СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРОСТОЙКОГО ПИГМЕНТА ИЗ СФЕНОВОГО КОНЦЕНТРАТА Российский патент 2004 года по МПК C09C1/36 

Изобретение относится к технологии получения неорганических материалов, в частности пигментов, используемых в лакокрасочной промышленности.

Известно большое количество способов химической переработки сфенового концентрата с получением пигментного диоксида титана или содержащих его композиций. Все эти способы характеризуются различной степенью сложности, связанной с использованием агрессивных минеральных кислот, специального кислотостойкого оборудования, задействованного в многочисленных операциях, с получением значительного количества слабокислых стоков, загрязняющих окружающую среду. Все это повышает стоимость технологического передела и, соответственно, увеличивает цену готового продукта. Получаемый по одной из технологий титанокальциевый пигмент имеет ограниченное использование (только для окраски внутри помещений), т.е. покрытия на его основе неатмосферостойкие [Мотов Д.Л, Максимова Г.К. Сфен и его химическая переработка на титановые пигменты. М.: Наука, 1983, 88 с.].

По другой технологии получают атмосферостойкий рутил, но из-за низкого содержания TiO₂ в сфеновом концентрате и степени извлечения ТiO₂~70% выход готового продукта составляет 200 кг из 1 т сфенового концентрата [а.с. N 1331828, БИ 31, 1987. Способ переработки сфенового концентрата, А.с. N 1621909, БИ 45, 1990. Способ переработки сфенового концентрата].

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ получения атмосферостойкого пигмента из сфенового концентрата - пат. RU №2177016. Процесс включает сухое измельчение сфенового концентрата и термическую обработку, после чего в концентрат добавляют суспензию модификатора, состоящего из фосфата алюминия и геля кремнекислоты, в количестве 15-30% к массе концентрата, полученную пасту диспергируют в течение 2-5 ч, а затем подвергают термической обработке при 50-500°С. Пигменты, полученные данным способом, приобретают высокую светостойкость, низкую фотохимическую активность, противокоррозионные свойства и могут быть использованы в качестве атмосферостойких пигментов. Свойства данного пигмента приведены в табл.1.

К недостаткам описанного способа следует отнести следующее:

- измельченный сфеновый концентрат, обработанный модификатором и подвергнутый термообработке при 50-350°С сохраняет сероватый оттенок за счет того, что имеет доминирующую полосу светового поглощения λ=450-600 и дополнительную λ=700, которые дают смесь трех основных цветов: желтого, красного и голубого с примесью зеленого, что приводит к образованию серого цвета в разбеле и невозможности получения лакокрасочных материалов (ЛКМ) с достаточной чистотой цвета;

- измельченный сфеновый концентрат, обработанный модификатором и подвергнутый термообработке при 350-500°С за счет внедрения в кристаллическую решетку примесных окислов, вызывающих деформацию кристаллической решетки, приобретает желтоватый оттенок, что так же снижает чистоту цвета ЛКМ в разбеле.

- измельченный сфеновый концентрат, обработанный модификатором и подвергнутый термообработке, спекается и плохо поддается дезагрегации, что приводит к снижению диспергируемости готового пигмента.

Настоящее изобретение направлено на снижение желтизны, повышение белизны и чистоты цвета, светостойкости, дисперсности, седиментационной устойчивости пигмента в ЛКМ, стойкости к фотохимическим процессам, расширение ассортимента ЛКМ на основе этого пигмента с повышением их качества.

Снижение желтизны достигается за счет вычитания ненужной части спектра модификатором - оптическим отбеливателем: голубовато-зеленым фосфатом хрома, высушенным в присутствии трифосфата алюминия и кремниевой кислоты, вычитается красноватый оттенок пигментной композиции, а светло-фиолетовым фосфатом кобальта, прокаленным в присутствии оксида кремния, вычитается желтый оттенок.

Повышение белизны и чистоты цвета пигмента достигается за счет увеличения степени отражения всех длин световых волн в видимой части спектра в результате термической обработки в течение 40 минут при 400°С, увеличения рассеивающей способности коротковолнового света в результате уменьшения среднего радиуса пигментных частиц при ультратонком измельчении, создания достаточного количества микрообластей с неодинаковыми показателями преломления, снижения светового поглощения в коротковолновой части видимого спектра и в ультро-фиолетовой области, обусловленных составом модификатора и вычитания ненужной части спектра при помощи оптического отбеливания светло-фиолетовым фосфатом кобальта, прокаленным в присутствии оксида кремния и голубовато-зеленым фосфатом хрома, высушенным в присутствии трифосфата алюминия и кремниевой кислоты.

2. Способ по п.1, повышение белизны достигается за счет введения порошкового дневного флуоресцентного органического пигмента-белофора, превращающего поглощенную часть света в видимое излучение.

Повышение дисперсности, снижение лиофобности и, как следствие, устранение расслаивания, оседания и агрегации пигментных частиц в лакокрасочных составах достигается за счет присутствия в модификаторе прокаленного диоксида кремния, высушенной кремниевой кислоты и гидратированного трифосфата алюминия, которые плакируя частицы пигмента предотвращают слипание последних, увеличивая степень перетираемости, а в лакокрасочных составах действуют как стабилизатор дисперсий, повышая седиментационную устойчивость пигментов, улучшая тиксотропные свойства, благоприятно влияя на способность ЛКМ наноситься кистью и предотвращая его отекание с вертикальной поверхности.

Повышение светостойкости и снижение фотохимических процессов достигается наличием в модификаторе фосфата кобальта, фосфата хрома, трифосфата алюминия и диоксида кремния, которые предотвращают процессы потемнения и изменения оттенка, являясь либо ингибиторами коррозии, либо ингибиторами фотохимических процессов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что сначала осуществляют термическую обработку сфенового концентрата при температуре 400°С в течение 40 минут, а затем измельчение в присутствии модификатора - оптического отбеливагеля, который вводят в количестве 10-20% к массе концентрата, измельчение производят до достижения дисперсности менее 10 мкм. Модификатор - оптический отбеливатель содержит смесь частиц 5-30 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1-5 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 35-45 мас.% трифосфата алюминия и 20-30 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 10-20 мас.% фосфата хрома.

Температурная обработка выше 400°С приводит к сильной деформации кристаллической решетки сфена и, как следствие, к более интенсивному окрашиванию в желтовато-коричневый цвет. Температурная обработка ниже 400°С не дает достаточной степени осветлення.

Содержание фосфата кобальта меньше 1 (мас.%) приводит к необходимости увеличить процентное содержание модификатора в пигменте, а больше 5% (мас.%) приводит к изменению цвета н изменению длин волн, которые он будет вычитать из светового спектра.

Содержание фосфата хрома меньше 10% (мас.%) приводит к необходимости увеличения процентного содержания модификатора в пигменте, а больше 20% приводит к изменению цвета и изменению длин волн, которые он будет вычитать из светового спектра.

Содержание диоксида кремния и трифосфата алюминия существенной роли не оказывает.

Добавка модификатора - оптического отбеливателя в количестве < 10% (мас.%) повышает время измельчения, не обеспечивает достаточную белизну пигмента, не в полной мере снижает желтизну, недостаточно повышает светостойкость и седиментационную устойчивость готового ЛКМ, а > 20% приводит к появлению характерного зеленовато-голубоватого оттенка и повышению маслоемкости.

Способ осуществляется следующим образом. Исходный сфеновый концентрат подвергают термообработке при 400°С в течение 40 минут, к остывшему концентрату добавляют модификатор - оптический отбеливатель, который получают из смеси частиц 5-30 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1-5 маc.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 35-45 мас.% трифосфата алюминия и 20-30 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 10-20 мас.% фосфата хрома.

Смесь загружают в устройство, предназначенное для сухого измельчения, и проводят размол до достижения крупности частиц менее 10 мкм.

Свойства полученных пигментов приведены в табл.2.

Сущность предложенного способа поясняется следующими примерами.

Пример 1. Берут 1 кг сфенового концентрата, содержание Fе₂О₃ в котором не превышает 0,6%, подвергают его температурной обработке при 400°С в течение 40 минут. К остывшему концентрату добавляют 100 г (10 мас.%) модификатора - оптического отбеливателя, который состоит из смеси частиц, содержащих 5 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 45 мас.% трифосфата алюминия и 30 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 20 мас.% фосфата хрома.

Полученную смесь подвергают сухому измельчению до получения ультратонкого материала с дисперсностью менее 10 мкм. Показатель преломления сфенового концентрата - 2.1. Показатель преломления полученного пигмента снижается незначительно до 2.0. Укрывистость 100 г/м², белизна 88 усл.ед., желтизна 18 усл.ед., маслоемкость 20 г/100 г пигмента.

На основе полученного пигмента приготовлена масляная краска с использованием синтетической олифы по серийной рецептуре. Был добавлен зеленый железоокисный пигмент 7% к общей массе пигмента и желтый светопрочный 3% к общей массе пигмента. Краска имела укрывнстость 70 уcл ед. С такими же техническими характеристиками и цветом была приготовлена масляная краска для эталона на основе традиционных пигментов: импортный рутил, мел, импортный зеленый железоокисный пигмент и желтый светопрочный. Чистота цвета испытываемого образца составила 95% от эталона. Отмечено, что для достижения нужной укрывистости и насыщенности цвета хроматического железоокисного пигмента в рецептуре эталона использовано в 2 раза больше. Лакокрасочное покрытие прошло испытания в аппарате искусственной погоды. Через 500 ч пленка не отличалась от исходной по цвету и гладкости.

Пример 2. Берут 1 кг сфенового концентрата, содержание Fе₂О₃ в котором не превышает 0.6%, подвергают его температурной обработке при 400°С в течение 40 минут. К остывшему концентрату добавляют 150 г (15 мас.%) модификатора - оптического отбеливателя, который получают из смеси частиц, содержащих 30 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 5 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 35 мас.% трифосфата алюминия и 20 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 10 мас.% фосфата хрома.

Полученную смесь подвергают сухому измельчению до получения ультратонкого материала с дисперсностью 0.5-5 мкм. Показатель преломления сфенового концентрата 2.1. Показатель преломления полученного пигмента снижается незначительно до 2.0-2.05. Укрывистость 90 г/м², белизна 90 усл.ед., желтизна 14 усл.ед., маслоемкость 22 г/100 г пигмента.

На основе полученного пигмента приготовлена масляная краска с использованием синтетической олифы по серийной рецептуре. Был добавлен красный железоокисный пигмент. Краска имела укрывистость 70 усл. ед. С такими же техническими характеристиками и цветом была приготовлена масляная краска для эталона на основе традиционных пигментов: импортный рутил, мел, импортный красный железоокисный пигмент. Чистота цвета испытываемого образца составила 95% от эталона. Отмечено, что для достижения нужной укрывистости и насыщенности цвета хроматического железоокисного пигмента в рецептуре эталона использовано в 2 раза больше. Лакокрасочное покрытие прошло испытания в аппарате искусственной погоды. Через 500 ч пленка не отличалась от исходной по цвету и гладкости.

Пример 3. Берут 1 кг сфенового концентрата, содержание Fе₂О₃ в котором не превышает 1%, подвергают его температурной обработке при 400°С в течение 40 минут. К остывшему концентрату добавляют 200 г (20 мас.%) модификатора -оптического отбеливателя, который получают из смеси частиц, содержащих 5 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 45 мас.% трифосфата алюминия и 30 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 20 мас.% фосфата хрома. Добавляют 100 г диоксида титана (10 мас.%).

Полученную смесь подвергают сухому измельчению до получения ультратонкого материала с дисперсностью 0.5-5 мкм. Показатель преломления сфенового концентрата 2.1. Показатель преломления полученного пигмента не снижается. Укрывистость 70 г/м², белизна 96 усл.ед, желтизна 10 усл.ед., маслоемкость 24 г/100 г пигмента. На основе этого пигмента приготовлена масляная краска с использованием в качестве связующего синтетической олифы, а также водно-дисперсионная краска (связующее - латекс СКС-65ГПБ). На основе этих же связующих были приготовлены эталонные образцы краски, в которых в качестве пигмента использован импортный рутил, а в качестве наполнителя мел. Укрывистость 70 г/м². Оба испытываемых образца отличались от эталонных небольшим голубовато-зеленым оттенком. Лакокрасочные покрытия прошли испытания в аппарате искусственной погоды. Через 500 ч пленка не отличалась от исходной по цвету и гладкости.

Пример 4. Берут 1 кг сфенового концентрата, содержание Fе₂О₃ в котором не превышает 1.5%, подвергают его температурной обработке при 400°С в течение 40 минут. К остывшему концентрату добавляют 200 г (20 мас.%) модификатора - оптического отбеливателя, который получают из смеси частиц, содержащих 5 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 45 мас.% трифосфата алюминия и 30 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 20 мас.% фосфата хрома.

Полученную смесь подвергают сухому измельчению до получения ультратонкого материала с дисперсностью 0.5-5 мкм. Показатель преломления полученного пигмента 2.0. Укрывистость 90 г/м², белизна 93 усл.ед., желтизна 12 усл.ед., маслоемкость 22 г/100 г пигмента. На основе этого пигмента приготовлена масляная краска с использованием в качестве связующего синтетической олифы, а также водно-дисперсионная краска (связующее - латекс СКС-65ГПБ). Дополнительно было введено 10% железоокисного зеленого пигмента Краска имела укрывистость 70 усл.ед. С такими же техническими характеристиками и цветом на основе этих же связующих была приготовлена краска для эталона на основе традиционных пигментов: импортный рутил, мел, импортный зеленый железоокисный пигмент. Чистота цвета обоих испытываемых образцов составила 95% от эталона Отмечено, что для достижения нужной укрывнстости и насыщенности цвета хроматического железоокисного пигмента в рецептурах эталонов использовано в 2 раза больше. Лакокрасочные покрытия прошли испытания в аппарате искусственной погоды. Через 500 ч пленка не отличалась от исходной по цвету и гладкости.

Пример 5. Берут 1 кг сфенового концентрата, содержание Fе₂О₃ в котором не превышает 0.6%, подвергают его температурной обработке при 400°С в течение 40 минут. К остывшему концентрату добавляют 100 г (10 мас.%) модификатора - оптического отбеливателя, который получают из смеси частиц, содержащих 5 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 45 мас.% трифосфата алюминия и 30 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 20 мас.% фосфата хрома. Добавляют 3% флуоресцентного органического порошкового пигмента белофора.

Полученную смесь подвергают сухому измельчению до получения ультратонкого материала с дисперсностью менее 10 мкм. Показатель преломления сфенового концентрата 2.1. Показатель преломления полученного пигмента снижается незначительно до 2.0. Укрывистость 100 г/м², белизна 87 усл.ед., желтизна 18 усл.ед., маслоемкость 20 г/100 г пигмента. Зрительно пигмент выглядит гораздо белее, чем в приведенном примере №1.

Пример 6. Берут 1 кг сфенового концентрата, содержание Fе₂О₃ в котором не превышает 1.5%, подвергают его температурной обработке при 400°С в течение 40 минут. К остывшему концентрату добавляют 200 г (20 мас.%) модификатора - оптического отбеливателя, который получают из смеси частиц, содержащих 5 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 45 мас.% трифосфата алюминия и 30 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 20 мас.% фосфата хрома. Добавляют 1% флуоресцентного органического порошкового пигмента белофора

Полученную смесь подвергают сухому измельчению до получения ультрагонкого материала с дисперсностью 0.5-5 мкм. Показатель преломления полученного пигмента 2.0. Укрывистость 90 г/м², белизна 93 усл.ед., желтизна 12 усл.ед., маслоемкость 2 г/100 г пигмента Зрительно пигмент воспринимается гораздо белее, чем пигмент, приведенный в примере 4.

Приведенные примеры показывают, что предлагаемый способ так же как и способ прототипа придает лакокрасочным системам седиментационную устойчивость, но по сравнению с прототипом позволяет повысить белизну, снизить желтизну. Повышение маслоемкости связано с более высокой дисперсностью. Светостойкость находится в пределах допустимых норм для атмосферных красок. Перечисленные преимущества достигаются благодаря выбранным параметрам способа.

Изобретение предназначено для химической и лакокрасочной промышленности. Сфеновый концентрат с содержанием Fe₂О₃ не более 1,5 мас.% подвергают термообработке при 400°С 40 минут. Добавляют модификатор - смесь частиц, содержащих 5-30 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1-5 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 35-45 мас.% трифосфата алюминия и 20-30 мас.% геля кремниевой кислоты, покрытую 10-20 мас.% фосфата хрома. В модификатор можно дополнительно ввести 1-3 мас.% порошкового дневного флуоресцентного органического пигмента - белофора для превращения поглощенной части света в видимое излучение. Подвергают сухому ультратонкому измельчению до размеров частиц менее 10 мкм. Белизна пигмента 87-96 отн.ед., маслоемкость - 20-24 г/100 г пигмента, желтизна - 10-18 отн.ед., светостойкость за 4 ч - 0,25-0,3 отн.ед., устойчивость краски к расслаиванию - 6 мес. Лакокрасочное покрытие, изготовленное из полученного пигмента, испытано в аппарате искусственной погоды. Через 500 ч пленка не отличалась от исходной по цвету и гладкости, 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения атмосферостойкого пигмента из сфенового концентрата, включающий добавление к сфеновому концентрату модификатора, содержащего фосфаты и кремниевую кислоту, ультратонкое измельчение в сухом режиме и термообработку, отличающийся тем, что сначала сфеновый концентрат подвергают термообработке при 400°С в течение 40 мин, после чего добавляют модификатор, в качестве которого используют смесь частиц, содержащих 5-30 мас.% геля кремниевой кислоты, прокаленного при 800-900°С, покрытого 1-5 мас.% фосфата кобальта, с частицами, содержащими высушенную при 100-120°С смесь 35-45 мас.% трифосфата алюминия, и 20-30 маc.% геля кремниевой кислоты, покрытого 10-20 мас.% фосфата хрома.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в модификатор вводят 1-3 мас.% порошкового дневного флуоресцентного органического пигмента - белофора, который превращает поглощенную часть света в видимое излучение.