周文靜

（龍佰集團(tuán)股份有限公司，河南 焦作 454006）

0 引言

在造紙生產(chǎn)工藝中，加入鈦白粉提高紙張的光學(xué)性能和不透明度。但是鈦白粉價(jià)格較高，使得紙張生產(chǎn)成本較高[1]。本文以重介碳酸鈣為母體，采用機(jī)械化學(xué)法在其表面包覆TiO2粒子制備復(fù)合鈦白粉，使其具有較高的遮蓋力性能，可以取代紙張生產(chǎn)中部分鈦白粉的用量。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

金紅石型鈦白粉，白度為93.4%，吸油量為0.263g/g，遮蓋力為18.6 g/m2，龍佰集團(tuán)股份有限公司。

重介碳酸鈣，白度為91.5%，吸油量為0.171 g/g，遮蓋力為26.6 g/m2，佛山市勃震化工有限公司

分散劑，六偏磷酸鈉（AR），上海創(chuàng)賽公司；氧化鐵紅（工業(yè)級(jí)）、氧化鐵黃（工業(yè)級(jí)），龍佰集團(tuán)股份有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JFS-550 數(shù)顯高速分散攪拌砂磨機(jī)，上海巴玖YQ-Z-48A 白度計(jì)，Analysette 22 NanoTec 進(jìn)口光散射激光粒度儀，SK-FTIR600 傅里葉變換紅外光譜儀，LD-CPJ-01 型紙樣抄取器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以碳酸鈣作為母體，按一定比例加入氧化鐵紅、氧化鐵黃、分散劑、研磨介質(zhì)、水，混合均勻后放置于高速分散攪拌砂磨機(jī)中研磨2 h，進(jìn)行介質(zhì)脫水、過(guò)濾、干燥、粉碎，制備得到復(fù)合鈦白粉，取樣品進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3 復(fù)合鈦白粉的性能測(cè)試和表征

復(fù)合鈦白粉遮蓋力按照GB 1709—1979 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定；吸油量按照GB 1712—1979 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定；白度采用YQ-Z-48A 白度計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合鈦白粉的制備及性能影響研究

2.1.1 氧化鐵紅含量因素對(duì)復(fù)合鈦白粉性能的影響

確定其他工藝參數(shù)條件一致情況下，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化鐵紅（0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%、0.15%）進(jìn)行試驗(yàn)，制備得到復(fù)合鈦白粉的白度與遮蓋力結(jié)果如圖1 所示。

圖1 氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合鈦白粉性能的影響

由圖1 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增加至0.15%過(guò)程中，復(fù)合鈦白粉白度表現(xiàn)為逐步下降趨勢(shì)，氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 時(shí)白度為最大值93.6%，加入氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)白度為最小值75.8%；復(fù)合鈦白粉遮蓋力數(shù)值表現(xiàn)為先下降后增大趨勢(shì)（遮蓋力性能表現(xiàn)為先提高后下降），加入氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)遮蓋力數(shù)值為最小值21.3 g/m2，即氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)為復(fù)合鈦白粉遮蓋力性能最佳情況。

在制備的復(fù)合鈦白粉當(dāng)中，加入的氧化鐵紅主要起到以下兩種作用：第一，氧化鐵紅作為一種顏料其自身具有較高遮蓋力，復(fù)合鈦白粉中的粒子能起到增加入射光的散射中心作用；第二，在微量情況下氧化鐵紅具有空間位阻作用，減少TiO2粒子發(fā)生團(tuán)聚，TiO2粒子分布均勻，不發(fā)生集群效應(yīng)，提高復(fù)合鈦白粉遮蓋力性能[2]。

氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.06%之間時(shí)，氧化鐵紅在復(fù)合鈦白粉發(fā)揮了上述兩種作用的協(xié)同效應(yīng)，因此隨著氧化鐵紅含量的增加復(fù)合鈦白粉遮蓋力性能明顯提高。加入氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.06%，氧化鐵紅含量過(guò)大導(dǎo)致復(fù)合鈦白粉遮蓋力性能下降。

綜合復(fù)合鈦白粉白度及遮蓋力兩方面的性能指標(biāo)，確定氧化鐵紅加入量為0.06%較合適，此時(shí)復(fù)合鈦白粉白度85.3%，遮蓋力數(shù)值21.3 g/m2，吸油量18.3 g/100 g。

2.1.2 氧化鐵黃對(duì)復(fù)合鈦白粉性能的影響

確定其他工藝參數(shù)條件一致情況下，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化鐵黃（0、0.02%、0.05%、0.08%、0.10%、0.15%）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，制備得到的復(fù)合鈦白粉的白度與遮蓋力結(jié)果如圖2 所示。

圖2 氧化鐵黃含量因素對(duì)復(fù)合鈦白粉性能的影響

由圖2 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)氧化鐵黃質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增加至0.15%過(guò)程中，復(fù)合鈦白粉白度表現(xiàn)為逐步下降趨勢(shì)，氧化鐵黃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 時(shí)白度為最大值92.9%，氧化鐵黃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)白度為最小值77.8%；復(fù)合鈦白粉遮蓋力數(shù)值表現(xiàn)為降低、增大、降低、增大等無(wú)明顯規(guī)律，氧化鐵黃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%時(shí)遮蓋力數(shù)值為最小值21.5 g/m2，此時(shí)為復(fù)合鈦白粉遮蓋力性能最佳。

復(fù)合鈦白粉遮蓋力出現(xiàn)上述無(wú)明顯規(guī)律的原因：氧化鐵黃自身具有高遮蓋力，廣泛應(yīng)用于造紙及涂料的生產(chǎn)中，在復(fù)合鈦白粉的制備中可以通過(guò)加入氧化鐵黃作為T(mén)iO2增量劑部分；在微量情況下氧化鐵黃具有空間位阻作用，減少TiO2粒子發(fā)生團(tuán)聚，更多的TiO2粒子能起到入射光散射中心作用，提高復(fù)合鈦白粉遮蓋力性能；當(dāng)加入氧化鐵黃含量過(guò)量時(shí)，氧化鐵黃會(huì)附著在TiO2粒子表面，較少TiO2粒子起到入射光散射中心作用，降低復(fù)合鈦白粉遮蓋力性能。在上述兩種作用下，對(duì)遮蓋力性能的影響無(wú)太明顯的規(guī)律。

綜合復(fù)合鈦白粉白度及遮蓋力兩方面的性能指標(biāo)，確定了氧化鐵黃加入量為0.08%較合適，此時(shí)復(fù)合鈦白粉白度為83.7%，遮蓋力數(shù)值為21.5 g/m2，吸油量為0.153 g/g。

2.1.3 TiO2加入量因素對(duì)復(fù)合鈦白粉性能的影響

確定其他工藝參數(shù)條件一致情況下，采用不同TiO2加入量（0、20%、40%、60%、80%、100%）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，制備得到的復(fù)合鈦白粉的白度分別為80.1%、85.7%、90.5%、91.2%、93.2%，遮蓋力數(shù)值為50.2、39.8、21.1、20.4、20.2 g/m2。

TiO2加入量從10%增加至90%過(guò)程中，復(fù)合鈦白粉白度表現(xiàn)為逐步增大趨勢(shì)，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、90%時(shí)白度分別為80.1%、93.2%；復(fù)合鈦白粉遮蓋力數(shù)值表現(xiàn)為下降趨勢(shì)（遮蓋力性能增加），TiO2加入量在10%～50%時(shí)遮蓋力數(shù)值下降較明顯，TiO2加入量50%～90%時(shí)遮蓋力數(shù)值下降平穩(wěn)，鈦白粉遮蓋力性能最佳。

綜合復(fù)合鈦白粉白度及遮蓋力兩方面的性能指標(biāo)，確定TiO2加入量50%較合適，此時(shí)復(fù)合鈦白粉白度90.5%，遮蓋力數(shù)值為21.5 g/m2，吸油量為20.8 g/100 g。

2.2 復(fù)合鈦白粉的性能測(cè)試和表征

復(fù)合鈦白粉制備的最佳工藝參數(shù)：氧化鐵紅加入量0.06%、氧化鐵黃加入量0.05%、TiO2加入量50%，該工藝參數(shù)條件下制備復(fù)合鈦白粉，取試樣進(jìn)行性能測(cè)試及表征。

2.2.1 性能測(cè)試

制備的復(fù)合鈦白粉白度為93.5%，遮蓋力數(shù)值為20.1 g/m2，吸油量為0.234 g/g。復(fù)合鈦白粉的白度及遮蓋力性能接近鈦白粉，復(fù)合鈦白粉可取代部分鈦白粉用于造紙?zhí)盍稀?/p>

2.2.2 表征

掃描電子顯微鏡分析可知，在復(fù)合鈦白粉中碳酸鈣粒子顆粒大小比較均勻，大部分碳酸鈣粒子表面被二氧化鈦顆粒包覆，碳酸鈣粒子粒徑變小。

對(duì)比碳酸鈣、鈦白粉IR 光譜數(shù)據(jù)，復(fù)合鈦白粉IR 光譜數(shù)據(jù)中在621 cm-1處增加一個(gè)小吸收峰，為C—O—Ti 鍵，這說(shuō)明在制備復(fù)合鈦白粉過(guò)程中碳酸鈣與鈦白粉表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了新鍵。

3 結(jié)論

以重介碳酸鈣為母體，加入鈦白粉、氧化鐵紅、氧化鐵黃、分散劑等物質(zhì)，采用機(jī)械化學(xué)法制備復(fù)合鈦白粉。最佳工藝參數(shù)：氧化鐵紅加入量0.06%、氧化鐵黃加入量0.05%、TiO2加入量50%，制備的復(fù)合鈦白粉白度為93.5%，遮蓋力數(shù)值為20.1 g/m2。復(fù)合鈦白粉整體性能接近鈦白粉，可取代部分鈦白粉用于造紙?zhí)盍稀?/p>