を有する“Koch SUPER−COR”管状膜を用いるAxium 250 L“Ultrafiltration Pilot Plant”上における希釈により、分散物を洗浄した。この洗浄は、コロイド安定性を維持するために分散物の導電率を3.5mS/cmから1mS/cmに低下させた。
洗浄された分散物中のTiO2濃度を、次いで分散物の希釈により350g/lに調整した。次いで粒子をコーティングした。これに関し、分散物のpHを10に調整し、その
温度を90℃に上げた。分散物にケイ酸ナトリウムを45分間かけて加え、30分間混合した。SiO2の添加レベルはTiO2上に1.5%w/wであった。硫酸の添加により、分散物のpHを90分間かけて10から8に下げた。次いで分散物を室温に冷ました。
コーティングに続いて分散物を洗浄し、1mS/cmの導電率を与えた。
次いで“Koch SUPER−COR”膜を用いて分散物を1000g/lに濃縮した。
言い換えると、実施例2と同じ方法を実施して、分散物が1000g/lに濃縮されたコーティングされた粒子の分散物を得た。
この濃厚分散物を次いで噴霧乾燥し、次いで二流体エネルギーミル(double fluid energy mill)(FEM)超微粉砕処理に供した。
上記のBrookhaven BI−XDCW X−ray Disc Centrifuge System(XDC)法及びOD(光学濃度)法の両方を用い、粒度分布を測定した。
分散物は噴霧乾燥及び超微粉砕の後に以下の性質を有した:
従って、現在の方法において通常である噴霧乾燥及び超微粉砕の追加の段階が必要でないことがわかる。驚くべきことに、本発明の方法は、粒子を乾燥及び超微粉砕する必要なく、コーティングされた粒子に関する望ましい粒度の性質を与える。
従って本発明の方法は、乾燥段階なくして最終的な用途において直接用いられ得るコーティングされた粒子の濃厚液を得ることを可能にする。
適用試験
実施例1及び実施例2ならびに比較実施例1及び2からの濃厚液を比較実施例3からの超微粉砕された顔料と一緒に、それぞれ付録2に示される修正された配合(formulation)を用いて塗料にした。
塗料を金属板に適用し、促進耐候試験に供した。
付録3に記載される耐久性比(Durability ratio)の測定により、顔料の光触媒活性を評価した。
塗料に関する耐久性比は以下の通りであった:
基準点として、3種の市販の耐久性顔料の耐久性比を、同じ試験を用いて測定した。この試験におけるこれらの3種の市販の耐久性顔料の平均(average(mean))耐久性比は0.86であった。
従って、本発明に従うコーティングされた粒子の濃厚液から作られる塗料が商業的に許容され得る耐久性比を有したことが認識され得る。
本発明に従う実施例2における乾燥されない分散物試料は、比較実施例3の乾燥され且つ超微粉砕された試料より低い耐久性比を有し、シリカコーティングが光触媒活性を低下させる能力にとって顔料製造における乾燥段階が重要でないことを示す。従って本発明は、乾燥段階なしで有用な生成物を製造することを可能にし、かくして必要エネルギー(energy needs)及びコストを低下させ、方法をより有効にする方法を提供する。すべての段階の間、粒子は湿潤形態に、すなわち分散物中に留まることができる。
実施例1に示される通り、本発明に従って製造されるより重度にコーティングされた試料は比較実施例2(実施例1に類似のコーティングレベルを有したがコーティングの間にコロイド安定性を制御しなかった)より優れた耐久性比を有した。
コーティングされた生成物のすべては、比較実施例1のコーティングされない顔料より低い耐久性比を有する。
付録1−濃厚シリカコーティング配合表(recipe)
付録2−塗料構成のための配合(formulation for paint makeup)
練り顔料(millbase)
BASFからのDispex(登録商標) N40溶液(現在はDispex(登録商標) AA 4140の名前の下に販売されている)は水性コーティング系(water−borne coating systems)のための分散剤であり、無機顔料の分散のために特に適している。それは水中のアクリルポリマーのナトリウム塩の溶液である。
2.6gのこの分散剤を、880g/lの濃度における300gの顔料分散物に加えた。これを5分間撹拌し、次いでトランドラー(trundlers)上に置いた。それを終夜放置して混合した。次いで223gのこの分散物を適したステンレススチールの磨砕ポット中に加えた。
Dispermat(登録商標)溶解機(VMA−GETZMANNにより製造される高粘性(high viscose)生成物のための溶解機であり、それは顔料を塗料調製物に分散させる)上で、羽根車を用いて2500rpmにおいて10分間分散物を撹拌した。
次いで1200rpmで継続的に撹拌しながら以下を加えた:−
Tektamer 38AD(Acticide BX(N)) 0.5g
(Lanxess Corporationから入手可能な1,2−ジブロモ−2,
4−ジシアノブタンを含有する殺生物剤)
Foamaster NXZ 0.5g
(BASFから入手可能なスチレンブタジエン、アクリル、ポリ塩化ビニル及びその
コポリマー、エチレン酢酸ビニル、塩化ビニリデン及び水溶性アルキドに基づくエマ
ルション塗料のための液体消泡剤)
安息香酸ナトリウム 0.5g
ブチルセロソルブアセテート 3.5g
(Dowから入手可能な高沸点、遅蒸発(slow evaporating)エス
テル溶媒)
エチレングリコール 3.5g
次いで速度を2Krpmに上げ、1.2gのMethocel J75C MS増粘剤(Dowから入手可能な冷水分散性ヒドロキシプロピルメチルセルロース)を約1分間かけてゆっくり加えた。
次いで速度を2.5Kに10分間上げてすべてのMethocelが溶解したことを保証した。
次いでアンモニア(28%)を加え、pH>9を保証した。
次いで速度を3.5Krpmに15分間上げた(分散段階)。
最終的な塗料
180gの練り顔料を500mlのラッカー塗装されたブリキ缶中に移し、50mmの羽根車を用いて750rpmで撹拌した。
208gのPrimal EP2596(高度に耐久性の外部半−光沢性及び光沢性塗料のために設計され、チキソトロピー能力を有する、Dowから入手可能なアクリルエマルション結合剤)を加えた。
これを5分間撹拌し、次いでトランドラー上に置いた。それを終夜放置して撹拌した。
かくして得られる塗料を金属基材に適用した。
付録3−耐久性比の測定
Atlas Ci65a Xenon Arc Weather−Ometerにおいて3000時間暴露された塗装された金属板に関する質量損失データから、耐久性比を計算した。250時間に及んで質量損失を記録した。
耐久性比(DR)は質量−損失(ml)から計算され、試験顔料に関してgで表される。これは以下の式を用い、一次標準(既知のDRを有する)に関するそれに対して決定される:
DR(試験)=ml(試験)xDR(標準)/ml(標準)
かくして耐久性比に関するより高い値は塗料からのより大きな顔料損失及び従ってより光触媒的に活性な顔料を意味する。優れた耐久性を有する塗料又はインキは、より低い耐久性比を有するであろう。

Claims (14)

  1. 二酸化チタン生成物を製造する方法であって、
    −二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を与える段階、ここで、分散物は50g/l〜600g/lのTiO2を含有する;
    および、次いで、いずれかの順序での
    −コーティングの段階の前及び/又はその間にコロイドの安定性を維持しながら二酸化チタン粒子に、無機酸化物または水和酸化物である無機コーティングを適用する段階;
    −分散物をクロスフローろ過の効果に供し、分散物が800g/lかもしくはそれより多いTiO2を含有する濃厚形態になるまでクロスフローろ過を続けることにより分散物を
    濃縮する段階
    を含み、コーティングされた粒子の濃厚分散物の形態の二酸化チタン生成物を与える、方法であって、
    ここで、以下の因子:
    (a)コーティング段階の前又はその間における分散物中の電解質濃度の低下;
    (b)コーティング段階の間に加えられる可溶性塩のレベルの低下;
    (c)コーティング段階の前又はその間の立体安定剤の添加;
    (d)コーティング段階の前又はその間に分散物のpHを二酸化チタンの等電点から離して調整すること;
    (e)コーティング段階の前又はその間に分散剤の添加により二酸化チタンの等電点を分散物のpHから離して調整すること
    の1つもしくはそれより多くの制御により、分散物中の二酸化チタン粒子のコロイド安定性を維持しながら、コーティングが達成される、上記方法
  2. 包装容器中に含有される二酸化チタン粒子材料を含んでなる包装製品の製造方法であって、
    −二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を与える段階、ここで、分散物は50g/l〜600g/lのTiO2を含有する;
    および、次いで、いずれかの順序での
    −コーティングの段階の間にコロイドの安定性を維持しながら二酸化チタン粒子に、無機酸化物または水和酸化物である無機コーティングを適用すること;
    −分散物をクロスフローろ過の効果に供し、分散物が800g/lかもしくはそれより多いTiO2を含有する濃厚形態になるまでクロスフローろ過を続けることにより分散物を
    濃縮すること;
    により、コーティングされた粒子の濃厚分散物の形態の二酸化チタン生成物を与える段階;
    および、次いで、
    −コーティングされた粒子の濃縮分散物を包装容器内に入れる段階
    を含んでなる方法であって、
    ここで、以下の因子:
    (a)コーティング段階の前又はその間における分散物中の電解質濃度の低下;
    (b)コーティング段階の間に加えられる可溶性塩のレベルの低下;
    (c)コーティング段階の前又はその間の立体安定剤の添加;
    (d)コーティング段階の前又はその間に分散物のpHを二酸化チタンの等電点から離して調整すること;
    (e)コーティング段階の前又はその間に分散剤の添加により二酸化チタンの等電点を分散物のpHから離して調整すること
    の1つもしくはそれより多くの制御により、分散物中の二酸化チタン粒子のコロイド安定性を維持しながら、コーティングが達成される、上記方法
  3. ビヒクル中に分散された二酸化チタン粒子状材料を含んでなる顔料生成物の製造方法であって、
    −二酸化チタン粒子を含んでなる分散物を与える段階、ここで、分散物は50g/l〜600g/lのTiO2を含有する;
    および、次いで、いずれかの順序での
    −コーティングの段階の前及び/又は間にコロイドの安定性を維持しながら二酸化チタン粒子に、無機酸化物または水和酸化物である無機コーティングを適用すること;
    −分散物をクロスフローろ過の効果に供し、分散物が800g/lかもしくはそれより多いTiO2を含有する濃厚形態になるまでクロスフローろ過を続けることにより分散物を
    濃縮すること;
    により、コーティングされた粒子の濃厚分散物の形態の二酸化チタン生成物を与える段階;
    および、次いで、
    −コーティングされた粒子の濃厚分散物をビヒクル中に分散させて顔料生成物を得る段階を含んでなる方法であって、
    ここで、以下の因子:
    (a)コーティング段階の前又はその間における分散物中の電解質濃度の低下;
    (b)コーティング段階の間に加えられる可溶性塩のレベルの低下;
    (c)コーティング段階の前又はその間の立体安定剤の添加;
    (d)コーティング段階の前又はその間に分散物のpHを二酸化チタンの等電点から離して調整すること;
    (e)コーティング段階の前又はその間に分散剤の添加により二酸化チタンの等電点を分散物のpHから離して調整すること
    の1つもしくはそれより多くの制御により、分散物中の二酸化チタン粒子のコロイド安定性を維持しながら、コーティングが達成される、上記方法
  4. 包装容器内に二酸化チタン生成物を入れる段階の前に二酸化チタン生成物を乾燥しない請求項2の方法あるいはビヒクル中に二酸化チタン生成物を分散させる段階の前に二酸化チタン生成物を乾燥しない請求項3の方法。
  5. コーティング剤がAl23、SiO2、ZrO2、CeO2、P25、ケイ酸ナトリウム
    、ケイ酸カリウム、アルミン酸ナトリウム、塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、ケイ酸及びそれらの混合物から選ばれる請求項1〜4のいずれか1つの方法。
  6. コーティング剤がSiO2、P25、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、アルミン酸
    ナトリウム、ケイ酸及びそれらの混合物から選ばれる請求項5の方法。
  7. コーティングが濃厚シリカコーティングであるか、又は濃厚シリカコーティングを含む請求項1〜6のいずれか1つの方法。
  8. 因子(a)−(c)の少なくとも1つを制御する請求項1〜7のいずれか1つの方法。
  9. 少なくとも因子(a)を制御する請求項の方法。
  10. 透析ろ過の使用により、コーティング段階の前及び/又はその間に分散物中の電解質濃度を低下させる請求項の方法。
  11. コーティング段階の前に分散物の導電率を5mS/cmかもしくはそれより低いレベルになるように低下させ、場合によりコーティング段階の間、分散物の導電率を5mS/cmかもしくはそれより低いレベルに維持する請求項又は請求項10の方法。
  12. コーティング段階の前に分散物の導電率を3mS/cmかもしくはそれより低いレベルになるように低下させ、場合によりコーティング段階の間、分散物の導電率を5mS/cmかもしくはそれより低いレベルに維持する請求項11の方法。
  13. 濃縮段階の後、分散物が1000g/l〜3000g/lの量でTiO2を含有する請
    求項1〜7のいずれか1つの方法。
  14. 濃縮段階の後、分散物が1250g/l〜2000g/lの量でTiO2を含有する請
    求項13の方法。
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