浅谈钛白粉品型对粉末涂料老化性能的影响

马会刚，高庆福

广州擎天材料科技有限公司

1、前言

随着环保要求及绿色生产要求越来越严格，各种耐用产品的使用寿命将会得到大幅改善。粉末涂料作为保护各种基材的保护层，提升粉末涂料的老化性能，越来越受到关注。粉末涂料的重要组成部分--钛白粉由于二氧化钛的晶格缺陷，使得它在日光特别是紫外线的照射及水等催化剂的作用下被还原为不稳定的三氧化钛，同时释放出初生态氧，这个氧使作为漆基的有机物氧化，发生高分子的断链和降解，变成可溶性或易挥发的物质而破坏了漆膜的连续性，对老化性能有着重要的影响。

2、钛白晶型介绍

钛白粉是一种多晶型的化合物，在自然界主要有金红石型钛白粉、锐钛型钛白粉和板钛型钛白粉这三类，其中板钛型钛白粉晶型不稳定，故市场上以其他两种晶型为主。锐钛型的单晶由4个二氧化碳分子组成，晶格比较大，结合较疏松，晶体排列具有方向性，在多晶的结合体上统一形成类似云母的片状结构，因此在晶格稳定性上较差，相对比度小，晶体硬度小。金红石型钛白粉的单晶是由2个Ti0₂分子构成，晶格比较小，结合紧密，且晶格排列没有方向性，而是呈发散性空间排列，多晶的结合体为较为致密的空间网状结构，因此在晶格的稳定性上密度较大，硬度也较大。金红石型钛白粉晶体较细长、呈棱形，通常为栾晶，而锐钛型钛白粉则多为近似规则的八面体。各自的x射线衍射特征峰也不同，锐钛型钛白粉的衍射角位于25.3°，而金红石型钛白粉的则位于27.4°。

3、金红石晶型钛白粉粉末涂料涂层的耐候性测试

3.1自然暴晒实验

广州擎天材料科技有限公司为了保证产品的耐候性，在2012年开始了自然暴晒实验，选择金红石晶型的钛白粉，用特定的配方，检测粉末涂料的耐候性实验。配方如下：

取某厂家金红石晶型钛白粉三个批次制样，进行热带气候自然暴晒实验（参照标准《GB/T 9276-1996涂层自然气候曝露试验方法》）。具体暴晒数据统计如下：

将以上数据绘制成折线图如下：

备注：所用钛白粉的金红石晶型转化率均≧98%，二氧化钛含量≧93.5%。

暴晒后的样板展示：

数据分析：

1）3个样品的暴晒数据基本一致

2）在暴晒18个月后，数据基本趋于平稳

3）曝光率在10％以下时会出现很轻微粉化现象

4）一旦出现粉化现象后，曝光率基本维持在5％上下

5）涂层没有发现锈迹，涂层无脱落现象。

3.2 金红石晶型钛白粉粉末涂层氙灯加速老化实验

试验条件：参照《GB/T 1865 2009色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露（滤过的氙弧辐射）》

仪器：Q-Sun Xe-3-HS氙灯老化试验机。

样品：某厂家金红石晶型钛白粉三个批次制样的样板。

从数据上分析，氙灯加速老化500h与自然暴晒3个月的数据大致相当；氙灯加速老化1000h与自然暴晒半年的数据基本一致。（涂层老化性能与配方的关系比较大，实验数据不能类推）。

3.3 短期内粉末涂料涂层耐老化性能差乃至粉化的原因

广州擎天材料科技有限公司曾接受了客户反馈投放市场三个月出现粉末涂层粉化现象的样板分析工作。我司通过DSC分析了涂层固化程度，固化率在99.5％以上，符合要求；红外分析分析了涂层的有机成分，没有发现环氧树脂的特征峰；X射线衍射分析了涂层中填料成分，发现填料使用了硫酸钡、钛白粉，衍射角位于（2θ）25.3°处有明显的锐钛型特征峰。X射线衍射分析的图谱分析如下：

该实验分析说明：该涂层短期粉化的原因是粉末涂料生产过程中使用了混有锐钛型晶型的钛白粉。

正常涂层（使用钛白粉的金红石晶型转化率98％）的图谱如下：

可见若钛白粉中混杂锐钛型钛白粉用X射线衍射仪分析明显时，耐老化性能急剧衰减！

4、钛白粉晶型对涂层老化性能机理简析

Ti0₂的催化能力在很大程度上取决于光生电子-空穴对的分离程度，但由于金红石型的Ti02对氧的吸附能力较锐钛矿型的低，其表面上吸附氧的比例比锐钛晶型的少，表面吸附氧在光催化过程中具有俘获光子作用，既可抑制光生电子-空穴对的复合，也可作为氧化剂氧化已经羟基化了的反应物。

金红石型Ti0₂能够吸收光，也能激发电子，但复合较快，用于氧化污染的光子率很低。研究表明纯锐钛晶型Ti0₂的催化效果比纯金红石型的要好，当混合晶型样品中的锐钛晶型含量较高时催化效果要明显好于纯锐钛矿型的Ti0₂。

二氧化钛如何弥补晶格缺陷，减少Ti0₂直接与空气中的氧气接触，成了提升耐候性的关键。现在工业生产中为了改善二氧化钛漆膜的耐候性，在偏钛酸煅烧前添加少量的盐处理剂，或对其进行包膜处理以堵塞其光活化点，隔绝二氧化钛与光（紫外线）的直接接触。目前钛白粉的表面改性方式有：硅铝包膜、锆铝包膜等。由于钛白粉是二氧化钛经过包膜处理的产物，所以二氧化钛的含量并非100％，大约在93％-95％之间，若二氧化钛含量偏高，则包膜的程度可能会有所牺牲，致使耐老化性能减弱，若二氧化钛含量偏低，则钛白粉的遮盖率偏低，也会降低涂层的耐候性。

5、结论

钛白粉在粉末涂料中起着颜料、填料的作用，对耐候性有着至关重要的作用。在使用钛白粉时需要关注钛白粉的金红石晶型转化率、二氧化钛含量、包膜物质等信息。在用X射线衍射仪进行晶型分析时，若出现明显的锐钛晶型特征峰时，此钛白粉不适合用于户外型粉末涂料，否则将急速粉化；在金红石晶型转化率98％时，一般涂层在自然暴晒环境下，2年左右时会出现轻微的粉化现象，以后保光率基本保持不变，会出现轻微粉化现象，涂层无锈迹、脱落现象，不影响涂层对基材的保护。