磷铝双层包覆制备装饰纸用钛白粉的工艺参数研究

王莉萍，许 冉

（龙佰集团股份有限公司，河南 焦作 454006）

0 引言

钛白粉制备出后，必须对其表面进行包覆处理，提高留着率和耐光性，才能应用于装饰纸用钛白粉。本文采用磷铝双层包覆方式对钛白粉表面进行处理，通过试验确定最佳表面处理剂及工艺参数。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验药品

未经表面包覆处理金红石型二氧化钛浆料，龙佰集团某钛业公司；偏铝酸钠（AR）、硫酸铝（AR）、氢氧化钠（AR）、硫酸（AR）、磷酸（AR）、磷酸盐A（AR）、磷酸盐B（AR）、磷酸盐C（AR），国药集团化学试剂上海有限公司。

1.1.2 试验仪器

PHSJ-4A 型实验室pH，苏州安原仪器有限公司；VEGA3SBH 型扫描电子显微镜，泰思肯公司；ESCALAB 250Xi 型X-射线光电子能谱仪，美国热电公司。

1.2 试验原理与方法

1.2.1 试验原理

采用磷酸/磷酸盐与铝盐对金红石型二氧化钛浆料进行表面处理，提高钛白粉产品留着率并具有较好的耐光性[1]。

第一层包覆形成的为磷酸铝膜，包膜较致密，能改善颜料亲水性能，提高在纸张体系的留着率，增强其耐光性。在铝或铝化合物与磷酸反应时，可形成氧、磷、铝等原子之间的短链，通过提高反应体系的pH值，可使短链迅速凝集成长链形成网状体，具有很高的表面亲和力进而可以覆盖其他颜料。

第二层包覆形成的是水合氧化铝膜层，可以有效提高颜料光泽度，并使之具有正的电动势，与具有负电荷的纸张纤维结合具有更好的亲合力，使颜料在纸张上的留着率较高。

1.2.2 试验方法

1）磷铝包覆表面处理剂选择：采用不同的磷铝包覆无机处理剂进行包覆试验，考察水洗后滤饼状况，确定最佳处理剂。

2）磷铝包覆表面处理工艺参数的确定。处理步骤：第一步，在二氧化钛浆料中加入磷酸盐C，再加入硫酸铝，混合均匀，加少量碱性铝中和，调整pH，并进行熟化，此时进行第一层包覆；第二步，加入铝酸钠浓度和稀硫酸并流，调整pH，并进行熟化，调节pH 至中性后，完成第二层包覆，结束整个包覆过程；第三步，经水洗、过滤、干燥、粉碎研磨后，取样品进行性能指标测试。

试验采用单因素法，物质加入量均为各物质质量分数。

2 结果与讨论

2.1 磷铝包覆表面处理剂的选择

在其他条件一致情况下，采用不同的磷铝包覆无机处理剂进行包覆试验，对水洗后滤饼状况进行考察，结果如表1 所示。

表1 不同的磷铝包覆无机处理剂包覆试验结果

从表1 数据可知，经“磷酸盐A+偏铝酸钠”和“磷酸盐B+偏铝酸钠”两种处理剂处理后，易引起滤饼触变，效果不佳，不采用；采用“磷酸+偏铝酸钠”处理后，尽管滤饼不触变，但是滤饼发粘；采用“磷酸盐C+偏铝酸钠”处理后滤饼不触变，水洗后滤饼加工性能优越。确定最佳表面处理剂为“磷酸盐C+偏铝酸钠”。

2.2 磷铝包覆表面处理工艺参数的确定

选择P2O5加入量、第一层包覆铝加入量、包覆铝加入总量、第二层包覆熟化pH 值作为影响钛白粉性能的因素，进行单因素试验，检测产品试样留着率和耐光性ΔE。

2.2.1 P2O5加入量因素对装饰纸用钛白粉性能的影响

在其他工艺参数条件一致情况下，对不同P2O5加入量（1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%）进行试验。产品试样留着率分别为89.81%、89.11%、88.18%、87.22%、86.10%，耐光性ΔE 分别为0.42、0.47、0.45、0.44、0.42。

试验结果显示，P2O5加入量对产品试样耐光性没有显著影响。当P2O5加入量从1.0%增加至1.8%时，产品试样留着率表现为下降趋势，在P2O5加入量为1.0%时表现为最大值89.81%。综合上述分析，确定最佳P2O5加入量为1.0%。

2.2.2 第一层包覆铝加入量因素对装饰纸用钛白粉性能的影响

在其他工艺参数条件一致情况下，对不同第一层包覆铝加入量（1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%）进行试验。产品试样留着率分别为89.02%、88.15%、87.63%、87.04%、85.28%，耐光性ΔE 分别为0.36、0.38、0.45、0.47、0.55。

当第一层包覆铝加入量从1.0%增加至1.8%时，产品试样留着率表现为下降趋势，在加入量为1.0%时表现为最大值89.02%；产品试样ΔE 值表现为增大趋势，在加入量为1.0%时ΔE 为最小值0.36，此时耐光性最好。综合上述分析，确定最佳第一层包覆铝加入量为1.0%。

2.2.3 包覆铝加入总量因素对装饰纸用钛白粉性能的影响

在其他工艺参数条件一致情况下，对不同包覆铝加入总量（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%）进行试验。产品试样留着率分别为83.18%、85.14%、87.22%、89.54%、90.18%，耐光性ΔE 分别为0.51、0.48、0.45、0.41、0.34。

当包覆铝加入量从3.0%增加至5%时，产品试样留着率表现为增大趋势，在加入量为5.0%时表现为最大值90.18%；产品试样ΔE 值表现为下降趋势，在加入量为5.0%时ΔE 为最小值0.34，此时耐光性最好。综合上述分析，确定包覆铝加入总量最佳加入量为5.0%。

2.2.4 第二层包覆熟化pH 值因素对装饰纸用钛白粉性能的影响

在确定其他工艺参数条件一致的情况下，对不同第二层包覆熟化pH（5.0、6.0、7.0、8.0、9.0）进行试验。产品试样留着率分别为79.53%、87.88%、88.12%、88.89%、87.10%，耐光性ΔE 分别为0.49、0.33、0.46、0.47、0.52。

当第二层包覆熟化pH 从5.0 增加至9.0 时，产品试样留着率表现为增大、稳定、下降的趋势，在pH为6.0、7.0、8.0 时的留着率较好；产品试样ΔE 值表现为先下降后增大趋势，在熟化pH 为6.0 时ΔE 值为最小值0.33，此时耐光性最好。综合上述分析，确定第二层包覆熟化pH 为6.0。

2.3 产品试样性能分析

采用上述最佳表面处理剂及工艺参数制备装饰纸用钛白粉，并进行性能检测及表征。

磷铝双层包膜钛白粉留着率为90.02%、耐光性ΔE 为0.33，而未经表面处理的钛白粉留着率为72.18%、耐光性ΔE 为2.5。因此，最佳工艺参数制备的磷铝双层包膜钛白粉留着率和耐光性较为理想，与国外高档装饰纸用杜邦R-796+钛白粉留着率和耐光性指标较为接近。

从磷铝双层包膜钛白粉SEM图片可知，二氧化钛浆液表面经磷铝双层包膜表面处理后，钛白粉表面光滑、连续、颗粒分明、包覆层明显，包覆效果理想。

对未经表面处理的钛白粉和磷铝双层包膜钛白粉采用X-射线光电子能谱仪测定表层元素含量，结果如表2 所示。

表2 不同钛白粉表层元素含量分析

从表2 数据可知，经表面处理制备的磷铝双层包膜钛白粉中磷和铝元素质量分数分别增加6.0%、11.3%，钛元素质量分数降低11.1%，这说明磷铝双层包膜钛白粉表层包膜厚度较大，包覆完整性较好。

3 结语

采用单因素法对磷铝包覆制备装饰纸用钛白粉备工艺参数进行研究。确定“磷酸盐C+偏铝酸钠”为最佳处理剂，最佳工艺参数：P2O5加入量1.0%，第一层包覆铝加入量1.0%，包覆铝加入总量5.0%，第二层包覆熟化pH 为6.0。该工艺条件下制备装饰纸用钛白粉留着率90.02%、耐光性ΔE 为0.33，SEM和表层元素分析结果表明：磷铝双层包膜钛白粉包膜厚度大、包覆完整性好，是理想的装饰纸用钛白粉。