以非矿为基体制备钛白代材的研究现状与前景
20世纪初形成的以结晶二氧化钛为主要成分的钛白粉工业生产和应用技术是白色颜料发展史上的重要科技成果。结晶二氧化钛（TiO2）具有优良的光学和物理性质，特别是远高于其他无机物的折射率使其形成了最强的遮盖能力，粒度范围处在可见光波长一半（
钛白粉的生产目前主要采用硫酸法和氯化法两种方法，需消耗大量资源（钛矿、水）和能源并排放废水、固体废物和有害气体等污染物。随着全球钛资源的日益紧缺、贫化和社会公众对钛白生产过程环境污染问题的严厉抨击，钛白粉的生产在应对产能和质量更高要求的同时，也面临着来自资源和环境方面前所未有的挑战与考验，钛白制造企业应对这些问题而不得不加大成本投入。上述这些因素导致钛白粉价格不断上涨，并使涂料等钛白消费产业成本增加、负担加重，这些行业的发展也因此受到极大制约。因而，解决钛白粉生产和消费过程中的问题多年来一直受到广泛关注。
制备与钛白粉性能相似，且成本低廉的钛白粉代用材料并替代钛白加以应用是解决钛白粉生产和消费中存在问题的有效途径。这一工作也因此一直受到包括中国在内的世界许多国家的重视。由于到目前为止世界上还没有发现在折射率、遮盖性、色调和光稳定性等主要指标上与结晶TiO2相同或相当接近的物质，因此，以结晶二氧化钛为包膜组分，主要发挥二氧化钛作用，并辅之复合材料的结构综合作用而呈现二氧化钛颜料性质的核-膜结构型复合材料成为重要的钛白粉代用材料，并在近年来形成研究热点。
非金属矿物具有资源存量丰富、价格低廉、性能稳定和容易加工等特点，是制备以结晶TiO2为包膜的核-膜结构型复合材料的理想包核基体材料。采用非金属矿物为基体制备这类钛白代用品材料因颜料性质显著、原料来源广泛、制造工艺简单和成本低廉等特点一直备受关注，其中结合现代科技方法（包括无机材料改性复合、固体相间反应、粉体均化和颗粒碎散还原等技术）制备与钛白颜料性能相同或接近的复合粉体材料，展示了这一方法和技术的前景与发展趋势。
从矿物/二氧化钛复合材料的制备方法分析，目前国内外主要有化学沉淀包覆-热处理晶化法，即在存在矿物颗粒的钛盐（如TiOSO4）水解体系里，引发钛盐水解，生成水合二氧化钛（TiO2·H2O）覆盖在矿物颗粒表面，再经热处理使复合物表面的TiO2·H2O生成结晶型TiO2包膜物。这一方法存在的主要问题是：1）受包核矿物晶体结构的影响和诱导，水解产物TiO2·H2O很难生成金红石晶相；2）受水解过程钛盐浓度和体系中固含量的限制，包膜TiO2量和均匀程度均受限；3）钛盐水解为酸性体系，碱性非金属矿物（如CaCO3）因在其中分解而不能作为包核使用；4）制备过程产生废水等对环境形成污染。因这些问题的存在，化学沉淀包覆-热处理晶化法未能推广并形成产业化实践。
机械力化学粒-粒包覆制备方法是国内外制备由固体相组分构成的核-膜结构型复合材料方法的发展方向和趋势。它的原理是：借助固体物质在机械研磨细化中产生的机械力化学效应，引发作为包膜物（wallmaterials）的固体细颗粒物质与作为包核物（corematerial）的粗颗粒物质之间的界面反应并形成前者在后者表面上的包覆。由于反应体系中存在强烈的机械力化学效应并导致粒子间具有反应活性，因此包核和包膜粒子间接触、碰撞和通过相界面结合形成彼此渗透、相嵌作用的机会和程度大大提高，这导致所制备复合材料的性能提高。显然，采用这一方法制备矿物/二氧化钛复合材料可克服化学沉淀包覆-热处理晶化法的缺点和不足。
在国外发达国家，复合材料的制备主要在具有机械力化学效应的专门设备和体系里完成，如日本的NHS系列高速气流冲击机、俄罗斯的专用离心振动磨机等。中国由于目前还不能制造专门的设备，所以有关机械力化学粒-粒包覆制备方法均在改造的粉体研磨设备中进行，这些工作从制备方法和工艺的简洁性、对环境的保护性和制备复合材料的性能角度分析，都取得了令人注目的成绩。然而，上述工作都是在空气介质体系条件，即干法状态的机械力活化体系中所进行。在空气介质中，固体表面存在着很大的表面能，包核和包膜颗粒各自之间因此存在着强烈的聚团现象，分散性较差。而彼此间又缺少形成牢固结合的作用条件，因而，所制备复合材料包覆不完整，性能较差且不稳定。为解决这些问题，将复合材料的制备置于能够满足上述颗粒间作用行为的机械力活化体系中是必须的。
当然非金属矿物光学性能较差，在应用体系中对最终材料很少起装饰作用，但对力学等物理性能仍有相当程度的改善，特别是其稳定的化学性质、低廉的价格和来源广泛等特点使其成为制备钛白代用品材料的最佳基体材料。根据上述分析，作者认为，以非金属矿物为基体制备钛白粉代用品，在制备技术上应体现以下原则和趋势：
首先，以非金属矿物为基体制备钛白粉代用品应以机械力化学粒-粒包覆制备方法制造二氧化钛包膜复合颜料为主要方向，并且制备过程应采用无环境污染的清洁生产方式，不排放固体、液体和气体废物。
其次，以非金属矿物为基体制备二氧化钛包膜复合颜料应以提高钛白粉的颜料性质为主，辅之以改善、优化白度、色调、细度、分散性和吸油量等性能为目标进行。
应特别关注机械力化学粒-粒包覆制备方法制造二氧化钛包膜复合颜料从技术角度讲而呈现的思路和未来发展趋势：1）强化反应体系中各种粉体颗粒的分散，包括非金属矿物基体和二氧化钛颗粒的分散，只有充分分散，才能以一次颗粒的方式参与反应复合，才能实现二氧化钛颗粒在基体表面最大面积的覆盖，从而最大限度地发挥其颜料特性。强化粉体颗粒的分散作用不仅要增强分散时的作用力，而且更重要的是要创造一个可增强分散作用的体系环境；2）通过针对性的加工，使包核基体颗粒与TiO2颗粒形成后者在前者表面最佳包覆的几何尺度匹配；3）建立反应复合体系，使包核基体颗粒与TiO2颗粒在该体系中各自形成表面反应基团，并增加两者的反应活性，使两者在最后生成的二氧化钛包膜复合颜料中牢固结合，从而保持颜料特性的稳定；4）非金属矿物基体选择。许多白色非金属矿物均可作为制备二氧化钛包膜复合颜料的基体原料，最理想的的矿物基体应具有的特点为：价格低廉、自身性能（白度高、吸油量低）有益于最终提高复合颜料性能、易于加工。
以非金属矿物为基体，采用机械力化学粒——粒包覆制备方法制造钛白代用品材料具有重要的社会效益。非金属矿物/TiO2复合白色颜料的制造与应用，使TiO2的使用量降低，这使钛资源的消耗被减少，水和能源的用量降低、治污量减少、对环境的负荷减轻，在很大程度上解决了钛白生产和消费中存在的问题；另外，将存量丰富、价格低廉但性能优异的矿物材料的加工利用与复合材料制备技术实现结合，制备成技术含量高、性能优异、使用价值大的新功能材料，符合非金属矿深加工科学领域和矿物新材料领域在现代经济、科技和社会发展条件下依托高新科技获得发展和进步的大趋势，对促进高新技术在传统工业领域的应用和提升作用，对充分利用宝贵的矿产资源都具有积极的作用，应用前景十分广阔。
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