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钛白粉粒度分布与颜料体积浓度对颜料性能的影响
王佳林，杨 振，李海艳，龙 翔，赵丽娟，张建林
(云南冶金新立钛业有限公司，昆明 650100)
0 前 言
钛白粉具有稳定的物理、化学性质，优良的光学、电学性质，以及优异的颜料性能，是目前用途最广、应用效果最好的白色颜料，有着白色颜料之王的美誉，被广泛应用于涂料领域[1-4]。钛白粉的应用在涂料领域实质是将二氧化钛颜料粒子分散在特定的介质中，然后发挥出二氧化钛颜料性质。那么如何才能获得较高的遮盖力、卓越的色调和高光泽等应用性能，除了颜料本身的制造质量有影响之外(最重要的是钛白粉颜料的粒径和粒度分布)，还与使用时的颜料体积浓度有着密切关系[5]。颜料体积浓度(PVC)是指涂料中颜料和填料的体积与配方中所有非挥发分(包括合成树脂乳液中的固体组分、颜料和填料等)的总体积之比，即PVC＝颜料和填料的体积/(颜料和填料的体积＋固体基料的体积)×100%[7-8]。本文通过实验研究对比颜料体积浓度对不同粒径钛白粉在丙烯酸体系下色调L*、b*、白度(WI)、遮盖力、涂膜的光泽度等性能影响。
1 实验部分
1.1 实验原辅料及仪器
1.1.1 实验试剂
实验中使用的原料及主要试剂如表1。
1.1.2 实验设备及仪器
实验中使用的主要设备及仪器如表2。
1.3 实验方法
称量：称取100 g丙烯酸清漆置于200 mL的分散罐内，根据不同的颜料体积浓度要求称取定量的钛白粉与分散罐内的清漆混合。
分散：将分散罐放置到高速分散机上，选取直径为6 cm的分散盘，启动电源，调节转速为1 500 r/min分散15 min。
涂膜：采用自动涂膜器将钛白粉漆浆利用湿膜厚度为100 μm的制备器在遮盖力测试纸上涂刷形成涂膜，将涂膜置于室温下晾干。
1.4 表征及测试
钛白粉粒度：称取0.2 g钛白粉试样于250 mL烧杯中，加入50 mL水，再加入5滴分散剂，用磁力加热搅拌器搅拌10 min。加2 mL搅拌后样品于激光粒度仪Mastersizer 2000 Mu样品池中，放下搅拌器，搅拌1min左右后测定结果，重复测定，结果稳定测定完毕。
颜料性能测试：采用CM-2600d分光光度计，通过PCQC色彩品质控制系统软件直接表征涂膜的L*、a*、b*、白度(WI)、遮盖力等应用性能测定[9]，用WGG-60光泽度仪测定涂膜的光泽度。
颜料性能测试：采用CM-2600d分光光度计，通过PCQC色彩品质控制系统软件直接表征涂膜的L*、a*、b*、白度(WI)、遮盖力等应用性能测定[9]，用WGG-60光泽度仪测定涂膜的光泽度。
2 结果与讨论
2.1 钛白粉粒径和粒径分布
图1为SY-1和SY-2采用激光粒度分析仪MS 2000测定的粒径分布图。由图1可知，SY-2具有较窄的粒度分布，且平均粒径较小；SY-1的粒度分布较宽，粒子平均直径大。SY-1的粒度分布比SY-2宽，且粒度更大。
2.2 颜料体积浓度与涂膜光泽度的关系
钛白粉颜料只是涂料组分中的一种，颜料本身并无光泽，涂膜后才有光泽，但实际生产中颜料组分的影响却决定了涂膜的光泽度。由于SY-2的粒度分布窄、粒子平均直径较小，它属于细粒度基料生产的产品，而SY-1的粒度分布相对宽些、粒子平均直径相对大些，它属于中粒度基料生产的产品。
对于不同金红石型钛白粉而言，涂膜的光泽度与颜料粒度和粒度分布有关。从图2看出，两个不同粒度和粒度分布水平的钛白粉在颜料体积浓度变化时都呈现相同的规律性，且涂膜的光泽度随着颜料体积浓度的增加而降低。而粒度较小与分布较窄的钛白粉下降幅度较小，即SY-2的下降幅度小，这是因为发生了粒子密集效应，粒径较小和粒度分布较窄的SY-2能保持较好的涂膜表面平滑性。
2.3 颜料体积浓度与色调的关系
分别把SY-1和SY-2的钛白粉按不同颜料体积浓度加入到丙烯酸体系的涂料中，然后测定他们的涂膜所对应的色相L*值。仪器测定获得数值如图3所示。
从图3看出，对于涂料专用金红石型钛白粉来说，无论是SY-1还是SY-2都显示了相同的趋势——当颜料体积浓度从10%时开始逐渐增加，L*值也随之逐渐提高。当PVC为30%时是L*值呈现最高值。
b*值是一个在钛白粉颜料及在丙烯酸树脂涂膜中都呈现了至关重要的应用指标。SY-2是属于细粒度基料生产的金红石型钛白粉，而SY-1又属于中质粒度基料生产的金红石型钛白粉。
从图4可以看出，不同粒度的二氧化钛颜料在丙烯酸树脂涂膜中b*值会随颜料体积浓度的增加而增加。因为颜料体积浓度升高，颜料粒子数目甚多，使颜料粒子间的距离自然缩小，特别对于小粒度如SY-2的颜料粒子，一旦颜料体积浓度过高，便出现因粒子数目越多、粒子间距也就随之变小而呈现密集现象，从而降低了光散射能，光的吸收占了主要作用，杂质对白度的影响会变得更明显，则b值随之就升高；然而大粒度如SY-1的颜料粒子，则难以呈现密集效应，故在高颜料体积浓度时相对比小粒度颜料有较高的光散射能。所以当颜料体积浓(PVC)为20%～55%时SY-2的b*值远远高于SY-1的b*值。
从图4可以看出，不同粒度的二氧化钛颜料在丙烯酸树脂涂膜中b*值会随颜料体积浓度的增加而增加。因为颜料体积浓度升高，颜料粒子数目甚多，使颜料粒子间的距离自然缩小，特别对于小粒度如SY-2的颜料粒子，一旦颜料体积浓度过高，便出现因粒子数目越多、粒子间距也就随之变小而呈现密集现象，从而降低了光散射能，光的吸收占了主要作用，杂质对白度的影响会变得更明显，则b值随之就升高；然而大粒度如SY-1的颜料粒子，则难以呈现密集效应，故在高颜料体积浓度时相对比小粒度颜料有较高的光散射能。所以当颜料体积浓(PVC)为20%～55%时SY-2的b*值远远高于SY-1的b*值。
钛白粉作为白色颜料，影响二氧化钛白度的因素有很多，在生产中具有典型的就是二氧化钛中的杂质含量和粒度与粒度分布。因此为了提高白度，除了尽可能地减少杂质含量，提高化学纯度，还有避免二氧化钛晶格出现缺陷，同时要调整和控制二氧化钛的粒度和粒度分布，增强它的分散性，提高光散射能。
从图5可以看出，在不同颜料体积浓度下随着颜料体积浓度的增加白度先增加后降低。SY-2是属于细粒度基料生产的金红石型钛白粉，而SY-1是属于中粒度基料生产的金红石型钛白粉。对于小粒度的颜料粒子，一旦颜料体积浓度过高，便出现因粒子数目越多、粒子间距也就随之变小而呈现密集现象，从而降低了白度。
2.4 颜料体积浓度与遮盖力的关系
不同粒度分布的钛白粉分散在相同的颜料体积浓度(PVC)的介质中，所制得的涂膜遮盖力是有差别的。且同一种钛白粉分散在不同的颜料体积浓度的介质中，所制得的涂膜遮盖力差别更大。也就是说，颜料的最佳粒度与所采用的分散介质中的颜料体积浓度有着密切的关系。不同粒度分布的钛白粉在不同的颜料体积浓度时所对应的值不尽相同。
从图6看出，在低颜料体积浓度时(PVC＝10%～25%)，SY-1的遮盖力高于SY-2；然而在高颜料体积浓度时(PVC＝25%～55%)，则SY-2的遮盖力反而略高于SY-1。由于SY-2属于细粒度基料生产的金红石型钛白粉，而SY-1属于中粒度基料生产的金红石型钛白粉，所以SY-2的平均粒度比SY-1的平均粒度偏小。因此被分散于涂膜后在低颜料体积浓度时，SY-1能在介质中保持较佳的粒子间距和光散射能而发挥出优良的遮盖力；而在高颜料体积浓度时，SY-2可在介质中分散的粒子间距反而比SY-1更接近于适合粒子间距，其光散射能便会稍优于SY-1，则遮盖力便稍优于SY-1。
3 结 语
由于二氧化钛颜料既有高的不透明度，又有高的反射率，所以不同颜料体积浓度钛白粉在丙烯酸树脂涂料中，经它着色后的材料不仅遮盖力高，而且色调鲜明及平整光滑如镜的光泽。本实验研究分析了钛白粉粒度分布与颜料体积浓度对颜料性能的影响——涂膜的光泽度、白度、色相(L*、b*值)、遮盖力，对钛白粉的生产、新产品的开发、产品在涂料中的应用具有参考意义。
