专利名称：包覆型钛白粉材料及制备方法
技术领域：
本发明属于钛白粉材料领域，尤其涉及一种由纳米级钛白粉与矿粉填料包覆形成的包覆型钛白粉材料及制备方法。
背景技术：
为了使塑料的色彩更美观，常在塑料中加入一定量的色料。由于钛白粉白度高，遮盖力大，具有良好的不透明度和化学稳定性，加入钛白粉后，可以提高塑料的耐热性、耐光性、耐候性，改善其物理化学性能，增强力学性能，延长使用寿命。但由于钛资源短缺，成本较高，有必要寻求钛白粉的代用品，以降低钛白粉的用量。已经有多篇文献报道利用钛盐水解，在矿物粉体表面包覆一层TiA膜(J ApplPolym Sci，2004，91 4037-4046、J Braz Chem Soc，1998，9 199-210、J PolymSciA Polym Chem ， 2000 ， 38 3900-3910、J Appl Polym Sci ， 2001 ， 82 703-723)，而目前将TW2颗粒直接包覆到矿物粉体表面的报道较少。2009年，王吉等人在《化工新型材料》公开了通过粉体包覆粉体的方法将T^2粒子包覆到无机矿物颗粒表面，充分发挥钛白粉外表面的作用，节省钛白粉内核量，具体方法如下选用无机矿物粉体为基料，以官能化金红石型TW2浆液为成膜物质，以KM-10为官能化助剂，制备无机矿物粉体/ TiO2复合粒子，重量配比为m( TiO2浆液)m( KM-10) m(硅酸铝)=0.25 0.05 1，包覆产物的遮盖力可达59.9g/cm2，TiO2通过化学键包覆在无机矿物粉体表面，且颗粒状产物呈球形结构，分散性良好，平均粒径约为Ι.Ομπι，然而由于1102纳米材料的颗粒较小、比表面积大、表面能高、容易团聚，为了实现良好的分散，制备过程比较复杂，需要制备悬浮液、添加官能化助剂和催化剂、硫酸调ΡΗ，还需要升温、抽滤、干燥等操作，过程比较繁琐，不适合工业生产。因此，有必要寻求一种更加简单便捷的工艺，通过粉体包覆粉体方法，制备出一种遮盖力较大、适合工业生产、成本较低的包覆型钛白粉材料。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种遮盖力较大、颗粒分散性良好、成本低、适用于工业化生产的包覆型钛白粉材料，其中包覆型钛白粉材料是指在矿粉填料表面包覆纳米级TW2的材料。本发明的另一个目的在于提供上述的包覆型钛白粉材料的制备方法。本发明是在普通矿粉填料表面包覆一层钛白粉，使粉体不仅具有很好的遮盖力和分散性，而且成本低、便于工业生产，具体的方式为将钛白粉和矿粉填料按比例混合，通过桶形承料转子高速旋转，使料层通过转子和圆形定子之间的窄小间隙，使料层承受巨大的冲击、压缩、剪切力并产生局部高温，形成局部等离子体，使两种材料融合在一起，将子颗粒融合在大颗粒上，同时颗粒发生变形，使颗粒向球形方向发展，从而形成了包覆型钛白粉材料。矿粉填料的莫氏硬度小于3，粒径为钛白粉的10倍。这种包覆型钛白粉材料有很好的遮盖力和白度，将其添加到塑料材料中，它能够得到充分的分散，避免团聚，使得它与塑料材料间形成接触和相互作用，达到了纯钛白粉的效果，同时又大大降低了成本。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为包覆型钛白粉材料，其特征在于由矿粉填料层和包覆于矿粉填料层表面的钛白粉层构成。前述的包覆型钛白粉材料，所述的钛白粉层为纳米级Ti02。前述的包覆型钛白粉材料，所述的矿粉填料和钛白粉的粒径为10:1。前述的包覆型钛白粉材料，所述的矿粉填料的莫式硬度为1-3。前述的包覆型钛白粉材料，矿粉填料与钛白粉的重量比为80 :20。前述的包覆型钛白粉材料，在包覆型钛白粉材料中钛白粉重量百分含量超过20%时，包覆型钛白粉材料的遮盖力测量值为31. 7-32. 8 g/cm2。制备前述的包覆型钛白粉材料的方法，其特征在于通过分散机的桶形承料转子高速旋转剪切使钛白粉包覆于矿物填料表面。前述的制备包覆型钛白粉材料的方法，包括如下步骤(1)将钛白粉和矿粉填料按比例混合；(2)将(1)所得混合物放入分散机，使料层承受巨大的冲击、压缩、剪切力并产生局部高温，两种材料融合成颗粒，颗粒变为球形，从而形成包覆型钛白粉材料。本发明使用简单的机械超剪切方法，通过桶形承料转子高速旋转产生的剪切力等制得包覆型钛白粉材料。与现有的悬浮、过滤、复杂化学反应相比，工艺简单、适合工业生产，且能获得遮盖力较大、分散性好的包覆型钛白粉材料。包覆型钛白粉材料的核心为简单、易得且经济的矿粉填料，降低了成本；包覆型钛白粉材料还具有良好的遮盖力和白度。
具体实施例方式一包覆型钛白粉材料的制备及检测
使用的材料要求矿粉填料，包括滑石粉、高岭土、膨润土或硅酸铝，粒径为2-3mm，除了硅酸铝外其余矿粉填料的莫氏硬度为1-3 ；钛白粉，粒径0.2-0. 3mm。使用的设备分散机。主要制备过程将钛白粉和矿粉填料按比例混合，通过分散机的高速剪切，融合成了包覆型钛白粉材料。具体工艺参数为转速1500-3000转/分，温度80-150°C，压力3-8MPa，停留时间为5-10分钟。包覆型钛白粉材料的制备分为四组，实验的具体配方见表1-表4，其中配方是按质量百分比配比，表1-表4分别对应实施例1-4。实施例1将钛白粉和滑石粉按不同质量比例混合，通过分散机高速剪切融合成不同的包覆型钛白粉，具体钛白粉与滑石粉的质量比分别为10:90，15:85，20:80，30:70，50:50，具体工艺参数为转速1500-3000转/分，温度80-150°C，压力3_8MPa，停留时间为5-10分钟。实施例2 将钛白粉和高岭土按不同质量比例混合，通过分散机高速剪切融合成不同的包覆型钛白粉，具体钛白粉与高岭土的质量比分别为10:90，15:85，20:80，30:70，50:50，具体工艺参数为转速1500-3000转/分，温度80_150°C，压力3_8MPa，停留时间为5-10分钟。实施例3 将钛白粉和膨润土按不同质量比例混合，通过分散机高速剪切融合成不同的包覆型钛白粉，具体钛白粉与膨润土的质量比分别为=10:90,15:85,20:80,30:70,50:50，具体工艺参数为转速1500-3000转/分，温度80_150°C，压力3_8MPa，停留时间为5-10分钟。实施例4 将钛白粉和硅酸铝按不同质量比例混合，通过分散机高速剪切融合成不同的包覆型钛白粉，具体钛白粉与硅酸铝的质量比分别为10:90，15:85，20:80，30:70，50:50，具体工艺参数为转速1500-3000转/分，温度80_150°C，压力3_8MPa，停留时间为5-10分钟。钛白粉和矿粉填料完成包覆后需侧量遮盖力，遮盖力检测方式由黑白格玻璃板和自制暗箱测得，测量结果见表1-表3，遮盖力单位为g/cm2，其中表1为不同配比钛白粉与滑石粉的包覆粉体(即包覆型钛白粉材料)遮盖力测试结果，表2为不同配比钛白粉与高岭土的包覆粉体的遮盖力测试结果，表3为不同配比钛白粉与膨润土的包覆粉体的遮盖力测试结果，表4为不同配比钛白粉与硅酸铝的包覆粉体的遮盖力测试结果。表1 不同配比钛白粉与滑石粉的包覆粉体遮盖力测试结果
粉体名称试样1试样2试样3试样4试样5试样6钛白粉(％)1015203050100滑石粉(％)9085807050遮盖力(g/cm2)59. 643. 831. 931. 731. 729. 5
表2 不同配比钛白粉与高岭土的包覆粉体的遮盖力测试结果
粉体名称试样1试样2试样3试样4试样5钛白粉(％)1015203050高岭土(％)9085807050遮盖力(g/cm2)60. 245. 232. 232. 031. 7
表3 不同配比钛白粉与膨润土的包覆粉体的遮盖力测试结果
粉体名称试样1试样2试样3试样4试样5钛白粉(％)1015203050膨润土(％)9085807050遮盖力(g/cm2)59. 944. 232. 832. 131. 9
表4 不同配比钛白粉与硅酸铝的包覆粉体的遮盖力测试结果
粉体名称试样1试样2试样3试样4试样5钛白粉(％)1015203050硅酸铝(％)9085807050遮盖力(g/cm2)118. 6101. 383. 279. 955. 6
由表1-表3可知，莫氏硬度小于3的矿粉填料(如滑石粉、膨润土、高岭土)为包覆核心的包覆型钛白粉材料，遮盖力随着钛白粉含量的增加而增加(遮盖力的测量数值越小说明遮盖力越大)，当钛白粉的质量含量达到20%时(即钛白粉与矿粉填料的重量百分配比为20 :80)，遮盖力达到最大，当钛白粉的质量含量超过20%时，遮盖力趋于平稳，变化不大；同时莫氏硬度越低，遮盖力的值越小，而遮盖力越大，当矿粉填料为莫氏硬度最低的滑石粉且钛白粉的含量为20%时，其遮盖力已与纯钛白粉接近。由表4与表1-3对比可知，由莫氏硬度很大的硅酸铝制备的包覆型钛白粉材料的遮盖力数值很大，说明遮盖力很小，这是由于作为核壳的硅酸铝是莫氏硬度很大的粉体，通过桶形承料转子高速旋转剪切法很难发生形变以及融合粘结，从而没有实现粉体包覆粉体的效果。二包覆型钛白粉材料白度的分析使用的材料要求聚丙烯为不同流动性的均聚和共聚的聚丙烯，用量为100% (质量分数)，其中共聚丙烯的共聚单体常见为乙烯，乙烯含量在4-lOmoW)的范围内，聚丙烯的熔体流动速率在230°C X 2. 16kg的温度和压力下为5-50g/10min，更为常用为5-30g/10min ；包覆型钛白粉材料，其中被包覆的粉体为滑石粉，包覆的粉体钛白粉的质量含量为20%。本部分分两个实施例叙述，即实施例5和实施例6，下面为实施例5的多个试样的具体配方和制备过程。实施例5
实施例5公开了普通纯钛白粉与聚丙烯形成的复合材料的制备，该复合材料用于测试材料白度。本实施例5使用纯钛白粉，因此作为对比实施例。实施例5包含不同纯钛白粉配比的试样。参见表5。试样1
按重量比取聚丙烯100%、钛白粉1%在高速混合器中干混3-5分钟，之后，再在双螺杆挤出机中经熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料的粒料，其工艺控制条件为一区180 190°C，二区 200 210°C，三区 200 210°C，四区 210 215°C，五区 210 215°C，六区210 215°C，七区 215 225°C，八区 215 225°C，九区 215 225°C，十区 215 225°C;停留时间为1-2分钟，压力为12-18MPa。试样2
按重量比取聚丙烯100%、钛白粉2. 5%在高速混合器中干混3-5分钟，之后，再在双螺杆挤出机中经熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料的粒料，其工艺控制条件为一区180 190°C，二区 200 210°C，三区 200 210°C，四区 210 215°C，五区 210 215°C，六区210 215°C，七区 215 225°C，八区 215 225°C，九区 215 225°C，十区 215 225°C;停留时间为1-2分钟，压力为12-18MPa。试样3
按重量比取聚丙烯100%、钛白粉4%在高速混合器中干混3-5分钟，之后，再在双螺杆挤出机中经熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料的粒料，其工艺控制条件为一区180 190°C，二区 200 210°C，三区 200 210°C，四区 210 215°C，五区 210 215°C，六区210 215°C，七区 215 225°C，八区 215 225°C，九区 215 225°C，十区 215 225°C;停留时间为1-2分钟，压力为12-18MPa。试样4
按重量比取聚丙烯100%、钛白粉5. 5%在高速混合器中干混3-5分钟，之后，再在双螺杆挤出机中经熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料的粒料，其工艺控制条件为一区180 190°C，二区 200 210°C，三区 200 210°C，四区 210 215°C，五区 210 215°C，六区210 215°C，七区 215 225°C，八区 215 225°C，九区 215 225°C，十区 215 225°C;停留时间为1-2分钟，压力为12-18MPa。试样5
聚丙烯100%、钛白粉7%在高速混合器中干混3-5分钟，之后，再在双螺杆挤出机中经熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料的粒料，其工艺控制条件为一区180 190°C，二区200 210°C，三区 200 210°C，四区 210 215°C，五区 210 215°C，六区 210 215°C，七区215 225°C，八区215 225°C，九区215 225°C，十区215 225°C ；停留时间为1-2分钟，压力为12-18MPa。实施例6
与实施例5相比，实施例6中将纯钛白粉改为包覆型钛白粉材料，其余配方组成、工艺条件及试样个数与实施例5 —样。实施例6公开了包覆型钛白粉材料与聚丙烯的复合材料的制备。参见表6。
通过实施例5和6制得聚丙烯复合材料的粒料后，需进行制样以用于测试材料白度，制样过程为将按上述方法完成造粒的粒子材料事先在90 100°C的鼓风烘箱中干燥2 3小时，然后再将干燥好的粒子材料在注射成型机上进行注射成型制样，样板尺寸为80*40*2. 5mm。检测方法颜色空间的3个变量L、a、b由型号为柯尼卡美能达CM-2500C的分光测色计测得。通过L、a、b比较材料白度，其中L表示颜色深浅，a表示红绿，b表示黄蓝。两个实施例的各试样的配方及分光测色计L、a、b测试结果见表5和表6。表5 实施例5的试样1-5配方及材料L、a、b值
权利要求
1.包覆型钛白粉材料，其特征在于由矿粉填料层和包覆于矿粉填料层表面的钛白粉层构成。
2.根据权利要求1所述的包覆型钛白粉材料，其特征在于所述的钛白粉层为纳米级Ti02。
3.根据权利要求1所述的包覆型钛白粉材料，其特征在于所述的矿粉填料和钛白粉的粒径为10:1。
4.根据权利要求1所述的包覆型钛白粉材料，其特征在于所述的矿粉填料的莫式硬度为1-3。
5.根据权利要求1所述的包覆型钛白粉材料，其特征在于矿粉填料与钛白粉的重量比为80 :20ο
6.根据权利要求1所述的包覆型钛白粉材料，其特征在于在包覆型钛白粉材料中钛白粉重量百分含量超过20%时，包覆型钛白粉材料的遮盖力测量值为31. 7-32. 8 g/cm2。
7.制备权利要求1-5所述的包覆型钛白粉材料的方法，其特征在于通过分散机的桶形承料转子高速旋转剪切使钛白粉包覆于矿物填料表面。
8.根据权利要求7所述的包覆型钛白粉材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)将钛白粉和矿粉填料按比例混合；(2)将(1)所得混合物放入分散机，使料层承受巨大的冲击、压缩、剪切力并产生局部高温，两种材料融合成颗粒，颗粒变为球形，从而形成包覆型钛白粉材料。
全文摘要
本发明属于钛白粉材料领域，尤其涉及一种包覆型钛白粉材料及制备方法。包覆型钛白粉材料由矿粉填料层和包覆于矿粉填料层表面的钛白粉层构成，钛白粉层为纳米级TiO2，矿粉填料与钛白粉的重量比为8020。包覆型钛白粉材料的制备方法，包括如下步骤将钛白粉和矿粉填料按比例混合；将所得混合物放入分散机，使料层承受巨大的冲击、压缩、剪切力并产生局部高温，两种材料融合成颗粒，颗粒变为球形，从而形成包覆型钛白粉材料。本发明使用简单的机械超剪切方法，通过桶形承料转子高速旋转产生的剪切力等制得包覆型钛白粉材料。与现有的悬浮、过滤、复杂化学反应相比，工艺简单、成本较低、适合工业生产，且能获得遮盖力较大、分散性好的包覆型钛白粉材料。
文档编号C09C3/06GK102558919SQ20111045272
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者丁贤麟, 汪理文, 翁永华 申请人:苏州工业园区润佳工程塑料有限公司