Диоксид титана – как один из компонентов рецептуры для экструзии профильно-погонажных изделий из поливинилхлорида.

В последнее время наблюдается рост числа предприятий, специализирующихся на экструзии профильно-погонажных изделий из поливинилхлорида. При этом основной ассортимент - это оконные профили, кабель-каналы, сайдинг и, самый массовый – отделочные профили, или так называемая «виниловая вагонка».

Любая рецептура для экструзии вышеперечисленных изделий базируется на ряде компонентов, обязательно входящих в ее состав. Среди них – основной стабилизатор термодеструкции, мел, смазки (воска) и диоксид титана. Этот список может быть, безусловно, расширен, но минимально необходимых перечень компонентов именно такой.

Каждый компонент отвечает за вполне определенный набор свойств конечного продукта. В этом материале хотелось бы более подробно остановиться на аспектах использования в поливинилхлоридных композициях диоксида титана.

Согласно оценке американской компании “IBMA” (штаб-квартира – г. Принстон-Джанкшн, штат Нью-Джерси) мировое потребление диоксида титана к концу 2001 года достигнет 4062 тыс.т., в том числе на долю продуцентов лакокрасочных материалов будет приходиться 59 %, пластмасс – 20 % и целлюлозно-бумажной промышленности – 13 %.

По состоянию на конец 2000 г. мировые мощности по производству диоксида титана равнялись 4499 тыс. т в год, в том числе у компании DuPont (тыс.т) – 1057, Millenium – 712, KerrMcGee – 604, Huntsman (Tio-xide) – 570, Kronos – 440, ISK – 206, Kemira – 120. При этом необходимо отметить, что в последние годы развивается процесс концентрации производства; произошла смена владельцев ряда компаний. В 1999 г. Huntsman приобрела компанию Tioxide у фирмы ICI (в настоящее время 70 % пакета акции находится у Huntsman). В последние три года с рынка диоксида титана ушли такие компании, как Rhone-Poulenc (Франция), Bayer (Германия), Tibras (Бразилия), ICI (Великобритания).

Пигменты диоксида титана производятся по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы. Обе, анатазная и рутильная формы диоксида титана, могут быть произведены любым из способов. Сульфатный способ был внедрен в промышленность в 1931 г., для производства анатазной формы диоксида титана, а позже, в 1941 г. – рутильной. В этом способе руда, содержащая титан (ильменит и др.), растворяется в серной кислоте, образуя растворы сульфатов титана, железа и других металлов. Затем, в ряде химических реакций, включающих в себя химическое восстановление, очистку, осаждение, промывание и кальцинацию, образовывая базовый диоксид титана с необходимым размером частиц. Строение кристаллов (анатазная или рутильная форма) контролируется в процессе ядрообразования и кальцинации.

Хлорный способ был изобретен компанией DuPont в 1950 г. для производства рутильной формы диоксида титана. Этот способ включает в себя высокотемпературные фазовые реакции. Титансодержащая руда вступает в реакцию с хлорным газом при пониженном давлении, в результате чего образуется тетрахлорид титана TiCl4 и примеси хлоридов других металлов, которые впоследствии удаляются. TiCl4 высокой степени чистоты затем окисляют при высокой температуре, в результате чего образуется диоксид титана.

Мировые мощности по производству диоксида титана хлорным способом превышают мощности сульфатного, и продолжают расти.

Как уже отмечалось выше, диоксид титана существует в двух кристаллических структурах: анатазной и рутильной. Эти две формы отличаются плотностью молекулярной структуры и расположением атомов внутри молекулы. При этом рутильная форма имеет гораздо меньшее расстояние между атомами титана и кислорода. Рутильный диоксид титана обладает более высокой укрывистостью по сравнению с анатазным, вследствие чего используется гораздо чаще.

Ниже приведены основные характеристики диоксида титана:
Рассеивающая способность – способность пигмента к отражению света видимой части спектра определенных длин волн. Этот показатель у диоксида титана напрямую зависит от диаметра частиц TiO2. При размере частиц 0,2 мкм сумма рассеянного света для всех длин волн максимальна. При увеличении размера частицы от 0,25 до 0,3 мкм рассеивание голубого света быстро понижается. Но рассеивание зеленого и красного практически не меняется. Тем не менее, при диаметре частиц 0,15 мкм наблюдается максимальное рассеивание синего, в то время, как рассеивание красного и зеленого значительно ниже. Таким образом, в случае профильно-погонажных изделий, где важен насыщенный белый с голубоватым оттенком, размер частиц долен укладываться в диапазон 0,2 – 0,3 мкм.

Маслоемкость – это способность частиц пигмента удерживать на своей поверхности определенное количество масла. Выражается она в граммах на 100 грамм пигмента и колеблется обычно от 10 до 20. Этот показатель при использовании диоксида титана в экструзии поливинилхлоридных композиций необходимо минимизировать.

Укрывистостью называют способность пигмента при равномерном распределении в объеме пластмассы делать невидимым цвет последней. Укрывистость выражается в граммах пигмента, необходимого для того, чтобы сделать невидимым цвет поверхности площадью 1 м2. Белые пигменты обеспечивают укрывистость путем рассеивания световой волны любой длины видимого спектра. Чем меньше будет этот показатель, тем ниже расходная норма диоксида титана в композиции.

Цвет – свойство тел вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого ими видимого излучения. Сухой диоксид титана характеризуется высокой яркостью, белизной и его отражающая способность близка к отражающей способности идеального диффузора.

Светостойкость – свойство материала сохранять свой цвет под воздействием световых лучей. В процессе эксплуатации профильно-погонажные изделия, особенно наружного применения, изменяют свой первоначальный цвет под воздействием ультрафиолетовых лучей естественного света и источников искуственного освещения, излучающих ультрафиолетовые лучи.

Атмосферостойкость – свойство полимерных композиций сопротивляться разрушающему действию солнечных лучей, дождя, мороза, снега, ветра и других атмосферных факторов (например, газов и пыли, загрязняющих нижние слои атмосферы).

Обработка поверхности необходима для увеличения устойчивости к внешним воздействиям. Неорганическая (Al₂O₃, SiO₂) увеличивает стойкость частиц диоксида титана к кислотному воздействию, которое может приводить к разрушению частиц пигмента. Органическая обработка улучшает распределение частиц пигмента в объеме композиции.

В настоящий момент на российском рынке переработки поливинилхлоридных композиций наибольшее признание получили следующие марки диоксида титана:

1. Ti-Pure R103, Ti-Pure R 104, Ti-Pure R 105, производство компании DuPont (США);
2. Kronos 2220, производство компании Kronos (Бельгия);
3. Kemira 405, производство компании Kemira (Финляндия).

В таблице 1 приведена сравнительная характеристика указанных марок диоксида титана.

Таблица 1.

Диоксид титана украинского производства («Сумыхимпром», г. Сумы, «Титан», г. Армянск) в данном материале не рассматривается вследствие того, что существующие технологии его производства не позволяют получать диоксид титана такого качества, чтобы он мог серьезно конкурировать с приведенными выше марками зарубежных производителей. Оба этих завода построены в 50-х годах, производят TiO2 по сульфатной технологии и с момента пуска производства не имели никакой серьезной модернизации. Диоксид титана выпускается без поверхностной обработки, которая должна обеспечивать светостабильность, диспергируемость, защиту от влаги и т.д.

В настоящее время перед отечественной титановой промышленностью стоит задача создания собственного мощного производства диоксида титана. Опорой для создания производств по выпуску диоксида титана могут стать предприятия Кольского полуострова, Челябинска, Пермской области. Существуют проекты разработки и освоения месторождений в Бурятии, инвестиционные проекты разработки титансодержащих руд и организации производства диоксида титана на юге Хабаровского края и в Волгоградской области.

Таким образом, на основании приведенного материала можно сделать ряд заключений.

Диоксид титана является неотъемлемой частью поливинилхлоридных композиций, и от его качества и количества зависят такие показатели готовой продукции, как цвет, светостойкость и атмосфероустойчивость. Для достижения наилучших результатов необходимо использовать марки диоксида титана с размером частиц от 0,2 до 0,3 мкм (при этом разброс в размере частиц должен быть минимален), желательна неорганическая обработка поверхности части оксидами алюминия и кремния. Укрывистость должна быть достаточно высокой. Оптимальная форма для пластмасс – рутильная, полученная по хлорному способу.