一种复合型钛白粉的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于化工领域，涉及一种钛白粉的制备方法，尤其涉及一种复合型钛白粉的制备方法。
背景技术
[0002] 二氧化钛 (TiO2) 是一种多晶体型化合物，它有三种晶型 ：金红石型 (rutile)、锐钛矿型 (anatase) 和板钛矿型 (brookite)，其中金红石型 TiO2 的热力学稳定性最好，锐钛矿型和板钛矿型TiO2的热力学稳定性都较差，属亚稳相结构，在600℃以上的焙烧温度亚稳相都可转变为稳定的金红石型结构。
[0003] 二氧化钛俗称钛白粉，作为目前最好的白色添加剂，具有优异的白度、遮盖力、耐候性等物理化学性能，随着现代化建设的不断进步和人们生活水平的不断提高，钛白粉的市场供应不足，所以价格较高，尤其是在一些应用领域如涂料、塑料等产品中，很大程度上限制了其应用范围。迫于产品成本的压力，国内外都在努力研究和探索复合型钛白粉，以节约钛白粉的内核，将钛白粉的用量降低至最小，从而节约生产成本。
[0004] 制备复合钛白粉，首先得得到金红石型钛白粉，目前二氧化钛的制备方法有很多，其中液相法主要采用溶胶凝胶法氧化法，同时气相法主要通过惰性气体原位加压法、气相水解法来制备钛白粉，但是钛白粉的制备过程都需要经过晶型的转变制得金红石型 TiO2，而相变过程只能通过高温热处理才能实现。这对于工业生产钛白粉来说，会大大提高对设备材质的要求，同时高温相变所需能量的消耗，都会大大提高生产成本，不利于企业地长远发展。
[0005] 目前报道的一些制备复合型钛白粉的方法，其中一种方法是以钛盐、氢氟酸、硼酸为原料，在液相体系中，将 TiO2 沉积在高岭土颗粒表面，让二氧化钛膜均匀地包覆在高岭土表面，这样可以很大程度地增加高岭土的遮盖力，但此法需要高温热处理，而且生产工艺也很复杂。另一种方法是通过利用自制恒温控制改性反应器，将一定量的超细煤系煅烧高岭土和介质水投入反应器，开启搅拌，使其充分分散，然后逐步加热到所需温度，再滴加一定量的钛盐溶液进行包覆，使生成的二氧化钛颗粒均匀的包覆在高岭土表面。此法很好避免高温条件，就可以包覆一层致密的二氧化钛薄层，但是基体悬浮液的浓度太低，工业化产量太低，造成原料的浪费，使得复合型钛白粉的成本升高。此外，还有一些制备复合钛白粉的专利，如中国专利 CN 1052127 用硅灰石、二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝等与硅氧烷偶联剂进行复合。中国专利 CN 103351648A 用这重晶石、轻质碳酸钙、硅酸钠、增白剂 TA、钛白粉制备得到的复合钛白粉，这些制备方法得到的复合钛白粉的性能能很好作为钛白粉的替代品，应用在塑料、橡胶等领域，很好地改善塑料、橡胶的性能，但是上述方法制备的复合型钛白粉大部分工艺相对比较复杂，产量低，使得生产成本较高，很难实现工业化生产。
发明内容
[0006] 针对复合型钛白粉生产成本高的问题，本发明提供一种复合型钛白粉的制备方法，其特征在于，所述方法按下述的方案实现 ：
[0007] (1) 金红石型钛白粉的制备
[0008] 称取30～100g固体Ti(NO3)4溶于去离子水中，配制成质量浓度为15％的溶液，然后一次性加入三口瓶中 ；在室温下将 2mol/L 的氨水溶液滴加到三口瓶中，并不断搅拌，调节到适当 pH 为 6 ～ 9 时停止滴加氨水溶液，此时生成新鲜的 Ti(OH)4 白色沉淀，反应完全后将所得沉淀离心分离，并水洗至体系中无硝酸根离子。然后把 Ti(OH)4 沉淀分散在 0.5mol/L ～ 2mol/LHCl 溶液中，其中在此过程要保证 HCl 与 Ti4+ 的摩尔比在 3 ～ 3.5:1 之间，设置温度在 35 ～ 80℃，回流胶溶 5min ～ 4h，所得沉淀离心分离，用无水乙醇和去离子水分别洗三次，然后于 100℃烘干，即得到金红石型 TiO2 粉末。
[0009] (2) 复合钛白粉的制备
[0010] 将经称量的无机矿物粉体与六偏磷酸钠混合均匀，经超细粉磨分散后制成悬浮液投入反应釜，常温搅拌 10 ～ 30min，同时滴加 Na2SiO3 溶液及 Ti(NO3)4 溶液，并用酸或者碱调节 pH 值在 8 ～ 9，滴完后常温下搅拌反应 30min ～ 60min，搅拌速度为 200 ～ 800r/min，再滴加金红石型 TiO2 浆液，随后逐步升温至 70 ～ 90℃，保温反应 1 ～ 2h 后出锅，经抽滤、洗涤、干燥后，得到最终包覆反应产物，即复合钛白粉。
[0011] 所述无机矿物粉体为高岭土、超细硅酸铝、碳酸钙、硫酸钡、二氧化硅其中的至少一种。
[0012] 所述步骤 (2) 复合钛白粉的制备中的钛白粉、无机矿物粉体、硅酸钠的质量比是m(TiO2):m( 无机矿物粉体 ):m(Na2SiO3) ＝ 10 ～ 20:100:5 ～ 10，优选 m(TiO2):m( 无机矿物粉体 ):m(Na2SiO3) ＝ 20:100:6
[0013] 所述无机矿物粉体的颗粒度为 1000 ～ 2000 目，白度高于 90。
[0014] 所述步骤 (2) 复合钛白粉的制备中 Ti(NO3)4 溶液的浓度为 15％，将其缓慢滴加至反应体系中。
[0015] 所述步骤(2)复合钛白粉的制备中无机矿物粉体的悬浮液浓度为15～30％，优选无机矿物粉体的悬浮液浓度 25％
[0016] 所述步骤 (2) 复合钛白粉的制备中酸为稀硝酸、稀硫酸、稀盐酸中任意一种，酸的摩尔浓度为 0.1 ～ 2mol/L。
[0017] 所述步骤 (2) 复合钛白粉的制备中碱为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液中任意一种，碱的摩尔浓度为 0.1 ～ 2mol/L。
[0018] 本发明的优势在于 ：在室温条件下合成金红石型 TiO2，此法能够很好地克服生产工艺中高温固相反应过程，在常压室温下就可以直接制备金红石型 TiO2，大幅度降低了生产成本，而且易于实现工业生产。同时将制备出来的金红石型 TiO2 包覆价格低廉的白色无机矿物粉体，在TiO2用量最少的情况下，使白色矿物粉体具有TiO2的某些性质，如高的遮盖力和优异的耐候性能。在塑料中添加这种自制的复合钛白粉能显著提高塑料的白度和光泽度，与国内外的相似产品相比具有价格优势，而且性能优异，更易于工业化生产，有广阔的市场前景。应用此方法制备的产品具有生产成本低、原料来源充足、无环境污染、应用范围广、经济效益显著等优点，对降低资源消耗、保护环境和扩大钛白粉应用领域都具有积极作用。因此，复合钛白粉的生产经营将会很大程度促进经济和社会的发展。
具体实施方式
[0019] 下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0020] 实施例 1 ：一种复合型钛白粉的制备方法，所述方法按下述的方案实现 ：
[0021] (1) 金红石型钛白粉的制备
[0022] 称取 30g 固体 Ti(NO3)4 溶于去离子水中，配制成质量浓度为 15％的溶液，然后一次性加入三口瓶中 ；在室温下将 2mol/L 的氨水溶液滴加到三口瓶中，并不断搅拌，调节到适当pH为7.5时停止滴加氨水溶液，此时生成新鲜的Ti(OH)4白色沉淀，反应完全后将所得沉淀离心分离，并水洗至以体系中无硝酸根离子。然后把 Ti(OH)4 沉淀分散在 0.5mol/HCl溶液中，其中在此过程要保证 HCl 与 Ti4+ 的摩尔比在 3:1 之间，设置温度在 55℃，回流胶溶25min，所得沉淀离心分离，用无水乙醇和去离子水分别洗三次，然后于 100℃烘干，即得到金红石型 TiO2 粉末，得到的钛白粉平均晶粒度为 120nm。
[0023] (2) 复合钛白粉的制备
[0024] 将经称量颗粒度为 1000 目的超细硅酸铝与六偏磷酸钠混合均匀，经超细粉磨分散后制成悬浮液投入反应釜，常温搅拌 20min，同时滴加 Na2SiO3 溶液，其中 m(TiO2):m( 无超细硅酸铝 ):m(Na2SiO3) ＝ 10:100:5，后将浓度为 15％ Ti(NO3)4 溶液慢慢滴加到反应体系中，并用 0.2mol/L 稀硝酸调节 pH 值至 8，滴完后常温下搅拌反应 30min，搅拌速度为 600r/min，再滴加金红石型 TiO2 浆液，随后逐步升温至 80℃，保温反应 2h 后出锅，经抽滤、洗涤、干燥后，得到最终包覆反应产物，即复合钛白粉 A1。
[0025] 实施例 2 ：一种复合型钛白粉的制备方法，所述方法按下述的方案实现 ：
[0026] (1) 金红石型钛白粉的制备
[0027] 称取 30g 固体 Ti(NO3)4 溶于去离子水中，配制成质量浓度为 15％的溶液，然后一次性加入三口瓶中 ；在室温下将 2mol/L 的氨水溶液滴加到三口瓶中，并不断搅拌，调节到适当 pH 为 8 时停止滴加氨水溶液，此时生成新鲜的 Ti(OH)4 白色沉淀，反应完全后将所得沉淀离心分离，并水洗至以体系中无硝酸根离子。然后把 Ti(OH)4 沉淀分散在 0.5mol/HCl溶液中，其中在此过程要保证 HCl 与 Ti4+ 的摩尔比在 3:1 之间，设置温度在 60℃，回流胶溶20min，所得沉淀离心分离，用无水乙醇和去离子水分别洗三次，然后于 100℃烘干，即得到金红石型 TiO2 粉末，得到的钛白粉平均晶粒度为 124nm。
[0028] (2) 复合钛白粉的制备
[0029] 将经称量颗粒度为 1000 目的碳酸钙与六偏磷酸钠混合均匀，经超细粉磨分散后制成悬浮液投入反应釜，常温搅拌 20min，同时滴加 Na2SiO3 溶液，其中 m(TiO2):m( 碳酸钙 ):m(Na2SiO3) ＝ 15:100:6，后将浓度为 15％的 Ti(NO3)4 溶液慢慢滴加到反应体系中，并用 0.5mol/L 稀硝酸调节 pH 值至 8，滴完后常温下搅拌反应 20min，搅拌速度为 800r/min，再滴加金红石型 TiO2 浆液，随后逐步升温至 80℃，保温反应 2h 后出锅，经抽滤、洗涤、干燥后，得到最终包覆反应产物，即复合钛白粉 A2。
[0030] 实施例 3 ：一种复合型钛白粉的制备方法，所述方法按下述的方案实现 ：
[0031] (1) 金红石型钛白粉的制备
0032] 称取 30g 固体 Ti(NO3)4 溶于去离子水中，配制成质量浓度为 15％的溶液，然后一次性加入三口瓶中 ；在室温下将 2mol/L 的氨水溶液滴加到三口瓶中，并不断搅拌，调节到pH 为 8 时停止滴加氨水溶液，此时生成新鲜的 Ti(OH)4 白色沉淀，反应完全后将所得
沉淀离心分离，并水洗至以体系中无硝酸根离子。然后把 Ti(OH)4 沉淀分散在 0.5mol/HCl溶液中，其中在此过程要保证 HCl 与 Ti4+ 的摩尔比在 3.5:1 之间，设置温度在 70℃，回流胶溶 10min，所得沉淀离心分离，用无水乙醇和去离子水分别洗三次，然后于 100℃烘干，即得到金红石型 TiO2 粉末，得到的钛白粉平均晶粒度为 136nm。
[0033] (2) 复合钛白粉的制备
[0034] 将经称量颗粒为 1500 目的高岭土与六偏磷酸钠混合均匀，经超细粉磨分散后制成悬浮液投入反应釜，常温搅拌 20min，同时滴加 Na2SiO3 溶液，其中 m(TiO2):m( 高岭土 ):m(Na2SiO3) ＝ 15:100:6，后将浓度为 15％的 Ti(NO3)4 溶液慢慢滴加到反应体系中，用 0.5mol/L 稀硝酸调节 pH 值至 8，滴完后常温下搅拌反应 20min，搅拌速度为 800r/min，再滴加金红石型 TiO2 浆液，随后逐步升温至 80℃，保温反应 2h 后出锅，经抽滤、洗涤、干燥后，得到最终包覆反应产物，即复合钛白粉 A3。
[0035] 实施例 4 ：一种复合型钛白粉的制备方法，所述方法按下述的方案实现 ：
[0036] (1) 金红石型钛白粉的制备同实施例 3
[0037] (2) 复合钛白粉的制备
[0038] 将经称量颗粒度为 2000 目的硫酸钡与六偏磷酸钠混合均匀，经超细粉磨分散后制成悬浮液投入反应釜，常温搅拌 20min，同时滴加 Na2SiO3 溶液，其中 m(TiO2):m( 硫酸钡 ):m(Na2SiO3) ＝ 15:100:6，后将浓度为 15％的 Ti(NO3)4 溶液慢慢滴加到反应体系中，并用 0.5mol/L 稀硝酸调节 pH 值至 8滴完后常温下搅拌反应 20min，搅拌速度为 800r/min，再滴加金红石型 TiO2 浆液，随后逐步升温至 80℃，保温反应 2h 后出锅，经抽滤、洗涤、干燥后，得到最终包覆反应产物，即复合钛白粉 A4。
[0039] 实施例 5 ：一种复合型钛白粉的制备方法，所述方法按下述的方案实现 ：
[0040] (1) 金红石型钛白粉的制备同实施例 3
[0041] (2) 复合钛白粉的制备
[0042] 将经称量颗粒度为 1000 目的二氧化硅与六偏磷酸钠混合均匀，经超细粉磨分散后制成悬浮液投入反应釜，常温搅拌 20min，同时滴加 Na2SiO3 溶液，其中 m(TiO2):m( 二氧化硅 ):m(Na2SiO3) ＝ 15:100:6，后将浓度为 15％的 Ti(NO3)4 溶液慢慢滴加到反应体系中，并用 0.5mol/L 稀硝酸调节 pH 值至 8，滴完后常温下搅拌反应 20min，搅拌速度为 800r/min，再滴加金红石型 TiO2 浆液，随后逐步升温至 80℃，保温反应 2h 后出锅，经抽滤、洗涤、干燥后，得到最终包覆反应产物，即复合钛白粉 A5。
[0043] 实施例 6 ：一种复合型钛白粉的制备方法，所述方法按下述的方案实现 ：
[0044] (1) 金红石型钛白粉的制备同实施例 3
[0045] (2) 复合钛白粉的制备
[0046] 将经称量颗粒度为 1000 目的混合无机矿物颗粒 ( 碳酸钙与二氧化硅 ) 与六偏磷酸钠混合均匀，其中碳酸钙与二氧化硅的质量比 1:1，经超细粉磨分散后制成悬浮液投入反应釜，常温搅拌 20min，同时滴加 Na2SiO3 溶液，其中 m(TiO2):m( 混合无机矿物颗粒 ):m(Na2SiO3) ＝ 15:100:6，后将浓度为 15％的 Ti(NO3)4 溶液慢慢滴加到反应体系中，并用 0.5mol/L 稀硝酸调节 pH 值至 8，滴完后常温下搅拌反应 20min，搅拌速度为 800r/min，再滴加金红石型 TiO2 浆液，随后逐步升温至 80℃，保温反应 2h 后出锅，经抽滤、洗涤、干燥后，得到最终包覆反应产物，即复合钛白粉 A6。
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