新型环保材料钛融粉的研制及其替代钛白粉的应用探索

岑健伟

（吉林星华互吉纳米科技有限公司，吉林 长春 130000）

0 前言

钛融粉，英文名称为Tairong Powder，其主要是采用化学方法将二氧化钛（TiO）与无机合成材料进行反应形成一种白色颜料，所采用的化学方法是星华纳米专有的仿生矿化专利技术，采用该方法研制生产的功能型绿色新材料实现了纳米级TiO与无机合成材料的完美结合，星华纳米研制生产的系列钛融粉产品TR-201、TR-901、TR-501 等经过美国CAS 确认成为全新的化学合成产品，这在全球属于首创。钛融粉微观形态为规整的棒状，其外层的TiO颗粒为直径50 nm～60 nm 的片层状，片层的厚度可以通过合成工艺来进行调整，产品粒度因包膜物种类和用量的不同而有所不同。钛融粉具有白度及硬度高、分散性及遮盖力高、耐候性及抗老化性高、吸油值低、无毒无味以及绿色环保等优点，可广泛用于涂料、纸张、印刷、油墨及塑料等领域。基于此，该文以钛融粉作为研究对象，就其在替代钛白粉的应用进行探索，以期为业内人员提供参考。

1 试验原料、设备及试验过程

1.1 试验原料

该文为了验证钛融粉的性能，添加钛融粉制备涂料时采用的试验原料见表1。其中，星华纳米研制的钛融粉化学性质稳定，在常温下几乎不与其他元素以及化合物发生反应，也不溶于水，可以通过调整表面状态来调节钛融粉在水中以及有机介质中的分散性。其系列产品在涂料行业、造纸行业、塑料行业、纺织和化学纤维行业、搪瓷行业以及陶瓷行业都有广泛的应用；在涂料行业，钛融粉是应用大户，特别是星华纳米研制生产的钛融粉TR-201 基本用于涂料工业，加入钛融粉后生产的涂料具有遮盖力高、着色力强、用量少、成本低以及对介质稳定性好等优点。钛融粉还能增强漆膜的机械强度和附着力，以避免出现裂纹，此外也能防止紫外线和水分透过来延长漆膜的使用寿命；在造纸行业，钛融粉可以作为纸张的填料，主要用于高级纸张以及薄型纸张中，在纸张中加入钛融粉后可有效提升纸张的白度。此外加入钛融粉的纸张与常规纸张相比光泽更好，强度更高，也更光滑，在印刷时不易被油墨穿透，且能有效提高油墨的附着力。在造纸行业应用较多的主要是星华纳米研制生产的钛融粉TR-901；在塑料行业，将钛融粉加入塑料之后可以有效改善塑料在加工过程中的线性放热以及收缩比，此外还能有效提高塑料制品的耐热性、耐光性以及耐候性，有效改善塑料制品的理化性质，增强塑料制品的机械强度并延长其使用寿命；在纺织和化学纤维行业，钛融粉主要用作消光剂；在搪瓷行业应用的钛融粉主要是搪瓷级钛融粉，其具有白度高、硬度高、分散性好、遮盖力强、耐候性及抗老化性好等优点，此外其粒径更均匀且具有很高的折射率以及消色力，还具有很强的乳浊度以及不透明性，这样在涂搪后形成的涂层薄、光滑性以及耐酸性会更好，在搪瓷制造工艺中可以与其他材料进行更均匀的混合，不易结块且易于熔制；在陶瓷行业应用的主要是陶瓷级钛融粉，其具有纯度高、粒度均匀、折射率高、耐高温性好等优点，其在1200 ℃下烧制1 h 可以不变灰，具有不透明度高、涂层薄、质量轻等优点。

表1 试验原料

1.2 试验设备

该文制备涂料以及测定涂料性能选用的试验设备见表2。

表2 试验设备

1.3 试验过程

该文在试验过程中主要是将常规生产的涂料配方（1#）和添加钛融粉后的涂料配方（2#）按表3 的配比进行配制后对涂料进行性能测试。

表3 试验配方

其中，所采用钛融粉TR-201 的技术指标见表4。

表4 钛融粉TR-201 的技术指标

涂料的配制过程包括浆料制备以及配漆两个过程，在浆料制备阶段，按表3 的配方依次加入定量的去离子水、纤维素醚、分散剂、防霉剂以及消泡剂等，混合均匀后加入计量的钛白粉、钛融粉、煅烧土、1250 目重钙以及800 目重钙等，将其研磨到粒度≤50μm，制得初步的浆料。

随后进入配漆阶段，在制得的浆料中加入计量的成膜助剂、去离子水、乳剂以及消泡剂等，将混合物搅拌均匀后加入计量的增稠剂，调节整个混合体系的黏度为90 KU，经过过滤后即制得涂料的漆样。

制备出涂料的漆样后，根据标准依次对漆样的PVC、质量固含、体积固含、黏度、比重、湿遮盖、干遮盖、对比率以及耐洗刷性能进行测试。

PVC：涂料的PVC 亦即颜料的体积浓度，PVC=粉料的体积/（粉料的体积+树脂的体积）。

质量固含主要是涂料中除去溶剂（或水）之外的不挥发物占涂料的质量分数，用来控制清漆和高装饰性磁漆中固体分和挥发分的比例是否合适；在测试时将涂料在一定温度下加热焙烘以除去试样中的蒸发成分，将少量试样置于预先称重和干燥过的容器内，涂布均匀，在一定湿度下经烘焙至恒重后，干燥后剩余物的质量与试样质量的比值。

体积固含主要是指涂料中非挥发性成分与液态涂料的体积比，体积固含量=（/）×100%；其中为干膜体积，为湿膜体积，对一块长方体的膜来说，体积=底面积×厚度，故%=（/）×100%=[（×）/（×）]×100%=（/）×100%，其中，为干膜厚度，为湿膜厚度，为钢板表面积，干膜厚度和湿膜厚度通过仪器测量。测量厚度时，采用喷涂法制板，可以获得均匀的涂膜，有利于测量，由于喷涂后因溶剂挥发而影响湿膜厚度检测，因此湿膜测量要在施工后5min 内完成，以减少误差。干膜厚度则需要待漆膜完全干透后测量。

黏度：采用斯托默型黏度计进行测量。

比重：采用溶剂对比重杯进行清洗，称出完全清洁、干燥的比重杯重，并记下质量，两次称重之差不得超过0.02g；将比重杯及其盖子称重，记为，将式样注入筒中，盖上盖子避免气泡的产生，称重记为，涂料比质量（密度）=（-）/100（单位：g/mL）。

遮盖力：采用最小湿膜厚度法来测定试样的遮盖力，测定仪采用一块黑白间半的光学玻璃平板，其边上标有毫米刻度，在其上盖有一块在一端有一定高度的透明玻璃顶板，形成一个楔形空间。测定时在底板上倒上少量样品，来回移动顶板，一直到通过顶板及漆层看不到底板上的黑白分界线为止，记下从分界线至顶板前端的读数。由于楔形空间的角度是已知的，就可求出最小湿膜厚度，或者通过仪器所附的换算表换算出单位面积用漆量。

对比率：将试样以不同厚度涂布于透明聚酯膜上，干燥之后置于黑、白玻璃板上，用反射率仪测定其反射率。R是黑板上的反射率，R是白板上的反射率，根据C=R/R，进而得出对比率C。耐洗刷性是指在洗刷仪上采用规定荷重的基刷在不断滴加洗涤剂条件下往复洗刷漆膜，观察漆膜表面刚露底时的洗刷次数或洗刷至规定次数的涂层有无露底。漆膜耐洗刷仪刷子及夹具总重450 g，刷子往复运动频率为37次/分，每个冲程刷子运动距离为300 mm，在中间100mm区间大致为匀速运动，进行试验前先将刷毛浸入20℃左右水中12mm 深，30min，再用力甩净水，浸入洗刷介质（0.5%的洗衣粉溶液，pH 为9.5～10.0）中12mm 深，20min，经此处理的刷子方可使用，固定样板，将毛刷置于其上，往复摩擦涂膜，同时滴加洗刷介质（速度为每秒滴加约0.04g），直至洗刷至规定次数或洗刷至样板中间100mm区域露出底材。取下样板，用自来水洗净。以样板刚露底时所经受的洗刷次数表示，或洗刷至规定次数，3 块试板中至少有2 块试板的涂膜无破损，则认为其耐洗刷性合格。

2 结果讨论与分析

2.1 试验结果

通过对1#配方以及2#配方制备的涂料性能进行分析，结果见表5。

表5 1#配方和2#配方制备涂料的性能指标

从表5 中的指标对比可以看出2#添加钛融粉优化后的配方制备的涂料与原有的1#配方相比指标非常接近，部分指标如PVC、干遮盖以及对比率等要好于原有配方。此外根据表3 可以看出在添加钛融粉后可以有效减少其他材料的使用量，通过成本核算可知添加钛融粉优化后的配方与原有的对比配方相比每吨的成本有大幅度下降。

通过对1#配方以及2#配方制备的涂料的老化性能进行长期的跟踪分析，结果见表6。

表6 涂料的老化性能

从表6 中可以看出2#添加钛融粉优化后的配方制备的涂料与原有的1#配方相比原始的保光率较为接近，2#要略好于1#，随着暴晒时间的延长保光率略有下降，但是下降幅度不明显，经过12 个月的暴晒后没有出现粉化的情况，在暴晒12 个月以后一直到36 个月均只出现了很轻微的粉化。

2.2 结果讨论与分析

星华纳米研制生产的钛融粉加入涂料中后，不仅可以保持或提高原配方的主要指标，同时还可以大大减少配方中高成本原料，如钛白粉、乳液等的使用，进而降低配方的成本；在配方中添加钛融粉后，在配比合理的情况下可以出现协同效应，因此与原配方相比可以在一定程度上提高白度，这是因为钛融粉在与各组份的粉体组成配方时，可以有效地弥补金红石钛白粉的颜色缺陷。当漆膜在内墙使用时带蓝白相而且光感柔和，这会使家庭装饰更具舒适感；由于钛融粉微观颗粒微观形态的特殊性，因此其添加到配方中后在漆膜表面可以形成网状结构的支撑，可提高漆膜的耐擦洗性，提高涂层的抗破坏能力。此外钛融粉在与各组份原料组成配方时，可以使质感涂料的白度更自然，拥有更好的调色均匀度以及色彩反应，使质感效果更强烈，改善批刮性的同时可让涂料更贴服于墙体；由于钛融粉的堆积密度比较小且分散性非常好，添加到配方中后不容易形成团聚，因此其涂布率比较好，在配比合理时，在干膜状态下其遮盖力较强。此外使用钛融粉后的漆膜触感性变得油滑，由于棒状结构的成膜表面体没有传统涂料的干冷感，因此在细微观察状态下有点接近鸡蛋壳的哑光优质状态；在生产时使用钛融粉可以有效减少表面活性剂的投放，降低助剂在干膜过程中挥发有机物的含量，使涂料更加环保，在长时间的储存状态下可以提高涂料的悬浮稳定性；由于钛融粉微观颗粒微观形态为规整的颗粒形状，与钛白粉相比，钛融粉的浑浊悬浮状态明显持久，因此可以有效防止流体的沉降；由于钛融粉的吸油量比较小，因此漆膜的成膜更好且质感更厚，表面更光滑；由于钛融粉微观颗粒微观形态的特殊性，添加到配方中后会在漆膜的表面形成漫反射，因此添加钛融粉后可以提高消光效果；在配方合理的情况下添加钛融粉可以有效增强固含物质之间的协同性，此外特殊的形状结构可在施工时达到更优效果，使用钛融粉后加强了涂层对紫外线的抵御能力，延长涂料的使用寿命；钛融粉的特性使其在应用中具有降低成本、提高白度、提高耐擦洗性、提高遮盖力、防止流体沉降、增加光滑性、改善消光性以及增强体系中固相物质之间协同性的优势。

3 结论

星华纳米研制生产的钛融粉系列产品TR-201、TR-901、TR-501 分别在水性涂料、装饰原纸以及油性涂料中有广泛的应用。将钛融粉应用到配方中后可以有效降低成本、提高白度、提高耐擦洗性、提高遮盖力、防止流体沉降、增加光滑性、改善消光性以及增强体系中固相物质之间协同性的优势。目前其在内墙涂料、外墙涂料以及质感涂料中有大量的应用，在涂料中添加钛融粉后，与原有的对比配方相比，涂料指标非常接近，部分指标如PVC、干遮盖以及对比率等要好于原有配方。此外添加钛融粉后可以有效减少其他材料的使用量，通过成本核算可知添加钛融粉优化后的配方与原有的对比配方相比每吨的成本大幅下降。