鈦白粉的白到底是什么白？

目前，鈦白粉的生產(chǎn)有兩種方法，分別是硫酸法和氯化法，就全世界范圍內(nèi)來(lái)講，氯化法的產(chǎn)能要比硫酸法略多，而在我國(guó)，由于技術(shù)原因，硫酸法廠家遠(yuǎn)大于氯化法，氯化法的年產(chǎn)量?jī)H占總產(chǎn)量的5~8%。

硫酸法之所以應(yīng)用廣泛是因?yàn)樗l(fā)展歷史悠久，工藝路線相當(dāng)成熟，對(duì)設(shè)備的配置要求很低，對(duì)原料的要求不高，鈦礦、鈦渣都可以，而且這種方法即可以生產(chǎn)金紅石型鈦白粉，又能生產(chǎn)銳鈦型鈦白粉，基建要求低，投產(chǎn)時(shí)間短。由于以上原因，硫酸法鈦白粉被廣泛復(fù)制，在鈦白粉行業(yè)占有相當(dāng)重要的地位。相比氯化法，硫酸法又有自己的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在操作流程很長(zhǎng)，各崗位操作復(fù)雜，機(jī)械化程度低，流程變量多，參數(shù)可控性不高，且“三廢”排放量大，污染嚴(yán)重，能源消耗巨大，屬于高能耗、高污染企業(yè)。雖然硫酸法缺點(diǎn)眾多，也有被其他方法代替的趨勢(shì)，但是現(xiàn)階段人們對(duì)它的熱情不減，生命力依舊頑強(qiáng)，在將來(lái)的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依舊會(huì)占據(jù)重要的地位。

盡管氯化法比較先進(jìn)，流程短，自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是它的原料來(lái)源困難，成本高，雖然“三廢”排放量少，但是將生產(chǎn)高鈦渣和人造金紅石所排放的廢棄物計(jì)算在內(nèi)，其“三廢”排放總量也是相當(dāng)龐大的。同時(shí)，其技術(shù)復(fù)雜，生產(chǎn)難度大，對(duì)設(shè)備和材料要求高，推廣起來(lái)還是有一定的難度。

在鈦白粉的各項(xiàng)指標(biāo)中，白度是比較重要的指標(biāo)之一，由于鈦白粉的白度較高，也是被稱(chēng)為“白色之王”的主要原因，但是鈦白粉的白度并非定值，而是根據(jù)生產(chǎn)方法和工藝參數(shù)改變的，當(dāng)然白度是越高越好。關(guān)于鈦白粉白度的影響因素國(guó)內(nèi)外研究的較少，相關(guān)論文及著作解釋的也較為寬泛。孫莉通過(guò)研究二氧化鈦粒子的大小、形狀、粒度分布以及雜質(zhì)的種類(lèi)和晶核缺陷簡(jiǎn)要說(shuō)明了它們與白度的關(guān)系，但對(duì)于理論解釋較少，沒(méi)有找到根本原因；李俊峰、張兵兵等著重對(duì)表面處理的影響做了相關(guān)研究，認(rèn)為漿料分散性、pH值、化學(xué)品加入順序等對(duì)最終產(chǎn)品性有較大影響，但對(duì)白度的解釋極少；喬梁雖未對(duì)鈦白粉的白度進(jìn)行研究，但對(duì)純堿的白度做了相關(guān)說(shuō)明，認(rèn)為粒度、鐵含量和生產(chǎn)工藝對(duì)產(chǎn)品性能有較大影響。

白是具有光反射比高和色飽和度低的特殊顏色屬性，是基于目視感知而判斷反射物體所能顯白的程度。一般當(dāng)物體表面對(duì)可見(jiàn)光譜內(nèi)所有波長(zhǎng)的反射比都在80%以上時(shí)，可認(rèn)為該物體表面為白色。白色位于色空間中相當(dāng)狹窄的范圍內(nèi)，它們與其他顏色一樣，可以用三維量（即光反射比Y、純度C、主波長(zhǎng)λ）來(lái)表示。但人們卻習(xí)慣將不同白度物體按一維量白度（W）排序來(lái)定量評(píng)價(jià)其白色程度，而把理想白色（如高純度硫酸鋇，其白度值為100%）作為參比標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是目視評(píng)定白度，還是用儀器評(píng)定白度，都必須建立在公認(rèn)的“標(biāo)準(zhǔn)”基礎(chǔ)上。所以，所謂白度是指距離理想白色的程度。

為了便于研究及比較，人們引入三刺激值Y（明度）、興奮純度（Pe），以及L、a、b值幾個(gè)物理量來(lái)規(guī)范白度或顏色。對(duì)于Y和Pe來(lái)講，不同的人有不同的看法，有資料顯示物體表面Y＞70，Pe＜10時(shí)可看做白色，有的則顯示Y=70~90，Pe=0~10時(shí)為白色。

為了進(jìn)一步改進(jìn)和同一顏色的評(píng)價(jià)方法，國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）引用了L、a*、b*三個(gè)數(shù)值來(lái)表示某一顏色，L值為亮度，變化范圍了0~100，L=0為完全黑暗，即為黑色，L=100為明亮。a*、b*值有正負(fù)之分，其中a表示紅綠色，-a*為綠色，絕對(duì)值越大，綠色飽和度越大，+a*為紅色，數(shù)值越大，紅色越強(qiáng)烈。b*值為黃藍(lán)色，-b*為藍(lán)色，絕對(duì)值越大，藍(lán)色越深，+b*為黃色，數(shù)值越大，黃色越深。有了這三個(gè)數(shù)值之后可在空間建立三維顏色坐標(biāo)系，見(jiàn)圖1，L、a、b為坐標(biāo)軸，任何一種可見(jiàn)光顏色都可以在坐標(biāo)系中表示出來(lái)，這種表示方法比于Y和Pe更為精確，適用范圍更廣。

圖1 三維顏色坐標(biāo)系

目前，國(guó)際上對(duì)于白度的計(jì)算公式或方法有多種，如甘茨白度、藍(lán)光白度、亨特百度、Tabble白度、建材白度等，甚至每個(gè)行業(yè)或企業(yè)都有不同的評(píng)定方法，就是用頻率來(lái)看，甘茨白度、藍(lán)光白度、亨特白度是應(yīng)用最為廣泛的三種，下面簡(jiǎn)單介紹一下。

2.1甘茨白度

甘茨白度是CIE在20世紀(jì)80年代公布的白度公式，其特點(diǎn)是以物體顏色的三刺激值為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)的公式如下：

W10為干茨白度值，TW、TW10為淡色調(diào)指數(shù)，Y、x10、y10為在10°視場(chǎng)下測(cè)得的式樣值，xn、yn為在10°視場(chǎng)下D65標(biāo)準(zhǔn)光源的坐標(biāo)值，其中xn=0.3138，yn=0.3309。該公式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于白度較好的物質(zhì)測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是對(duì)于其他顏色的測(cè)量準(zhǔn)確性較差，一般只用于評(píng)價(jià)白色物質(zhì)。

2.2 藍(lán)光白度

藍(lán)光白度簡(jiǎn)寫(xiě)為Wb或R457，公式為：

該公式中，Kb為歸化系數(shù)，數(shù)值為Kb=∑F(λ) △λ，R(λ)為標(biāo)準(zhǔn)白板的藍(lán)光白度儀器相同照明觀察條件下的光譜亮度因數(shù)，F(xiàn)(λ)為藍(lán)光白度計(jì)的相對(duì)光譜相應(yīng)分布，λ為波長(zhǎng)。由于該公式的參考量較多，二期計(jì)算起來(lái)較為繁瑣，因此通常用三刺激值色度測(cè)量?jī)x（D65在10°下測(cè)量）測(cè)出的Z值來(lái)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化公式為：

Wb=0.925Z+1.16

上述公式也具有一定的使用范圍，因其參數(shù)較少，計(jì)算方便在油墨、涂料等領(lǐng)域可作為計(jì)算參考，而且準(zhǔn)確性較高。

2.3亨特白度

亨特白度在我國(guó)比較通用，在國(guó)標(biāo)中也有明確規(guī)定，亨特白度用WH表示，計(jì)算公式如下：

式中a、b為亨特色品指數(shù)，L為亨特明度指數(shù)。亨特白度的測(cè)量有兩種方法，一種是在C照明體2°視場(chǎng)中，亨特指數(shù)L、a、b分別為：

另一種亨特白度的測(cè)量方法是在D65標(biāo)準(zhǔn)照明體10°的視場(chǎng)中，亨特指數(shù)L、a、b分別為：

上述各式中X2、Y2、Z2與X10、Y10、Z10分別為2°視場(chǎng)和10°視場(chǎng)中的三刺激值。該方法的特點(diǎn)是以色差形式計(jì)算白度值，測(cè)定結(jié)果的白度值較高，極差較小，適用于白度值較高的樣品的測(cè)量，在鈦白粉行業(yè)中應(yīng)用較多。

白度的計(jì)算和測(cè)量方法有多種，因此在對(duì)比白度時(shí)需要說(shuō)明用的何種計(jì)算方法，因?yàn)椴煌挠?jì)算方法得到的白度值有較大不同。在市面上有很多用于測(cè)量白度的儀器，不同一起的測(cè)量原理可能存在差異，致使同種樣品使用不同儀器測(cè)量時(shí)結(jié)果有所不同。

目前用于測(cè)量白度的儀器有MS-350、ND101-DP、ZDB-1等，它們的光源型號(hào)和視野角度有所不同，表1為同種樣品不同測(cè)試條件下的白度值，由表可知，不同的測(cè)試條件對(duì)白度的影響較大，因此，測(cè)試方法的選擇對(duì)白度數(shù)據(jù)有相當(dāng)大的影響。

表1  不同測(cè)試條件下的白度值

就目前來(lái)講，影響鈦白粉白度的因素有雜質(zhì)、粒徑和粒度分布、顆粒形狀、鈦含量等，下面對(duì)這幾個(gè)因素簡(jiǎn)要說(shuō)明一下。

4.1 雜質(zhì)

在鈦白粉工藝中，尤其是硫酸法鈦白粉工藝，大部分的作業(yè)是為了除去產(chǎn)品中的雜質(zhì)，因?yàn)殡s質(zhì)嚴(yán)重影響鈦白粉的應(yīng)用性能， 特別是白度。顯色金屬氧化物雜質(zhì)在極低的含量下就能影響白度，這些元素有鐵、錳、鉻、銅等，這些雜質(zhì)本身就帶有顏色，在白色的鈦白粉中極易顯色，常見(jiàn)的雜質(zhì)及顯色濃度見(jiàn)表。

表2 常見(jiàn)雜質(zhì)及顯色極限值

在實(shí)際生產(chǎn)中，雜質(zhì)污染鈦白粉的極限含量要比表2中嚴(yán)重的多，即在更低的濃度下就能顯色，以鐵元素為例，當(dāng)紅色的Fe3+進(jìn)入Ti4+的位置后，因極化而變形，這就比正常的鐵吸收更多的紅色。因此，F(xiàn)e3+置換Ti4+后導(dǎo)致光的吸收與濃度不成比例，即此時(shí)鐵元素對(duì)鈦白粉白度的影響比表格中列出的數(shù)據(jù)嚴(yán)重的多。這主要的由于Fe3+被極化的能力很強(qiáng)，在遇到極化能力強(qiáng)的原子時(shí)，鐵原子會(huì)被極化而變形。而且 ，鈦原子半徑小，極化能力很強(qiáng)，當(dāng)Fe3+濃度增加后，彼此之間會(huì)由于氧缺陷而導(dǎo)致相互吸引，原子核外部被拉長(zhǎng)，進(jìn)一步在光能作用下失去電子，產(chǎn)生強(qiáng)烈的光色互變現(xiàn)象。根據(jù)顯色元素的不同光色互變現(xiàn)象也不同，鐵元素為紅色光色互變現(xiàn)象，錳元素為灰色光色互變現(xiàn)象。鈰元素為黃色光色互變現(xiàn)象等。

4.2 粒徑和粒度分布

粒徑和粒度分布也是影響鈦白粉白度的主要因素，它主要是通過(guò)鈦白粉顆粒對(duì)光的反射、散射等現(xiàn)象影響的。圖2為5個(gè)鈦白粉樣品的粒度分布圖，圖中橫坐標(biāo)為顆粒的粒度，縱坐標(biāo)為該粒度的鈦白粉在體系中的占有比例，即頻率，曲線下方的積分為1。圖中曲線峰值越大，峰域越窄，曲線越偏左，代表該種顆粒的鈦白粉粒徑越小，粒度分布越集中，鈦白粉的各項(xiàng)性能就越好。

圖2 鈦白粉樣品的粒度分布圖

圖2中5個(gè)樣品的平均粒徑為0.4、0.55、0.6、0.8、1.0μm，這幾個(gè)樣品除粒徑不同外組分完全相同，將這幾個(gè)樣品用MS-350白度測(cè)試儀測(cè)量，得到的結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 平均粒徑與白度的關(guān)系

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知，鈦白粉的粒徑越小，白度值越高，這主要是由于鈦白粉粒徑越小，表面積增大，光的反射、漫反射增強(qiáng)。根據(jù)光波的特性，當(dāng)顏料粒子的粒徑小于光波的一半時(shí)可以獲得對(duì)該波長(zhǎng)的色光的最大散射，由此分析，對(duì)波長(zhǎng)藍(lán)色光散射最好的粒徑在0.2μm左右，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅色光散射最大的粒徑在0.35μm左右，因此，小粒徑的鈦白粉的散射光呈藍(lán)相，而透過(guò)光則為藍(lán)色的補(bǔ)色紅黃相，反之，大粒徑的鈦白粉散射光為紅相，透過(guò)光為藍(lán)相。

在上述5個(gè)樣品中平均粒徑都在0.4μm以上，遠(yuǎn)超過(guò)了藍(lán)光散射粒徑0.2μm和紅光散射粒徑0.35μm，但仍會(huì)有藍(lán)光和紅光的散射，這是由于在5個(gè)樣品中平均粒徑只是平均值，在分散體系中存在大量0~0.35μm的顆粒，這些顆?？梢援a(chǎn)生強(qiáng)烈的反射、散射和吸收，當(dāng)平均粒徑小時(shí)，0~0.2μm粒徑的顆粒就多，對(duì)藍(lán)光散射就強(qiáng)，平均粒徑大時(shí)，0~0.2μm粒徑的顆粒少，0.2~0.35μm粒徑的顆粒多，對(duì)紅光散射就強(qiáng)，白度明顯下降。

4.3 顆粒形狀

顆粒形狀是指鈦白粉顆粒的存在狀態(tài)，可分為球狀、桿狀和層狀，如圖4所示。球狀為顆粒呈球行或類(lèi)球形，桿狀為顆粒的橫截面和縱截面為長(zhǎng)方形和圓形或類(lèi)似形狀，層狀顆粒為顆粒厚度較薄但一側(cè)面積較大。這三種顆粒形狀在鈦白粉中常見(jiàn)，球狀為理想狀態(tài)，但是由于包膜或氣粉的因素可能產(chǎn)生桿狀和層狀。人為控制氣粉條件，生產(chǎn)出三種形狀的鈦白粉，用MS-350白度測(cè)試儀測(cè)量白度，得到的結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 鈦白粉顆粒電鏡照片

表3 顆粒形狀與白度的關(guān)系

由表3可知，層狀鈦白粉的白度略低，球狀和桿狀的白度非常接近，因此，鈦白粉顆粒形狀雖然可以略微影響白度，但不是主要因素。在生產(chǎn)中，顆粒的形狀主要影響鈦白粉的光澤度、遮蓋力、分散性等指標(biāo)，關(guān)于白度指標(biāo)可不用考慮此因素。

4.4 鈦含量

鈦含量指鈦白粉中二氧化鈦的總含量，對(duì)于顏料級(jí)鈦白粉中二氧化鈦的含量一般在90%以上，具體在92~98%之間，其他物質(zhì)主要為包膜劑與少量雜質(zhì)。目前根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可選用不同的包膜劑種類(lèi)，常用的包膜劑有鋁包膜、硅包膜、鋯包膜等，也有兩種或多種包膜劑共同使用，如鋯鋁包膜、硅鋁包膜等，這些包膜劑的加量各廠家不盡相同。為了便于研究，這里采用鋁包膜產(chǎn)品，即在鈦白粉的后處理階段包裹一層水和氧化鋁膜，包膜化學(xué)品為硫酸鋁和偏鋁酸鈉，包膜量分別為（以氧化鋁計(jì)）2、3、4、5、6、7%，由于雜質(zhì)及有機(jī)處理的存在，最終產(chǎn)品中二氧化鈦的絕對(duì)含量在92~97%之間。將這幾種樣品在相同條件下用MS-350白度測(cè)試儀測(cè)量白度，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 二氧化鈦含量與白度的關(guān)系

從圖5中可以看出，隨著二氧化鈦含量的升高，白度值也升高，即鋁含量升高，白度值下降，也就是說(shuō)鋁元素有降低白度的性質(zhì)。除了鋁元素外，鋯、硅也是常用的包膜劑，它們也有相似的性質(zhì)，只是降低白度的程度有所差異。

在生產(chǎn)及客戶使用過(guò)程中，都希望鈦白粉的白度能夠更高，據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，當(dāng)鈦白粉的白度升高時(shí)，其遮蓋力、消色力指標(biāo)也會(huì)相應(yīng)升高，因此，要達(dá)到同等的效果使用的鈦白粉量就少，成本就會(huì)降低。關(guān)于生產(chǎn)中提高白度的方法目前主要有以下幾點(diǎn)（針對(duì)于硫酸法）。

（1）原料選擇方面

原料是生產(chǎn)的第一步，只有合格的原料才能生產(chǎn)合格的產(chǎn)品，鈦白粉對(duì)于雜質(zhì)的含量極為敏感，有時(shí)要精確到1ppm，因此，選擇好的礦源是重中之重。鐵、錳、釩鈮是比較重要的雜質(zhì)，其含量需要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試并精確控制。

（2）水解技術(shù)

水解是硫酸法鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程中重要的工藝，也是影響鈦白粉白度的重要位置。通常加壓水解產(chǎn)物的均勻性較差，洗滌速度慢，成品白度差，而常壓水解可以克服這一缺點(diǎn)，時(shí)顆粒形狀均勻，白度上升。

（3）煅燒條件

煅燒是脫水、脫硫、晶型轉(zhuǎn)化、晶型成長(zhǎng)的過(guò)程，與成品的白度有直接關(guān)系，切勿欠燒或過(guò)燒。一般在回轉(zhuǎn)窯前方設(shè)置燃燒室，防止高溫火焰直接接觸物料，并控制溫度、轉(zhuǎn)速和煅燒時(shí)間，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制各項(xiàng)參數(shù)。

（4）砂磨條件

砂磨是后處理階段的第一個(gè)作業(yè)，其任務(wù)是將物料打碎，用于后期的包膜處理。當(dāng)物料過(guò)粗時(shí)，包膜不均勻，過(guò)細(xì)會(huì)導(dǎo)致成品遮蓋力下降，并浪費(fèi)研磨資源，因此，一般控制平均粒徑在0.3~0.6μm之間。

（5）包膜過(guò)程

包膜方式、包膜量、包膜的均勻程度等都可以影響產(chǎn)品的白度，通常情況下，包磷、鋁、鋯是會(huì)是白度有升高的趨勢(shì)，而包硅則會(huì)使白度不變甚至下降，而當(dāng)包膜不均勻時(shí)也會(huì)嚴(yán)重影響成品的白度。

（6）氣粉條件

氣粉是將鈦白粉粉碎到合適的粒徑，粒徑越大，均勻性越差，白度越低，反之白度升高，因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般將成品粒徑粉碎到0.2~0.35μm之間。

通過(guò)以上對(duì)于鈦白粉白度的分析，可得出兩個(gè)結(jié)論：

（1）鈦白粉的白度常用甘茨白度、藍(lán)光白度和亨特白度來(lái)表示，不同的白度由不同的應(yīng)用場(chǎng)合，而且測(cè)量白度的儀器存在差異，對(duì)比時(shí)需要確定儀器型號(hào)；

（2）鈦白粉白度的影響因素有雜質(zhì)、粒徑和粒度分布、顆粒形狀和鈦含量，其中雜質(zhì)的影響最為嚴(yán)重，其次是粒度分布和鈦含量，顆粒形狀對(duì)白度的影響最小，具體影響作用為雜質(zhì)含量越低，粒度分布越集中，平均粒徑越小，鈦含量越高，白度值越大，反之白度越小。