I. Введение
Диоксид титана (TiO₂)представляет собой неорганический белый пигмент, основным компонентом которого является диоксид титана. По кристаллической структуре TiO₂ можно разделить на анатаз, брукит и рутил. Благодаря высокому показателю преломления, сильной красящей способности, превосходной белизне, не-токсичности и хорошей стабильности диоксид титана широко используется в покрытиях, пластмассах, производстве бумаги и чернилах, среди которых промышленность по производству покрытий представляет наибольший расход-около 60%.
Будь то покрытия на основе -растворителя или воды-, TiO₂ не только обеспечивает укрывистость и декоративный эффект, но также значительно улучшает физические и химические свойства покрытий. Он повышает химическую стабильность, укрывистость, прочность окраски, коррозионную стойкость, светостойкость и устойчивость к атмосферным воздействиям; увеличивает механическую прочность и адгезию пленки; предотвращает растрескивание; и блокирует УФ-излучение и проникновение влаги,-замедляя старение и продлевая срок службы покрытия. Это также может снизить потребление материалов и способствовать диверсификации продукции.
II. Влияние размера частиц диоксида титана на укрывистость покрытия
Вариации формы и размера частиц TiO₂ сильно влияют на степень светорассеяния и являются ключевыми факторами, влияющими на укрывистость. Исследования показывают, что в идентичных условиях, когда размер частиц TiO₂ составляет от160–350 нм-оВ 0,4–0,5 раза больше длины волны видимого света.-Самая сильная рассеивающая способность, что напрямую улучшает укрывистость покрытия.
Если пленкообразующие материалы-не могут полностью покрыть частицы TiO₂, может произойти контакт частиц и агломерация, что приведет к эффективному увеличению размера частиц и снижению укрывистости.
III. Влияние дисперсности диоксида титана на укрывистость покрытия
В лакокрасочной промышленности степень дисперсности частиц порошка во многом определяет характеристики продукта. В процессе производства дисперсия TiO₂ включает смачивание, измельчение и диспергирование.
Стабильная суспензия TiO₂ улучшает укрывистость, но из-за активности TiO₂ и чувствительности к окружающей среде рецептуры могут возникнуть такие проблемы, как флокуляция, седиментация и нестабильность. Поэтому качество дисперсии существенно влияет на укрывистость.
IV. Влияние дозировки диспергатора на укрывистость покрытия
Поскольку частицы TiO₂ меньше, чем у большинства наполнителей, и имеют тенденцию к агрегации, выбор и дозировка диспергаторов сильно влияют на дисперсию TiO₂ и, следовательно, на укрывистость покрытия. Исследования показывают, что по мере увеличения дозировки диспергатора дисперсия пигмента/наполнителя улучшается, распределение частиц по размерам сужается, а эффективный размер частиц уменьшается-, что приводит к более высокой укрывистости.
V. Пути устойчивого развития использования диоксида титана в покрытиях
Будучи высокоэффективным светорассеивающим-пигментом, TiO₂ обеспечивает превосходную белизну и укрывистость. В связи с быстрым ростом автомобильной, строительной и-индустрии покрытий на водной основе мировой спрос продолжает расти.
Однако проблемы, связанные с потреблением ресурсов, использованием энергии и воздействием на окружающую среду, усилились. Повышение устойчивости отрасли TiO₂ стало актуальной задачей.
Помимо разработки новых производственных технологий, производители покрытий должны изучить способы повышения эффективности использования TiO₂ или найти заменители для снижения потребления.
1. Повышение эффективности использования диоксида титана.
В практическом применении агломерация и флокуляция TiO₂ могут препятствовать достижению оптимальной укрывистости даже при высоком содержании пигментов. Поэтому повышение эффективности рассеяния света стало ключевым направлением исследований.
Майкл использовал моделирование Монте-Карло, чтобы продемонстрировать, что замена крупных наполнителей мелкими увеличивает расстояние между частицами TiO₂, улучшая укрывистость черезэффект «расстояния между пигментами» или «разбавления пигмента».. Наполнители меньшего размера лучше отделяют частицы TiO₂, повышая эффективность рассеяния и уменьшая количество TiO₂, необходимое для эквивалентной укрывистости.
Однако разнесенные частицы TiO₂ по-прежнему имеют тенденцию к повторной агломерации.
В 2013 годуДау Кемикалполучил Премию Президента США по зеленой химии за разработкуТехнология пре-композиционных полимеров EVOQUE™. Эти полимеры связываются с поверхностями TiO₂, создавая пространство, которое улучшает распределение частиц и эффективность рассеяния. Это улучшает укрывистость и снижает содержание TiO₂ почти на20%, снижая затраты при сохранении или улучшении производительности. Эта технология также повышает устойчивость к образованию пятен и коррозии, снижает потребление энергии и -согласно независимому LCA-сокращает выбросы углекислого газа наболее 22%и использование воды30%.
В 1997 годуВиртаненпредставила технологию «предварительной-инкапсуляции» TiO₂, создав пигменты ядра-оболочки с ядром TiO₂ и оболочкой из карбоната кальция. Оболочка обеспечивает пространство, улучшая рассеивание и снижая выбросы углекислого газа примерно на 70%. FP Pigments коммерциализировала эту технологию.
Аналогичным образом компания Chemours разработала обработанный сорт TiO₂.ТС-6300, который отличается улучшенной обработкой поверхности, которая увеличивает расстояние между частицами и уменьшает агломерацию. Повышенное маслопоглощение снижает содержание ХПВХ, позволяя воздушным пустотам в пленке еще больше улучшить светорассеяние.
2. Знакомство с воздухом
Воздух в пленке покрытия снижает показатель преломления смеси смолы и воздуха, увеличивая контраст показателя преломления с TiO₂ и улучшая светорассеяние. Три типа воздушных пустот способствуют укрывистости:
- Воздух внутри смолы
- Воздух внутри частиц наполнителя
- Воздух на границе раздела пигмент-смола
Классическим примером являются полые полимерные микросферы, впервые разработанные в 1984 году Ковальским и коммерциализированные компанией Rohm and Haas под названиемРОПАК™. Во время сушки вода внутри микросфер испаряется и заменяется воздухом, улучшая сухую укрывистость.
Когда TiO₂ частично заменяется полыми микросферами, первоначальная влажная укрывистость может уменьшиться, но сухая укрывистость улучшается до уровня покрытий, состоящих только из TiO₂-. Микросферы также повышают устойчивость к пятнам, возможность стирки и сохранение внешнего цвета.
Микропористый обожженный каолин из Омии также содержит закрытые воздушные пустоты. Полученные в результате быстрого обжига частицы расширяются внутри под давлением пара, образуя закрытые поры, которые улучшают как влажную, так и сухую укрывистость. До20%Восстановление TiO₂ достижимо.
Сравнения показывают:
- Микропористый каолин и полые микросферы значительно улучшают укрывистость.
- Микропористый каолин имеет тенденцию создавать матовые эффекты.
- Микросферы увеличивают блеск.
По сравнению с ХПВХ микропористый каолин работает еще лучше, поскольку как внутренние, так и внешние пустоты способствуют укрытию, сохраняя при этом низкое маслопоглощение и хорошую устойчивость к истиранию.
Нгуен и др. продолжила разработку «сэндвич»-наноструктур полимер-TiO₂, сочетающих TiO₂, воздушные пустоты и пространство между полимерами для обеспечения нескольких путей рассеяния.
В итоге, улучшение дисперсии TiO₂, минимизация агломерации и внедрение структур на основе воздуха-могут значительно повысить укрывистость, обеспечить частичную замену TiO₂, сократить выбросы углерода и способствовать устойчивому развитию TiO₂.
VI. Применение диоксида титана
TiO₂ широко используется в покрытиях, пластмассах, резине, чернилах, бумаге, химических волокнах, керамике, химикатах повседневного спроса, фармацевтических препаратах и пищевых продуктах.
Покрытия
Производство покрытий является крупнейшим конечным-потребителем, особенно рутила TiO₂. Покрытия, содержащие TiO₂, обеспечивают яркие цвета, сильную укрывистость и тонировку, улучшенную прочность и адгезию пленки, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и влаге, а также увеличенный срок службы.
Пластмассы
Производство пластмасс является вторым-по величине потребителем. TiO₂ повышает термостойкость, светостойкость, стойкость к атмосферным воздействиям, механическую прочность и срок службы пластиковых изделий.
Производство бумаги
Производство бумаги – третье-по объему применения. TiO₂ улучшает белизну, блеск, прочность, гладкость и непрозрачность. Анатаз TiO₂ обычно используется из-за его голубоватого оттенка и осветляющего эффекта. Для ламинированной бумаги требуется рутиловый TiO₂ для лучшей термо- и светостойкости.
Чернила
TiO₂ – это незаменимый белый пигмент в высококачественных-чернилах, обладающий превосходной стойкостью, смачиваемостью и диспергируемостью.
Волокна и Текстиль
TiO₂ используется в качестве матирующего вещества в химических волокнах, обычно в форме анатаза из-за его мягкости. Некоторые сорта требуют обработки поверхности для уменьшения фотокаталитической деградации волокон.
Эмалированная промышленность
Эмаль высокой-чистоты-TiO₂ обеспечивает высокую непрозрачность, равномерный размер частиц, высокий показатель преломления, отличную белизну и хорошую стойкость к кислотам-, образуя гладкие, тонкие и прочные эмалевые покрытия.
Керамика
Керамический-TiO₂ отличается равномерным размером частиц, высоким показателем преломления и превосходной термической стабильностью (выдерживает температуру 1200 градусов в течение 1 часа без поседения). Он широко используется в керамике, строительстве и декоративных материалах.
Производство TiO₂ в Китае началось в середине 1950-х годов. Сегодня на долю Китая приходится30% мировых мощностей по производству TiO₂и является одновременно крупнейшим в мире производителем и потребителем. С 1999 по 2011 год потребление TiO₂ в Китае выросло с 248 000 тонн до 1,65 миллиона тонн-, среднегодовой темп роста составил 17,11%.
В настоящее время в Китае имеется более 50 производителей TiO₂, многие из которых находятся в восточном регионе, несмотря на ограниченные ресурсы сырья. Между тем ресурсы титановых руд в основном расположены на юго-западе. Отрасль остается относительно фрагментированной. Производство TiO₂ в Китае перешло от преимущественно сульфатного анатаза к преимущественно рутиловым сортам, которые в настоящее время составляют более 70% производства. Однако высококачественный-TiO₂ по-прежнему в значительной степени зависит от импорта.
Внутреннее производство хлорированного TiO₂ остается очень ограниченным и составляет около 30 000 тонн, хотя несколько компаний планируют расширить мощности по хлорированию до более чем 600 000 тонн. Этот период представляет собой критический этап для обновления структуры продукции, совершенствования технологий и внедрения передовых процессов.
VII. Заключение
В условиях растущего давления на окружающую среду и растущего осознания необходимости устойчивого развития отрасль TiO₂,-характеризующаяся высоким уровнем загрязнения и высоким потреблением энергии-, сталкивается с серьезными проблемами. Поскольку TiO₂ является незаменимым белым пигментом в покрытиях, повышение эффективности использования, сокращение потребления и разработка альтернативных материалов являются важными шагами на пути к устойчивому развитию.