第一章 概 述

1.1名稱

鈦白粉的化學名稱：二氧化鈦，分子式TiO2 ，分子量79.9，其質(zhì)量組成中59.95%為Ti，O占40.05%。

英文名：Titanic anhydride；Titanic oxide；Titanium dioxide；Titanium white；Titania；Titanium dioxide pigment。

別名：鈦白，鈦白粉。

通常人們把在涂料、油墨、塑料、橡膠、造紙、化纖、美術顏料和日用化妝品等行業(yè)中以白色顏料為主要使用目的的二氧化鈦稱為鈦白粉、二氧化鈦顏料或鈦白，而把在搪瓷、電焊條、陶瓷、電子、冶金等工業(yè)部門以純度為主要使用目的的二氧化鈦稱為二氧化鈦或非顏料級鈦白粉、非涂料用鈦白粉。

1.2二氧化鈦工業(yè)生產(chǎn)情況

二氧化鈦是一種重要的無機化工原料，無毒、對健康無害，是最重要的白色顏料，占全部白色顏料使用量的80%。從全世界范圍來說，所開采的鈦礦90％以上用于TiO2 顏料的生產(chǎn)。1998年，世界總的TiO2 顏料消費量為355萬噸，按2000美元/噸的單價計其總價值為70億美元，是僅次于合成氨和磷酸的第三大無機化工產(chǎn)品。許多發(fā)達國家都將其列為關鍵化學品行列，在某些國家和地區(qū)，其生產(chǎn)量與國民生產(chǎn)總值成正比，它已成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平高低的重要標志之一。

鈦白粉的工業(yè)生產(chǎn)方法有氯化法和硫酸法兩種，其中56%為氯化法產(chǎn)品，這種產(chǎn)品的70%以上又產(chǎn)自美國杜邦、克爾麥吉公司和美資美聯(lián)公司，其他國家的鈦白粉工廠仍以硫酸法為主。我公司擬建的鈦白裝置也屬于硫酸法。我國鈦資源儲量居世界之首，到2000/2001年上半年，全國各鈦白生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能總和將達到38萬t/a。除錦州鐵合金總廠為氯化法生產(chǎn)外，其余廠家均為硫酸法。世界鈦白粉生產(chǎn)的特點是技術高度壟斷，迄今為止，世界上只有20幾個國家、30多家公司、50來家工廠生產(chǎn)鈦白粉。美國杜邦公司、英國二氧化鈦集團、美國美聯(lián)無機化工公司、美國克朗諾斯公司、芬蘭凱米拉公司以及美國克爾麥吉公司擁有世界鈦白粉生產(chǎn)能力的78%。由于其生產(chǎn)的高度壟斷和廣泛的應用范圍，使得它又是一種貿(mào)易量很大的商品。

1.3生產(chǎn)消費情況及價格分析

1.3.1國外情況

1.3.1.1生產(chǎn)消費情況

目前，世界鈦白粉的生產(chǎn)能力約419萬t/a，主要集中在北美、西歐和日本，這三個地區(qū)的生產(chǎn)能力約占世界總能力的80%。今后，世界鈦白粉產(chǎn)能將以年均2.5%的速度增長，到2005年可達到522萬t/a。

世界鈦白粉消費量：1996年為352.5萬t；1997年為362.1萬t；1998年估計為355t。今后全球鈦白粉消費量將以年均2.7%的速度增長，到2005年將達到448.6萬t。

1.3.1.2價格分析

1980年，美國金紅石鈦白粉價格為1400美元/t。1982年以后，全球產(chǎn)品短缺，價格連續(xù)上漲，到1989年則達到2270美元/t，美國以外地區(qū)的鈦白粉價格遠高于美國，西歐金紅石鈦白粉的價格為3000美元/t，日本為3600～3900美元/t，我國臺灣省為3150美元/t。1989年以后，受80年代高需求和高價格的刺激，致使90年代初期鈦白粉生產(chǎn)能力擴張過度而使全球供應大于需求，加之美國及西歐經(jīng)濟衰退等原因，鈦白粉需求下降，其價格從1990年開始一路下跌，到1994年第一季度已跌至1500美元/t。1994年下半年，隨著世界絕大多數(shù)地區(qū)經(jīng)濟全面復蘇，鈦白粉價格也止跌回升，1995 年7月又出現(xiàn)一次價格高峰，全球鈦白粉價格上升為2075美元/t。此后，由于世界經(jīng)濟的又一次衰退，導致1995年下半年到1996年的連續(xù)跌價現(xiàn)象從1995年2月的2029美元/t一直降至1996年7月的1801美元/t。1997年初，由于歐洲和美國房屋和汽車市場的好轉，疲軟了兩年的歐美涂料市場開始反彈這直接牽動全球鈦白行業(yè)，使其進入新一輪的復蘇階段，價格不斷上漲，至1999年5月，全球鈦白粉漲至如下價格：亞洲和拉美地區(qū)1900～2000美元/t；歐洲2050～2250美元/t；北美2150～2350美元/t。

根據(jù)目前全球經(jīng)濟形勢及鈦白粉供需關系，預計今后全球鈦白粉價格將在2200美元/t上下波動。

1.3.2國內(nèi)情況

1.3.2.1生產(chǎn)消費情況

我國鈦白粉的研究始于50 年代中期，但其大發(fā)展卻是在80年代中后期。1998年，我國包括生產(chǎn)非顏料級在內(nèi)的鈦白廠家近50家，其中生產(chǎn)能力達到1萬t/a及以上的有6家，它們是：鎮(zhèn)江鈦白粉廠、核工業(yè)404廠、重慶渝鈦白、南京油脂化工廠、上海焦化鈦白粉廠和錦州氯化法鈦白。除錦州為氯化法生產(chǎn)外，其余廠家均為硫酸法。1998年，全國包括非顏料級在內(nèi)的鈦白總產(chǎn)能為18～19萬t/a，其中純非顏料級的為2萬t/a；在顏料級的總產(chǎn)能中，金紅石型占5萬余t/a（含錦州氯化法）。1998年，全國的總產(chǎn)量為14萬t，其中金紅石型1.8萬t，銳鈦型6.7萬余t，其它產(chǎn)品5萬余t。由于從1998年起的鈦白行業(yè)大擴產(chǎn)，到2000/2001年（上半年），全國鈦白產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)能將達到38萬t/a左右。隨著我國經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)定、快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，各行業(yè)對鈦白粉的需求量有顯著增長，預計到2005年，我國對鈦白粉的需求量將達到約30萬t/a。

1.3.2.2價格分析

國內(nèi)鈦白市場價格分為兩部分，即銳鈦型和金紅石型鈦白粉。由于經(jīng)濟發(fā)展比較平穩(wěn)，國產(chǎn)鈦白粉的價格沒有太大波動。目前金紅石型鈦白粉的價格約為15000～16000元/t，銳鈦型BA01-01價格約在10000～11000元/t。進口金紅石型鈦白粉價格在國內(nèi)市場波動較大，1989年最高價格為32000元/t，1992年最低價格只有12000元/t，近年價格多在15000～21000元/t之間。價格波動的原因一方面是受國際市場價格影響，另一方面與人民幣匯率有關。

第二章 二氧化鈦的性質(zhì)

2.1晶體性質(zhì)

二氧化鈦在自然界有三種結晶形態(tài)：金紅石型、銳鈦型和板鈦型。板鈦型屬斜方晶系，是不穩(wěn)定的晶型，在650℃以上即轉化成金紅石型，因此在工業(yè)上沒有實用價值。銳鈦型在常溫下是穩(wěn)定的，但在高溫下要向金紅石型轉化。其轉化強度視制造方法及煅燒過程中是否加有抑制或促進劑等條件有關。一般認為在165℃以下幾乎不進行晶型轉化，超過730℃時轉化得很快。金紅石型是二氧化鈦最穩(wěn)定的結晶形態(tài)，結構致密，與銳鈦型相比有較高的硬度、密度、介電常數(shù)與折光率。金紅石型和銳鈦型都屬于四方晶系，但具有不同的晶格，因而X射線圖象也不同，銳鈦型二氧化鈦的衍射角位于25.5°，金紅石型的衍射角位于27.5°。金紅石型的晶體細長，呈棱形，通常是孿晶；而銳鈦型一般近似規(guī)則的八面體。

金紅石型比起銳鈦型來說，由于其單位晶格由兩個二氧化鈦分子組成而銳鈦型卻是由四個二氧化鈦分子組成，故其單位晶格較小且緊密，所以具有較大的穩(wěn)定性和相對密度，，因此具有較高的折射率和和介電常數(shù)及較低的熱傳導性。

二氧化鈦的三種同分異構體中只有金紅石型最穩(wěn)定，也只有金紅石型可通過熱轉換獲得。天然板鈦礦在650℃以上即轉換為金紅石型，銳鈦礦在915℃左右也能轉變呈金紅石型。

2.2物理性質(zhì)

2.2.1相對密度

二氧化鈦的相對密度隨其結晶形態(tài)、粒徑大小、化學組分、特別是與表面處理量大小有關，在制造過程中，隨煅燒溫度的提高和煅燒時間的延長而增長。在常用的白色顏料中，二氧化鈦的相對密度最小，同等質(zhì)量的白色顏料，二氧化鈦的表面積最大，顏料體積最高。銳鈦型二氧化鈦的相對密度3.8～3.9g/cm3 ，金紅石型二氧化鈦的相對密度為4.2～4.3g/cm3 。

2.2.2熔點和沸點

由于銳鈦型和板鈦型二氧化鈦在高溫下都會轉變成金紅石型，因此它們的熔點和沸點實際上是不存在的。金紅石型二氧化鈦的熔點數(shù)值各資料記載不一致，一般認為在1800~1875℃，有資料介紹在空氣中的熔點為1830±15℃，而在富氧中的熔點為1879±15℃，熔點與二氧化鈦的純度有關。金紅石型二氧化鈦的沸點為（3200±300）K。

2.2.3介電常數(shù)

由于二氧化鈦的介電常數(shù)較高，因此具有優(yōu)良的電學性能。在外電場的作用下，其離子之間相互作用，形成了極強的局部內(nèi)電場。在這個內(nèi)電場的作用下，離子外層電子軌道發(fā)生了強烈變形，離子本身也隨之發(fā)生了很大位移。二氧化鈦晶型所含微量雜質(zhì)等都對介電常數(shù)影響很大。金紅石型的介電常數(shù)隨二氧化鈦晶體的方向而不同：當與C軸相平行時，測得其介電常數(shù)180；呈直角時為90；其粉末平均值為114。銳鈦型二氧化鈦的介電常數(shù)只有48。

2.2.4電導率

二氧化鈦具有半導體的性能，其電導率隨溫度的上升而迅速增加，而且對缺氧也非常敏感。如金紅石型二氧化鈦在20℃時還是絕緣體，但加熱到420℃時電導率增加了107 倍；按化學計量組成的二氧化鈦（TiO2 ）電導率＜10-10 s/m，而當二氧化鈦失去少量氧時如TiO1.9995 的電導率卻有10-1 s/m。電子工業(yè)常利用金紅石型二氧化鈦的介電常數(shù)和半導體性質(zhì)來生產(chǎn)陶瓷電容器等電子元器件。

2.2.5硬度

若以10分制標度的莫氏硬度計時(它的數(shù)值僅表示各種晶體硬度的級別并不表示其真實比值)，銳鈦型二氧化鈦的硬度為5.5～6.0，金紅石型二氧化鈦為6～7。硬度與二氧化鈦的晶型結構有關，在生產(chǎn)中與產(chǎn)品的純度和煅燒溫度有關，溫度高容易燒結，硬度也隨之增高。正是由于金紅石型二氧化鈦的硬度高，難粉碎因而對噴絲孔的磨損率較高，對輥筒的磨損也較大，所以不適用于化學纖維消光和照相凹板印刷。

2.2.6吸濕性

二氧化鈦雖具有親水性，但吸濕性不太強，銳鈦型的吸濕性比金紅石型大一些。二氧化鈦的吸濕性與其表面處理時的處理劑性質(zhì)有關，也與其比表面積的大小有一定的關系，比表面積大的吸濕性也略高。

2.2.7熱穩(wěn)定性

二氧化鈦屬于熱穩(wěn)定性的化合物，在真空下強熱時會有輕微的失氧現(xiàn)象，并伴隨顯出暗藍色，該反應是可逆的，冷卻后會恢復到原來的白色。

2.3化學性質(zhì)

二氧化鈦無毒，化學性質(zhì)很穩(wěn)定，常溫下幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生反應，是一種偏酸性的兩性氧化物。與氧、硫化氫、二氧化硫、二氧化碳和氨都不起反應，也不溶于水、脂肪酸和其他有機酸及弱無機酸，微溶于堿和熱硝酸，只有在長時間煮沸條件下才能完全溶于濃硫酸和氫氟酸。

其反應方程式如下：

TiO2 + 6HF = H2 TiF6 + 2H2 O

TiO2 + 2H2 SO4 = Ti(SO4 )2 + 2H2 O

TiO 2 + H2 SO4 = TiOSO4 + H2 O

其溶解速度與水合二氧化鈦的煅燒溫度有關，煅燒溫度越高溶解速度越慢。為了加速溶解，可在硫酸中加入硫酸銨、堿金屬硫酸鹽或過氧化氫。這是因為硫酸銨等的加入，使硫酸的沸點增高，加速了二氧化鈦的溶解。

與酸式硫酸鹽（如硫酸氫鉀）或焦硫酸鹽（如焦硫酸鉀）共熔，可轉變微可溶性的硫酸氧鈦或硫酸鈦：

TiO2 + 2KHSO4 = TiOSO4 +K2 SO4 + H2 O

TiO 2 + 4K2 S2 O7 = Ti(SO4 )2 +4K2 SO4 + 2SO3

能熔于堿，與強堿（氫氧化鈉、氫氧化鉀）或堿金屬碳酸鹽（碳酸鈉、碳酸鉀）熔融，可轉化為可溶于酸的鈦酸鹽：

TiO2 + 4NaOH = Na4 TiO4 + 2H2 O

在高溫下，如有還原劑（碳、淀粉、石油焦）存在，二氧化鈦能被氯氣氯化成四氯化鈦，其反應方程式如下：

TiO2 +2C +2Cl2 = TiCl4 + 2CO

這個反應就是氯化法生產(chǎn)鈦白粉的理論基礎，但是此反應若無還原劑混配，即使在1800℃下，也不會與氯氣發(fā)生氯化反應。同樣二氧化鈦與氯化硫蒸汽共熱，或與COCl2 、CCl4 、SiCl4 、POCl3 等作用，也能被氯化成四氯化鈦。

二氧化鈦在高溫下可被氫、鈉、鎂、鋁、鋅、鈣及某些變價元素的化合物還原成低價鈦的化合物，但很難還原成金屬鈦。如將干燥的氫氣通入赤熱的二氧化鈦，可得到Ti2 O3 ；在2000℃、15.2MPa的氫氣中，也只能獲得TiO，但是若將金紅石型鈦白粉噴入等離子室中，則可與氫氣反應而被還原成金屬鈦。反應方程式如下：

2TiO2 + H2 = Ti2 O3 + H2 O

TiO 2 + H2 = TiO+ H2 O

TiO 2 + 2H2 = Ti + 2H2 O

懸浮在某些有機介質(zhì)中的二氧化鈦，在光和空氣的作用下，可循環(huán)地被還原與氧化而導致介質(zhì)的被氧化，這種光化學活性，在紫外線照射下銳鈦型鈦白粉尤為明顯。這一性質(zhì)使二氧化鈦成為某些反應的有效催化劑，它既是某些無機化合物的光致氧化催化劑，又是某些有機化合物的光致還原催化劑。

2.4光學性質(zhì)

2.4.1折射率

折射率是指光線通過兩個在光學上不同介質(zhì)的界面時，因光的速度的變化而使入射方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做折射，光線入射角與折射角的正弦的比值稱為折射率。折射率隨物質(zhì)的化學組成、晶體結構以及光的波長不同而改變。

二氧化鈦的折射率在常見的白色物質(zhì)中是最高的，甚至超過金剛石。金紅石型二氧化鈦由于其單位晶格較小，原子堆積密度更緊密，因此比銳鈦型二氧化鈦的的折射率高。常見白色物質(zhì)的折射率見表2-1。

物 質(zhì)

折射率

物 質(zhì)

折射率

金剛石

2.47

氧化鋅

2.02

銳鈦型二氧化鈦

2.55

堿式碳酸鉛

2.00

金紅石型二氧化鈦

2.71

堿式硫酸鉛

1.93

硫化鋅

2.37

硫酸鋇

1.64

氧化銻

2.20

滑石粉

1.57

2.4.2散射力

光的散射即漫反射，是白色顏料最重要的物理性質(zhì)之一，又是形成白色顏料重要的光學效應——著色力（消色力）和遮蓋力的物理原因。

散射光主要包括反射光、折射光和衍射光。影響光的散射力的因素較大的有以下幾個方面：

（1）折射率

光的散射能力的大小取決于顏料和基料（載色劑）的折射率之差，其關系可用弗萊斯公式表示如下：

R=

式中R為相對反射率，n2 為顏料的折射率，n1 為基料的折射率。顏料與基料的折射率之差越大，反射率就越大，體系中的散射能力也就越高。由于二氧化鈦的在所有的白色顏料中的折射率最高，所以它對光的散射能力也最大。

（2）粒徑

涂料中的大部分漆料（樹脂）的折射率在1.45～1.60之間。當光散射力最大時，顏料粒徑D與入射光的波長、顏料的折射率n1 、漆料的折射率n2 之間的關系，可用下式表示：

D=2λ[π(n1 -n2 )]

可見光的波長為400～700nm，二氧化鈦粒子在可見光波長范圍內(nèi)，通常最適宜的粒徑范圍在0.15～0.35μm。所以無論是銳鈦型的二氧化鈦還是金紅石型的二氧化鈦，都應將粒徑控制在0.15～0.35μm為好，這樣才能獲得最高的散射力，其顏色也更白。

（3）分散性

無論光學性能有多好的二氧化鈦顏料，最終都要看它是否能以微細的顏料，粒子形式均勻地分散到介質(zhì)中，顏料中任何過多的凝聚、聚集和絮凝顆粒，都會對光的散射能力產(chǎn)生不良的影響。

兩種不同晶型的二氧化鈦中，由于金紅石型的折射率比銳鈦型的高，所以在有機介質(zhì)中，金紅石型的散射力要比銳鈦型高20%。

涂層中顏料粒子對光線的散射力的決定性影響因素是粒子的粒徑和體系中顏料的體積濃度（pigment volume concentration，簡稱PVC）。二氧化鈦顏料粒子的平均粒徑和粒徑分布是由生產(chǎn)工藝決定的，而二氧化鈦顏料在應用體系中的顆粒粒徑則取決于顏料的分散過程及分散效率。

2.4.3光澤度

光澤是人們?nèi)庋蹖ξ矬w表面所反射的光線強度的感覺，是一種觀察者的主觀效應。物體的光澤度是指物質(zhì)對投射來的光線的反射能力，反射能力越強光澤度越大。盡管在實際應用中顏料只是涂料組分的一種，顏料本身也并無光澤，涂膜才有光澤，但是顏料的特征卻能影響涂膜的光澤。

由于二氧化鈦既有高的反射率（可達到標準氧化鎂的96%～98%）又有高的不透明度，所以經(jīng)它著色后的材料色調(diào)鮮明。

涂膜中應用二氧化鈦顏料的主要原因是利用其不透明度和白度。影響二氧化鈦顏料成膜后光澤度的重要原因是它的粒徑和分散性，如果二氧化鈦的粒徑很細并能均勻地分散到漆料中，則涂膜表面光滑平整，能折射出鏡面般的光澤；如果二氧化鈦顏料的粒徑過粗，則其涂膜就會顯得粗糙，光澤度就會降低，并會帶有其它底色，著色后色調(diào)發(fā)暗。當然，如果應用體系中含有絮凝劑就會使顏料粒子絮凝導致涂膜表面不平整而對光澤不利。

2.4.4耐候性

耐候性是指含有二氧化鈦顏料的有機介質(zhì)（如涂膜）暴露在日光下，在氧氣和水分存在的條件下抵御紫外線侵蝕，抵抗大氣的作用，避免發(fā)生黃變、失光和粉化的能力。

耐候性主要取決于顏料的光學性質(zhì)和化學組成，也與暴露在自然光下的條件有關。由于二氧化鈦的晶格缺陷，使得它在日光特別是紫外線的照射及水等催化劑的作用下被還原為不穩(wěn)定的三氧化鈦，同時釋放出初生態(tài)氧，這個氧使作為漆基的有機物氧化，發(fā)生高分子的斷鏈和降解，變成可溶性或易揮發(fā)的物質(zhì)而破壞了漆膜的連續(xù)性。

工業(yè)生產(chǎn)中為了改善二氧化鈦漆膜的耐候性，在偏鈦酸煅燒前添加少量的鹽處理劑，或?qū)ζ溥M行包膜處理以堵塞其光活化點，隔絕二氧化鈦與光（紫外線）的直接接觸。

2.4.5光色互變現(xiàn)象

含有氧化鐵、氧化鎳、氧化鉻等雜質(zhì)的二氧化鈦在陽光的照射下會變?yōu)楹稚?，離開陽光后仍恢復原色；或在氧化氣氛中，將二氧化鈦加熱到200℃～600℃，二氧化鈦會變成黃褐色，冷卻后又恢復原色，這種現(xiàn)象稱為光色互變現(xiàn)象。

發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是由于二氧化鈦的光化學活性。二氧化鈦在日光照射下，吸收400nm以下的紫外光后所釋放出來的氧，使這些雜質(zhì)氧化，形成高價氧化物，停止照射，高價氧化物又轉化為低價氧化物而恢復原來的顏色。

2.5顏料性能

顏料性能與光學性質(zhì)密切相關，前者是后者的具體表現(xiàn)形式，二氧化鈦作為顏料的基本的顏料性質(zhì)如白度、遮蓋力、消色力、耐候性等都是其光學作用的結果。

2.4.5.1遮蓋力（Hiding power，亦稱不透明度opacity）

二氧化鈦最突出的顏料性質(zhì)就是有極強的遮蓋力，它是一種顏料能遮蔽被涂物體表面底色的能力，表達為剛達到完全遮蔽時，單位重量涂料所能涂覆的底材面積，或剛達到完全遮蔽時單位底材所需的涂料重量。

影響遮蓋力的主要因素是顏料晶體本身的折射率、粒徑及其粒徑分布及其分散性能，其光學本質(zhì)是顏料與周圍介質(zhì)折射率之差造成的。顏料的遮蓋力與折射率之間的關系可用下式表示：

HP∞m2 ∞0.16（np -nb ）2

式中 HP—遮蓋力；

n p —顏料的折射率；

n b —展色劑（基料）的折射率；

m—為Lorentz指數(shù)，m=0.4(np -nb )。

從上式可以看出，當顏料的折射率和基料的折射率相等時涂膜就是透明的；顏料的折射率大于基料的折射率，涂膜就呈不透明，兩者差距越大，涂膜的不透明度就越高，顏料的遮蓋力就越強。由于不同基料（展色劑）的折射率相差不大，所以一般情況下由基料不同而引起的遮蓋力的差異也不大，顏料的遮蓋力主要取決于其本身折射率的大小，二氧化鈦是所有常見白色物質(zhì)中折射率最大的，故它的遮蓋力最高。當然顏料的遮蓋力還與顏料的粒徑、粒徑分布及其分散性能有關。

2.4.5.2著色力（Tinting strength）和消色力（Reducing power，Whiteing power，Achromatic）

顏料的著色力是指它加入到一種涂料中以后能改變該種涂料的色彩并呈現(xiàn)自身色彩的能力。有時為了區(qū)分著色顏料和白色顏料，把著色顏料的著色能力稱為著色力，而把白色顏料的著色能力稱為消色力。

我國現(xiàn)行國標對二氧化鈦顏料的評價采用的是與標樣相比較的方法，是在特制的含有群青的藍色漿料中加入定量的二氧化鈦制成的漿料，再與標準二氧化鈦制成的漿料進行色彩比較，并以%表示，稱為相對消色力。國外商業(yè)上有時習慣用雷諾值（Renolds）表達顏料的消色力，方法是將碳黑或群青與油加入等量的標樣和試樣中，直到兩者明度一致時，根據(jù)試樣中所加入著色劑的量，在已標定的指數(shù)表中讀取相應的數(shù)值。

著色力是顏料對光的吸收和散射的結果，但是對二氧化鈦這種白色顏料來說，由于其對光的吸收非常小，所以它的消色力僅是散射系數(shù)的函數(shù)。二氧化鈦在白色顏料中的折射率最高，因而其消色力也高于其它白色顏料。

同遮蓋力一樣，二氧化鈦的消色力與其顏料的粒徑、粒徑分布和分散性有關。

2.4.5.3白度

白度就是物質(zhì)對可見光吸收和反射兩部分之比，它又綜合了亮度和色調(diào)兩種光學效果。根據(jù)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(shù)K和散射系數(shù)S有如下函數(shù)關系：

由上式可知R∞ 與K/S成反比，K減少，S增大，白度和亮度就增大。

影響二氧化鈦白度的因素是復雜的，在鈦白粉的生產(chǎn)中，具有實際意義的是二氧化鈦中的雜質(zhì)含量和粒徑與粒徑分布。因此為了提高白度，除了盡可能地減少雜質(zhì)含量，提高化學純度，避免二氧化鈦晶格出現(xiàn)缺陷來降低K外，同時還要調(diào)整和控制二氧化鈦的粒徑和粒徑分布，增強其分散性，提高S。

白度通常是以顏色指數(shù)（color index，簡稱CI）表達的。通過測定二氧化鈦顏料在紅（G）、綠（G）、藍（B）光下的反射值，按下式進行計算：

顏色指數(shù) CI=

計算后若為正值，表示顏料呈黃相；負值表示呈藍相。

2.4.5.4吸油量

顏料的吸油量是指每100g顏料，在達到完全濕潤時需要用油的最低質(zhì)量，常用百分率來表示。吸油量既是鈦白粉的一種重要的顏料性質(zhì)，也是一個評價顏料優(yōu)劣的指標，吸油量低的顏料有較高的顏料體積濃度（PVC），可以充分發(fā)揮顏料的各種光學性能。

影響吸油量的因素很多，如粒子小，比表面積大，粒子表面所包覆的油多，吸油量就高；凝聚和絮凝的顆粒多，粒子之間的間隙較大，間隙中所填充的油多，吸油量也高；片狀顆粒，在捏合時呈平行排列，孔隙小，吸油量低；針狀或不規(guī)則形狀的顆粒，由于孔隙較大，吸油量高；而接近球形的顆粒，理論上吸油量在40%左右。

在生產(chǎn)中要降低吸油量，減少顏料的粒子的凝聚和絮凝的程度是重要的手段之一。

2.4.5.5分散性

分散性又稱研磨分散性或研磨濕潤性，在以水為使用介質(zhì)時（如化纖、造紙用鈦白粉）則稱為水分散性。

分散性是鈦白粉的重要的應用指標，任何優(yōu)秀的顏料，只有它的顆粒能夠均勻地分散到展色劑中，才能充分體現(xiàn)它的各種光學效果和顏料性能。分散性的好壞不僅影響鈦白粉的消色力、遮蓋力、吸油量等指標，而且也影響涂料成膜后的光澤和耐候性能。為了提高鈦白粉在不同介質(zhì)中的分散性能，通常要在無機表面處理后，添加各種不同的表面活性劑以增強其在不同展色劑中的分散性。

影響鈦白粉顏料分散性的因素主要有：粒徑大小、比表面積、表面自由能、表面電荷、pH值、極性、表面吸附狀態(tài)等表面性質(zhì)，也與展色劑的性質(zhì)有關。

第三章 二氧化鈦的應用

TiO2 是一種性能最為優(yōu)異的白色顏料，廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域。迄今為止，凡是著白色或淺色的工業(yè)制品中都缺少不了TiO2 ，有些非著色的產(chǎn)品中也含有TiO2 ，TiO2 幾乎應用于各種工業(yè)部門。但是從世界范圍來說，其最主要的應用領域是涂料、塑料和紙張，消費結構如下：涂料58%～60%；塑料18%～20%；紙張13%～14%；橡膠、纖維、油墨、化妝品等行業(yè)占8%～10%。

3.1顏料級鈦白粉的應用領域

3.1.1涂料

涂料（coating）是以有機溶劑為溶劑的油漆（paint）和以水為溶劑的水性漆以及無溶劑型的粉末和光固化涂料等的總稱，它是由顏料、油料、漆料（樹脂）、溶劑和催干劑等組成的粘稠懸浮液，涂布在物體表面受空氣的氧化和溶劑的揮發(fā)而形成一層堅韌的涂膜而對物體起到裝飾和防護的作用。就涂料而言，人們一般泛指的是油漆，嚴格地講油漆是指加入了顏料的色漆，而涂料是指涂在表面后能形成連續(xù)膜的任何一種材料，當然包括油漆在內(nèi)。

涂料是鈦白粉的最大用戶，全球涂料工業(yè)所消費的TiO2 占二氧化鈦顏料總消費量的58%～60%，我國的此項消費比例更高一些，約為60%～65%左右，年均需用鈦白粉8萬噸（96～98年數(shù)據(jù)）。鈦白粉是涂料工業(yè)中用量最多的一種顏料，占涂料著色劑成本的一半，在涂料工業(yè)中的消費量占涂料工業(yè)消費各種顏料總量的90%。

在涂料用白色顏料中，以鈦白粉的性能最好，用鈦白粉生產(chǎn)出的涂料不僅色彩鮮艷、遮蓋力高、著色力強、耐候性好、耗油量也比較低，并能增強涂膜的附著力和機械強度、延長涂料的使用壽命。鈦白粉在涂料中的最重要的作用是它的高遮蓋力使涂膜不透明。

工業(yè)涂料的服務范圍很廣，包括汽車、船舶、建筑、木器和金屬家俱、家用電器、卷材涂裝、玩具、日用品等。1999年我國涂料總產(chǎn)量約226萬噸，僅次于美國、日本，居世界第三位.。涂料中50%為建筑涂料，而建筑涂料中乳膠漆約占30%～40%，年需用鈦白粉4.5～6萬噸。近年來由于我國交通業(yè)的高速發(fā)展，汽車漆和路標漆的用量也較大。

3.1.2塑料

塑料是二氧化鈦顏料的第二大用戶，占世界二氧化鈦總需求量的18%～20%。二氧化鈦在塑料中的加入量隨其品種和應用場合而異，一般在0.5%～5%之間。

鈦白粉在塑料制品中的應用，除了利用它的高遮蓋力、消色力以及與其他顏料拼用性能好外，它還能提高塑料制品的耐熱、耐光、耐候性能以使塑料制品免受UV光的侵襲，改善塑料制品的機械強度和電性能。幾乎所有熱固性和熱塑性的塑料中都使用它，聚烯烴類（主要是低密度的聚乙烯）、聚苯乙烯、ABS（丙烯腈-丁二烯苯乙烯的共聚物）、聚氯乙烯等。它既可以與樹脂粉末干混合，也可以與含增塑劑的液體相混合，還有一些是把鈦白粉先經(jīng)過中間工廠制成色母料后再使用。因此，對用于塑料的二氧化鈦的性質(zhì)要求主要是粒徑細、粒徑分布均勻，以增強對短波長光線的反射能力和制取色相更好的塑料制品。另外，二氧化鈦顏料必須具有良好的耐熱性能以及高分散性。所以用于塑料的二氧化鈦一般都經(jīng)過無機包膜和有機包膜處理，與涂料系統(tǒng)一樣，戶外塑料用二氧化鈦應為金紅石型，其它可以用銳鈦型。

3.1.3紙張

從世界范圍來說，紙張是二氧化鈦顏料的第三大用戶，在美國是第二大用戶。紙張中添加二氧化鈦的目的主要是賦予紙張不透明度和白度，其次是改進紙張的平滑度和機械性能，增強彈性、減少吸濕性，提高光澤和可印刷性能。高級紙張和薄型紙（字典、畫報、雜志封面、計算機、鈔票、復印機紙和裝飾用紙等）中一定要使用鈦白粉，使用鈦白粉的紙張白度好、強度高、有光澤、薄而光滑、印刷時不穿透，在相同條件下不透明度比碳酸鈣、滑石粉高10倍，重量也能減輕15%～30%，有些包裝紙加入鈦白粉后甚至可以不漂白。

紙張用二氧化鈦應以銳鈦型為主，因為它具有色調(diào)明顯偏蘭底相。戶外紙張應使用金紅石型產(chǎn)品。造紙工業(yè)用的二氧化鈦主要品質(zhì)要求細粒徑，具有高度的水分散性和良好的遮蓋力以及與紙張纖維的結合力，雜質(zhì)含量少(特別是鐵含量)，白度等。銳鈦型二氧化鈦一般不需經(jīng)過表面處理。

造紙工業(yè)中使用的二氧化鈦有兩種方式，一種是以填充劑的形式直接加到紙漿中，另一種是做成涂料后涂在紙張上面。在美國特種紙張中鈦白粉的用量（TiO2 的質(zhì)量比）如下：刊物印刷用膠版紙1%～4%；書面及課本紙4%～8%；薄型紙6%～10%；層壓裝潢紙10%～25%；冷凍食品包裝用蠟紙5%～10%；一般粘合紙合書寫紙0%～1%。

3.1.4橡膠

鈦白粉在橡膠中除了用作著色劑外，還有補強、填充、防老化的作用，并可使其在硫化過程中不泛黃，不龜裂，伸屈率大，并具有耐酸堿的性能。在硅橡膠中加入鈦白，還可以改變橡膠的耐熱性和穩(wěn)定性。橡膠用二氧化鈦必須具備一定的耐熱性，硫化加熱時不泛黃，不與其它配合劑、促進劑、防老劑反應，穩(wěn)定性好。對二氧化鈦的雜質(zhì)如Cu、Mn、Si、Ca、Mg含量須嚴加控制。

橡膠工業(yè)用的鈦白粉，主要用于汽車輪胎（特別是轎車胎的白色外側），以及膠鞋（旅游鞋、球鞋、跑鞋等）、橡膠地板、手套、雨衣運動器材（如批秒千毫微、網(wǎng)球高爾夫球的外層都含有鈦白粉）等。使用鈦白粉比立德粉可少用2/3～3/4。

3.1.5化學纖維

鈦白粉（特別是銳鈦型）的另一個重要的應用領域是化學纖維行業(yè)?；瘜W纖維特別是合成纖維，由于其分子排列整齊，纖維表面較光滑，具有刺眼的光澤并呈半透明狀態(tài)，所以在紡絲前要加入消光劑消光。由于顏料與纖維的折射率相差越大其消光效果越明顯，而二氧化鈦在所有白色顏料里的折射率最高，所以鈦白粉是合成纖維最理想的消光材料。雖然金紅石型的折射率比銳鈦型高，但它沒有銳鈦型那樣軟，金紅石型的顆粒硬容易磨損噴絲孔和切絲刀，因此一般都使用銳鈦型。

鈦白粉在纖維中消光時，可分為內(nèi)消光和外消光兩種，內(nèi)消光是把鈦白粉在紡絲前加到原液里或聚合時加到樹脂中；外消光是把鈦白粉分散在某種有機粘合劑種，作為包覆劑和鈍化劑用于部分紡織品種，如人造纖維、塔夫綢等。大部分化纖鈦白粉是在內(nèi)消光中用，內(nèi)消光的使用量一般在0.2%～2%之間，常用量為0.3%（半消光）。

3.1.6油墨

油墨是由色料（包括顏料合染料）、填料、助劑和展色劑等組成的一種粘性流體。在油墨生產(chǎn)中，顏料對油墨的質(zhì)量起到關鍵的作用。

因為油墨在使用時的厚度比一般涂料的涂層薄得多，對鈦白粉的要求是既要有高的遮蓋力，又要顏料體積濃度高（PVC有時高達55%），在這種情況下，白色顏料中只有鈦白粉具有遮蓋力大、消色力高、顆粒細、耐稀酸稀堿、耐光、耐熱、不易泛黃、憎水性好、流動性小、不溶于展色劑且能均勻分散在展色劑中，所以是高級白色油墨和淺色油墨不可缺少的色料。目前印刷報紙、書籍、畫片和印鐵、印金屬、印瓷、印橡膠、印塑料和印無線電半導體的電路板等都要用它，其它如畫線筆、油彩、美術顏料、蠟筆、打字修改液用的鈦白粉也屬于油墨用鈦白粉的范疇。

3.1.7其它

顏料級鈦白粉的其它用途還有皮革用的著色油膏；文教用品中的美術顏料、油彩、蠟筆、鉛筆等；化妝品合醫(yī)藥、食品添加劑等等。

3.2非顏料級二氧化鈦的應用

3.2.1搪瓷

搪瓷是非顏料級二氧化鈦最大的用戶之一。在搪瓷釉料或琺瑯的硼酸鹽玻璃中加入二氧化鈦，由于其折射率高，所得到的瓷釉乳濁度最強、不易結塊、容易與其它材料混熔，在冷卻結晶時能形成適當?shù)木Я?，從而獲得最大的不透明度。鈦琺瑯涂層可使搪瓷做得很薄。厚度僅為氧化銻琺瑯的1/3～1/4，因此所制得的搪瓷制品重量輕、抗彎、耐壓、沖擊力強、機械性能好、色彩鮮艷、不易玷污。

3.2.2電焊條

電焊條是國防、機械、化工、冶金、礦山、造船、汽車、拖拉機、農(nóng)機、建筑、修配等工業(yè)必不可少的焊接加工的主要原料。鈦白粉是焊條工業(yè)的主要原料之一，占焊條總產(chǎn)量70%以上的鈦型、鈦鈣型和鈦鐵礦型等三種類型的電焊條的藥皮，都要用鈦白粉。所以其常年需要量大，質(zhì)量要求高。

二氧化鈦是電焊條表層藥皮中的主要成分，它是焊藥的良好的造渣劑、脫氧劑、稀釋劑、粘結劑和穩(wěn)定劑。用它制成的電焊條的熔渣熔點低、粘度小、交直流電均可使用，操作時點弧快、電弧穩(wěn)定、脫渣容易、焊縫美觀、機械性能好。二氧化鈦在藥皮中的脫氧能力也很好，在焊接過程能保護熔化的金屬，防止空氣中的氧或氮侵入焊縫中而降低焊縫的強度和塑性，另外鈦與氮形成穩(wěn)定的氮化鈦，迅速進入熔渣中，從而排除氮對焊縫的影響。同時鈦白粉有較強的附著力，在焊條制造工藝中可減少水玻璃的用量，使成品表面光滑，焊接時點弧容易。

3.2.3陶瓷、玻璃

二氧化鈦在陶瓷和玻璃中，利用它的高折射率可以獲得較好的白度合不透明性，并能提高玻璃的折光指數(shù)，降低紫外線對玻璃的穿透率，適用于制造建筑材料用的彩色地磚、玻璃磚、瓷板、光屏玻璃（如顯像管用玻璃）、玻璃纖維，特種耐火材料、餐具、衛(wèi)生潔具和陶瓷、玻璃工藝品等。

3.2.4電子陶瓷

二氧化鈦是各種電子陶瓷中不可缺少的原料，由于它的介電常數(shù)、電阻率都很高，用它制成的鈦酸鹽大量用于制造各種電容器陶瓷、壓電陶瓷、熱敏陶瓷及透明電光陶瓷等材料，如利用它的電磁性能（介電性、壓電性）、光學性能（透光偏振性）、半導體性能（熱敏性、光敏性、氣敏性、濕敏性）等，生產(chǎn)各種高技術領域中的功能陶瓷元件，如鐵電及非鐵電陶瓷電容器、壓電點火裝置、濾波器、半導體傳感器、信號轉換器、各種光電、溫度、濕度自動控制器，其中正溫度系數(shù)的熱敏陶瓷（PTC）廣泛用于各種民用小家電，如電飯煲、電烙鐵、電卷發(fā)器、電熱取暖器等。

3.2.5冶金

二氧化鈦在冶金工業(yè)中可用于制造各種超高溫合金鋼、不銹鋼 、硬質(zhì)合金、非鐵合金、矽鋼片以及Ti-Fe合Ti-Al中間合金的原料。

3.2.6其它

二氧化鈦具有光化學催化活性和吸收紫外線的能力，可以生產(chǎn)各種催化劑（甲烷化催化劑、加氫轉化脫硫催化劑）吸附劑、殺菌劑、除臭劑、防曬劑等，用它制造的催化劑載體強度高、活性好、耐高溫、抗中毒性強。鈦白粉還用于制造防水漿、防火漿、油布、漆布、膠布、皮革、人造革、印染色漿、肥皂、裝飾板和瀝青磚等。此外，二氧化鈦的大單晶還可以制造人造寶石。

附：硫酸法金紅石型鈦白粉的生產(chǎn)簡介

到目前為止，鈦白粉的工業(yè)生產(chǎn)方法應用較廣的是硫酸法和氯化法，我公司鈦白粉的生產(chǎn)現(xiàn)采用的是硫酸法。硫酸法的生產(chǎn)操作程序非常復雜，其基本化學反應中包含有一系列的簡單的化學反應，硫酸法的三步最基本的化學反應分別是在酸解、水解和煅燒階段中發(fā)生的：

酸解：

水解：

煅燒：

硫酸法生產(chǎn)工藝流程示意圖見下圖。

工藝流程簡述如下：

首先將鈦礦原料干燥并經(jīng)研磨，再用硫酸分解。酸解反應前，用機械攪拌或壓縮空氣先將礦粉和硫酸的混合物攪拌均勻，加入引發(fā)液利用硫酸的稀釋熱引發(fā)酸解反應，反應產(chǎn)物是鈦、二價和三價鐵、其它金屬的硫酸鹽，是一種多孔性的固相物。加入水或稀硫酸浸取固相物，得到鈦的硫酸鹽溶液稱為鈦液。在鈦液中加入鐵粉或鐵屑，使其中的高價鐵還原成亞鐵，便于后面工序中分離。然后讓鈦液靜置沉降，除去氧化硅和未反應的鈦礦一類的固體殘渣，鈦液在沉降之前，需加入絮凝劑使其中的膠體物質(zhì)絮凝沉降，為了提高沉降后鈦液的質(zhì)量，用過濾的方式降去一部分未沉降的雜質(zhì)。初步凈化后的鈦液根據(jù)工藝要求的鐵鈦比用冷凍或真空結晶，讓大部分硫酸亞鐵結晶析出而得以分離，分離亞鐵后通過控制過濾除去鈦液中的微量殘渣。然后對鈦液進行濃縮，使鈦液濃度提高到水解所要求的濃度。

鈦液的水解是硫酸法生產(chǎn)鈦白粉最關鍵的一步，為確保水解產(chǎn)物的質(zhì)量，水解條件必須嚴格控制。水解快結束時用水稀釋，可提高鈦液的水解率，但稀釋過度，則會影響水合二氧化鈦的質(zhì)量。水解所得的水二氧化鈦經(jīng)過濾除去所吸附的母液后用水洗滌，其酸性濾液應回收處理。水洗以后的水合二氧化鈦在酸性和還原條件下進行漂白和漂洗除去殘存的微量雜質(zhì)鐵，然后加入少量能控制晶體成長的物質(zhì)(鹽處理劑)，再進行煅燒。

水合二氧化鈦的煅燒是很重要的工序，煅燒是在有一定傾角的轉窯內(nèi)進行的。水合二氧化鈦在轉窯內(nèi)首先脫除水分，再脫除吸附的三氧化硫，最后是晶體的成長以及向金紅石型轉化過程，其中晶體成長和晶型轉化是在高溫條件下進行的，必須仔細控制。煅燒后的二氧化鈦粗制品經(jīng)研磨、分級(如是銳鈦型經(jīng)研磨后就得到產(chǎn)品)后，用無機、有機物對二氧化鈦進行表面處理，最后對表面處理后的二氧化鈦進行洗滌、干燥和粉碎，得到金紅石型二氧化鈦產(chǎn)品。

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