第 1 章 绪 论
1.1 钛白粉的特性
不透明度就是指光线对颜料颗粒无法透过的程度，钛白粉最关键的性能就是光线无法穿透颜料颗粒表面，从而使钛白粉具有最佳白色颜料的性质。不透明度主要取决于粉体物质的结构形状、透光系数、吸光、反射以及色散程度，结构形状的大小主要取决于制备工艺，透光系数、吸光、反射以及色散程度主要取决于颗粒分子的晶体结构。根据材料的透光程度，透明度大致可以分为透明、半透明和不透明三个等级，透光程度是由于其周围介质与化工原料间的折射率不同而产生。当化工原料是透明的，则基体介质与化工原料的折射率大致相当；当化工原料是不透明的，则基体介质的折射率低于化工原料的折射率；当化工原料是半透明的，则化工原料的折射率介于透明和不透明之间时。并且基体介质材料的不透明度越大，两者的折射率就相差越多。由于锐钛型的折射率相比金红石型的小，其单位晶格相对较大，从而使原子堆积密度更小。因此，金红石型的不透明度比锐钛型钛白粉要好，也就是金红石型对基体材料的遮盖力好[11]。
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1.2 钛白粉的制备
2013 年全球钛白粉产能突破 600 万 t/a，大约有 1214 亿人民币的市场价值。2013年全球钛白粉的生产能力如表 1.2 所示。由表 1.2 可知：中国大陆近 70 个生产厂的产能达到了 181 万 t/a，未来钛白粉的最大市场应该在中国、印度、巴西等国家，因为他们都是人口众多和经济发展迅速的发展中国家，随着其人民生活水平不断提高，对钛白粉的需求量将越来越大。岩矿和砂矿是钛白粉的主要钛矿生产原料，除去其中一部分非钛组分（如铁化合物杂质等）以便提高钛白粉在化工原料中的含钛量，达到满足不同化工产品的需求，浓缩和富集钛矿原料，一般采用浮选、磁选、静电选等钛矿原料选矿方法，然后通过电炉冶炼得到高钛渣，最后要经过铁还原和化学处理等步骤，得到优质的人造金红石[62-70]。早在 1918 年，钛白粉的生产就采用硫酸法。到 20 世纪末 90 年代，欧洲采用硫酸法生产钛白粉时，有效地提高了对硫酸法生产钛白粉的副产物处理和加工的技术，使生产技术达到了环境友好的程度。近年来，通过提高硫酸法生产钛白粉的工艺，不仅在产品质量上与氯化法相当，而且比生产锐态型钛白粉的成本也相对较低，在欧洲国家，70%采用硫酸法生产钛白粉。经过近 10 年采用硫酸法生产钛白粉的发展历程，已取得了巨大进步。目前，硫酸法钛白粉生产过程中，因漂白和水洗工艺条件控制不是十分有效，导致钛白粉中铁元素等有害杂质含量较高，铁含量（以 Fe/TiO2计）一般在 0.005%以上。而这些变价金属元素大都会增加颜料的光化学活性，降低颜料的白度和耐候性。采用硫酸法生产钛白粉的工艺流程如图 1.2 所示。由图 1.2可见：现有的硫酸法生产钛白粉的先进技术，已将废酸和废气进行处理，并对废渣和副产物处理后再循环利用[71-73]。所谓硫酸法就是以硫酸作为生产钛白粉的主要原料，首先要得到硫酸钛溶液，经还原和真空结晶除去溶液中的大部分杂质铁元素；通过将钛液加热到接近沸腾温度，使硫酸钛溶液发生水解，得到偏钛酸沉淀；将偏钛酸沉淀过滤，除去大部分的废酸及有害金属杂质；再经一至二次水洗，除去偏钛酸中绝大部分杂质金属元素；向偏钛酸中加入适当的盐处理剂，并过滤脱险大部分水分后，偏钛酸滤饼进入转窑煅烧，得到二氧化钛初品。将以上初品经过后处理，就得到了钛白粉产品。硫酸法生产钛白粉是一个间隙性生产工艺，工艺流程复杂，需要的步骤就有 20 个左右，废弃物排放相当多，环境污染的程度大。同时，需要更多操作步骤来进行提纯及晶型转变，煅烧工艺要消耗的能源较多。因此，在工业化生产中有很大的局限性。
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第 2 章 单元无机包覆金红石型钛白粉及性质测试
2.1 引言
金红石型钛白粉具有很高的折射率、强的消色力、优良的光泽度与白度，并且具有很高的化学惰性和对人体无害等优点，是目前在电子、化工和冶金等行业不可缺少的重要化工颜料，广泛应用于水处理、空气净化、陶瓷、医药、塑料、涂料、纺织等工业，具有广阔的应用前景[107-121]。近年来，纳米钛白粉粒子的制备和应用已受到人们的极大关注，钛白粉表面处理的研究一直是国内外一个很活跃的课题。钛白粉有两种型号：一种是金红石型，一种是锐钛型。目前国内仍有较多企业生产的是锐钛型钛白粉。锐钛型钛白粉性能低，生产能力过剩，市场竞争力弱，利润空间小，而国内高档金红石型钛白粉，尤其是塑料专用型高档金红石型钛白粉不能满足塑料行业需求，主要依赖进口。因此，针对我国国情来说，研究塑料专用高档金红石型钛白粉具有重大意义。但是，未经表面包覆处理的金红石型钛白粉，由于其自身的光化学活性，经过紫外线的照射后，会失去两个电子，这样氧离子就变成了氧原子，这种氧原子光化学活性极强，能氧化很多种被吸附或与之接触的有机物和无机物，耐候性较差[122-124]。因此，为了获得高档金红石型钛白粉，必须对其表面进行无机包覆处理，即在金红石型钛白粉表面形成连续致密均匀的膜，使金红石型钛白粉与周围物质之间形成一道屏障。
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2.2 实验部分
称取适量金红石型钛白粉加入洁净的容量瓶中，加入去离子水定容，把配制好的浆液倒入四口烧瓶中，并把四口烧瓶固定在铁架台上，安装好搅拌棒和恒压漏斗；开启电源，移取适量的六偏磷酸钠加入浆液中，把校正好的 pH 计伸入四口烧瓶溶液中测浆液的 pH 值，控制好 pH 值，采用搅拌器在水浴温度下进行分散；移取包覆剂到恒压漏斗中，恒压漏斗中的包覆剂均匀滴入反应浆液中，在滴加包覆剂时，控制好 pH 值；滴加完包覆剂后，在水浴温度下陈化2小时；将包覆后的浆液倒入布氏漏斗中进行抽滤，并用去离子水洗涤至电导率合格；将滤饼转移到瓷坩埚中，在电热恒温箱中连续10小时进行烘干；使用高速粉碎机对冷却后的块状金红石型钛白粉进行初粉，然后再使用气流粉碎机对金红石型钛白粉进行细粉，即得金红石型钛白粉进行单元包覆后的产品。单包 Al2O3、单包 SiO2和单包 ZrO2的制备流程图如图2.1所示，反应装置图如图2.2所示。
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第 3 章 双元无机包覆金红石型钛白粉及性质测试........49
3.1 引言 .........49
3.2 实验部分 .....49
3.2.1 实验试剂、设备与仪器 ......49
3.2.2 实验方法 ......50
3.3 结果与讨论 .........52
3.4 小结 ....70
第 4 章 三元无机包覆金红石型钛白粉及性质测试........71
4.1 引言 .........71
4.2 实验部分 .....72
4.3 结果与讨论 .........73
4.4 小结 .........82
第 5 章 三元无机包覆的金红石型钛白粉改性 PVC 塑料....85
5.1 引言 .........85
5.2 实验部分 .....86
5.3 PVC 塑料型材性能测验的结果与讨论 .....89
5.4 小结 .........91
第 6 章 改性 PVC 塑料的耐候性能及抗老化机理研究
6.1 前言
前面我们研究了金红石型钛白粉的 ZrO2、SiO2、Al2O3、ZrO2/Al2O3、ZrO2/SiO2、SiO2/Al2O3和 ZrO2/SiO2/Al2O3包覆，它们都属于无机包覆，研究了金红石型钛白粉包覆后的分散性、失光率、吸油量、遮盖力和白度性能，前面的研究还讨论了金红石型钛白粉的包覆效果和包覆机理。金红石型钛白粉无机包覆机理是一个较为复杂的体系，在反应中存在着较强的活性。影响金红石型钛白粉光学性能发挥的重要因素就是金红石型钛白粉颗粒的光催化活性。金红石型钛白粉光催化反应的具体历程有：首先是光生电子-空穴的分离，然后是产生自由基，最后是发生自由基的氧化降解。在金红石型钛白粉光催化反应过程中，三价钛离子和两价氧离子的生成过程就是自由基的产生过程。凭借金红石型钛白粉的自由基产生过程，然后对电子和空穴提供包覆层结构的金红石型钛白粉颗粒进行设计，这样就可有效的对金红石型钛白粉颗粒的光催化活性进行抑制。当加入杂质时，受到杂质原子的价态和浓度影响二氧化钛的晶格缺陷而改变空穴或电子数目。因此，可以通过掺杂改变电子空穴浓度，改变光生电子空穴复合的几率，使其光催化活性发生变化[160]。
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结论
本论文根据塑料专用金红石型钛白粉颜料具有光催化降解塑料的缺点，对钛白粉表面的无机包覆处理进行研究，拟解决国产 PVC 塑料用金红石型钛白粉耐候性不佳的难题。无机包覆有利于钛白粉颗粒表面与塑料制品有机物隔开，大幅度降低钛白粉的光催化活性，有效提高塑料制品耐候性。研究结果将为提升我国 PVC 塑料专用金红石型钛白粉质量及生产能力，减少高档金红石型钛白粉的进口量奠定基础。主要结论有：未包覆条件下，金红石型钛白粉的失光率、吸油量、遮盖力和白度分别为70%，21.5 g/100g，26 g/m2，86.5%，未包覆的金红石型钛白粉失光率大，相应的塑料的耐老化性能差，使用寿命短。单 Al2O3包覆金红石型钛白粉的失光率、吸油量、遮盖力和白度值分别为 28%，18.5 g/100g，25.9 g/m2，87.8%，在金红石型金红石型钛白粉钛白粉表面包覆了一层均匀而致密的三氧化二铝膜，失光率大大下降，耐老化性能得到大大提高。单 SiO2包覆金红石型钛白粉的失光率、吸油量、遮盖力和白度分别为 31%，18.4 g/m2，21.8 g/100g，87.0%。与三氧化二铝膜层相比，二氧化硅膜层更有利于减少吸油量，但遮盖力差。单 ZrO2包覆金红石型钛白粉的失光率、吸油量、遮盖力和白度分别为 25%，17.5 g/100g，25.8 g/m2，88.8%。与 Al2O3、SiO2相比，二氧化锆膜层能更有效降低失光率，增加白度，耐候性能更好。#p#分页标题#e#
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参考文献（略）
