作者：朱彦北（日本产业技术综合研究所 主任研究员 博士）
摘要：本文简述了壳核结构钛白粉生产技术的动向。壳核结构钛白粉是采用无机矿物粒子做为内核，在其表面包覆一层二氧化钛（TiO2）而制得，属于复合钛白粉的一种。机械力化学指物质受机械力的作用而发生化学变化或者物理化学变化的现象。结合近些年相关技术上发表的科技文献，对壳核结构复合型钛白粉的技术路线进行梳理归纳,希望对相关领域的科研及生产有所助益。
以二氧化钛（TiO2）为主要成分的钛白粉是目前性能最佳的白色颜料，在消色力、遮盖力、分散性、光泽和物理化学稳定性等方面具有显著优点，已广泛用于涂料、塑料、造纸、油墨和陶瓷等众多领域。但钛白粉生产中存在的资源和环境问题严重制约了其发展，在实际的应用过程中钛白粉只发挥了其颗粒表层的作用，而作为内核的钛白粉的物理化学性能没有发挥出来。由于钛白粉的内核约占其总量的30%-50%，因此钛白粉颗粒的内核是优质原料的巨大浪费。因而解决钛白粉生产和应用过程中的问题多年来一直受到广泛关注。
通过在无机矿物表面包覆二氧化钛（TiO2）制备壳核钛白粉，利用其与钛白粉相近的颜料性能，替代钛白粉内核并加以应用是解决上述问题的关键措施之一。其中，以机械力化学法可促使基体与钛白粉之间以键合集团相链接，结合的更加牢固。在呈现二氧化钛（TiO2）性质的前提下，降低二氧化钛（TiO2）用量和产品成本的作用十分显著。
钛白粉主要成分为二氧化钛，由于其稳定的化学性质被广泛用于涂料、造纸、塑料、油墨、化妆品、医药、食品等行业。从矿物结构上看钛白粉有金红石结构和锐钛矿结构，常分别简称为金红石型钛白粉和锐钛矿型钛白粉。
医药和食品行业所需的钛白粉对重金属等有害物质的含量有严格要求，也就要求钛白粉具有很高的纯度（中国药典，2020；食品安全国家标准，2010）。化妆品行业对钛白粉的纯度要求分“I类：未经过表面处理”和“II类：经过表面处理”（ 化妆品用二氧化钛，2011）。I类产品要求TiO2含量≧98%，而II类产品根据矿物结构、粒径、亲水亲油特性对TiO2含量要求有很大差别，尤其是“II类：纳米金红石型-亲水”的标准降低至≧70%。
可见，化妆品行业对经过表面处理的II类产品的要求中，在注重提高亲水或亲油特性的前提下，降低对TiO2含量的要求。这是因为，由于表面改性的需求，在钛白粉颗粒表面导入具有亲水或亲油的其他成分的官能团，也就客观上降低了TiO2含量。同时，化妆品用II类钛白粉中，纳米金红石型要比普通金红石型TiO2含量要求更低，这是因为纳米颗粒的比表面积远大于普通颗粒，因此纳米金红石型钛白粉表面可以结合的改性官能团成分显著高于同样量的普通金红石型钛白粉颗粒。
如前所述，由于涉及人体内的摄入，食品和药品对钛白粉中TiO2含量要求严格。除此之外的应用如涂料、造纸、塑料、油墨等专业领域更注重钛白粉作为颜料的特性（如白度、折射率、遮盖力、消色力、光泽度、吸油量、耐候性、分散性等），对TiO2含量并没有统一要求。
为了便于调整各种颜料特性，同时节省高质量钛白粉的用量，壳核结构钛白粉的研发受到广泛关注。为了便于区分，下文称未经表面处理的钛白粉为高纯钛白粉；表面改性处理过的钛白粉称为改性钛白粉；以其他辅助成分为核外层包裹钛白粉形成的材料称为壳核结构钛白粉。
从上世纪末期开始，壳核结构钛白粉的研发方面涌现了多样而富有成效的研究。表1中列出了一部分典型例子。从表3可见，多种经济型的替代成分被用作壳核结构钛白粉的内核，如高岭土,纤维素,电气石,硅灰石,粉石英,绢云母，水镁石，白云石，叶蜡石，碳酸钙，重晶石，滑石，绿泥石。从制备方法上看，虽然有些研究用到了液相反应或化学沉积等技术，多数研究采用了机械力化学方法来实现壳核结构复合型钛白粉的制备。这至少可以部分归于机械力化学方法在简化工艺、降低能耗、和降低废物排放方面的技术优势。
值得指出的是，表1中序号1至15为学位论文或学术论文，16至18为专利申请或专利授权。专利权属于中钛新材料集团股份有限公司。
由于壳核结构钛白粉在颜料特性和经济性的双重优势，安徽滁州市格锐矿业有限责任公司、北京天之岩健康科技有限公司等多家钛白粉厂商先后推出了相关产品。作为钛白粉企业后起之秀，河南的中钛新材料集团股份有限公司也研发了基于机械力化学方法的壳核结构钛白粉生产工艺，并推出了多款相关产品。
截至2021年底，我国钛白粉产业规模连续13年稳居世界首位。笔者相信，壳核结构钛白粉相关技术和产品在今后的钛白粉产业中将会有更广阔的发展空间。这也将为经济发展做出贡献的同时，降低能耗和减少废物排放，推动钛白粉行业的绿色产业化。
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