钛白后处理实验室仪器设备的选择与应用.doc

钛白表面处理实验工艺及设备的选择与应用

邹建新1，2
（1攀枝花学院材料系； 2钒钛材料与复合技术四川省重点实验室，攀枝花 617000）

摘要：介绍了实验室中钛白后处理各阶段所用仪器设备的种类、名称、技术规格、生产厂家、价格和应用情况，对钛白装备企业提出了开发相关实验室用仪器设备的意见和建议。
关键词：钛白；后处理；实验室；仪器设备

Choice and Application of Experiment Equipment During Titanium Dioxide After-treatment

ZOU Jianxin1，2

(1 Materials Engineering Department, Panzhihua University, 2 Key Lab of Sichuan Province on Titanium & Vanadium Material and Composite Technology, Sichuan Panzhihua 617000, China)

Abstract: The kind, name, technic specification, production plant, application of experiment equipment during titanium dioxide after-treatment were introduced, advice about experiment equipment to titanium dioxide equipment factory was given.
Keywords: titanium dioxide, after-treatment, lab, equipment

1 前言
2004年国内钛白产量已达到60万t/a，2005年国内的钛白产能预计将达到90万t/a，目前产品仍然是锐钛型占绝对优势，约占总量的77%，金红石型只占23%，但是，目前国内钛白新增产能主要是金红石钛白，这也是今后的发展趋势。
建设金红石生产线很重要的环节是后处理，目前新上钛白粉厂的技术路线主要有两条：一是引进国外技术，二是采用国内相对成熟的后处理技术，但目前国内金红石钛白生产厂家还较少，金红石钛白质量还急待提高，后处理技术急待改进。因此，无论是老厂，还是新建金红石钛白厂，加强钛白后处理研发是十分重要的。我国在这方面目前还比较薄弱，少数生产厂在后处理实验室研发上刚起步，研究院所从事这方面工作的也较少，通过文献资料的查阅，目前还未发现有系统的专门论述后处理实验仪器设备的文章，因此，本文较系统地介绍了钛白后处理工艺过程中实验仪器设备的技术规格、选择与应用状况，以期对国内钛白后处理研发有一定的参考。此外，除了更多地培养后处理研发人员外，国内装备行业提供必需的、先进的钛白后处理实验室仪器设备就显得尤为重要了，因此，作者也对装备厂家提出了相关意见和建议。

2 后处理实验室仪器设备的种类、技术参数及供应状况
2.1 打浆分散阶段
打浆需要软水和热水，一般温度控制在50~60℃较好，因此蒸馏水器必不可少，相应的保温设施及称重设备也要有，近年市场上出现了实验室纯水系统，利用反渗透膜技术获得高标准纯水，这方面的设备供货商很多，钛白装备企业可以提供但没必要参与。高速分散机是必需的设备，在湿磨前必须进行打浆，通常打浆浓度在600g/L~1000 g/L之间，分散设备也有砂磨和分散合二为一的砂磨分散机，还有砂磨、分散和搅拌合一的多用机，可单独作搅拌用，分散机筒体容积通常在2~5L之间，国内生产商较多，但基本都是通用型设备，如上海现代环境工程技术研究所、江阴精细化工机械厂、威泰机械制造有限公司等等，价格通常在4000-6000元之间。
2.2 砂磨阶段
对钛白粒度控制的好坏，砂磨机起着决定作用，气流粉碎机可以粉碎的极限是1μm，而湿法砂磨机可以将钛白粉碎到0.5μm以下，但这还不能令研究人员十分满意。砂磨机有卧式和立式两种，通常不带内衬，也有采用聚氨酯耐磨橡胶作内衬的，普通实验采用不锈钢筒体也可满足工艺要求。国内生产砂磨机的厂家也很多，如成都新都永通机械厂、江阴精细化工机械厂、上海现代环境工程技术研究所等等，价格通常在2000-5000元之间，国产砂磨机一般无氧化铝内衬，采用玻璃珠作研磨介质，筒壁一般为不锈钢，研磨细度通常为1μm，筒体容积一般2L左右，不能循环研磨，在要求不高的情况下是可以使用的[1]。砂磨机性能最好的还是德国耐弛公司和布勒公司生产的，可以循环研磨，以前是不锈钢筒体，现在可以带氧化铝内衬，研磨介质采用氧化锆珠，研磨细度小，主要有蓝式砂磨机、Mini Zeta 03 型砂磨机等型号，但价格昂贵，通常在12万元左右。此外，上海索维公司也生产一种蓝式研磨机可用于实验室研究。国内生产氧化锆珠的厂家不多，主要有宜兴九州研磨介质厂、萍乡市利尔陶瓷有限公司等，用电熔法生产的氧化锆珠细度均匀、表面光滑、硬度高，是理想的二氧化钛湿磨用的磨料，通常其主要成分为：ZrO260%~70%，SiO230~40%，莫氏硬度在7以上，国内大部分氧化锆产品从国外进口，代理国外产品或采用国外技术生产氧化锆珠的主要有上海宫崎超细粉体有限公司、北京瑞驰拓维有限公司及法国圣戈班集团，价格每kg在数十元到数百元之间不等。砂磨后筛分所需成套筛网生产的厂家就非常多了。
2.3 分级阶段
湿磨后的颜料，一般不希望存在5μm以上的二氧化钛粗颗粒。生产中可用于分级的设备有水选罐、旋流器、振动筛等，但国内目前还没有发现比较适合实验室用的分级器，通常采用重力自然沉降、筛分或不进行分级。
在试管等器皿中采用静置沉降水选时，通常使用Stokes定律计算粗颗粒沉降到一定高度所花费的时间，如下式所示：

Vs = 2 / 9r2g(ρs -ρ)η

式中为Vs沉降速度，r为颜料粒子半径，g为重力加速度，ρs为颜料的相对密度，ρ为液体的相对密度，η为液体黏度。
2.4 无机包膜阶段
无机包膜一般需要控制精确的温度、时间、PH值、浓度等参数。
无机表面处理剂通常有Al2O3、SiO2、ZrO2等。包膜过程实质上是运用了溶胶-凝胶理论，在表面处理时通过沉淀或吸附，在二氧化钛粒子表面包上一层或多层无机水合氧化物，堵塞晶格缺陷，提高二氧化钛颜料的耐侯性和化学稳定性。如Si包膜的化学反应式为：

Na2SiO3 + H2SO4 + (x-1)H2O = SiO·xH2O + Na2SO4

无机包膜的主要设备是恒温水浴锅，作为盛装反应物的容器，一般都是不锈钢内胆，水温控制十分精确，通常在±0.1℃以下。国内生产该设备的厂家也较多，如：成都科欣公司、重庆五环试验仪器有限公司等等，价格通常在2000-4000元之间。PH计通常采用数显式，包膜剂加量的控制采用恒流泵（或蠕动泵），生产厂家也不少，如上海沪西分析仪器厂等，价格通常在3000元左右。包膜过程中必需采用电动搅拌机进行充分搅拌，以保证适宜的动力学条件。采用该套设备环节多，精确度不高，效率较低，难以达到理想的包膜效果。
值得高兴的是，最近出现了一种适合于钛白包膜的全自动反应斧，即中科院理化所研制的通用智能化学反应包膜系统，带两个反应容器，容积为2L和8L，温度范围为：室温~90℃±1℃，PH范围精度为：2~13±0.1，流量精度每分钟为0~60/100ml±1%，电脑控制包膜剂的加量和温度、PH值，以及加料速度等参数，整个包膜过程完全按照配方设计实现了全自动控制。但该反应斧价格较贵，约13万元RMB。目前国内钛白行业已有4家购买，1-2家已有购买意向。相信该设备会在钛白行业得到推广应用，特别是再经过合理改进并降低价格后。此外，河南中原实验设备有限公司也经销2NY2000型智能生化反应实验装置，单筒，温度范围为：室温~200℃，加压控制，价格约2.5万元，但未在钛白领域使用过，估计使用效果没有中科院的好。此外，河北保定也有生产的，主要用于感光胶片领域，但质量不太理想。
2.5 水洗、过滤与干燥阶段
实验室通常采用真空吸滤方式过滤和洗涤无机包膜后钛白。真空泵是通用型设备，其它如抽滤瓶等就更为常见。钛白装备企业在这方面基本没有参与的机会。该方法进行水洗过滤效率较低，对公斤级的实验就不大适合。因此，钛白实验室最好采用小型的压滤机，国内生产压滤机的厂家很多，但适合实验用的手动式小型压滤机不多，目前国内有河北景津集团、浙江建华压滤机有限公司生产这种实验室用板框型压滤机，过滤面积为1 – 3 m2，此外，还有杭州天堂压滤机厂、杭州兴源过滤机有限公司也生产，过滤面积为0.16 – 3 m2，价格约在5000元，滤布通常采用621型专用滤布。目前压滤机厂家进军钛白行业的有景津集团、衡水海江过滤机厂等。如果国内有更多的厂家生产，相信会有市场的。
实验室进行包膜钛白的干燥通常采用电热恒温干燥箱，温度通常控制在110-120℃之间，该设备生产厂家众多，如成都天宇试验设备有限公司等，也不属于钛白装备厂家的强项，不适合参与。该干燥方法方便、实用，但容易造成钛白干燥后的结块。目前在食品、医药行业已有专门的实验室用喷雾干燥机，如上海沃迪科技公司即可生产，但未在钛白领域使用过。山东天力公司也有5kg/h的可用于钛白实验的喷雾干燥器，甚至有300-600ml/h的小型喷雾干燥器，但需要改进后使用效果才好。如钛白装备厂家能开发出象喷雾干燥器一类的专门用于钛白（及其它粉体材料）实验室干燥的设备是最好，相信市场前景广阔。
2.6 有机包膜阶段
钛白后处理的微粉碎基本都采用气流粉碎机，产品细度通常可达1-5μm，在此过程中同时进行有机包膜。国内生产实验室用气流粉碎机的厂家不太多，但也不少，有华东理工大学气流粉碎分级技术装备中心、上海化机三厂、宜兴清新粉体机械有限公司等几家，全套价格通常在8万元左右，单机价格在3-5万元之间，第三家目前暂时还只生产生产型装置。此外，国外较好的实验型气流粉碎机是加拿大ATS工业系统公司（上海代表处）生产的，产品处理量分别为0.2-50g和3g – 20kg，主要应用于医药领域，价格约2万欧元，产品粒度可达0.1-20μm，在国内钛白实验领域还未使用过，但预计用于粉碎钛白的效果会很好。配套的全无油润滑空气压缩机和空气干燥器生产厂家就较多，价格分别为8000元和11000元左右。
有机表面处理剂可以有效改善钛白在溶剂中的表面能、表面润湿性、电性和分散性能等，主要有偶联剂、高级脂肪酸、不饱和有机酸及有机硅等，近年使用性能比较好的是有机硅表面处理剂[2]，生产厂家主要有成都道奇威实业有限公司、美国道康宁公司，国内也有生产有机硅的厂家，如广州亿克有机硅有限公司。
2.7 包膜钛白的分析测试
对包膜钛白产品的最终性能进行检测的项目很多，需要的设备也较多，作为研发实验室只能配备一些常用的仪器，但作为钛白装备厂家，如能提供更多的仪器是十分有市场前景的。
常用仪器有：扫描电镜SEM、X-ray荧光光谱仪、X-ray衍射仪、激光粒度分布仪、Zeta电位分析仪、分光光度计、平磨仪、线棒涂布器、色彩色差仪、白度仪、快速阳光暴晒机、粉化率测定仪、耐洗刷测定仪、旋转黏度计、光泽度仪、刮板细度计等。前5种仪器价格昂贵，一般只有进口才能保证质量，国内钛白装备厂家通常没有能力和实力参与。其余的仪器国内生产的厂家也较少，比较典型的生产商有上海现代环境工程技术有限公司、广西梧州化工仪器厂等，如果钛白装备企业能全面参与钛白（涂料）专用仪器设备的生产，其前景无疑将十分广大，也是钛白行业十分期盼的事情。

3. 对钛白装备厂家的意见和建议
（1） 在参与钛白生产装备制造的过程中，不要忽略了与生产密切相关的实验室仪器设备的开发，往往许多厂家是在使用了装备厂家的实验室产品后才继续使用其大型设备，或更加了解、信任该设备厂家。
（2） 希望能新成立一家专门开发、制造、供应钛白实验室全套仪器设备的专业化公司，就类似于目前供涂料行业仪器设备的上海现代环境工程技术有限公司一样。
（3） 加强相关后处理设备的开发和制造力度。分散机和砂磨机集成，但不能削弱某种功能，开发氧化铝内衬，最好能循环研磨，以期与耐弛、布勒公司产品竞争，实现国产化；开发出实验室用分级设备；优化智能化学反应包膜系统，最好有新的厂家开发出类似的产品参与竞争；优化实验室用压滤机，最好有更多的厂家参与钛白行业的竞争；开发出适合钛白行业用的实验室喷雾干燥设备；优化实验室用气流粉碎机；研发高性能的氧化锆珠；开发新的钛白专用有机硅表面处理剂参与竞争；积极参与钛白分析测试仪器设备的生产和供应。

参考文献
[1] 张国旺. 超细粉碎设备及其应用[M]. 北京：冶金工业出版社，2005. 323~333
[2] 唐振宁. 钛白粉的生产与环境治理[M]. 北京：化学工业出版社，2000. 168~203

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作者简介: 邹建新,男,(1968-),副教授,高级工程师, 长期从事钛资源综合利用研究工作.
联系地址: 617000, 四川攀枝花市东区学园路 攀枝花学院材料系.
电话: [phone](办),13882386872
email: cnzoujx@

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