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涂料配方設(shè)計(jì)師持續(xù)關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)是找到方法來降低配方中二氧化鈦（鈦白粉）的含量，同時(shí)又不會(huì)影響涂料的主要性能。由于全球二氧化鈦的消耗量不斷增加，然而在美國和西歐，二氧化鈦的生產(chǎn)能力沒有改變，二氧化鈦（鈦白粉）的價(jià)格近來上升了50%以上。這種波動(dòng)對(duì)于涂料生產(chǎn)商來說是難以控制的。

面臨的形勢(shì)

涂料生產(chǎn)商通過幾種方式來應(yīng)對(duì)價(jià)格波動(dòng)。使用較低等級(jí)的二氧化鈦是其中之一，但是面對(duì)普遍的市場短缺，采用相似的工藝技術(shù)得到的二氧化鈦的價(jià)格差異往往很低。考慮到采用其他工藝技術(shù)得到的二氧化鈦可節(jié)約一些成本，因此，更多的買家越來越對(duì)亞洲感興趣，尤其是在中國生產(chǎn)的二氧化鈦。

靜電排斥

亞洲生產(chǎn)的大多數(shù)級(jí)別的二氧化鈦是采用硫酸法工藝得到的，通常認(rèn)為硫酸法生產(chǎn)的二氧化鈦質(zhì)量較低，和氯化法相比硫酸法生產(chǎn)的二氧化鈦配制涂料時(shí)更難把握其性能，在美國和西歐大多用的是氯化法。此外，人們認(rèn)為硫酸法工藝會(huì)產(chǎn)生更多的廢料、消耗更多的水。出于環(huán)保的原因，中國政府最近承諾，要限制硫酸法工藝的使用，這會(huì)更有利于未來對(duì)氯化法工藝的投資。除了環(huán)保問題，中國政府的目標(biāo)是使中國成為高品質(zhì)二氧化鈦的*供應(yīng)商，能夠與西歐和美國生產(chǎn)的鈦白產(chǎn)品進(jìn)行抗衡。

任何通過使用較低等級(jí)的二氧化鈦來降低成本的策略可能只是一個(gè)短期的方法；不會(huì)減少實(shí)驗(yàn)室評(píng)估的工作量，也不能保證一定會(huì)得到必要和預(yù)期的結(jié)果。此外，美國的二氧化鈦供應(yīng)商已經(jīng)在生產(chǎn)高品質(zhì)、穩(wěn)定和易于使用的二氧化鈦漿料方面投入了大量資源，而二氧化鈦漿料的質(zhì)量與二氧化鈦本身的質(zhì)量密切相關(guān)。如果美國或西歐使用基于較低等級(jí)的鈦白生產(chǎn)的漿料的話，需要亞洲生產(chǎn)商設(shè)計(jì)足夠穩(wěn)定的漿料，以便能承受幾個(gè)星期的船運(yùn)時(shí)間和幾個(gè)月的儲(chǔ)存時(shí)間——兩者都不容易實(shí)現(xiàn)，或者涂料生產(chǎn)商要自己設(shè)計(jì)和生產(chǎn)礦物漿料，但這樣會(huì)導(dǎo)致大量的研發(fā)和工藝投資。

使用較少的二氧化鈦

一種長期的戰(zhàn)略性和環(huán)境可持續(xù)性的方法是減少對(duì)二氧化鈦的需求。很多年前人們就開始研究通過使用特殊的有機(jī)聚合物（例如，空心球）來降低二氧化鈦的使用量。

用這種有機(jī)聚合物重新配方會(huì)涉及同時(shí)改變基料和二氧化鈦。為了利益*化，涂料生產(chǎn)商通常必須依賴有機(jī)顏料供應(yīng)商的建議，這些供應(yīng)商一般也會(huì)強(qiáng)調(diào)來自同一供應(yīng)商的基料的協(xié)同效應(yīng)。盡管可以成功，這種方法影響了配方的靈活性，并暗示著配方中已經(jīng)加入了大量的基料。

大多數(shù)涂料生產(chǎn)商正在尋找下一個(gè)里程碑，即比以前能節(jié)省更多的二氧化鈦，并進(jìn)一步將這種節(jié)省推廣到所有類型的配方，包括那些使用極少量基料的配方。因此需要有更多的節(jié)省二氧化鈦的創(chuàng)新型方法，這些方法要求配方對(duì)基料的依賴性進(jìn)一步降低，而且更關(guān)注鈦白粉顆粒內(nèi)在的穩(wěn)定性。我們對(duì)鈦白粉的穩(wěn)定性設(shè)置以下目標(biāo)：在稀釋的和高濃度的情況下，實(shí)現(xiàn)水相中鈦白粉顆粒的*分散和穩(wěn)定。*濃度的情況對(duì)應(yīng)于漆膜干燥過程的后期階段，而稀釋的情況對(duì)應(yīng)于基料研磨或漿料的制備，以及整體穩(wěn)定性。

分散劑需要配方設(shè)計(jì)師的關(guān)注

在稀釋的情況下，二氧化鈦的分散和穩(wěn)定主要取決于使用適應(yīng)性好的分散劑。在將大量的細(xì)填料或顏料顆粒加入到水中開始研磨時(shí)就需要使用分散劑了。由于擠壓和剩余水分的存在，在散裝或者大袋包裝中顏料粉料顆粒往往會(huì)凝聚結(jié)塊，所以適當(dāng)?shù)目剐跄切枰摹Ｌ砑拥姆稚┢鹬鴿櫥瑒┖碗x解劑的雙重作用，分散劑會(huì)與顏料顆粒的表面相互作用形成一層有機(jī)保護(hù)層。一旦分散劑包裹顆粒以后，它就會(huì)在最外圍形成一層正電層，這樣就能抵抗顆粒之間的吸引力。

如果離子型分散機(jī)理不能發(fā)揮作用，我們應(yīng)該考慮使用非離子型分散劑。離子性更低的分散劑可以為配方設(shè)計(jì)師提供新的思路。非離子型分散劑是通過梳狀結(jié)構(gòu)提供空間位阻，該結(jié)構(gòu)來自于長鏈的乙氧化基團(tuán)。這種穩(wěn)定方式可用于二氧化鈦或填料（如沉淀的或天然的超細(xì)碳酸鈣）?？臻g穩(wěn)定機(jī)理對(duì)納米級(jí)礦物顆粒的分散更具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在pH值的調(diào)整方面具有更多的靈活性。

選擇最適合的分散劑

丙烯酸類分散劑在有效性、穩(wěn)定性和耐水性方面能提供優(yōu)勢(shì)，因此，經(jīng)常用來替代老一代的磷酸鹽類分散劑：如三聚磷酸鹽（TPP）、焦磷酸鹽或六偏磷酸鹽（HMP）。特別是當(dāng)涂料在溫度高于室溫存儲(chǔ)時(shí)，丙烯酸類分散劑可以提供持久的穩(wěn)定作用。聚磷酸鹽分散劑不是這樣，因?yàn)樵谙嗤瑮l件下它們會(huì)因水解而降解。

當(dāng)分散特殊的或非常細(xì)的填料和顏料（如二氧化鈦）時(shí)，必須考慮使用共聚結(jié)構(gòu)的分散劑。丙烯酸類單體可與更具疏水性的酯類或單體結(jié)合?？梢酝ㄟ^接枝的方法引入具有疏水終端基團(tuán)的側(cè)鏈，它們可以和疏水改性的顏料顆?；蚧项w粒相互作用。有助于提高新鮮涂料的疏水性（早期耐水性）和干涂料的疏水性（耐擦洗性）。

如何優(yōu)化鈦白粉的分散

優(yōu)化二氧化鈦的一種方法是確保在研磨漿料時(shí)其良好分散在水相中。通常需要一個(gè)高速攪拌器，并混合足夠的時(shí)間（至少20分鐘）。同時(shí)需要考慮合適的分散劑來達(dá)到二氧化鈦的抗絮凝和穩(wěn)定性。

因此，我們建議取代所謂的“通用型”助劑，因?yàn)槎趸伒男阅芙?jīng)常會(huì)受到通用性助劑的影響。使用更適合的分散劑，可以節(jié)約大量鈦白粉。

二氧化鈦的光學(xué)效果取決于該等級(jí)的設(shè)計(jì)和質(zhì)量。產(chǎn)品選擇表或技術(shù)數(shù)據(jù)表可以幫助選擇合適的鈦白粉。粉末顏料的特點(diǎn)和功能對(duì)應(yīng)于其如何設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。一旦顏料分散在水中，應(yīng)該體現(xiàn)同樣的性能。

光學(xué)效果取決于光散射，使用非常細(xì)的礦物顆粒（小于1微米）會(huì)增強(qiáng)光散射作用。光散射效率來自于小顆粒上反射和折射的光，隨著顆粒變大，反射和折射的光變少，光散射效率降低。同樣對(duì)于團(tuán)聚顆粒來說也是如此，團(tuán)聚顆?？梢员豢醋魇歉蟪叽绲念w粒。團(tuán)聚顆?？赡軄碜杂跐{料研磨時(shí)顏料粉體沒有被足夠分散，或當(dāng)其分散在水相中時(shí)顏料顆粒產(chǎn)生了絮凝。在這兩種情況下，良好的分散不僅取決于攪拌效率和時(shí)間，而且也與分散劑的正確選擇有關(guān)。當(dāng)選擇的分散劑不能完全適應(yīng)特定的涂料配方時(shí)，二氧化鈦的光學(xué)效率就會(huì)大受影響。

使用協(xié)同分散劑的方法

協(xié)同分散劑方法是聯(lián)合使用丙烯酸類分散劑（均聚物或共聚物）和一種由Coatex公司研發(fā)的特殊技術(shù)[稱為防撞體技術(shù)?（Bumper Technology?）]。防撞體技術(shù)?是一種新的享有專利權(quán)的分散技術(shù)平臺(tái)，其目的是為了幫助配方設(shè)計(jì)師降低二氧化鈦在涂料中的使用量。該專利的助劑技術(shù)對(duì)分散進(jìn)行了優(yōu)化，防止顆粒絮凝，同時(shí)使用更少的顏料，可以保持甚至提高涂料的關(guān)鍵光學(xué)性能。防撞體技術(shù)?在很寬的PVC范圍和基料范圍內(nèi)都適用。

丙烯酸類分散劑能提高顆粒之間的靜電排斥能，因此，有助于去絮凝和穩(wěn)定鈦白粉顆粒。

防撞體技術(shù)?（防撞體）具有低離子性的特點(diǎn)，這是由于其丙烯酸主鏈占比少，且主鏈上接枝了長的烷氧基側(cè)鏈。首先丙烯酸主鏈確保了水溶性，而烷氧基側(cè)鏈（即聚環(huán)氧乙烷側(cè)鏈）的伸展?fàn)顟B(tài)則可以控制丙烯酸主鏈的易接近程度。

當(dāng)水分開始蒸發(fā)時(shí)，涂層開始干燥（高濃度情況），此時(shí)滲透壓變得很高，聚乙二醇側(cè)鏈迫使聚合物在礦物表面上沉降。聚乙二醇側(cè)鏈的長度可以調(diào)節(jié)主鏈的沉降速度，防撞體的分子量及工作間隔距離。

列出了干燥過程結(jié)束時(shí)的鈦白粉間隔所需要的*距離。防碰撞體的目標(biāo)尺寸是在20～40納米范圍內(nèi)。

COADIS?BR85是高泰公司的*個(gè)商業(yè)化的防撞體產(chǎn)品，其粒徑位于有效間距范圍的下限。因此，COADIS?BR85可以考慮用作分散劑和二氧化鈦的防碰撞體。

防撞體技術(shù)?是一種靈活的技術(shù)平臺(tái)，能適應(yīng)鈦白粉顆粒各種條件下的特殊的間距要求，而且，從COADIS?BR85的設(shè)計(jì)開始，防碰撞體的相對(duì)分子量可以增加，以覆蓋全部間隔距離的范圍，另外，我們可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使其能與鈦白粉粒子或涂料中的其他成分相互作用（例如賦予防撞體更多或更少的親水性）。

協(xié)同分散劑的方法（圖8和9）只關(guān)注顏料的穩(wěn)定和間距，因此和其它方法相比（如使用塑性顏料或基料與鈦白粉相互作用）對(duì)配方的依賴性更小。

在高濃度條件下使用協(xié)同分散劑方法時(shí)的鈦白粉顆粒表面結(jié)構(gòu)。

用協(xié)同分散劑方法說明稀釋的情況下（長距離）和濃縮的情況下（短距離）的穩(wěn)定性。

下面的案例研究介紹了采用協(xié)同分散劑方法和防撞體技術(shù)?可以獲得的好處。

配方1——內(nèi)墻蛋殼光涂料，PVC：40%

這是一個(gè)基于醋丙乳液的配方，再配方后涂料的遮蓋和著色強(qiáng)度保持不變，通過協(xié)同分散劑體系取代了原來的通用型分散劑，二氧化鈦的用量減少了10%，。雖然使用協(xié)同分散劑的方法后，分散劑的總干量略高，但是和鈦白減少了10%相比對(duì)成本基本不影響。因?yàn)闆]有添加其它填料補(bǔ)償減少的鈦白粉，因此調(diào)整后的配方的顏料體積濃度（PVC）略微降低（圖10）。

圖：內(nèi)墻蛋殼光涂料配方

盡管二氧化鈦的用量減少了10%且PVC較低，但能保持原有的遮蓋和著色強(qiáng)度。由于協(xié)同分散劑方法和防撞體技術(shù)?的引入，在涂料干燥過程的后期階段二氧化鈦分散間隔得更好。

配方2與配方1非常相似，但是由于降低鈦白粉的目標(biāo)更加挑戰(zhàn)——降低 22%，所以重新調(diào)整配方的工作就需要更加深入。因此，我們將Coatex協(xié)同分散劑方法與塑性顏料（不透明聚合物）替換策略同時(shí)使用，如圖13所示。

圖13：內(nèi)墻蛋殼光涂料配方

之所以選擇XP1966，是因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)與丙烯酸分散劑共聚物（COADIS BR40）和塑性顏料（Celocor?）產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。我們對(duì)其相對(duì)分子量進(jìn)行專門調(diào)整，使其可以提高與鈦白粉粒子和塑性顏料之間的界面相互作用。因此，能夠減少令人驚訝的22%的鈦白粉用量，同時(shí)又不影響遮蓋和著色強(qiáng)度（圖14）。圖15是Celocor?不透明聚合物和防撞體技術(shù)?的顯微圖片。

內(nèi)墻蛋殼光涂料的遮蓋和著色強(qiáng)度。

結(jié)論

基于防撞體技術(shù)?的協(xié)同分散劑方法為配方設(shè)計(jì)師尋找創(chuàng)新型和有效的節(jié)省二氧化鈦的方法開辟了新的視角。不同于現(xiàn)有的方法，它專注于鈦白粉粒子的穩(wěn)定，無論是在稀釋的情況下（涂料儲(chǔ)存階段）和高濃度的情況下（涂膜干燥過程），讓它們盡可能呈現(xiàn)*的光學(xué)效果。

如果與其它兼容性策略（如加入塑性顏料）一起使用，使用協(xié)同分散劑的方法可以幫助節(jié)省高達(dá)22%或更多的二氧化鈦。

Celocor? +防撞體技術(shù)?的掃描電鏡圖。

作者借此機(jī)會(huì)感謝Coatex集團(tuán)的前任研發(fā)總監(jiān)Olivier Guerret博士對(duì)防撞體技術(shù)?的研究所做出的貢獻(xiàn)。

作者：Denis Ruhlmann,Ph.D，涂料添加劑研發(fā)經(jīng)理，Coatex集團(tuán)，法國Genay，和Mehdi Bouzid，區(qū)域?qū)嶒?yàn)室經(jīng)理，Coatex集團(tuán)，美國南卡羅來納州切斯特