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【解決方案】馬爾文帕納科鈦白粉行業應用解決方案

馬爾文帕納科 2021-12-09 | 閱讀：2855

日前，馬爾文帕納科組織多位應用專家到訪國內鈦白粉領軍企業技術中心，帶去了包含XRF、XRD、激光衍射、DLS、ELS等多種先進表征技術在鈦白粉行業及其衍生品方面的應用推介，對其現有多臺馬爾文帕納科的檢測儀器的日常使用注意事項及維護做了詳細的講解，并于與會者進行了深入的交流和討論。
鈦白粉是一種重要的無機化工原料，主要成分為二氧化鈦（TiO2），密度很小，具有無毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被認為時目前世界上性能最好的一種白色顏料，具有廣泛應用于涂料、油墨、造紙、塑料橡膠、印刷、化纖、陶瓷、化妝品、食品、醫藥等工業領域。
鈦白粉的主要原料為鈦鐵礦，也稱為鈦磁鐵礦，是以多種金屬元素共生的復合礦，主要以含鐵、釩、鈦等金屬元素。其制造方法主要有兩種：硫酸法和氯化法，對產品質控的要求主要集中在TiO2的含量、亮度、消色力、揮發物、懸浮物、吸油量、篩余物、水萃取液電阻率、金紅石含量等。
馬爾文帕納科XRF、XRD以及激光衍射、DLS、ELS、靜態圖像等分析技術可以應為鈦白粉行業提供用于原材料、鈦白粉及其衍生品的元素分析、晶型鑒定、顆粒粒度及粒度分布、粒形、穩定性等多方面的應用。此文只涉及元素含量、晶型結構和粒度分析。

一、XRF 元素分析在鈦白粉行業的應用
作為鈦白粉原材料的釩鈦磁鐵成分分析使用的方法為原地質礦產部行業規范DZG93-07《巖石礦石分析規程》中《釩鈦磁鐵礦石分析規程》[1-2]。該規程中采用化學分析方法，樣品用酸溶法或堿熔法溶（熔）礦，再分別用容量分析法測定鐵和鈦，然后用容量分析法、原子吸收法、比色法等分別測定鈣、鎂、鋁、鉻、釩、硅、硫、磷、錳、銅、鈷、鎳等元素。
因此，化學分析方法要完成以上元素的分析，分析周期長，操作繁瑣，成本高，勞動強度大，污染嚴重，已經遠遠不能滿足快速測定的需求。
而XRF作為一種快速、無損的元素分析手段已被廣泛地應用于鈦白粉原料及成品、衍生品的生產過程控制。
樣品前處理對于XRF在鈦白粉行業內的應用極為重要，針對不同類型的原料和產品，需要采用相應的手段進行研磨、壓片或者熔融處理以獲得最佳的應用效果，現場針對XRF技術在實際工作中的應用進行了詳細而深入的分享與探討。
粉末壓片法針對鈦白粉、高鈦渣、鈦鐵礦均可采用電動瑪瑙或人工研磨（瑪瑙研體），但要注意，高鈦渣和鈦鐵礦不能與鈦白粉使用同一個瑪瑙研體，否則會造成樣品污染，造成制樣誤差。
由于鈦白粉中鈦含量高，粉末壓片法即可獲得較好的精度和重復性良好的結果。而對于成分復雜的高鈦渣和鈦鐵礦來說測量重復性不好。而玻璃熔融法相對于粉末壓片法來可以最大程度地消除樣品的礦物效應和、不均勻性和粒度效應，配備專業的熔融制樣設備，可以獲得更好的重復性。下表中列出了熔融制樣設備在制備高鈦渣或鈦鐵礦時的參數及程序設置。
在鈦白粉相關應用中，建議測了條件設置見下表
在軟件程序條件選擇中，需注意Ti，V，Cr之間的干擾，比如譜線的選擇、分光晶體的選擇和背景位置的選擇等。

二、XRD 在鈦白粉行業中的應用
眾所周知，鈦鐵礦是鈦白粉的主要原料，目前國內幾乎所有的鈦白粉廠都使用它作為原料。而二氧化鈦品位的高低是鈦白粉生產廠家選擇鈦鐵礦時首先考慮的因素，它直接影響收率和成本，通常一般礦中的二氧化鈦含量應不低于47%。
我們知道二氧化鈦（TiO2）在自然界有三種結晶形態（三種同分異構體），分別是：金紅石型和銳鈦型和板鈦型。金紅石型是二氧化鈦最穩定的結晶形態，結構致密，與銳鈦型相比有較高的硬度、密度、介電常數與折光率。
二氧化鈦品位過低，不僅要增加原料的消耗，而且還要多消耗硫酸。但通常二氧化鈦含量高的鈦鐵礦（特別是次生礦）一般都含有少量的天然金紅石，它以二氧化鈦的金紅石晶型存在，極難溶解，最后的酸解率降低，而且使生產中的沉降、凈化過程變得十分復雜，由于鈦鐵礦的成分和化學組成十分復雜，化學分析的方法很難準確地反映其金紅石成分的含量。
而不同晶型的化合物具有完全不同的XRD圖譜，可以用XRD技術測量鈦鐵礦中不同形態存在的二氧化鈦的含量。
下表為金紅石、銳鈦礦和板鈦礦的XRD主衍射峰數據，可以看到雖然金紅石和銳鈦礦在結構上有共同相似的特點，但由于金紅石與銳鈦礦的最強衍射峰一個在27.46°（/2?）左右，一個在25.35°（/2?）左右，因此將兩者可較輕易區分開來。部分板鈦礦的最強峰與銳鈦礦的最強峰接近，但根據傳統的三強法仍能將兩者區分開來[3]。

三、粒度表征技術在鈦白粉行業的應用
鈦白粉粒度分布是一個綜合性的指標，它嚴重影響鈦白粉顏料性能和產品應用性能，因此，對于遮蓋力和分散性的討論可直接從粒度分布上進行分析。
影響鈦白粉粒度分布的因素較為復雜，需要控制粒度分布的環節分別是涉及水解工藝的水解原始粒徑大小；其次是涉及煅燒工藝的成長顆粒粒徑分布；以及涉及到粉碎工藝的最終產品的粉碎顆粒粒徑。
鈦白粉行業測定粒度分布的傳統方法是沉降法和靜態圖像法。影響沉降法的因素很多，測定的結果有較大差別；靜態圖像法（電子顯微鏡）測定粒度分布又必須借助大量統計工具，結果才能較為接近實際情況。
自1975年馬爾文激光粒度儀誕生后，大大提高了粒度分析的速度和準確性，目前已廣泛的應用于鈦白粉行業。

激光衍射粒度分析原理
在激光衍射測量中，激光束穿過分散顆粒樣品，測量散射光強度的角度變化。大顆粒的散射光角度小，而小顆粒的散射光角度大。之后對角度散射光強數據進行分析，使用米氏光散射理論，對形成散射圖樣的顆粒進行計算。
激光粒度儀測量顆粒粒度具有測量動態范圍寬、分析速度快、具有可驗證的準確度和重復性等優點，可以提供顆粒粒徑以及粒徑累計分布值。
納米級鈦白粉測試結果主要影響因素有：分散介質、遮光度、光學參數、超聲功率和時間。

鈦白粉行業粒度分析實例
鈦白粉無論是銳鈦礦還是金紅石，都是由直徑在0.1~0.3μm的球形顆粒單一晶體所組成。單一晶體粒子的大小和由此凝集結合的二次粒子的結合力數值以及結合量將會導致鈦白粉分散體系的白度、消色力、分散性、耐候性等顏料性能的變化。因此顆粒粒度和粒度分布是影響顏料性能和應用的重要指標。
馬爾文帕納科Mastersizer 3000激光粒度儀，探頭超聲5min，連續測試樣品粒徑逐漸增加，粒度分布圖如下。