一種高白度高亮度金紅石型鈦白粉原體的制備方法
【專利說明】一種高白度高亮度金紅石型鈦白粉原體的制備方法
[0001]【技術領域】本發明涉及一種金紅石型鈦白粉原體生產技術，尤其是一種采用硫酸 法制備高白度高亮度金紅石型鈦白粉原體的生產方法。
[0002] 【【背景技術】】鈦白粉被認為是目前世界上性能最好的一種白色顏料，被廣泛應用于 塑料、涂料、油墨、化妝品等領域。鈦白粉（二氧化鈦）化學性質穩定，一般情況下不與大部 分物質發生反應，在自然界中二氧化鈦有三種結晶：板鈦型、銳鈦型和金紅石型，板鈦型是 不穩定的晶型，無工業利用價值，其中金紅石型鈦白粉的光化學穩定性、光澤折射率好于銳 鈦型鈦白粉，所以決定了金紅石型鈦白粉的應用領域和需求量都大于銳鈦型鈦白粉。鈦白 粉的白度亮度主要受到其原體的主要影響，很難通過后處理來大幅提高，因此制備高白度 高亮度的金紅石型鈦白粉最佳手段是制備高白度高亮度的鈦白粉原體。
[0003] 鈦白粉的生產方法主要有硫酸法和氯化法。其中硫酸法生產鈦白粉的主要原料是 鈦鐵礦和硫酸，基本工藝流程包括：偏鈦酸的制備、偏鈦酸漂白漂洗、鹽處理、煅燒粉粹、后 處理等階段。偏鈦酸的制備主要是用工業硫酸分解經磁選、干燥、磨細后的鈦鐵礦，加水浸 取、加鐵粉還原后制成鈦液，經沉降、過濾分離掉硫酸亞鐵、膠質等固體雜質，制成清鈦液， 再濃縮、水解制成偏鈦酸(水合二氧化鈦)。目前國內鈦白行業常用的水解方法有外加晶種 加壓水解法、外加晶種微壓水解法、自生晶種常壓水解法。
[0004] 漂白漂洗主要是洗掉Fe2+，因為在水洗過程中隨著pH值升高，Fe2+會氧化成Fe 3+， 三價鐵在pH > 2. 5時會水解而沉淀為膠體氫氧化鐵，吸附在偏鈦酸中，從而影響產品白度， 為此需要將水洗后的偏鈦酸用鋅粉、鋁粉或三價鈦溶液進行漂白處理，將三價鐵還原為低 價的硫酸亞鐵用水洗去，同時也可除去偏鈦酸中吸附的鉻、釩等雜質。若使用一次水洗方法 除鐵，長時間水洗也難以完全除去雜質鐵。工業上常用的漂白方法有鋅粉-硫酸、鋁粉-硫 酸及三價鈦-硫酸漂白法，其中三價鈦漂白由于對產品不產生二次污染而廣泛采用，所以 本發明采用的是三價鈦-硫酸漂白法。
[0005] 傳統硫酸法工藝生產時，鈦液水解制得的偏鈦酸需在高溫下長時間煅燒才能轉變 為金紅石型晶型，必將導致粒子團聚或燒結，造成產品晶格缺陷過多，晶粒過大且很硬，進 而影響產品的白度、分散性、遮蓋力和顏料性能，同時高溫操作給鈦白生產帶來一定困難， 因而，要得到性能優良的金紅石型鈦白粉，在生產過程中必須控制好偏鈦酸轉化的工藝條 件，將金紅石型煅燒晶種加入煅燒前的偏鈦酸中，在煅燒處理時，該晶種在鈦白粉由銳鈦型 向金紅石型轉化的過程中起誘導轉化的作用，從而降低了轉化溫度，同時使顏料粒子外形 圓滑，顏料性能優越。
[0006] 鈦液水解生成的偏鈦酸經洗滌去除雜質離子后，若不進行鹽處理而直接送至回 轉窯煅燒，成品的白度、消色力、吸油量、遮蓋力等遠遠達不到鈦白顏料質量要求。然而同樣 的偏鈦酸經過適當的鹽處理和煅燒就會生產出高顏料性能的成品，大大提高經濟效益，所 以在鈦白生產中鹽處理階段不可忽視。事實上，對于偏鈦酸質量和成品質量的不同要求，加 入鹽處理的種類和數量是不同的。實驗證明偏鈦酸在煅燒前加入磷酸鹽，使偏鈦酸中的鐵 雜質在高溫煅燒時氧化變成灰黃色的磷酸鐵，相對比棕紅色氧化鐵對產品白度影響要小一 些，因此能部分隱蔽雜質鐵的顯色，可間接提高產品的白度，鉀鹽可使煅燒后顆粒疏松，調 整金紅石晶型，添加小粒徑金屬鎂鹽，可以使偏鈦酸的轉化溫度可以得到大幅下降，鋯鹽可 以起到抑制粒子晶型快速轉化，有利于粒子在晶型轉化過程中慢速均勻長大，達到改善粒 徑分布和圓滑粒子形貌的作用。
[0007] 二氧化鈦顏料的主要應用領域對鈦白粉白度都有很高的要求。白度是鈦白粉的一 個光學性質，是人們感覺白色顏料的光亮強度和色調兩種光學效果，表示吸收和反射自然 光之間的比量，是對自然光中不同波長的光波吸收和反射程度的標志，能對自然光波中紅、 橙、黃、綠、靛、藍、紫七種光波普遍而均勻的反射呈現白色。根據Kubelka-Munk理論，無限 厚的涂膜(不透明膜）的亮度或反射率R與顏料對光的吸收系數K和散射系數S之比（K/S) 成反比，即K減少或S增大，白度和亮度就增大。因此，在鈦白的實際生產過程中，主要通過 調整和控制二氧化鈦的粒徑和粒徑分布來增強分散性，并提高S ;以及盡可能地減少二氧 化鈦中的雜質含量，并提高化學純度，避免二氧化鈦出現晶格缺陷，從而降低K的方式，來 獲得良好的白度。
[0008] 按照光學原理當產品粒徑在0. 2-0. 35微米時，是可見光波長0. 4-0. 7微米的一半 時，才能獲得最大的散射力，表現出高白度。實踐表明，鈦白粉的粒度和粒度分布，粒子形狀 是影響白度的重要因素，所以二氧化鈦應該需要最佳的使用粒徑，本發明人在實驗中大量 實驗發現當二氧化鈦的原級D50粒徑(平均粒徑）在0. 25微米時具有最佳的顏料性能。
[0009] 中國發明專利CN104030346A中介紹采用優化的水解工藝和漂白工藝，改善水洗， 降低鐵及其他雜質達到改善產品白度的目的；CN101851435A通過在后處理包膜階段加入 鋯鹽或鈦鹽、鋁鹽進行表面處理得到高亮度藍色相的金紅石鈦白粉。總之，無論采用優化水 解工藝和漂白工藝方法還是后處理包膜方法，都不能同時提高金紅石型鈦白粉白度和亮度 的問題。
[0010]
【發明內容】
： 本發明所要解決的技術問題是：在現有技術基礎上，通過添加磷鹽、鉀鹽、鋯鹽和鎂鹽 優化煅燒鹽處理配方來實現對金紅石鈦白粉原體粒度和粒度分布的有效控制，從而達到明 顯提高金紅石型鈦白粉原體的白度和亮度的效果。
[0011] 本發明的技術方案如下： 一種高白度高亮度金紅石型鈦白粉原體的制備方法，工藝步驟包括偏鈦酸漿料的制 備、偏鈦酸漿料的漂白漂洗、鹽處理、煅燒、粉粹等步驟，其特征在于： (1)向漂白過程中的偏鈦酸溶液中加入相當于TiO2含量的1. 5-5. 0%的金紅石型煅燒 晶種，并用去離子水制成1102的含量為200-350g /L的偏鈦酸漿料； (2 )然后向上述偏鈦酸漿料中先加入磷化合物，再加入鉀化合物、鋯化合物和鎂化合物 的水溶液，混合均勻，然后在900-960°C的溫度下對上述混合溶液脫水煅燒轉化，制得高白 度高亮度金紅石型鈦白粉原體。
[0012] 作為優選：步驟（2)中所述的鉀化合物、鋯化合物和鎂化合物，為以任意的順序 一一或兩兩結合或全部同時加入到偏鈦酸漿中。
[0013] 作為優選：步驟（2)中所述的磷化合物選自磷酸、磷酸銨、磷酸鉀中的至少一種， 其加入量以P 2O5質量計，占水洗后的偏鈦酸漿中二氧化鈦總質量的〇. 1-0. 25%。
[0014] 進一步：所述的磷化合物為磷酸。
[0015] 作為優選：步驟（2)中所述的鉀化合物選自氫氧化鉀、硫酸鉀、碳酸鉀中的至少一 種，其加入量以K2O質量計，占水洗后的偏鈦酸漿中二氧化鈦總質量的0. 2-0. 3%。
[0016] 進一步：所述的鉀化合物為硫酸鉀，硫酸鉀為硫酸鹽體系，在硫酸法鈦白粉原體生 產流程中不引入其他陰離子鹽，便于廢水、廢渣的處理。
[0017] 作為優選：步驟（2)中所述的鋯化合物選自硫酸鋯、硝酸鋯中的至少一種，其加入 量以ZrO2質量計，占水洗后的偏鈦酸漿中二氧化鈦總質量的0. 1-1. 0%。
[0018] 進一步：所述的鋯化合物為硫酸鋯，硫酸鋯為硫酸鹽體系，在硫酸法鈦白粉原體生 產流程中不引入其他陰離子鹽，便于廢水、廢渣的處理。
[0019] 作為優選：所述的鎂化合物選自硫酸鎂、氧化鎂、碳酸鎂中的至少一種，其加入量 以MgO質量計，占水洗后的偏鈦酸漿中二氧化鈦總質量的0. 1-0. 3%。
[0020] 進一步：所述的鎂化合物為硫酸鎂，硫酸鎂為硫酸鹽體系，在硫酸法鈦白粉原體生 產流程中不引入其他陰離子鹽，便于廢水、廢渣的處理。
[0021] 本發明是通過在偏鈦酸中加入磷鹽、鉀鹽、鋯鹽和鎂鹽，來實現對金紅石鈦白粉原 體粒度和粒度分布的有效控制，從而達到明顯提高金紅石型鈦白粉原體的白度和亮度的效 果。
[0022] 在硫酸法制備二氧化鈦過程中，通過降低煅燒晶種的含量可以提高二氧化鈦的原 級粒徑（原級粒徑，是指大小為0. 20~0. 35微米具有顏料性能的鈦白粉原體的晶體尺寸）， 但是晶種含量的降低會導致煅燒溫度的提高，從而影響二氧化鈦成品的遮蓋力、消色力等 性能，為了避免煅燒溫度的增高，本發明在鹽處理過程中通過調節加入小粒徑金屬鹽類物 質來控制煅燒溫度過高的問題。本發明通過積極加入鎂鹽促進劑以降低煅燒溫度，另外通 過加入適當的磷鹽、鉀鹽和鋯鹽可以調控二氧化鈦的形貌，所獲得的二氧化鈦的原級粒徑 大小較合適，可以有效控制二氧化鈦粒徑在〇. 20~0. 35微米范圍以內，從而提高二氧化鈦 的光反射能力，最終提高二氧化鈦的白度和亮度。
[0023] 具體實施 下面對本發明作詳細的說明 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行 進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不限定于本 發明。
[0024] 實施例1 本實施例高白度高亮度金紅石型鈦白粉原體的制備方法包括下述主要步驟： (1)制備偏鈦酸漿料：取一洗過后的偏鈦酸，加入足量的去離子水，配置成漿料總質量 為1500g，TiO2含量為20%的偏鈦酸漿料； (2 )偏鈦酸的漂白：向上述偏鈦酸漿料中緩慢加入90g98%的濃硫酸，并加以攪拌，然后 將體系在水浴中加熱至70°C ; (3) 向上述漿料中加入相當于TiO2含量的5. 0%煅燒晶種，即加入143g質量分數為 10. 5%的煅燒晶種，攪拌30min后加入15g質量分數為5. 15%的Ti3+溶液，然后繼續攪拌 90min ； (4) 用溫度為50-80°C的去離子水洗滌漂白后的偏鈦酸，然后打漿配置為二氧化鈦濃度 為300g/L的偏鈦酸衆料并對衆料二價鐵進行定量分析，控制在30ppm范圍以內； (5) 向上述漿料中加入15. 54g質量分數為3. 86%的H3PO4 (其加入量以P2O5質量計，占 二氧化鈦質量的0. 20%); (6)加入12. 3Ig質量分數為7. 31%的KOH (其加入量以K2O質量計，占二氧化鈦質量的 0. 3%)； (7 )加入53. 19g質量分數為5. 64%的Zr (SO4)2 (其加入量以ZrO2質量計，占二氧化鈦 質量的1. 〇%); (8) 加入22. 50g質量分數為2. 50%的MgSO4 (其加入量以MgO質量計，占二氧化鈦質量 的 0. 3%); (9) 將上述漿料烘干后在馬弗爐中一小時內從室溫升到600°C，然后以1°C /min升溫 速度從600°C升溫至960°C煅燒，控制金紅石轉化率97. 5~99. 5%，得到鈦白粉原體。
[0025] 實施例2 (1) 制備偏鈦酸漿料：