[发明专利]一种气相原子沉积钛白粉包膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化工领域，具体为一种针对颜料钛白粉粉体的气相包覆二氧化硅膜层的方法。

背景技术

二氧化钛，特别是金红石型的二氧化钛因其无毒、稳定和高折射率等特点被认为是世界上最好的白色颜料，被广泛应用于涂料、塑料及造纸工业。纳米级TiO₂颗粒因其良好的吸收、反射和散射紫外线的特性在紫外线吸收屏蔽领域有很高的应用前景。但是，由于TiO₂自身具有很强的光催化活性，所以在光照特别是紫外光照射下，涂料、塑料中的基体有机物会被降解导致涂料粉化进而影响材料的耐候性。TiO₂的光催化特性一定程度上制约了这一优异颜料的使用范围。为了提高颜料TiO₂的耐候性，过去几十年中，研究者们通过在二氧化钛外面包覆SiO₂，Al₂O₃、ZrO₂等无机惰性膜层来屏蔽其光催化活性，在众多无机氧化物中SiO₂因其出色的稳定性和高禁带宽度(8.9 eV)成为了二氧化钛包膜的优良选择。

一个好的无机致密膜层可以很好地屏蔽TiO₂的光催化活性从而提高产品耐候性。但是过厚的惰性膜层会降低纳米级颜料TiO₂自身的白度和紫外线屏蔽等性能。所以研究如何调控TiO₂的包覆量和包覆厚度既保证低光催化活性，又不会破坏其自身优良的光学特性就变得十分必要。

近年来，通过包膜改进颜料TiO₂性能受到广泛关注，SiO₂作为一种重要的包膜原料也被广泛报道。李文生等 [化学工业与工程, 2007, 24(1): 36-39] 将硅酸钠溶液和酸加入到钛白粉的浆液中,使硅以硅酸的形式沉淀在TiO₂颗粒的表面。Ernesto等 [Applied Physics Letters, 2014, 104(8): 081909] 用正硅酸乙酯(TEOS)通过溶胶凝胶法在TiO₂表面包覆SiO₂膜层。

US20060032402公开了一种颜料二氧化钛的包硅方法，调节二氧化钛料浆pH为11.5，加热至80 ˚C，以硅酸钾的形式加入SiO₂搅拌30 min，老化10 min后调节pH低于4维持150 min，然后经过滤、洗涤、干燥、粉碎制成成品。CN104194410A公开了一种硅铝包膜工艺，该方法调节初品二氧化钛料浆pH为9.0-11.0，加入分散剂，加热使料浆温度为80-100 ˚C，之后加入硅酸钠并调节pH为8.0-10.0，熟化30-60 min。将熟化后的料浆降温至50-80 ˚C，加入磷酸根化合物，并流加入含铝化合物，控制pH值为5.0-9.0使之生成磷酸铝，熟化30-60 min，之后加酸调节料浆pH值为7.0-8.0，经过滤、洗涤、干燥、粉碎制得成品。

目前大部本领域技术人员都是利用液相反应体系来实现包硅膜层的调变，从而提高钛白粉的耐候性，但是液相包膜存在反应过程繁琐、需要反复调节pH值、会产生较多废液等问题。因此，本领域技术人员需要一种既能提高钛白粉耐候性，又具有更高环境友好性的钛白粉包膜方法。

气相包膜相较于液相包膜具有很多先天优势，如不产生液体废物、反应时间短、更容易实现连续操作、有较好的放大潜力并且膜层更加均匀致密等。Quint H. Powell等 [Journal of materials research, 1997, 12(02): 552-559] 采用高温气相沉积方法对氯化法钛白粉颗粒进行包膜处理，反应在1300 ˚C和1500 ˚C下通过控制SiCl₄与N₂及水蒸汽的比例来控制包膜形态，在TiO₂颗粒表面形成无定形的SiO₂层，但厚度及均匀程度较难控制。

原子层沉积反应(ALD)可以通过表面单层气固反应，形成单分子层的沉积表面。本发明就是利用这一原理，在钛白粉表面进行ALD原子层沉积反应，形成致密均匀且厚度可控的包膜层，可以克服现有液相反应沉积和气相沉积包膜的缺点，形成光学性、分散性及耐候性优良的钛白粉颜料。

发明内容