鈦白粉即二氧化鈦，是一種白色無機(jī)顏料，用途非常廣泛，主要應(yīng)用于涂料、油漆、塑料、油墨、化纖、橡膠等工業(yè)。未經(jīng)表面處理的鈦白粉顏料具有光化學(xué)活性，易產(chǎn)生失光、黃變、粉化等現(xiàn)象，影響鈦白粉在不同介質(zhì)中的應(yīng)用性能。因此耐候性成為表征鈦白粉品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。國內(nèi)鈦白粉生產(chǎn)廠家大多采用無機(jī)包膜工藝提高鈦白粉的耐候性。國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量多數(shù)不能與國外相比的一個(gè)重要因素就是包膜工藝的問題。

鈦白粉的耐候性

耐候性是鈦白粉的顏料性能之一，顏料在制漆涂裝后，涂層暴露在環(huán)境中，受陽光、氧氣、水和溫度等的綜合作用，會發(fā)生黃變、失光、粉化和失重等老化現(xiàn)象，鈦白粉抵御發(fā)生上述變化的能力，就被叫稱為耐候性。

鈦白粉耐候性變差的原因主要有：①樹脂基料受可見光和紫外線（10~760nm波長）作用產(chǎn)生降解；②顏料的光化學(xué)活性。鈦白粉的光化學(xué)活性較強(qiáng)，因其晶格存在某些缺陷，在光照、催化劑、或溶劑的作用下，鈦白粉中的Ti⁴⁺極易被還原為Ti³⁺，釋放出初生態(tài)氧。因初生態(tài)氧具有極強(qiáng)反應(yīng)活性，可以使漆基的有機(jī)物被氧化，其高分子鏈因此斷裂或降解，破壞涂層的連續(xù)性，形成可溶性或易揮發(fā)性的物質(zhì)。

表面包膜機(jī)理

（1）靜電吸附機(jī)理。

靜電吸附機(jī)理認(rèn)為，基體表面帶有與包膜劑相反的電荷，由于庫侖引力使包膜劑顆粒被吸附到鈦白粉粉體顆粒表面。TiO₂表面具有負(fù)電性，Al₂O₃表面具有正電性，靠靜電引力吸附作用成膜。但這種包膜機(jī)理存在其局限性，包膜劑在基體表面形成一層膜后，表面的電性已經(jīng)發(fā)生改變，膜層要繼續(xù)生長增厚的動力就不存在了。而且這種機(jī)理無法解釋SiO₂包膜TiO₂，因?yàn)槎趸璞砻嬉矠樨?fù)電性，不可能和負(fù)電性的二氧化鈦靠靜電引力吸附而成膜。

（2）異相表面成膜機(jī)理

異相表面成膜機(jī)理認(rèn)為，在某一pH值下，在有異相物質(zhì)存在時(shí)，溶液超過它的過飽和度時(shí)，將會有大量晶核立即生成，沉降到異相顆粒的表面，無異物時(shí)的濃度高于晶體析出的濃度。這是由于在非均相體系的晶體成核與生長過程中，新相在已有的固相上形成或生長，體系表面自由能的增加量小于自身成核（均相成核）體系表面自由能的增加量，所以分子在異相界面的成核與生長優(yōu)先于體系中的均相成核。當(dāng)溶液中形成的溶膠濃度較低時(shí)，溶膠分子成核于鈦白粉表面降低體系的自由能。新相生成后優(yōu)先沉淀在相同或相似結(jié)構(gòu)的基底上，隨后形成的無機(jī)物分子將優(yōu)先在已部分包膜的鈦白粉的表面繼續(xù)成核、生長。

（3）表面化學(xué)鍵合機(jī)理

這種機(jī)理認(rèn)為，包膜劑與基體之間不是簡單的物理結(jié)合，而是形成了牢固的化學(xué)鍵。在金紅石型鈦白粉顆粒表面有很多未鍵合的羥基存在，與水合氧化物的羥基聚合成羥橋，生成氫氧化物包膜層。在包膜層和納米TiO₂顆粒之間形成了化學(xué)鍵，生成了均勻致密包膜層，與納米TiO₂顆粒之間結(jié)合牢固，不易脫落。此機(jī)理研究的相對成熟，它很好地解釋了粒子包膜后，其穩(wěn)定性很好這一事實(shí)，因而被越來越多的學(xué)者接受。

（4）溶膠一吸附一凝膠一成膜機(jī)制。

該機(jī)理認(rèn)為反應(yīng)分為兩步：首先是硅溶膠的形成和被TiO₂顆粒吸附的過程，然后是硅溶膠在TiO₂顆粒表面的膠凝成膜過程。此機(jī)理的反應(yīng)第一步中的吸附是在庫侖靜電力的作用下進(jìn)行的，實(shí)際上是靜電吸附機(jī)理的內(nèi)容，膠凝成膜時(shí)與TiO₂顆粒之間以羥基鍵合，是表面化學(xué)鍵合機(jī)理的內(nèi)容，所以該機(jī)理是以上三種機(jī)理的綜合。

鈦白粉無機(jī)包膜工藝

硅包膜

范基隆等人對R型鈦白粉采用硅酸鈉做硅包膜處理，實(shí)驗(yàn)得出了最適宜的包硅條件：pH值在9.0左右，溫度在65~80℃，漿液固含量在40%左右，加料時(shí)間60min。相關(guān)研究普遍認(rèn)為溫度在70~100℃，pH值在9.5~11，漿液固含量較低，加料速度較快。硅包膜工藝成本低，易操作，但對提高鈦白粉耐候性效果相對較弱，并且包膜條件不同也影響實(shí)際效果，廠家之間存在差異。

鋁包膜

單包鋁的過程在前人的工作中已進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，在高溫或高pH值環(huán)境下，容易形成勃姆石型水合氧化鋁絮狀及片狀包覆；在低溫且低pH值下，容易形成無定形膜狀包覆。在高溫、高pH值條件下形成的晶態(tài)包覆層穩(wěn)定性較高。山東道恩鈦業(yè)有限公司研究發(fā)現(xiàn)后續(xù)的包膜過程中，當(dāng)包鋁條件為pH5.0，65℃時(shí)，二氧化鈦表面包氧化鋁能形成連續(xù)、致密膜層。鋁包膜工藝同樣相對簡單，成本較低，但提升鈦白粉耐候性的效果與硅包膜不相上下。

硅鋁復(fù)合包膜

單包硅過程中形成膜狀包覆較佳的條件pH值在9.0左右，溫度在65~80℃，單包鋁過程中形成膜狀包覆較佳的條件為pH5.0，65℃。在此基礎(chǔ)上，范基隆等人研究硅鋁復(fù)合包膜發(fā)現(xiàn)，對硅鋁共沉積包覆考察了pH值、溫度、硅鋁包覆量比等因素對膜層形貌的影響，得出適宜的復(fù)合包覆條件是：溫度為65℃，將pH值從9.0緩慢降至5.0，鋁包覆量2%。硅鋁復(fù)合包膜對提升鈦白粉耐候性效果遠(yuǎn)超硅、鋁包膜，但操作工藝相對復(fù)雜，成本因素也不可忽視。

鋁磷雙層包膜

李丹東等人研究了鋁磷雙層包膜工藝，通過改變鋁鹽和磷酸鹽加量，對鋁磷包膜試樣進(jìn)行耐光性檢測，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，鋁、磷包膜量分別為4.5%～4.8%、0.8%～0.9%和鋁、磷包膜量分別為＞5%、0.6%～0.7%時(shí)，鈦白粉的△E最小，即耐候性最好。

圖1 磷鋁包膜樣品△E與包膜劑含量的等值線圖

鋁磷雙層包膜，即單次包膜處理后，熟化一定時(shí)間，在進(jìn)行二次包膜處理，經(jīng)過洗滌、干燥、氣流粉碎等操作，得到的雙層包膜。與單鋁、單硅包膜相比，可以得到較好的耐光性能提升，更能滿足行業(yè)使用要求。

鋯磷雙層包膜

李丹東等人研究了鋯磷雙層包膜工藝，通過改變鋯鹽和磷酸鹽加量，對鋯磷包膜試樣進(jìn)行耐光性檢測。由圖2可以看出，鋯、磷包膜量分別控制在＞0.3%、0.02%~0.10%時(shí)，鈦白粉的△E最小，耐候性最好。

圖2 磷鋯包膜樣品△E與包膜劑含量的等值線圖

鋯磷包膜技術(shù)能夠有效提高鈦白粉的耐候性，性能達(dá)到了國外同類產(chǎn)品水平。但存在技術(shù)難點(diǎn)，即鋯磷的加量控制。

鋁鋯復(fù)合包膜

對Al₂O₃與SiO₂包膜的研究國內(nèi)相對較多，但對ZrO₂/Al₂O₃的研究卻很少見有報(bào)道。鄒建新等人通過對金紅石鈦白粉進(jìn)行表面鋯鋁包膜實(shí)驗(yàn)，得到了提高了耐候性的鈦白粉。

ZrO₂/Al₂O₃包膜后的TiO₂顏料特性值如表1所示。顏料特性值符合基本要求,且部分指標(biāo)達(dá)到日本R930標(biāo)樣水平。

表1 ZrO₂/Al₂O₃包膜后的TiO₂顏料特性值

ZrO₂包覆量獲得的包膜鈦白的光催化活性值如表2所示。包覆的量達(dá)到1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以TiO₂計(jì))時(shí),光催化活性值為0.05,耐候性最高。樣品4#是國內(nèi)某廠單鋁包膜鈦白粉的光催化活性值,顯然,鋯鋁包膜效果強(qiáng)于單鋁包膜。

表2 TiO₂在不同ZrO₂包覆量下的光催化活性值

鋯鋁包膜的最佳pH要求在9.5~10.5之間， ZrO₂包覆量達(dá)到1.0%及Al₂O₃包覆量為4.0%，技術(shù)要求高，這也許是此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)。鋯鋁包膜提升鈦白粉耐候性的性能優(yōu)異，遠(yuǎn)超單鋁包膜等技術(shù)，產(chǎn)品效果可對標(biāo)國外相應(yīng)產(chǎn)品，但技術(shù)要求高與成本高居不下一直制約著該項(xiàng)工藝的發(fā)展與推廣。