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涂料配方設(shè)計師持續(xù)關(guān)注的一個焦點是找到方法來降低配方中二氧化鈦（鈦白粉）的含量，同時又不會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）的價格近來上升了50%以上。這種波動對于涂料生產(chǎn)商來說是難以控制的。

面臨的形勢

涂料生產(chǎn)商通過幾種方式來應(yīng)對價格波動。使用較低等級的二氧化鈦是其中之一，但是面對普遍的市場短缺，采用相似的工藝技術(shù)得到的二氧化鈦的價格差異往往很低?？紤]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)級別的二氧化鈦是采用硫酸法工藝得到的，通常認為硫酸法生產(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，人們認為硫酸法工藝會產(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，這會更有利于未來對氯化法工藝的投資。除了環(huán)保問題，中國政府的目標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)品進行抗衡。

任何通過使用較低等級的二氧化鈦來降低成本的策略可能只是一個短期的方法；不會減少實驗室評估的工作量，也不能保證一定會得到必要和預(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的鈦白生產(chǎn)的漿料的話，需要亞洲生產(chǎn)商設(shè)計足夠穩(wěn)定的漿料，以便能承受幾個星期的船運時間和幾個月的儲存時間——兩者都不容易實現(xiàn)，或者涂料生產(chǎn)商要自己設(shè)計和生產(chǎn)礦物漿料，但這樣會導(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聚合物（例如，空心球）來降低二氧化鈦的使用量。

用這種有機聚合物重新配方會涉及同時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顏料供應(yīng)商的建議，這些供應(yīng)商一般也會強調(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)商正在尋找下一個里程碑，即比以前能節(jié)省更多的二氧化鈦，并進一步將這種節(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基料的依賴性進一步降低，而且更關(guān)注鈦白粉顆粒內(nèi)在的穩(wěn)定性。我們對鈦白粉的穩(wěn)定性設(shè)置以下目標：在稀釋的和高濃度的情況下，實現(xiàn)水相中鈦白粉顆粒的*分散和穩(wěn)定。*濃度的情況對應(yīng)于漆膜干燥過程的后期階段，而稀釋的情況對應(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。在將大量的細填料或顏料顆粒加入到水中開始研磨時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凝聚結(jié)塊，所以適當(dāng)?shù)目剐跄切枰?。添加的分散劑起著潤滑劑和離解劑的雙重作用，分散劑會與顏料顆粒的表面相互作用形成一層有機保護層。一旦分散劑包裹顆粒以后，它就會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。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碳酸鈣）?？臻g穩(wěn)定機理對納米級礦物顆粒的分散更具優(yōu)勢，同時在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，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時，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，因為在相同條件下它們會因水解而降解。

當(dāng)分散特殊的或非常細的填料和顏料（如二氧化鈦）時，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的側(cè)鏈，它們可以和疏水改性的顏料顆粒或基料顆粒相互作用。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其良好分散在水相中。通常需要一個高速攪拌器，并混合足夠的時間（至少20分鐘）。同時需要考慮合適的分散劑來達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，因為二氧化鈦的性能經(jīng)常會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)效果取決于該等級的設(shè)計和質(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。粉末顏料的特點和功能對應(yīng)于其如何設(shè)計和生產(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，使用非常細的礦物顆粒（小于1微米）會增強光散射作用。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。同樣對于團聚顆粒來說也是如此，團聚顆?？梢员豢醋魇歉蟪叽绲念w粒。團聚顆?？赡軄碜杂跐{料研磨時顏料粉體沒有被足夠分散，或當(dāng)其分散在水相中時顏料顆粒產(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，二氧化鈦的光學(xué)效率就會大受影響。

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，其目的是為了幫助配方設(shè)計師降低二氧化鈦在涂料中的使用量。該專利的助劑技術(shù)對分散進行了優(yōu)化，防止顆粒絮凝，同時使用更少的顏料，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，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）的伸展狀態(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，涂層開始干燥（高濃度情況），此時滲透壓變得很高，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)束時的鈦白粉間隔所需要的*距離。防碰撞體的目標尺寸是在20～40納米范圍內(nèi)。

COADIS?BR85是高泰公司的*個商業(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，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)計開始，防碰撞體的相對分子量可以增加，以覆蓋全部間隔距離的范圍，另外，我們可以對其結(jié)構(gòu)進行調(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%

這是一個基于醋丙乳液的配方，再配方后涂料的遮蓋和著色強度保持不變，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%相比對成本基本不影響。因為沒有添加其它填料補償減少的鈦白粉，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，是因為它可以同時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)。我們對其相對分子量進行專門調(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，同時又不影響遮蓋和著色強度（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。

作者借此機會感謝Coatex集團的前任研發(fā)總監(jiān)Olivier Guerret博士對防撞體技術(shù)?的研究所做出的貢獻。

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