钛白粉表面包覆理论和工艺

中国粉体网讯 无机包覆改性是钛白粉生产过程中十分重要的后处理工序之一，在钛白粉表面包覆Si、Al、Zr、Ce、Ti及Zn等水合氧化物，使其表面与介质间形成一道屏障，可降低光催化活性，增强钛白粉耐候性、分散性、抗粉化性等应用特性。

钛白粉包膜（包覆）改性流程

钛白粉表面的包膜改性分为两种方式，即无机包膜（包覆）改性和有机包膜改性，其实这两种包膜改性技术是需要同时运用的，并且有明确的顺序标准，在正常的操作流程中，第一步需要进行的操作流程是进行无机包膜改性，第二步操作是进行有机包膜改性。

1、钛白粉无机包覆方法

依据酸、碱沉淀剂加入顺序差异，钛白粉无机包覆分为顺流法与逆流法。依据包覆气氛差异，可分为干法和湿法，其中湿法包覆工艺应用较为广泛。

（1）煮沸法

在强加热条件下，包覆剂水解，沉积于钛白粉颗粒表面，形成包覆层。该工艺过程控制难，水解不完全，适应性差。

（2）中和法

采用酸碱中和，在TiO₂颗粒表面持续反应成膜。中和法又可分为3类：1）加碱中和沉淀酸性包覆剂，常用的碱性沉淀剂有NH₃·H₂O、NaOH、Na₂CO₃等；2）加酸中和沉淀碱性包覆剂，常用酸性沉淀剂有H₃PO₄、H₂SO₄、HNO₃、HCl；3）酸性及碱性包覆剂共沉淀，常见的有Al₂(SO₄)₃与NaAlO₂共沉淀等。

（3）碳化法

将CO₂气体通入含有包覆剂的碱性钛白粉悬浮液中，使包覆剂在TiO₂颗粒表面缓慢沉淀成膜。该工艺应用于Si-Al复合包覆，成膜更均匀，产品光稳定性强。

2、钛白粉无机包覆分类

（1）氧化铝包覆钛白粉

原理：钛白粉包覆Al₂O₃时，水合氧化铝（Al₂O₃·nH₂O）在TiO₂颗粒表面缓慢成膜，形成包覆层。在不同pH条件下，包覆层水合氧化铝呈现不同物相。在酸性环境中，形成无定形凝胶；在碱性环境中，为勃姆石或拜耳石。

工艺：将钛白粉制浆分散，以NaAlO₂或Al₂(SO₄)₃为包膜剂，Al₂O₃包覆量为钛白粉质量的1%~5%，采用并流法，控制反应pH及温度，包膜时间为1~5h，熟化2h，得到钛白粉包覆产品。

作用：钛白粉表面氧化铝包覆层微观结构对其颗粒表面羟基密度、表面自由能、表面电位、空间位阻等表面性质产生直接影响，进而影响其在水性体系中的分散稳定性能。

（2）二氧化硅包覆钛白粉

原理：TiO₂颗粒表面存在羟基，硅酸吸附至其表面与羟基缩合形成缩合点，快速聚合形成致密硅缩合物。硅缩合物在钛白粉表面连续稳定生长，经陈化，形成致密无SiO₂·nH₂O的包膜。因此，钛白粉包覆SiO₂不仅是单一物理吸附过程，也存在一定的化学键合作用。

工艺：以Na₂SiO₃为包覆剂，采用并流法，维持pH为8~10，包覆温度为80~100℃，熟化1~3h。

作用：钛白粉表面二氧化硅包覆层可阻碍其与周围介质及外界环境之间的直接接触，提升钛白粉的耐候性能。钛白粉表面二氧化硅包覆层的微观结构直接决定钛白粉颗粒暴露在外界环境或周围介质中的面积，进而影响其耐候性能。

（3）二氧化锆包覆钛白粉

原理：ZrO₂单元包覆时，包膜以羟基水合氧化锆形式存在，其表面活性大，吸附性能强，与TiO₂颗粒表面羟基缩合形成Zr—O—Ti键，牢固键合于钛白粉颗粒表面。

工艺：以Zr（SO₄）₂或ZrOCl₂为包膜剂，维持pH为9~10，包覆温度为50~70℃，包膜时间为1~5h，熟化1~3h。

作用：二氧化锆折射率高（2.170），且对紫外光的吸收能力极弱。因此，在钛白粉颗粒表面包覆连续致密二氧化锆，既能降低紫外光的吸收，又能阻碍活性基团与周围介质及外界环境之间的直接接触，提升钛白粉的耐光性能。

（4）其他

针对不同工业领域对钛白粉包覆产品应用性能的需求，近年来国内外研究人员不仅对已有包覆产品进行了产品结构与性能的优化，还设计、探索和开发了不同种类钛白粉表面无机包覆新产品（如二氧化铈、二氧化锡等）。

（5）多元无机包覆

包覆的二氧化硅、二氧化锆容易生成致密膜，提高了钛白粉耐候性。包覆氧化铝形成疏松网状膜，提高钛白粉分散性。不过，单元包覆无法达到要求的耐候性与分散性需求，进而多元包覆应用较多。

一些产品中，从内到外通过内核--致密膜-网状膜包覆结构较多，如：SiO₂-Al₂O₃、ZrO₂-Al₂O₃等。

第一，Al₂O₃与SiO₂包覆。有学者利用一次共沉淀包覆，硅酸钠作为硅源、氯化铝为酸碱沉淀剂获得高耐候钛白粉产品，加工工艺简单、经济投入少。还有学者通过液相共沉淀法，将柠檬酸作为沉淀剂，逐步包覆氧化铝与二氧化硅获得高分散性钛白粉材料。

第二，ZrO₂-Al₂O₃。通过二次包膜，酸碱度在5.0，70-80℃下包覆致密ZrO₂。生成高光泽度、耐候性、白度、分散性的钛白粉-ZrO₂-Al₂O₃包覆产品。也有学者分析了钛白粉复合包覆ZrO₂、Al₂O₃技术，结合XPS谱图得到包覆层内包含：Zr-O-Ti与Al-O-Ti键，ZrO₂与Al₂O₃以化学键依附在钛白粉颗粒外层。

2024年10月30日在上海跨国采购会展中心，由北京粉体技术协会与柏德英思展览(上海)有限公司联合主办“2024粉体分散、改性、包覆技术研讨会”。届时清华大学崔爱莉教授将作《钛白粉表面包覆理论和工艺》报告，现场对钛白粉包覆基本理论、包膜工艺、包膜检测方法进行系统性讲解，为参会嘉宾解疑答惑，共同交流实用技术。

专家介绍

崔爱莉，教授，清华大学化学系，研究方向为金红石钛白粉后处理工艺和理论研究；脱硝催化纳米二氧化钛的研制。曾承担过国家973、863、国家自然科学基金项目、国际、国内企业合作项目十余项，发表SCI收录论文一百多篇，专利十余项。兼任中国钛白粉行业协会专家委员会特聘专家；中国化工学会硫磷钛资源化工专业委员会委员。

参考文献

董芳芳，浅析钛白粉无机包覆改性现状及发展趋势，龙蟒佰利联集团股份有限公司

董雄波，无机包覆钛白粉研究进展及发展趋势，中国矿业大学（北京）

王欢欢，钛白粉表面包膜改性技术研究，龙佰集团股份有限公司

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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