探索下一代TiO2优化方法| 2013-08-01 | PCI杂志 - 188bet搏金宝,188金宝搏bet官网

涂料配方师一直关注的问题之一是在不影响涂料关键性能的情况下，找到降低配方中二氧化钛(TiO2)含量的方法。由于全球TiO2消费量的增加以及美国和西欧的生产能力不变，TiO2的价格最近上涨了50%以上。对于涂料制造商来说，这样的波动是难以控制的。

面对现状

涂料制造商已经从几个方面适应了价格的波动。使用更便宜的TiO2等级是其中之一，但是，由于市场普遍短缺，从类似技术获得的TiO2的价格差异往往较小。通过考虑从其他技术中获得TiO2可以节省一些成本，因此，越来越多的买家对亚洲生产的TiO2越来越感兴趣，更具体地说，是中国生产的TiO2。

亚洲生产的大多数TiO2等级都是从硫酸盐工艺中获得的，这种工艺被认为产生的TiO2质量较低，而且比从氯化物工艺中获得的TiO2更难配制，氯化物工艺主要在美国和西欧生产。此外，硫酸盐工艺已知会产生更多的废物，同时消耗更多的水。出于环境原因，中国政府最近确认了限制硫酸盐工艺的承诺，从而有利于氯化物工艺在未来的投资。除了环境问题，中国政府的目标是使中国成为高质量TiO2等级的一流供应商，能够与西欧和美国生产的等级竞争。

任何通过使用更便宜的TiO2等级来降低成本的策略都可能只是一种短期方法;它不能阻止密集的实验室工作，也不能保证将达到必要的和预期的结果。此外，美国TiO2供应商投入了大量资源来设计高质量、稳定且易于使用的TiO2浆料，这与TiO2本身的质量高度相关。在美国或西欧使用更便宜的TiO2等级制成的浆料，需要要求亚洲制造商设计足够稳定的浆料，以承受数周或数月的海洋运输时间——这两种方法都不简单，也不现实，或者让涂料制造商自己设计和制造矿物浆料，从而导致重大的开发和工艺投资。

使用更少的TiO2

长期战略和环境可持续的方法是减少对TiO2的需求。多年前，通过使用特定的有机聚合物(例如空心球)，研究了一种降低TiO2含量的方法。

用这种聚合物重新配方需要改变粘合剂和TiO2。为了从变化中获得最大的利益，涂料制造商通常必须依赖有机颜料供应商提出的重新配方建议，这些建议通常也强调与同一供应商的粘合剂的协同作用。尽管取得了成功，但该方法限制了配方的灵活性，并意味着配方已经包含了大量的粘结剂。

大多数涂料制造商现在都在寻找下一个里程碑，即比以前节省更多的TiO2，并将节省选项扩展到所有类型的配方，甚至是粘合剂用量较低的配方。因此，需要更创新的方法来节省TiO2，同时减少对粘结剂的依赖，更多地关注TiO2颗粒的内在定值。高TiO2定价只需设定以下目标:在稀释和最高浓度条件下，实现TiO2颗粒在水相中的最佳分散和稳定性。最高浓度条件与漆膜干燥过程的后期阶段有关，而稀释条件与轧机基础或浆料制作有关，以及随着时间的推移的体积稳定性。

分散剂需要配方商的注意

TiO2在稀释条件下的分散和稳定主要取决于适应性良好的分散剂的使用。分散剂是必需的，当大量的细填料或颜料颗粒被添加到水中，使磨基。需要进行絮凝，因为粉状颜料颗粒在散装或大袋储存期间，由于压缩和剩余水分的结合，往往会结块。添加的分散剂起着润滑剂和解离剂的双重作用，一旦颗粒被解聚，它就会与它们的表面相互作用，形成保护性的有机层。一旦包裹在颗粒上，分散剂有助于建立一个由正电荷组成的额外层(图1)，反对颗粒之间的吸引趋势。

由于双层离子层和空间位阻效应，粒子悬浮液的稳定性得到了静电斥力势的加强(图2)。

当在离子机理上发挥作用比较困难甚至不可能时，应考虑使用非离子分散剂。分散剂适用于矿物颗粒在水中的分散，并显示出减少的离子特性，为配方提供了新的潜力和见解。非离子分散剂不是包裹矿物颗粒的表面，而是由于基于长乙氧基化部分的梳状结构确保了它们的间距。这种稳定方式可以适用于二氧化钛或扩展剂，如沉淀或天然超细碳酸钙。间隔稳定也为纳米矿物颗粒的分散带来了优势，并在pH调整方面提供了更大的灵活性。

选择最佳适应性分散剂

丙烯酸基分散剂被证明在有效性、稳定性和耐水性方面具有决定性的优势，因此经常取代旧一代的磷酸盐基分散剂:三聚磷酸盐(TPP)、焦磷酸盐或六偏磷酸盐(HMP)。特别是，当涂料储存在高于室温的温度下时，丙烯酸基分散剂提供了持久的稳定效果。聚磷酸盐分散剂则不是这样，在相同的条件下，聚磷酸盐分散剂会因水解而降解。

当需要分散特定或非常细的填料和颜料(如TiO2)时，必须考虑使用基于共聚结构的分散剂。丙烯酸基单体可以与酯类或表现出疏水特性的单体结合。承载疏水端基的侧链也可以接枝，以特定的方式与疏水改性的颜料或粘结剂颗粒相互作用。它们还有助于增加新涂涂料的疏水性(早期耐雨)和干燥涂料的疏水性(耐擦洗)。

如何优化TiO2分散性

优化TiO2使用的一种方法是在制造磨基时确保其在水中的适当分散。应使用强力搅拌器，并预留足够的时间(至少20分钟)。分散剂体系也有助于更好的TiO2絮凝和稳定。

因此，强烈建议更换所谓的“通用”添加剂，因为TiO2的性能往往会受到通用特性的影响。使用适应性更好的分散剂可以节省大量的TiO2。

TiO2的光学效果取决于所考虑的等级的设计和质量。选择表或技术数据表有助于选择合适的TiO2等级。所要求的特性与所述粉末状颜料的设计和生产相对应。一旦颜料在水中分散，就应该回收同样的颜料。

光学效果取决于光散射，使用非常细的矿物颗粒(小于1微米)可以增强光散射。光散射效率来自于光在小粒子上的反射和折射，当粒子变大时，散射效率会降低。对于结块颗粒也是如此，它可以被同化为更大尺寸的颗粒(图3)。当粉状颜料在磨基阶段没有正确地脱絮时，结块颗粒仍然存在，或者当颜料颗粒在水相中分散后开始絮凝时形成。在这两种情况下，成功的絮凝不仅取决于搅拌效率和时间，还取决于分散剂的正确选择。当选择的分散剂不能完全适应特定的涂料配方时，TiO2的不透明度就会降低。

使用共分散剂方法

共分散剂方法结合了丙烯酸型分散剂(均聚或共聚)和Coatex开发的一种名为Bumper technology™的特定添加剂技术。Bumper Technology™是一种新的专有分散技术平台，旨在帮助配方商降低涂料中的TiO2含量。这种专利添加剂技术优化了分散性，防止了颗粒絮凝，同时使用较少的颜料，并保持或改善了涂料的关键光学性能。保险杠技术™兼容广泛的PVC和粘合剂范围。

丙烯酸类分散剂增强了颗粒之间的静电斥力势，因此有助于分散和稳定TiO2颗粒(图4)。

Bumper Technology™(Bumper)显示出低离子特性，这得益于丙烯酸骨架的还原，并在其上接枝长烷氧基侧链(图5)。丙烯酸骨架确保了添加剂的水溶性。它的可达性主要取决于烷氧基化链(PEG，即聚乙烯氧化乙二醇链)的扩散速率，使其容易接近或不容易接近阳离子。

当水开始蒸发，涂层开始干燥时(高浓度条件)，由于渗透压过高，PEG链迫使聚合物在矿物表面沉淀(图6)。PEG链长可以调节沉淀速率，缓冲器的分子量调节间距距离。

在图7中，报告了干燥过程结束时良好的TiO2间距所需的距离。缓冲器的目标尺寸在20-40纳米范围内。

第一个商用缓冲器是Coadis™BR 85，其颗粒尺寸位于有效间距范围的下限。因此，Coadis BR 85既可以作为分散剂，也可以作为TiO2的缓冲器。

Bumper Technology™是一个灵活的技术平台，能够根据不同条件下TiO2颗粒的特定间距调整Bumper添加剂的设计。特别是，从Coadis™BR 85的设计开始，保险杠的分子量可以增加，以覆盖整个间距距离范围，或者可以修改其结构，以微调与TiO2颗粒或其他涂料成分的可能相互作用(例如，赋予保险杠或多或少的亲水性)。

共分散剂方法(图8和图9)只关注颜料的稳定性和间距，因此与使用塑料颜料或与TiO2相互作用的粘合剂等其他方法相比，对配方的依赖性较小。

下面的案例研究强调了共分散剂方法和Bumper技术™可以实现的效益。

配方1 -内部蛋壳，PVC: 40%

即使TiO2减少了10%，并由共分散剂系统取代了标准分散剂，基于乙烯-丙烯酸粘合剂的室内蛋壳涂料的不透明度和着色强度也得以保持。使用共分散剂方法，分散剂的总量略高，但减少10% TiO2对成本节约没有显著影响。由于没有添加矿物质来补偿缺失的TiO2，因此重新配方后的颜料体积浓度(PVC)略低(图10)。

从图11中可以看出，尽管TiO2减少了10%，PVC也降低了，但不透明度和着色强度仍然保持不变。由于共分散剂方法和Bumper Technology™的引入，我们在涂层干燥过程的后期阶段看到了更好的TiO2间距。

图12显示，当使用共分散剂系统时，在隐藏力方面没有差异，甚至提高了抗擦洗性。

配方2 -内部蛋壳，PVC: 40%

公式2与公式1非常相似，但由于TiO2节约率极高(22%)，重新配方的工作更加深入。因此，Coatex共分散剂方法与塑料颜料(不透明聚合物)替代策略相结合，如图13所示。

选择实验用的Bumper XP 1966是因为它可以与共聚丙烯酸分散剂(Coadis™BR 40)和塑料颜料(Celocor®)形成协同效应。它是专门调整分子量有助于改善TiO2颗粒和塑料颜料之间的界面相互作用。结果，在不影响不透明度和色调强度的情况下，TiO2的用量减少了22%(图14)。图15是Celocor®和Bumper Technology™的显微照片。