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一、前言

鈦白粉是一種無機白色顏料，主要成分為二氧化鈦，按晶體形態可分為板鈦礦、銳鈦及金紅石三種類型。由于具有折射率高、消色力強、白度高、無毒和穩定性好等優點，鈦白粉被廣泛應用于涂料、塑料、造紙及油墨等行業，其中用量最大的為涂料行業，約占60%。

不論溶劑型還是水性涂料，若使用了鈦白粉，其作用不僅僅是遮蓋和裝飾，更重要的作用是改善涂料的物化性能，增強化學穩定性，以至提高遮蓋力、消色力、防腐蝕性、耐光、耐候性，增強漆膜的機械強度和附著力，防止裂紋，防止紫外線和水分的透過，從而推遲老化，延長漆膜壽命涂料在線coatingol.com。同時還可節省用料和增多品種。

二、鈦白粉的粒徑對涂料遮蓋力的影響

鈦白粉顆粒形狀及大小的不同，對光線的散射程度大不相同，是影響鈦白粉遮蓋力的關鍵因素。研究表明，在相同條件下，當鈦白粉粒徑為160～350nm時，即粒徑約為可見光波長的0.4～0.5倍時，其對光線有較強的散射能力，在應用中將直接影響涂料的遮蓋力。

在涂料體系中，若成膜物質不足夠完全包覆鈦白粉顆粒，則會使鈦白粉顆粒之間相互接觸、團聚，在某種程度上相當于鈦白粉粒徑增大，而使得涂料遮蓋力下降。

三、鈦白粉的分散性對涂料遮蓋力的影響

在涂料領域中，粉體顆粒的分散程度在很大程度上決定著產品性能。涂料在生產時，鈦白粉的分散要經過潤濕、砂磨及分散過程。

 鈦白粉在涂料中呈穩定的懸浮狀態會提高涂料的遮蓋力，然而由于鈦白粉有一定活性，使用的體系環境對其分散會有一定影響，容易出現絮凝、沉淀、懸浮等不良分散狀態，所以分散程度的好壞也影響涂料的遮蓋力。

四、分散劑的用量對涂料遮蓋力的影響

 鈦白粉在分散時，由于其粒子相對填料較小，趨向于粒子凝聚，因此分散劑的選擇和用量將會影響鈦白粉分散性，同時影響著漆膜的遮蓋力。有實驗表明，顏填料的分散程度隨分散劑用量的增加而提高，分散性提高使得顏填料粒徑的分布范圍縮小，粒徑變小，從而漆膜的遮蓋力提高。

五、涂料用鈦白粉的可持續發展途徑

鈦白粉作為一種高效的光散射顏料，為涂膜提供了優異的白度和遮蓋力。隨著汽車工業、建筑工業以及水性涂料市場的迅速崛起，鈦白粉的總體需求量也日益劇增。

由此帶來的資源、能耗以及環境等制約問題也越來越突出。提高鈦白粉產業的可持續發展能力迫在眉睫。

除了需要推進鈦白粉生產新工藝及新技術的發展外，涂料生產商也需要積極探索如何提高鈦白粉的使用效率，或者尋求新的替代物，以降低鈦白粉的用量。

1、提高鈦白粉使用效率

在實際應用中，鈦白粉的團聚或者絮凝現象導致即使在鈦白粉含量較高的情況下，也無法獲得理想的遮蓋。因此，提高鈦白粉的光散射效率成為研究的熱點話題。Michael結合蒙特卡羅模擬方法闡述了在涂料配方中采用細填料等體積取代粗填料時，鈦白粉粒子間將獲得更多的空間阻隔，從而有效的提高涂膜的遮蓋力。

隨著填料粒徑的減小，鈦白粉顏料被更好的阻隔開，提高了鈦白粉的光散射效率。這意味著獲得同樣的遮蓋力，鈦白粉的使用量會減少。這種鈦白粉的空間阻隔也被稱為“顏料稀釋”效應。然而，被稀釋的鈦白粉粒子也存在著重新聚集的可能性。2013年，陶氏化學因成功開發EVOQUE預復合聚合物技術而贏得了美國總統綠色化學挑戰獎。

普通涂料鈦白粉粒子間距離過于親近會發生光散射區域重疊，使得效率降低。而預復合聚合物在涂料中固定于鈦白粉粒子表面，形成有效的空間阻隔，從而改進了涂料中鈦白粉粒子的分布狀況與光散射效率，提高了涂膜的遮蓋力，并能夠將涂料配方中鈦白粉用量降低20%，以更少的成本達到同樣甚至更好的遮蓋效果。

此外，預聚合復合物的添加還有助于改善涂料的耐沾污、耐腐蝕等性能。這項技術的應用能夠顯著的降低能源消耗。據第三方驗證生命周期評估（LCA）結果表明，EVOQUE預復合聚合物可以使涂料產品降低22％以上的碳排放量和30％的用水量。

1997年，Virtanen提出了一種鈦白粉粒子預埋技術，以鈦白粉粒子為核，外部包裹碳酸鈣為殼，形成了核-殼結構的功能性顏料。

外層的碳酸鈣為鈦白粉粒子間提供了有效的空間阻隔，提高了光散射效率。碳足跡相比普通鈦白粉低70%左右，可以實現鈦白粉的部分取代。這種顏料已在FP pigments公司實現了商業化生產。同樣，科幕公司開發出了一種表面處理的鈦白粉TS-6300。常規的表面處理往往是出于降低鈦白粉的光催化活性以及提高分散性。而TS-6300中的高度處理化技術使得鈦白粉粒子間產生了額外的阻隔空間，減少了鈦白粉之間的團聚效應，從而提升了光散射效率。并且，這種表面處理使得鈦白粉粒子的吸油量提高，降低了CPVC的水平，使得在更低PVC的情況下能夠利用涂膜中空氣的存在提高光散射效率。

2、引入空氣

涂膜中空氣的存在可以降低樹脂/空氣混合物的折射率，從而與鈦白粉顏料的折射率差值變大，提高了涂膜的光散射能力。在涂料中，通常有三類空隙有助于提高遮蓋，即樹脂內的空氣、填料粒子內的空氣以及樹脂與顏料界面處的空氣。

對于樹脂內空氣提高遮蓋的典型例子是Kowalski等在1984年首次開發出的中空聚合物微球，并被羅門哈斯公司商業化，名稱為ROPAQUE。

選用含羧酸基團的乳膠粒子與苯乙烯等硬單體等發生聚合反應，得到由高玻璃化轉變溫度（Tg）的聚合物硬殼包裹的乳膠粒子。然后升高體系溫度至殼層的Tg之上，再利用堿中和并溶解核內的羧基使核膨脹，然后降溫使殼發生定型，產生充滿水的微球。在涂膜干燥的過程中，水透過聚合物的殼揮發，逐漸被空氣所替代。為了比較中空聚合物對濕遮蓋與干遮蓋的影響，試驗表明，只含有鈦白粉的涂料具有較高的初始濕遮蓋，并隨著干燥時間的增加而逐漸下降，直至達到干遮蓋的平穩狀態。

同時含有鈦白粉和中空聚合物的涂料具有相似的初始濕遮蓋，然后在干燥過程中遮蓋力逐漸下降，并在到達最低點后，得益于中空聚合物中水分的揮發，遮蓋力又逐漸上升至平穩狀態。

當涂料中降低鈦白粉的含量，并搭配中空聚合物時，初始濕遮蓋較差，但涂膜干燥后能夠獲得與僅含鈦白粉的涂膜同樣的干遮蓋能力。因此，中空聚合物可以用來部分替代鈦白粉，并且能夠如超細填料一般作為有效的空間阻隔，提高鈦白粉的效率。此外，中空聚合物還能改進涂膜的耐污漬、耐沾污、耐擦洗性能，以及提供優異的戶外保色性。與中空聚合物類似，填料內部的空氣也有助于涂膜的遮蓋。歐米亞公司生產的微孔高嶺土粒子截面處的聚焦粒子束圖像，其結構中含有許多的微孔。這種含封閉微孔的高嶺土是通過快速煅燒工藝制備而成的。

在傳統的高嶺土煅燒工藝中，天然水合硅酸鋁在30min里緩慢加熱至1 000°C，使得片狀的粘土顆粒形成形狀不規則的團聚體。而這種含封閉微孔的煅燒高嶺土加熱過程僅需數秒。天然硅酸鋁中的羥基基團在溫度達到500°C時發生解離，并以蒸汽的形式釋放。由于加熱速度過快，蒸汽來不及釋放而使得粒子內壓力增加而膨脹，最終形成了很多的微孔。粒子內的空隙體積占比約20%，使得高嶺土密度從原來的2.60降到2.06。

微孔高嶺土中封閉的空氣完全抵御了液體涂料中樹脂、溶劑或者水的滲透，因此這些空隙有助于同時提高涂料的濕遮蓋以及干遮蓋。并且在低于或者高于涂料CPVC時均能夠給涂膜提供高遮蓋力，最高可節省20%的鈦白粉使用。

其中，在低于CPVC的配方中，設定初始點為鈦白粉體積含量為20%，且不含其他任何顏填料，然后分別以5%PVC的梯度增加三種對比物質，即PVC從20%逐漸升高至45%，整個過程通過等體積替換樹脂保持鈦白粉的體積含量不變。可以看出，傳統的煅燒高嶺土對于涂膜遮蓋力的作用極小，這是因為其折射率與樹脂相差不大。而含有封閉氣孔的兩種物質，微孔高嶺土和中空聚合物，極大地提高了涂膜的遮蓋力。盡管兩者對于涂膜遮蓋力的貢獻相似，但對于光澤的影響卻不盡相同。微孔高嶺土由于其表面的微粗糙結構具有啞光效應，而中空聚合物有利于提高涂膜的光澤。

在高于CPVC的配方中，起點為75%PVC，其中包含10%PVC的鈦白粉和65%PVC的平均粒徑為4μm的碳酸鈣。然后同樣以5%PVC的梯度取代碳酸鈣，并維持總的PVC和體積固含不變。

在CPVC之上時，微孔聚合物優于中空聚合物和傳統煅燒高嶺土。這是由于此時微孔高嶺土粒子內部及外部的空隙同時作用的結果。并且由于微孔高嶺土吸油量低于傳統煅燒高嶺土，對耐擦洗也不會造成不利的影響。另外，Nguyen等通過自由基乳液聚合技術合成了聚合物與鈦白粉的復合納米夾心體。

在此結構中，鈦白粉粒子首先通過水溶脹型的親水型內層聚合物預埋，然后再包覆一層疏水型外層，最后在堿溶液中內部親水型的聚合物層發生溶脹，形成了內含空氣和鈦白粉粒子的夾心結構。

這種結構通過3種方式提供遮蓋：一是鈦白粉粒子；二是空氣；三是外層提供的空間阻隔。

綜上所述，在涂料配方中，針對不同的性能要求，通過降低鈦白粉的團聚提高其光散射效率，或者通過引入空氣增加額外的光散射，均能夠使得涂膜獲得更好的遮蓋力，實現鈦白粉的部分取代，減少碳排放，提升鈦白粉的可持續發展能力。

六、鈦白粉的應用

 鈦白粉廣泛用于涂料、塑料、橡膠、油墨、紙張、化纖、陶瓷、日化、醫藥、食品等行業。

涂料行業是鈦白粉的最大用戶，特別是金紅石型鈦白粉，大部分被涂料工業所消耗。用鈦白粉制造的涂料，色彩鮮艷，遮蓋力高，著色力強，用量省，品種多，對介質的穩定性可起到保護作用，并能增強漆膜的機械強度和附著力，防止裂紋，防止紫外線和水分透過，延長漆膜壽命。

 塑料行業是第二大用戶，在塑料中加入鈦白粉，可以提高塑料制品的耐熱性、耐光性、耐候性，使塑料制品的物理化學性能得到改善，增強制品的機械強度，延長使用壽命。

造紙行業是鈦白粉第三大用戶，作為紙張填料，主要用在高級紙張和薄型紙張中。在紙張中加入鈦白粉，可使紙張具有較好的白度，光澤好，強度高，薄而光滑，印刷時不穿透，質量輕。造紙用鈦白粉一般使用未經表面處理的銳鈦型鈦白粉，可以起到熒光增白劑的作用，增加紙張的白度。但層壓紙要求使用經過表面處理的金紅石型鈦白粉，以滿足耐光、耐熱的要求。

鈦白粉還是高級油墨中不可缺少的白色顏料。含有鈦白粉的油墨耐久不變色，表面潤濕性好，易于分散。油墨行業所用的鈦白粉有金紅石型，也有銳鈦型。

紡織和化學纖維行業是鈦白粉的另一個重要應用領域。化纖用鈦白粉主要作為消光劑。由于銳鈦型比金紅型軟，一般使用銳鈦型。化纖用鈦白粉一般不需表面處理，但某些特殊品種為了降低二氧化鈦的光化學作用，避免纖維在二氧化鈦光催化的作用下降解，需進行表面處理。

搪瓷行業是鈦白粉的一個重要應用領域，搪瓷級鈦白粉具有純度高、白度好、顏色鮮、粒徑均勻、很強的折射率和較高消色力，具有很強的乳濁度和不透明性，使涂搪后涂層薄、光滑和耐酸性強，在搪瓷制造工藝中能與其他材料混合均勻、不結塊、易于熔制等優點。

陶瓷行業也是鈦白粉的重要應用領域，陶瓷級鈦白粉具有純度高、粒度均勻、折射率高，有優良的耐高溫性，在1200℃高溫條件下保持1小時不變灰的特性。不透明度高、涂層薄、重量輕，廣泛應用于陶瓷、建筑、裝飾等材料。

我國鈦白粉工業始于20世紀50年代中期。隨著鈦白粉行業的不斷發展越來越多的品牌被人類認識，數據顯示，我國鈦白粉總產能占世界的30%，是世界最大的鈦白粉生產國，2011年全國鈦白粉總產能為約260萬噸。此外，我國也已成為世界最大的鈦白粉消費國，1999-2011年，我國鈦白粉消費量從24.8萬噸/年增長至165萬噸/年，年復合增長率達17.11%，遠超GDP增速。

國內擁有鈦白粉生產企業50多家,全國各地均有分布，其中大量中小企業集中在缺乏資源優勢的東部地區。而我國鈦礦資源主要集中于西南地區，整個行業還處于較為分散的發展時期。

我國已從過去以硫酸法銳鈦型鈦白粉為主，轉變為金紅石鈦白粉為主，金紅石鈦白粉產能已超過70%，而且這一比例還在提升中，但產品仍然集中在中低檔次，高端鈦白粉還靠大量進口，國內產品質量明顯有優勢的主要還是幾家大的鈦白粉企業。另外，氯化法鈦白粉產品全國僅有3萬噸，在147萬噸總量中微不足道，下一步有四五家企業擬發展氯化法鈦白粉業務，規劃產能達到60多萬噸，所以這個時期是轉變產品結構、提升我國技術水平、引進技術并消化承接的關鍵期。

七、結語

隨著生態環境問題的日趨嚴重以及人們環保意識的增強，具有高污染高能耗的鈦白粉產業面臨著巨大的挑戰與考驗。鈦白粉作為涂料中非常重要的白色顏料，提高其使用效率，降低使用量，開發新材料實現部分取代，是實現其可持續發展的必要舉措。