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引言

钛白粉是一种无机白色颜料，主要成分为二氧化钛，按晶体形态可分为板钛矿、锐钛及金红石三种类型。由于具有折射率高、消色力强、白度高、无毒和稳定性好等优点，钛白粉被广泛应用于涂料、塑料、造纸及油墨等行业，其中用量最大的为涂料行业，约占60%。钛白粉作为一种高效的光散射颜料，为涂膜提供了优异的白度和遮盖力。随着汽车工业、建筑工业以及水性涂料市场的迅速崛起，钛白粉的总体需求量也日益剧增。然而，由于原钛矿资源的短缺，造成了钛白粉的供应紧张和价格上涨，也对涂料生产商造成了巨大的成本压力。并且，钛白粉生产工艺过程带来的高能耗及产生的不必要的副产物也与当前倡导的低碳足迹理念日渐相悖。因此，提高钛白粉的使用效率，降低钛白粉的使用量或者寻求有效的钛白粉替代物也将成为涂料行业可持续发展的新途径。

1 钛白粉生产工艺

根据原料种类以及工艺流程的不同，目前较为成熟的钛白粉生产工艺可以划分为硫酸法和氯化法两种。

1.1 硫酸法

硫酸法工艺始于1918年，并在1931年得以商业化生产钛白粉。硫酸法工艺中的生产原料主要来源于钛铁矿或者酸溶性铁渣，然后与硫酸发生反应分解为TiOSO

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溶液，再进行结晶、沉淀、过滤和水洗，最终通过煅烧获得二氧化钛。钛白粉的晶型主要由结晶和煅烧过程控制。硫酸法工艺中的原料价格低廉且易获取，合成技术也比较成熟，因此生产成本较低。但由于硫酸法工艺以间歇操作为主，工艺流程较长。并且反应过程中硫酸及水的消耗量大，产生的废弃物及副产物较多，对环境的危害较大。

1.2 氯化法

20世纪50年代由杜邦公司首次采用氯化法进行商业化生产得到金红石型钛白粉。氯化法是以富钛矿为原料，与氯气发生还原反应生成四氯化钛，然后将其进行气相氧化获取二氧化钛。无论是硫酸法还是氯化法，反应得到的二氧化钛仍需经过进一步研磨分离。并且，涂料中使用的钛白粉还需要对二氧化钛粒子进行无机表面处理，通常为氧化铝或氧化硅。这是因为在紫外光存在的情况下，二氧化钛能够产生活性自由基，使涂料发生降解。表面处理作为一种屏障可以阻止这些自由基的产生。氯化法中的氧化过程控制着成品的粒径分布及晶型。相比硫酸法，氯化法工艺为连续生产，流程较短且成品质量易于控制。氯化法以富钛矿作为原料，产生的废弃物少，对环境影响相对较小。然而，氯化法对于原料的要求较高，合成技术复杂，且氯气、盐酸等强腐蚀性物质对于设备的防腐性能也有着很大的考验。

总体来说，氯化法的生产成本和技术要求相对较高，但生产得到的钛白粉纯度更高，粒径分布更窄，性能更加优异。

2 钛白粉在涂料中的遮盖作用

涂料的遮盖力是指把色漆均匀涂布在物体表面上，使其底色不再呈现的最小用漆量。在涂料行业，通常将涂料涂布于黑底和白底上，并使用分光光度计分别测定对应的反射比，其比值即对比率则用来表征遮盖力。对比率越高，遮盖力越强。遮盖或者不透明性可以通过两种方式达到，即光的吸收和光的散射。对于白漆而言，光的吸收作用极弱，遮盖的主要贡献来源于光的散射。光的散射通常发生在具有不同的折射率的两种物质的界面处。涂膜中含有无数个颜料粒子，在颜料与树脂的界面处，由于折射率的差异而发生光的散射或弯曲，使得光在到达基底前被完全反射而产生不透明的涂膜。树脂的折射率通常相差不大，因此颜料粒子的折射率大小决定了遮盖力的强弱。颜料粒子的折射率越大，涂膜的遮盖力越强。金红石型钛白粉的折射率高于锐钛型，这也是金红石型钛白粉在涂料领域应用更加广泛的重要原因之一。折射率大小影响着光线在涂膜中的传播路径。

含有高折射率颜料的涂膜中光线通过的路程更短。两种涂膜均显示为白色，具有很好的遮盖。然而当涂膜厚度减小到X处时，含有低折射率颜料的涂膜里部分光线将会被基底吸收，造成遮盖力下降。而含有高折射率颜料的涂膜仍然保持着很好的遮盖。因此，膜厚对于涂膜的遮盖也起到了关键的作用。涂料生产商更希望尽可能通过较低的膜厚而获得理想....