Come scegliere i pigmenti di biossido di titanio per rivestimenti in polvere
L'articolo illustra la selezione dei pigmenti di biossido di titanio per rivestimenti in polvere, sottolineandone proprietà come tipologia, trattamento superficiale, granulometria, pH e contenuto di umidità. Sottolinea l'importanza del biossido di titanio nel migliorare le prestazioni del rivestimento, tra cui copertura, brillantezza e resistenza agli agenti atmosferici, e fornisce linee guida per valutarne l'idoneità in diverse applicazioni.
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I rivestimenti in polvere presentano eccellenti proprietà ambientali e un'efficacia superiore. Questo articolo illustra come selezionare i pigmenti di biossido di titanio più adatti per i rivestimenti in polvere, suggerendo di considerare le seguenti proprietà del biossido di titanio:
- Tipo di biossido di titanio;
- Trattamento superficiale del biossido di titanio;
- Distribuzione granulometrica delle particelle di biossido di titanio;
- valore del pH del biossido di titanio;
- Contenuto di umidità del biossido di titanio.
Introduzione
I rivestimenti in polvere, in quanto rappresentanti rivestimenti privi di solventi e ad alto contenuto di solidi, presentano emissioni di composti organici volatili (COV) significativamente inferiori rispetto ai tradizionali rivestimenti a base di solvente; alcuni prodotti raggiungono addirittura zero emissioni COV.
I rivestimenti in polvere sono composti da polimeri come resina poliestere, poliuretano, acido poliacrilico e resina epossidica, miscelati uniformemente con pigmenti e additivi. I rivestimenti in polvere sono facili da applicare e spesso richiedono una sola mano per soddisfare i requisiti di utilizzo. Con un buon controllo del processo, il film di rivestimento è generalmente privo di pori e presenta un'eccellente resistenza agli acidi e agli alcali, nonché alla corrosione.
I settori che utilizzano principalmente rivestimenti in polvere includono la produzione di mobili, di elettrodomestici e utensili da cucina, l'industria dei tubi in acciaio, l'industria automobilistica, l'industria dei macchinari agricoli, delle attrezzature antincendio, l'industria elettrica e l'edilizia.
Proprietà del biossido di titanio
Il componente principale del biossido di titanio è il TiO₂, attualmente il pigmento bianco più efficace. Grazie al suo elevato indice di rifrazione, il biossido di titanio ha una migliore capacità di diffusione della luce rispetto ad altri pigmenti bianchi, garantendo un'eccellente copertura nelle applicazioni di rivestimento.
Gli indici di rifrazione dei pigmenti bianchi più comuni sono riportati nella Tabella 1. I rivestimenti a base di biossido di titanio servono a coprire, abbellire e proteggere i substrati, prevenendo la ruggine e la corrosione causate da luce, calore e umidità. In sintesi, le funzioni principali del biossido di titanio nell'industria sono "coprire, abbellire e proteggere".
| Sostanza | Indice di rifrazione | Sostanza | Indice di rifrazione |
|---|---|---|---|
| biossido di titanio rutilo | 2.71 | Carbonato basico di piombo | 2 |
| Biossido di titanio anatasio | 2.52 | Solfato basico di piombo | 1.93 |
| solfuro di zinco | 2.37 | solfato di bario | 1.64 |
| ossido di zinco | 2.02 | Talco | 1.87 |
Tabella 1: Indici di rifrazione dei pigmenti bianchi comuni
L'importante ruolo del biossido di titanio nei rivestimenti in polvere
Nella progettazione della formulazione dei rivestimenti in polvere, la combinazione di resina e reticolante è spesso considerata il fattore principale che influenza le prestazioni, il che porta a notevoli sforzi nello sviluppo di resine e reticolanti. Tuttavia, ciò non significa che il biossido di titanio sia meno importante o possa essere modificato a piacimento. Il biossido di titanio influisce in modo significativo sulla produzione, l'applicazione e le proprietà del film dei rivestimenti in polvere.
Durante la produzione, la disperdibilità del biossido di titanio influisce direttamente sull'efficienza di miscelazione e sulla dispersione del fuso durante l'estrusione, nonché sulla capacità produttiva. Durante il processo di polimerizzazione, le proprietà superficiali del biossido di titanio influenzano la fluidità del fuso, la velocità di polimerizzazione e l'ingiallimento durante la sovracottura.
In termini di prestazioni del film, il biossido di titanio influisce sulla copertura, sulla brillantezza e sulla resistenza agli agenti atmosferici del rivestimento. Pertanto, la scelta del biossido di titanio appropriato è fondamentale nello sviluppo di rivestimenti in polvere.
Nella scelta del biossido di titanio, considerare le seguenti proprietà:
- Tipo di biossido di titanio;
- Trattamento superficiale del biossido di titanio;
- Distribuzione granulometrica delle particelle di biossido di titanio;
- valore del pH del biossido di titanio;
- Contenuto di umidità del biossido di titanio.
(1) Tipo di biossido di titanio
Il biossido di titanio commerciale può essere suddiviso in due tipi principali: anatasio e rutilo. Le caratteristiche cristalline e le costanti fisiche del biossido di titanio sono riportate nella Tabella 2.
A causa delle differenze nella struttura chimica, sebbene entrambi siano biossido di titanio, le loro prestazioni variano. I rivestimenti realizzati con biossido di titanio anatasio sono soggetti a sfarinamento sotto la luce solare, mentre quelli realizzati con biossido di titanio rutilo hanno migliori proprietà anti-sfarinamento. Pertanto, si raccomanda il biossido di titanio rutilo.
| Proprietà | Rutilo | Anatasio |
|---|---|---|
| Sistema cristallino | Tetragonal | Tetragonal |
| Forma di cristallo | Aghiforme | A forma di cono |
| d（μm） | 0.2-0.5 | 0.1-0.5 |
| Densità relativa | 4.2-4.3 | 3.8-3.9 |
| Indice di rifrazione | 2.71 | 2.52 |
| Durezza Mohs | 6-7 | 5.5-6 |
| Punto di fusione | 1858°C | Si trasforma in rutilo |
| Calore specifico Cal/℃.g | 0.17 | 0.17 |
| Tasso di assorbimento UV% | 90 | 67 |
| Copertura m2/kg | 30.1 | 23.6 |
| Forza colorante (Reynolds) | 1650 | 1270 |
| Costante del reticolo | α=0,459 | α=0,378 |
| c=0,296 | c=0,95 |
Tabella 2: Caratteristiche cristalline e costanti fisiche del biossido di titanio
(2) Trattamento superficiale del biossido di titanio
Per consentire al biossido di titanio di svolgere funzioni specifiche nei diversi sistemi di verniciatura a polvere, durante la produzione vengono applicati diversi trattamenti superficiali. Ad esempio, l'allumina idrata (idrossido di alluminio) viene utilizzata per migliorare la disperdibilità e la lucentezza, mentre la silice idrata e la zirconia idrata vengono utilizzate per migliorare la resistenza agli agenti atmosferici.
Trattamenti superficiali organici come polioli, ammine o silani vengono utilizzati per migliorare la bagnabilità e la fluidità. Il grado di bianco del biossido di titanio dipende dal contenuto di TiO2; livelli più elevati di agenti di trattamento superficiale riducono il contenuto di TiO2, influenzando il grado di bianco. Pertanto, per ottenere un grado di bianco più elevato nei rivestimenti, è preferibile il biossido di titanio con livelli più bassi di agenti di trattamento superficiale.
La lucentezza del film di rivestimento dipende non solo dalla resina e dalla formulazione, ma anche dal trattamento superficiale del biossido di titanio. Il trattamento superficiale con allumina favorisce la dispersione del biossido di titanio nel sistema di resina, migliorandone le proprietà ottiche come la lucentezza e la copertura. Anche la cristallinità dell'allumina contribuisce al miglioramento della lucentezza.
Per rivestimenti semilucidi o opachi, è possibile scegliere il biossido di titanio con trattamento superficiale in silice. Il biossido di titanio commerciale presenta spesso trattamenti superficiali sia con allumina che con silice, classificati in tipologie ad alta brillantezza, lucide e opache in base alla funzionalità.
Il trattamento superficiale della silice può essere adsorbito debolmente o precipitato. Il trattamento adsorbito debolmente si traduce in una struttura superficiale soffice, particelle di dimensioni maggiori, una maggiore area superficiale effettiva e un maggiore assorbimento di olio. Questa struttura contribuisce a migliorare la copertura del film secco evitando eccessivi affollamenti ed effetti spaziali.
Il trattamento precipitante prevede l'avvolgimento stretto della silice attorno alle particelle di TiO2, come una copertura di cioccolato. Questa struttura compatta riduce l'interazione tra gli ioni di titanio attivi sulla superficie del TiO2 e i polimeri esterni, prevenendo ingiallimento, scolorimento o sfarinamento.
Pertanto, il biossido di titanio può essere suddiviso in due tipologie, una resistente alle intemperie per esterni e una per interni, in base alla resistenza alle intemperie, con diverse applicazioni illustrate nelle immagini TEM nella Figura 1.
Figura 1: Immagini TEM del biossido di titanio
Le proprietà del biossido di titanio possono essere distinte dal trattamento superficiale, ma le caratteristiche chimiche e strutturali dettagliate richiedono un confronto con il personale tecnico per selezionare il biossido di titanio più adatto alla progettazione del prodotto.
(3) Distribuzione dimensionale delle particelle di biossido di titanio
La granulometria del biossido di titanio determina la tonalità di colore del film di rivestimento. Per ottenere prestazioni ottiche ottimali, il biossido di titanio viene in genere prodotto con una granulometria di circa 0,2 micron, con una curva di distribuzione compresa tra 0,15 e 0,3 micron.
Le particelle più piccole diffondono più luce blu, dando origine a una tonalità "blu-bianca", mentre le particelle più grandi tendono a una tonalità "giallo-bianca". La relazione tra dimensione delle particelle e potere di diffusione è illustrata nella Figura 2. Tuttavia, l'ingiallimento della polvere di biossido di titanio può verificarsi a causa di residui di ioni di vanadio o ferro derivanti da una purificazione incompleta durante la produzione.
Pertanto, quando si specifica una particolare tonalità di colore per i rivestimenti in polvere, è necessario prestare attenzione alla granulometria e alla distribuzione del biossido di titanio. Oltre alla disperdibilità, la granulometria influisce anche sulla copertura, come mostrato in Figura 3.
(4) Valore pH del biossido di titanio
Il valore di pH del biossido di titanio ha generalmente un impatto più significativo sui rivestimenti a base d'acqua, influenzando le prestazioni di disperdenti e addensanti. Nei rivestimenti in polvere, il valore di pH deve essere considerato in base alla concentrazione di acido libero nella resina o al tipo di accelerante utilizzato.
Nei processi catalizzati da acidi, il biossido di titanio con un pH elevato può neutralizzare il catalizzatore, causando una polimerizzazione incompleta e una riduzione della durezza del film. Il biossido di titanio con un pH basso può accelerare la catalisi acida, causando una polimerizzazione eccessiva e difetti superficiali. Generalmente si raccomanda un valore di pH di 7-8.
(5) Contenuto di umidità del biossido di titanio
La polvere di biossido di titanio può assorbire l'umidità dall'ambiente, aumentandone il contenuto di umidità. Un contenuto di umidità più elevato può causare scarsa dispersione, ridotta fluidità, intasamento delle tubazioni e difetti superficiali come grinze, fori e occhi di pesce nel film di rivestimento.
L'entità dell'adsorbimento di umidità è correlata alla concentrazione degli agenti di trattamento superficiale; generalmente, livelli più elevati di agenti di trattamento aumentano l'adsorbimento di umidità. Pertanto, è essenziale controllare la temperatura e l'umidità dell'ambiente di stoccaggio. La temperatura di magazzino raccomandata è inferiore a 27 °C, con un'umidità relativa non superiore a 75 °C (1 TP3 T). Per prevenire "tempeste di polvere", è necessario migliorare la ventilazione per mantenere la circolazione dell'aria e ridurre la concentrazione di polvere interna.
Il contenuto di umidità delle polveri, compresi biossido di titanio e riempitivi, non deve superare 0,5%.
4. Metodi di valutazione per l'idoneità del biossido di titanio nei rivestimenti in polvere
Come altre materie prime, il biossido di titanio non può soddisfare tutti i requisiti di progettazione. Può eccellere in alcune proprietà, ma avere effetti negativi in altre. Pertanto, nella scelta del biossido di titanio, è necessario considerare le caratteristiche del prodotto.
La valutazione dell'idoneità del biossido di titanio è in genere suddivisa in tre proprietà principali:
- Proprietà della polvere: distribuzione della finezza, scorrevolezza della polvere e attività di gelificazione.
- Prestazioni ottiche del rivestimento: colore, copertura, brillantezza (20°, 60°) e ingiallimento durante la cottura eccessiva.
- Proprietà meccaniche del rivestimento: durezza, resistenza ai solventi, flessibilità e resistenza agli urti.
5. Conclusion
Nella progettazione della formulazione di un rivestimento in polvere, spesso vengono apportate modifiche in base a diverse esigenze. La formulazione di base include tipicamente resina, reticolante, pigmento, riempitivo e altri additivi. Il biossido di titanio è un componente essenziale dei rivestimenti in polvere.
Questo articolo si propone di fornire una nuova prospettiva per la ricerca e lo sviluppo nel settore dei rivestimenti e del biossido di titanio. Offre un valore di riferimento per la produzione di biossido di titanio, lo sviluppo di nuovi prodotti a base di biossido di titanio e l'applicazione del biossido di titanio nei rivestimenti in polvere.
