【解決方案】馬爾文帕納科鈦白粉行業(yè)應(yīng)用解決方案

日前，馬爾文帕納科組織多位應(yīng)用專家到訪國內(nèi)鈦白粉企業(yè)技術(shù)中心，帶去了包含XRF、XRD、激光衍射、DLS、ELS等多種先進(jìn)表征技術(shù)在鈦白粉行業(yè)及其衍生品方面的應(yīng)用推介，對其現(xiàn)有多臺馬爾文帕納科的檢測儀器的日常使用注意事項(xiàng)及維護(hù)做了詳細(xì)的講解，并于與會(huì)者進(jìn)行了深入的交流和討論。

鈦白粉是一種重要的無機(jī)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(rèn)為時(shí)目前世界上性能較好的一種白色顏料，具有廣泛應(yīng)用于涂料、油墨、造紙、塑料橡膠、印刷、化纖、陶瓷、化妝品、食品、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)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(fù)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(chǎn)品質(zhì)控的要求主要集中在TiO2的含量、亮度、消色力、揮發(fā)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(tài)圖像等分析技術(shù)可以應(yīng)為鈦白粉行業(yè)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(wěn)定性等多方面的應(yīng)用。此文只涉及元素含量、晶型結(jié)構(gòu)和粒度分析。

一、XRF 元素分析在鈦白粉行業(yè)的應(yīng)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(zhì)礦產(chǎn)部行業(yè)規(guī)范DZG93-07《巖石礦石分析規(guī)程》中《釩鈦磁鐵礦石分析規(guī)程》[1-2]。該規(guī)程中采用化學(xué)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(xué)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(dòng)強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)用于鈦白粉原料及成品、衍生品的生產(chǎn)過程控制。

樣品前處理對于XRF在鈦白粉行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用極為重要，針對不同類型的原料和產(chǎn)品，需要采用相應(yīng)的手段進(jìn)行研磨、壓片或者熔融處理以獲得最佳的應(yīng)用效果，現(xiàn)場針對XRF技術(shù)在實(shí)際工作中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)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(dòng)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(gè)瑪瑙研體，否則會(huì)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(fù)性良好的結(jié)果。而對于成分復(fù)雜的高鈦渣和鈦鐵礦來說測量重復(fù)性不好。而玻璃熔融法相對于粉末壓片法來可以盡可能地消除樣品的礦物效應(yīng)和、不均勻性和粒度效應(yīng)，配備專業(yè)的熔融制樣設(shè)備，可以獲得更好的重復(fù)性。下表中列出了熔融制樣設(shè)備在制備高鈦渣或鈦鐵礦時(shí)的參數(shù)及程序設(shè)置。

在鈦白粉相關(guān)應(yīng)用中，建議測了條件設(shè)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(yè)中的應(yīng)用

眾所皆知，鈦鐵礦是鈦白粉的主要原料，目前國內(nèi)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(chǎn)廠家選擇鈦鐵礦時(shí)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(yīng)不低于47%。

我們知道二氧化鈦（TiO2）在自然界有三種結(jié)晶形態(tài)（三種同分異構(gòu)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較穩(wěn)定的結(jié)晶形態(tài)，結(jié)構(gòu)致密，與銳鈦型相比有較高的硬度、密度、介電常數(shù)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(chǎn)中的沉降、凈化過程變得十分復(fù)雜，由于鈦鐵礦的成分和化學(xué)組成十分復(fù)雜，化學(xué)分析的方法很難準(zhǔn)確地反映其金紅石成分的含量。

而不同晶型的化合物具有*不同的XRD圖譜，可以用XRD技術(shù)測量鈦鐵礦中不同形態(tài)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(shù)據(jù)，可以看到雖然金紅石和銳鈦礦在結(jié)構(gòu)上有共同相似的特點(diǎn)，但由于金紅石與銳鈦礦的*衍射峰一個(gè)在27.46°（/2?）左右，一個(gè)在25.35°（/2?）左右，因此將兩者可較輕易區(qū)分開來。部分板鈦礦的*峰與銳鈦礦的*峰接近，但根據(jù)傳統(tǒng)的三強(qiáng)法仍能將兩者區(qū)分開來[3]。

三、粒度表征技術(shù)在鈦白粉行業(yè)的應(yīng)用

鈦白粉粒度分布是一個(gè)綜合性的指標(biāo)，它嚴(yán)重影響鈦白粉顏料性能和產(chǎn)品應(yīng)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(jìn)行分析。

影響鈦白粉粒度分布的因素較為復(fù)雜，需要控制粒度分布的環(huán)節(jié)分別是涉及水解工藝的水解原始粒徑大??；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(chǎn)品的粉碎顆粒粒徑。

鈦白粉行業(yè)測定粒度分布的傳統(tǒng)方法是沉降法和靜態(tài)圖像法。影響沉降法的因素很多，測定的結(jié)果有較大差別；靜態(tài)圖像法（電子顯微鏡）測定粒度分布又必須借助大量統(tǒng)計(jì)工具，結(jié)果才能較為接近實(shí)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(zhǔn)確性，目前已廣泛的應(yīng)用于鈦白粉行業(yè)。

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(qiáng)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(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用米氏光散射理論，對形成散射圖樣的顆粒進(jìn)行計(jì)算。

激光粒度儀測量顆粒粒度具有測量動(dòng)態(tài)范圍寬、分析速度快、具有可驗(yàn)證的準(zhǔn)確度和重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，可以提供顆粒粒徑以及粒徑累計(jì)分布值。

納米級鈦白粉測試結(jié)果主要影響因素有：分散介質(zhì)、遮光度、光學(xué)參數(shù)、超聲功率和時(shí)間。

鈦白粉行業(yè)粒度分析實(shí)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(jié)合的二次粒子的結(jié)合力數(shù)值以及結(jié)合量將會(huì)導(dǎo)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(yīng)用的重要指標(biāo)。

馬爾文帕納科Mastersizer 3000激光粒度儀，探頭超聲5min，連續(xù)測試樣品粒徑逐漸增加，粒度分布圖如下。