钛白粉的性质.pptx
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1、钛白粉的性质晶体性质物理性质化学性质光学性质第1页/共114页晶体性质钛白粉:学名:二氧化钛 英文名:Titanium Dioxide 分子式:TiO2第2页/共114页结晶形态第3页/共114页金红石型和锐钛型二氧化钛的晶型结构示意图。第4页/共114页tiotio2 2 pigment pigment.not all tio.not all tio2 2 are alike!are alike!不是所有钛白粉都是一样的第5页/共114页二氧化钛的结晶特征及物理常数物性金红石型锐钛型结晶系四方晶系四方晶系相对密度3.94.23.84.1折射率2.762.55莫氏硬度6-75.5-6电容率11
2、431熔点1858高温时转变为金红石型晶格常数A轴0.458,c轴0.795A轴0.378,c轴0.949线膨胀系数25/a轴7.1910-62.8810-6c轴9.9410-66.4410-6热导率1.80910-3吸油度16481830着色强度1650190012001300颗粒大小0.20.30.3第6页/共114页光的吸收谱图锐钛型和金红石型钛白粉在紫外线,可见光,红外线区域的反射(after Kampfer,1973.)第7页/共114页,金红石型在高能 (较短波长)吸收辐射能较锐钛型大,换句话说,对于金红石型钛白粉,在具有很强杀伤力的UV-波长段内(350-400nm),它对紫外线
3、的反射率要远远低于锐钛型钛白粉,在这种情况下,它对周围的成膜物、树脂等身上所要分担的紫外光线就要少得多,那么这些有机物的使用寿命就长,这就是说,为什么通常所说的金红石型钛白粉的耐候性要比锐钛型好之原因所在 第8页/共114页金红石型和和锐钛型锐钛型钛白粉比较比较 金红石(R)(R)型钛白粉锐钛(A)(A)型钛白粉原子结构较紧密折射系数(2.73)(2.73)2.552.55遮盖力更高调色能力更强 (10-30%)(10-30%)耐候能力更好 稳定型更好密度3.75-4.153.75-4.153.7-3.83.7-3.8色相较蓝磨耗能力较低锐钛型(松散)金红石型 (紧密)第9页/共114页物理性
4、质相对密度 熔点和沸点 介电常数 电导率 硬度吸湿性 热稳定性 第10页/共114页相对密度在常用的白色颜料中,二氧化钛的相对密度最小,同等质量的白色颜料中,二氧化钛的表面积最大,颜料体积最高。表 常见白色颜料的相对密度颜料名称相对密度/(g/cm3)颜料名称相对密度/(g/cm3)锐钛型二氧化钛3.83.9硫酸铅6.46.6金红石型二氧化钛4.24.3氧化锌5.55.7板钛型二氧化钛4.124.23锌钡白4.24.3碱式碳酸铅6.86.9硫化锌4.0第11页/共114页熔点和沸点由于锐钛型和板钛型二氧化钛在高温下都会转变成金红石型,因此板钛型和锐钛型二氧化钛的熔点和沸点实际上是不存在的。只有
5、金红石型二氧化钛有熔点和沸点,金红石型二氧化钛的熔点为1850、空气中的熔点(1830土15)、富氧中的熔点1879,熔点与二氧化钛的纯度有关。金红石型二氧化钛的沸点为(3200300)K,在此高温下二氧化钛稍有挥发性。第12页/共114页介电常数由于二氧化钛的介电常数较高,因此具有优良的电学性能。在测定二氧化钛的某些物理性质时,要考虑二氧化钛晶体的结晶方向。例如,金红石型的介电常数,随晶体的方向不同而不同,当与C轴相平行时,测得的介电常数为180,与此轴呈直角时为90,其粉末平均值为114。锐钛型二氧化钛的介电常数比较低只有48。第13页/共114页电导率二氧化钛具有半导体的性能,它的电导率
6、随温度的上升而迅速增加,而且对缺氧也非常敏感。例如,金红石型二氧化钛在20时还是电绝缘体,但加热到420时,它的电导率增加了107倍。稍微减少氧含量,对它的电导率会有特殊的影响,按化学组成的二氧化钛(TiO2)电导率10-10s/cm,而TiO1.9995的电导率只有10-1s/cm。金红石型二氧化钛的介电常数和半导体性质对电子工业非常重要,该工业领域利用上述特性,生产陶瓷电容器等电子元器件。第14页/共114页硬度按莫氏硬度10分制标度,金红石型二氧化钛为66.5,锐钛型二氧化钛为5.56.0,因此在化纤消光中为避免磨损喷丝孔而采用锐钛型。第15页/共114页吸湿性二氧化钛虽有亲水性,但吸湿
7、性不太强,金红石型较锐钛型为小。二氧化钛的吸湿性与其表面积的大小有一定关系,表面积大,吸湿性高。二氧化钛的吸湿性也与表面处理及性质有关。第16页/共114页热稳定性二氧化钛属于热稳定性好的物质第17页/共114页项目锐钛型金红石型相对密度(g/cm3)表观密度(g/cm3)莫氏硬度介电常数熔点/空气中熔点/富氧中熔点/沸点/K比热容(25)/kJ/(kgK)导热率/W/(mK)3.83.90.60.75.06.0480.711.804.24.30.70.86.07.0114185018301518791532003000.710.620熔解热/(kJ/mol)生成热/(kJ/mol)润湿热/(
8、J/cm2)摩尔标准热容/J/(mol)摩尔标准热焓/J/(mol)摩尔标准熵/J/(mol)升华热(25)/J/g摩尔标准自由能/(kJ/mol)汽化热/J/g荧光性64931.4-944.556.9849.9950.4-944.57264.1-889.33768.1314没有64931.4-944.55.510-556.4850.241.5-917.166.3强第18页/共114页化学性质二氧化钛的化学性质极为稳定,是一种偏酸性的两性氧化物。常温下几乎不与其他元素和化合物作用,对氧、氨、氮、硫化氢、二氧化碳、二氧化硫都不起作用。也不溶于水、稀酸及弱无机酸,在某些碱类的水溶液中的溶解度见表5
9、-5。第19页/共114页二氧化钛在某些碱类中的溶解度 溶剂TiO2的溶解度/(mg/L)溶剂TiO2的溶解度/(mg/L)10%NaOH溶液36%NaOH溶液10%KOH溶液40%KOH溶液10%NaHCO3溶液20256010030045070090025030%K2CO3溶液饱和KHCO3溶液饱和Na2CO3溶液饱和K2CO3溶液207000不溶300第20页/共114页钛白粉元素,能溶于氢氟酸,生成氟钛酸,其反应方程式如下:TiO2+6HF=H2TiF6+2H2O在长时间煮沸的情况下,溶于浓硫酸,生成硫酸钛或硫酸氧钛,其反应方程式如下:TiO2+2H2SO6=Ti(SO4)2+2H2O
10、TiO2+H2SO6=TiO(SO4)2+H2O第21页/共114页能溶于碱,如强碱(氢氧化钠、氢氧化钾)或碱金属碳酸盐(碳酸钠、碳酸钾)熔融,可转化为可溶于酸的钛酸盐,其反应方程式如下:TiO4+4NaOH=Na2TiO4+2H2O第22页/共114页悬浮在某些有机介质中的钛白粉,在光和空气的作用下,可循环地被还原与氧化而导致介质的被氧化,这一种光化学活性,在紫外线照射下锐钛型钛白粉尤为明显,这一种性质使钛白粉既是某些无机化合物的光敏氧化催化剂,又是某些有机化合物光敏还原催化剂。第23页/共114页光学性质折射率(Refractive index)二氧化钛粒子大小和散射强度(scatteri
11、ng power)二氧化钛粒子大小对制品颜色的影响 遮盖力(Hiding Power)不透明度(Opacity)光泽 着色力(消色力)着色底相(Undertone)吸油量(Oil absorption)白度(whiteness)颜料体积浓度PVC(pigment volume concentration)第24页/共114页折射率(Refractive index)折射率是光线通过两个在光学上不同介质的界面时,光的速度发生变化而改变入射方向产生折射,这时光线入射角的正弦与折射角的正弦比值(sin/sin)称为折射率,又称折光指数。第25页/共114页折射率随物质的化学组成、晶体结构及光的波长不
12、同而改变。当光射过两个折射率相同的介质时,不发生折射,这时光全部从第一种介质进入第二种介质,介质就呈现透明状态;当光从一种折射率低的介质中射入另一种高折射率的介质时,在这两种介质的界面处,一部分光经过折射进入后一种介质,而另一部分光则在界面处发生反射,这使后一种介质变为不透明,这就起到了遮盖作用,这两种介质的折射率相差越大,这种效果就越显著。第26页/共114页白色颜料折射率基料或介质折射率硅藻土1.45真空1.0000二氧化硅1.41-1.49空气1.0003碳酸钙1.63水1.3330重晶石1.64聚醋酸乙烯酯树脂1.47陶土(白土)1.65大豆油1.48硅酸镁1.65精制亚麻仁油1.48
13、立德粉1.84乙烯树脂1.48氧化锌2.02压克力树脂1.49碱性碳酸白粉1.94-2.09桐油1.52氧化锑2.09-2.29氧化大豆油醇酸树脂1.52-1.53硫化锌2.37苯乙烯丁二烯树脂1.53锐钛型二氧化钛 2.5570/15/15醇酸/三聚氰胺/尿素1.54金红石二氧化钛 2.7375/25醇酸/三聚氰胺1.55聚乙烯1.50-1.54SAN1.56聚碳酸酯1.59聚苯乙烯1.60第27页/共114页二氧化钛折射倍数差异如何影响不透明度在右图中,含高折射率倍数的二氧化钛的薄膜中,光的曲折比在含低折射倍数二氧化钛的薄膜中大,因此,光走的路径较短,且没有穿透的那么深。这两个薄膜都显得白
14、色且不透明,因其没有吸光粒子,且实际上所有的入射光都会返回表面。然而,若在一个较薄的薄膜中(图5-6-2),图左中含高折射倍数的二氧化钛的薄膜仍然显现白色及不透明,而图右中含低折射倍数二氧化钛的薄膜则允许少量的光线完全地透过,而为黑色背景所吸收,这薄膜就无法完全不透明,且和白色薄膜相较之下显得灰色。第28页/共114页折射示意图圆球表示浮悬于低折射倍数之树脂中的二氧化钛微粒。当光线通过二氧化钛微粒,由于材料中颜料粒子与基料折射率不同,当光线穿越后、会产生曲折现象。光在高折射倍数的二氧化钛微粒内行进的速度远慢于光在低折射倍数树脂内的行进速度。第29页/共114页不同折射率粒子折射性能比较高折射率
15、的材料反射作用强,低折射率的材料反射作用弱。第30页/共114页小粒子周围的光线衍射(绕射)上图所示为绕射现象。行进路线靠近二氧化钛粒子的光线受到弯曲,而分开散射到许多方向。这一现象说明颜料在其临近区域对光的散射能力数倍于其粒子横截面内。第31页/共114页折射率不同的几种白色颜料的不透明性差异 第32页/共114页tiotio2 2 pigment pigment .opacity is high/.opacity is high/高遮盖力clayclay znoznotio2tio2.reflectivity(brightness)is.reflectivity(brightness)is
16、 high.high.高反射率(亮度).chemically inert.chemically inert.化学惰性第33页/共114页TiO2和其他白色颜料的相对遮盖力 第34页/共114页散色力与颗粒大小和波长的关系第35页/共114页chloride tio2chloride tio2/氯化法non-chloride tio2/non-chloride tio2/非氯化法chloride process is a“purer”processchloride process is a“purer”processcie lab color scalecie lab color scalebr
17、ightnessbrightness亮度国际照明委员会标准氯化法工艺纯度较高。第36页/共114页曲线表明R型二氧化钛对蓝色、绿色和红色光线的相对散射能力为二氧化钛粒子大小的函数。在0.2m处,各波长光线散射的总和就增至最大。当粒子增加至0.250.30m之间时,蓝色光线的散射迅速减少,但绿色和红色光线的散射却相对地不变。在0.15m处对于蓝色光线的最大散射,光谱中红色和绿色范围内的光线散射就显著下降。第37页/共114页根据可见光谱长范围400700nm,所以理想的二氧化钛粒径应0.20.5m,但是人们的视觉总认为蓝白色比纯白色更白,因此都倾向于生产0.2m粒径左右的二氧化钛,从这一点来讲消
18、除金红石型二氧化钛固有黄相是有可能的。从图5-12可以看出0.2m的小粒径比0.3m的大粒径能反射更多的蓝光和绿光而显得更白。表5-7为二氧化钛在不同波长下的最佳粒径。第38页/共114页不同波长下的白色颜料的最佳粒径/m颜料蓝光450nm绿光560nm红光590nm金红石型TiO20.1400.1920.205锐钛性TiO20.1580.2150.230氧化锌(ZnO)0.2750.3890.416硫酸钡(BaSO4)1.071.301.36碳酸钙(CaCO3)1.441.741.8450%TiO2与CaSO4复合颜料0.1930.2670.28530%TiO2与CaSO4复合颜料0.260
19、0.3600.383第39页/共114页二氧化钛粒子大小对制品颜色的影响 在白色光全不透明的塑料中,钛白粉粒子的大小对颜料没有什么影响,因为,所有撞击在其表面的光皆完全地被反射回去,如图5-13所述。图中,有最短波长及最短散射路径的蓝光和有最长波长及最长散射路径的红光皆完全反射,其视觉效果都是一样的,仿佛所有光的行进路径都是一样长的。第40页/共114页对于一个半透明的白色薄膜而言,二氧化钛粒子的大小,对透射光及反射光的颜色均有影响。考虑透过,当粒子小时透过光大部分的蓝光被反射,而有更多的黄光被透过去。基于此,如果想让蓝光透过去,颗粒大的钛白粉较颗粒小的钛白粉更为适用。)。第41页/共114页
20、光线在灰色塑料中的散射和吸收如果把一种吸光颜料,如炭黑,加入含钛白粉的塑料中,如图5-14,即波长较长的红光被吸收的几率较大。在这种情况下,缩小钛白粉粒子的大小会降低红光的散射而提高蓝色度,这种现象是光对二氧化钛散射的固有特性,称为底色(undertone第42页/共114页遮盖力(Hiding Power)遮盖力是指当一件物料涂以某种涂料时,涂料中的颜料能遮盖被涂物体表面的底色,使这底色不能再透过涂料而显露出来的能力。如果要涂同一块表面,所用颜料的遮盖力越大,则需用的颜料量便越少,遮盖力的表示方法是每平方厘米被涂物体的表面积,在达到完全被遮盖时,需用颜料的最低质量。第43页/共114页颜料的
21、遮盖力越大,则这个数值就越小。遮盖力也可以用每克颜料能遮盖被涂物体的表面积来表示,就是上一种表示方法的倒数。这种方法表示的颜料遮盖力越大,则其数值便越大,涂膜可以越薄,所需的涂料量便越小。第44页/共114页油漆的遮盖能力可以定义为其遮盖背景对比颜色的能力。遮盖效应主要是由于二氧化钛导致的散射、或由于有色物质的存在而引起的吸收或者以上两种原因以使入射光强度减退时,就出现遮盖现象。光散射引起的完全遮盖 光吸收引起的完全遮盖 不完全遮盖 第45页/共114页二氧化钛颜料在工业中最重要的作用,在于利用它被分散到介质中的不透明性能,从而达到遮盖的效果。颜料的遮盖力不仅取决于它的晶体结构、折射率和对光的
22、散射能力,而且也取决于它对光的吸收能力。但是二氧化钛和其他白色颜料一样,由于它对光的吸收能力很小,虽然光的吸收对遮盖力有影响,但没有散射能力影响大,因此其遮盖力主要受散射力的影响,和着色力一样也受颜料的折射率、粒径、粒径分布和分散性能的影响。第46页/共114页折射率大的颜料有较大的遮盖力(HP),从下式可以看出,遮盖力与面积成正比,颜料与展色剂的折射率之差越大,遮盖力也越高。HPm20.16(np-nb)2 式中 HP遮盖力 np颜料的折射率 nb展色剂的折射率 m为Lorentz指数,m=0.4(np-nb)从上式可以看出,如果两者折射率相等,涂膜即呈现透明。因此同一种颜料的遮盖力应该随基
23、料(展色剂)的不同而不同,但是不同基料的折射率差异不大,所以一般情况下不同基料引起的遮盖力差异也不大。第47页/共114页常见白色颜料遮盖力的相对值颜料名称遮盖力相对值颜料名称遮盖力相对值金红石型二氧化钛100三氧化二锑 14锐钛型二氧化钛78碳酸铅10硫酸锌38硫酸铅9立德粉18硅酸铅8氧化锌14第48页/共114页折射率随光的波长变化而变化 二氧化钛的折射率在可见光蓝光末端折射率增加,在黄光和红光波长区域内折射率有所降低,因而用二氧化钛制成的带有黄、红色调的涂料的遮盖力,要比制成带蓝、灰色调涂料的遮盖力要低一些。第49页/共114页影响二氧化钛遮盖力主要因素(1)二氧化钛晶体本身的折射率,
24、钛白粉的折射率是白色颜料中最高的。因此,从理论上来说,它的遮盖力也是最高的。(2)二氧化钛颗粒大小、颗粒结构和分散程度影响其遮盖力。在大于可见光半波波长的范围内,粒径越细,颗粒结构越光滑,分散性越大,则遮盖力辩越大。但它有一定的限度。当平均粒径为0.2m时,遮盖力最大,小于可见光波长一半时,则由于晶体对光的透明性使遮盖力反而下降。由此可见,粒子过大过小都不好。第50页/共114页不透明度(Opacity)不透明度是指光对颜料颗粒不能通过的程度。就二氧化钛本身而言,不透明度主要取决于其折射率和粒度。其光学本质是二氧化钛与周围介质折射率之差造成的。当二氧化钛的折射率和基料的折射率相等时就是透明的;
25、当二氧化钛的折射率大于基料的折射率,就出现了不透明,两者差距越大,不透明度越强。不透明度主要决定于 折射率 结晶大小 粒子大小 二氧化钛含量第51页/共114页tiotio2 2 opacity/opacity/遮盖力-result of the particle size distribution-result of the particle size distributionandand-the refractive index of tio2-the refractive index of tio2受粒径分布和折射指数影响第52页/共114页“tones out”yellow resin
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