钛白粉(二氧化钛)的光学理论

世上无难事，只要肯攀登
钛白粉的光学性质——遮盖力
遮盖力是指当一件物料涂以某种涂料时，涂料中的颜料能遮盖被涂物体表面的底色，使这种底色不能再透过涂料而显露出来的能力。

如果要涂同一块表面，所用颜料的遮盖力越大，则需用的颜料量便越少，遮盖力的表示方法是每平方厘米被涂物体的表面积，在达到完全被遮盖时，需用颜料的最低质量。

其公式如下：
颜料的遮盖力越大，则这个数值就越小。

遮盖力也可以用每克颜料能遮盖被涂物体的表面积来表示，就是上一种表示方法的倒数。

这种方法表示的颜料遮盖力越大，则其数值便越大，涂膜可以越薄，所需的涂料量便越小。

油漆的遮盖能力可以定义为其遮盖背景对比颜色的能力。

遮盖效应主要是由于二氧化钛导致的散射或由于有色物质的存在而引起的吸收，在两种原因以使人射光强度减退时，就出现遮盖现象。

图1 表示了完全和不完全的遮盖。

二氧化钛颜料在工业中最重要的作用，在于利用它被分散到介质中的不透明性能，可以达到遮盖的效果。

颜料的遮盖力不仅取决于它的晶体结构、折射率和对光的散射能力，而且也取决于它对光的吸收能力。

但是二氧化钛和其他白色颜料一样，由于它对光的吸收能力很小，虽然光的吸收对遮盖力有影响，但没有散射能力影响大，因此其遮盖力主要受散射力的影响和着色力一样，也受颜料的折射率、粒径、粒径分布和分散性能的影响。

折射率大的颜料有较大的遮盖力(HP)，从下式可以看出，遮盖力与面积成正比，颜料与展色剂的折射率之差越大，遮盖力也越高。

钛白粉的散射力概念钛白粉其重要的颜料性能，如消色力和遮盖力等都与钛白粒子在分散介质中的散射力紧密相关。

在实际应用中，通常采用2种白色颜料的散射力比值(即相对散射力)来比较颜料的散射力大小。

相对散射力在颜料应用体系中的举足轻重的作用已愈来愈为二氧化钛的制造商和用户所重视，ISO591-200 0《色漆用二氧化钛颜料》标准亦将相对散射力作为一项重要指标列入检测项目。

定义散射力是指颜料在一定介质中对入射光的散射能力。

用来度量颜料散射力大小的物理量是散射系数Sp(λ)。

相对散射力Sr(λ)是试样的散射系数与标样的散射系数之比，以百分数表示。

介绍了相对散射力的概念，并对比分析了国内外部分金红石型二氧化钛的相对散射力。

研究了煅烧时间、粒度及粒度分布、介质中的分散性以及后处理包膜等因素对金红石型二氧化钛在一定颜料体积浓度(PVC)下的相对散射力的影响。

0引言二氧化钛作为一种性能卓越的白色颜料而广泛用于涂料、塑料、造纸等行业，其重要的颜料性能，如消色力和遮盖力等都与颜料粒子在分散介质中的散射力紧密相关。

在实际应用中，通常采用2种白色颜料的散射力比值(即相对散射力)来比较颜料的散射力大小。

相对散射力在颜料应用体系中的举足轻重的作用已愈来愈为二氧化钛的制造商和用户所重视，ISO591—2000《色漆用二氧化钛颜料》标准亦将相对散射力作为一项重要指标列入检测项目，因此，研究影响二氧化钛相对散射力的相关因素，对于改善和提高二氧化钛的品质和应用性能具有十分重要的意义。

1相对散射力的检测原理及其表征1.1定义散射力指颜料在一定介质中对入射光的散射能力。

用来度量颜料散射力大小的物理量是散射系数Sp(λ)。

相对散射力Sr(λ)是试样的散射系数与标样的散射系数之比，以百分数表示：点击此处查看全部新闻图片1.2原理及表征根据Kubelka-Munk定律，材料的内部反射因数R*∞由吸收系数K与散射系数S之比决定，即因此，通过测量试样和标样在介质中的反射因数R∞，即可计算出对应的K/S值，由于白色颜料对光吸收较少，从而得到相对散射力Sr：1.3检测方法以一定量的二氧化钛、炭黑、二氧化硅和醇酸树脂在三辊磨和平磨仪上研磨，制成颜料体积浓度(PVC)约15%的灰浆，在无色玻璃板上使用湿膜制备器刮成厚约75?m的涂膜，立即用光谱仪测定湿膜在550nm的反射因数R∞，利用上述公式(2)、(3)、(4)计算二氧化钛的相对散射力。

世上无难事，只要肯攀登钛白粉的光学性质——着色力（消色力）着色力是二氧化钛的重要特性指标，就是二氧化钛与另一种颜料混合后，能够得到混合物显示它本身颜料的能力。

有时为了区别白色颜料和着色颜料，把着色颜料的着色能力称为着色力，把白色颜料的着色能力称为消色力，也就是说对白色颜料而言，它与深色颜料混合后，混合物的颜色越浅，表示它的消色力越强。

消色力的测定方法有两种。

(1)相对消色力法通常是将样品（钛白粉）和另一种作为标准样的样品（钛白粉）分别与展色剂（群青或与炭黑）混合后，用亚麻仁油研磨，然后将样品与标准样品比较颜色的深浅，样品达到标准样品的百分率。

(2)国外商业上有时习惯用雷诺值(Ranolds)表示着色力。

雷诺值是将炭黑的群青与油加人等量的标样和试样中，直到二者明度一致时，根据试样中所加人着色剂的量，在已标定的指数表中读取相应的数值。

在用二氧化钛与有色颜料进行配色时，着色力（消色力）高的二氧化钛用的数量较少。

着色力是颜料对光的吸收和散射的结果。

二氧化钛是一种白色颜料，对光的吸收非常小，不像有色颜料，光的吸收起着重要的作用，因此其着色力（消色力）的大小，主要取决于它对可见光的散射能力，散射力大，着色力（消色力）高。

因此它与白度不一样，白度是吸收系数K 和散射系数S 二者的函数，而着色力（消色力）仅仅是散射系数S 的函数。

从下表中可以看出，二氧化钛在白色颜料中折射率最高，因而着色力（消色力）也高于其他白色颜料，两种晶型的二氧化钛，由于金红石型折射率比锐钛型的大，着色力（消色力）也高于锐钛型二氧化钛，各种常用白色颜料折射率与着色力的比较见下表.同遮盖力一样，二氧化钛的着色力（消色力）与二氧化钛的粒径、粒径分布和分散性有较大的影响。

消色力的几个有关因素：①消色力的大小与它的。

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钛白粉的光学性质——白度
颜色是由物质对可见光中不同波长的光波被吸收程度不同而形成的。

日
光是由许多波长不同的光波组合而成，每一种波长的光具有它特定的一种颜色，各种不同颜色的光组合起来，就成为白色。

物体在可见光［波长（λ）在0.39-0.77μm的电磁波〕下所呈现的不同颜色，是物体对可见光中不同波长的光波进行不同程度的吸收和反射后所形成的。

所谓“白度”，就是物质对可见光吸收和反射两部分之比，它又综合了色调和亮度两种光学效果，根据库伯尔卡一芒克(Kubelka-Munk)理论，无限厚的涂膜（不透明膜）的亮度或反射率R∞与颜料对光的吸收系数K 和散射系数S 呈如下函数关系：
由上式可知R∞与K/S 成反比，K 减小，S 增大，白度和亮度就增大。

影响二氧化钛白度的因素是复杂的，在钛白粉生产中，具有实际意义的是二氧化钛中的杂质含量和粒径与粒径分布。

因此为了提高白度，除了尽可能地减少杂质含量，提高化学纯度，避免二氧化钛晶格出现缺陷来降低K 值外，同时还要调整和控制二氧化钛的粒径和粒径分布，增强其分散性，提高S 值才行。

从下图中可以看出二氧化钛的光散射能、光吸收能及反射率与光线波长之间的关系。

影响钛白粉白度的主要因素如下。

(1)钛白粉中有害杂质的种类和含量即使有害杂质含量甚微，也会对白度产生明显的影响，如铁、铬、钻、铈、铜、锰、钒、铅等。

杂质的有害影响，不仅由于混人杂质本身的显色作用，而且由于杂质离子，尤其是重金属离子的存在，使钛白粉晶格曲线扭曲变形失去对称性而发生作用。

金红石型钛白粉对杂质的影响更为敏感，如氧化铁在金红石型。

钛白粉的原理和应用有哪些一、钛白粉的原理钛白粉是一种重要的白色无机颜料，广泛应用于各个行业。

它主要由二氧化钛（TiO2）组成，是一种具有特殊晶体结构和优异光学性能的材料。

钛白粉的原理包括以下几个方面：1. 光学性能钛白粉具有高折射率和高散射能力，能够使光线在钛白粉颗粒中发生多次反射和散射。

这种散射现象导致光线在材料中传播的路径变长，使得大部分可见光被散射，形成出色的白色颜料效果。

2. 隐蔽性钛白粉具有良好的隐蔽性，能够有效地覆盖和隐藏底层的颜色和瑕疵。

这是由于钛白粉的高散射能力，能够遮盖住底层材料的颜色，使表面呈现出纯白色。

3. 化学稳定性钛白粉具有优异的化学稳定性，能够在各种环境下长时间保持其物理和化学性能。

它不受光、热以及一般化学性质的影响，因此可以广泛应用于不同领域。

二、钛白粉的应用钛白粉在各行各业都有广泛的应用，以下是钛白粉的主要应用领域：1. 涂料工业钛白粉是涂料工业中最重要的白色颜料之一。

在涂料中加入适量的钛白粉，可以提高涂层的遮盖力、光泽度和稳定性。

钛白粉还能够吸收紫外线，起到防止光的老化和保护底层物质的作用。

2. 塑料工业钛白粉在塑料制品中的应用越来越广泛。

由于其高隐蔽性和光学性能，加入适量的钛白粉可以提高塑料制品的白度、光泽和外观。

同时，钛白粉还能够改善塑料制品的耐候性和耐老化性能。

3. 造纸工业钛白粉在造纸工业中用作填料，可以提高纸张的白度和光泽度，增加纸张的质感和触感。

钛白粉还能够阻挡紫外线的穿透，减少纸张的老化和劣化现象。

4. 食品工业钛白粉在食品工业中用作着色剂和增白剂。

它被广泛应用于食品加工过程中的奶制品、调味品、糕点等产品中，能够提供纯白的外观和增加食品的吸引力。

5. 医药工业钛白粉在医药工业中被用作药片涂料的着色剂。

钛白粉能够提高药片的外观质量和口感，同时还能够起到保护药品的作用，防止药品受潮、氧化和光照的影响。

6. 日化工业钛白粉在日化工业中被广泛应用于化妆品、洗衣剂、牙膏等产品中。

钛白粉技术应用中心为什么使用钛白粉二氧化钛（钛白粉）是在涂料行业中广泛使用的及其重要的白色颜料。

杜邦钛白粉能够有效地散射可见光而赋予制品白度、亮度及不透明度。

杜邦™钛白粉通过广泛地反射光线来增强漆膜的不透明性。

白色颜料能够强烈地散射或折射光线并造成这种反射。

所有的可见光在通过白色颜料时都将被反射，从而使漆膜显得不透明、洁白和明亮。

杜邦TM钛白粉将最程度地增强遮盖能力，耐候性能，提高着色强度，并确保任一批次之间的一致性。

杜邦™拥有您所需要的高科技，在全球众多钛白粉制造商中，其生产能力、产品质量和技术支持等方面均排名第一。

钛白粉有两种晶体结构存在：金红石型和锐钛型。

不过，金红石型钛白粉颜料能够更有效地分散光，同锐钛型钛白粉相比具有更强的稳定性和出色的耐久性。

提高着色力什么是着色力着色力衡量着色剂改变漆膜颜色的能力遮盖力和着色力是用来描述白色颜料的光散色效率的两种光学性能。

遮盖力衡量钛白粉增强白色漆膜不透明性的能力；而着色力则描述其增加有色涂料颜色的白度和亮度的能力。

着色力测试是指当某白色漆料的反射率被特定一彩色颜料调到50%时，钛白粉光散射能力相对于彩色颜料光吸收能力的贡献。

为确保絮凝不对着色力的结果造成干扰，我们建议在衡量着色力的同时，通常需要衡量絮凝作用，比方说在部分干燥的有色涂料上进行擦亮测试。

遮盖力最大化遮盖力是一种光学性能，用来描述白色颜料的光散射效率。

颜料的遮盖力用来衡量其遮盖对比色背景的能力。

白色颜料散射所有波长上的可见光，反之，彩色颜料吸收特有波长上的可见光。

粘合剂媒介里颜料的良好散性能强烈地影响涂料的遮盖力，而颜料粒子的凝聚性则会降低颜料的遮盖力。

使用钛白粉使遮盖力最大化？涂料中低遮盖力由以下因素导致：不充分的解团聚颜料絮凝作用增强耐候性什么是耐候性耐候性是用于描述有色涂料的外观和功能价值所发生各种变化的术语。

它涵盖全面的外部使用能力，比如颜色和光泽的保留率，粉化、粘结性和漆膜的完整性。

二氧化钛的光学性质和钛白的颜料性能TiO2的光学性质与钛白的颜料性能密切相关，钛白的颜料性能是TiO2光学性质的具体体现。

诸如反射率、折射率、色调、荧光性、光色互变性等属于光学性质，与钛白颜料的遮盖力、消色力、光泽、白度、耐候性、不透明度、色相、耐光性等息息相关，都是光学作用的结果。

1、二氧化钛的光学性质二氧化钛的主要光学性质列于表10-3。

二氧化钛的折射率表示TiO2，晶体对光的折射能力，又称折射指数，随其晶型和光波长不同而发生变化。

在可见光蓝光末端，TiO2折射率增加，而在黄光和红光区则降低。

金红石型的折射率比锐钛型高。

在可见光内，TiO2晶体几乎发生等辐散射，使人的视觉为白色感觉。

这是因为TiO2的结构稳定，可见光的激发作用并不能使电子获得足够能量引起注目的跃迁，因此具有很低的吸收作用和很高的散射能力。

但紫外光则引起了TiO2，晶体的强烈吸收。

值得指出的是钛白粉的某些光学性能(如吸收和散射能力)不是固定不变的，它与钛白中的杂质和颗粒状态有关。

因此，人们可以通过提高钛白的纯度和改善其颗粒状态来提高铁白的一些颜料性能。

2、钛白的颜料性能A、白度钛白是当今最佳白色颜料。

它的光学和颜料性能都优于其他白色颜料(表10-4)杂质影响TiO2。

颜色的极限值见表10-5。

金红石型TiO2比锐钛型TiO2，更易吸收波光，对杂质的影响更为敏感，所以对金红石型钛白的杂质含量要求更为严格。

当锐铁型钛白混有金红石型时，其白度会降低。

所以，锐钛型钛白中的锐铁型率越高，其白度也就越好。

白度与颜料对光的吸收系数K和散射系数S成函数关系。

K/S值越小，即K值越小S值越大，则颜料的白度就越好。

对同一种颜料，其S值的大小取决于颜料的粒度、粒度分布和颗粒形状。

从理论上讲，颜料颗粒粒径为可见光半波长时，对光的散射率最高。

可见光波长为0.4~0.7um，因此颗粒粒径为02~0.35m时，在可见光中具有最高的散射率。

粒径较小的粒子具有大的短波光散射率，粒径较大的粒子具有大的长波光散射率。

二氧化钛的化学性质二氧化钛的化学性质极为稳定，是一种偏酸性的两性化合物。

几乎不与其它元素和化合物作用，不溶于水、稀酸、脂肪酸和其它有机酸及弱无机酸，只微溶于氢氟酸，在长时间高温煮沸下能溶于浓硫酸。

光学性质1.不透明度二氧化钛具有极高的不透明度，这是优越白色颜料的基本性质。

其不透明度主要取决于其折射率和粒度，其光学本质是颜料与周围介质折射率之差造成的。

当颜料的折射率与基料的折射率相等时就透明，当两者折射率之差越大，不透明度越高。

不透明度与颜料粒度分布有关。

2.折射率二氧化钛的折射率比金刚石还高，它的光泽和亮度超过金刚石，但硬度比金刚石差，所以其使用价值不高。

3.散射力光的散射即漫反射，是白色颜料的重要物理性质之一，又是形成白色颜料重要光学效应-----着色力和遮盖力的物理原因。

散射主要包括反射、折射和衍射。

光的散射能力R大小与颜料n2和基料n1的折射率关系为：R=[(n2-n1)/(n2+n1)]2散射力还与粒径与分散性有关。

4.光泽度物体的光泽度是指物质对投射来的光的反射能力，反射能力超强，光泽度越大。

颜料在涂料中的光泽度与其折射率、粒度、分散性有关。

5.耐候性耐候性是指含有二氧化钛的涂膜暴露在日光下，受光、氧、水、热等的综合作用下，避免变黄、失光和粉化的能力。

二氧化钛表面有晶格投降，可吸收405nm以下的光波，将水、氧转变为高度活性的游离基，从而导致有机物降解。

锐钛型二氧化钛的光化学活性比金红石型二氧化钛高10倍。

颜料性质1.白度白度综合了色调和亮度二种光学效果。

影响二氧化钛白度的主要因素是杂质含量与粒径分布。

金红石二氧化钛较锐钛型二氧化钛对杂质的敏感度大得多。

如铁含量30ppm时，金红石就显色，而锐钛要大于90ppm时才显色。

由于金红石型钛白粉在蓝光波段有轻微的吸收，产品略带黄相，锐钛略带蓝相。

当二氧化钛平均粒径在0.2um左右时，对可见光短波有较强的散射能力，产品带蓝相，当粒径达0.35um左右时，对红光有较强的散射能力，产品带红相。

钛白粉（二氧化钛）的光学理论钛白粉光学理论Optical theory图1由粒子引起的光线折射二氧化钛和其他的白色颜料的遮盖效率主要是利用光的反射。

因为白色颜料可强烈地使光线反射或曲折，丽出现反射现象。

如果油漆薄膜中有足够的白色颜料，则人射漆膜表面的光几乎可以完全的反射回来，(除了很少部分是由颜料所吸收之外)于是涂膜就会呈不透明状，洁白而光泽。

折射和绕射光线通过和绕过颜料粒子时，粒子对光线的折射和绕射造成光线的散射或弯曲。

图1a反射散射图l显示折射现象，其中球形表示二氧化钛粒子，由于漆膜中颜料粒子及基料折射率之不同、故当光线穿越后、必然产生曲折现象。

图2显示绕射现象。

行进路线靠近二氧化钛粒子的光线受到弯曲、而分开散射到许多方向。

这一现象说明颜料在其临近区域对光的散射能力数倍于其粒子横截面内。

图2小粒子周围的光线衍射（绕射）折射率图3表示两个含颜料漆膜的横切面，演示了折射率的差别怎样影响光的散射和盖遮力。

在含有高折射率颜料的漆膜中(上图)光线比在含有低折射率颜料的漆膜中弯曲较多(下图)，所以射入漆膜之光线所经过的路径长度较短，因而不能深入。

实际上两种漆膜都呈白色不透明状，因为其皆没有存在吸收光线的粒子，所以全部入射的光线亦都会返回表面。

然而，如果漆膜厚度如虚线(X)所示，而且放在黑色背景上，那么，含有低折射率颜料的漆膜能使部分光线进入黑色背景而被吸收，则漆膜就不会完全不透明，与白色的漆膜相比较，则呈现灰色。

图3光线在漆膜中的行经路线为什么要用二氧化钛要了解金红石型二氧化钛(Rutile)、为什么在遮盖上能有这么大的优点,只需将金红石型二氧化钛与锐钛型(Anatase)二氧化钛的折射率和其它商用白色颜料以及油漆基料的折射率相比较则可以看出来(表一)。

一般来说颜料的折射率和周围的介质之折射率差别越大，光线的折射就越大。

表一油漆制造所使用的某些颜料和基料的折射率白色颜料折射率基料或介质硅藻土 1.45真空二氧化硅 1.41-1.49空气 1.0003碳酸钙 1.63水 1.3330重晶石 1.64聚醋酸乙烯酯树脂 1.47陶土（白土） 1.65大豆油 1.48硅酸镁 1.65精制亚麻仁油 1.48立德粉 1.84乙烯树脂 1.48氧化锌 2.02压克力树脂 1.49氧化锑 2.09-2,25桐油 1.52硫化锌 2.37氧化大豆油醇酸树脂 1.52-1.53锐钛型二氧化钛 2.55苯乙烯丁二烯树脂 1.53金红石二氧化钛 2.7370/15/15醇酸/三聚氰胺/尿素1.54 75/25醇酸/三聚氰胺 1.55<图4>金红石型二氧化钛(Rutile)与锐钛型(Anatase)的比较晶体结构—钛和氢原子在R型二氧化钛结晶中堪积较紧密比重—A型二氧化钛：3.84，R型二氧化钛：4.26折射率—A型二氧化钛：2.55，R型二氧化钛：2.73每单位重量的遮盖力—R型二氧化钛大约高出30％光化学稳定度—R型二氧化钛较稳定，较不易粉化紫外线的吸收—R型二氧化钛对紫外线(360—400nm)吸收力较强。

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钛白粉的光学性质——光泽度
物体的光泽度是指物质对投射来的光线的反射能力，反射能力越强，光泽度越大。

在实际应用中颜料只是涂料组分中的一种，颜料本身无光泽，涂膜才有光泽，但是在实际生产中颜料特征的影响决定了涂膜的光泽。

二氧化钛的反射率很高，与公认的标准氧化镁接近，可达到标准氧化镁的96%-98%。

由于二氧化钛既有高的不透明度，又有高的反射率，所以经它着色后的材料色调鲜明。

影响二氧化钛颜料成膜后光泽度的主要原因是它的粒径和分散性，如果二氧化钛的粒径很细，并能均匀地分散到漆料中，则涂膜平整、光滑如镜，光泽度就好，相反二氧化钛粒径过粗，涂膜粗糙，光泽度就会降低，并会带有其他底色，着色后色调发暗。

评价涂料的光泽虽然不完全客观，但不同观测人员作出的视觉分级通常有合理的相互关系。

讨论光泽的肉眼观察结果时，往往发现评价光泽时至少会使用下述中的一项条件：①像的清晰度（双眼注视在板后的虚像上）；②表面的可见度或外观（双眼注视在板的表面上）；③光像和暗像的对比亮度。

对经室外曝晒或老化的涂层进行原始光泽及光泽保留度的分级，一般也使用仪器在入射光一个或几个角度测量镜面反射率。

基本上，光泽是树脂基料的一种性质。

但是，要认识基料的光泽性，就必须避免在油漆膜上含有足以产生表面粗糙的颜料粒子（往往称为微粒）。

要选择适当的二氧化钛品级，颜料分散的正确配方，正确的研磨方式以及设计得好的研磨步骤，这些条件对达到最后光泽度起很大作用，见下图。

还有烤漆在制造、储存应用和固化过程中会遇到各种条件都能影响最后光泽。

下面列出影响光泽的某些因素。

(1)制造研磨的细度；研磨机类型也许影响研磨细度，但在很小的粒度范围。