降低表面涂布中二氧化鈦的使用成本

降低表面涂布中二氧化鈦的使用成本

對白度有明確要求的產品，如紙、塑料、清漆、油漆和油墨等，二氧化鈦是其中必不可少的顏料。眾所周知，二氧化鈦在水性白色油墨（和其他白色涂料）的諸多成分中是最昂貴的。同時，因供應、需求和產能利用率之間復雜的關系，二氧化鈦的價格變化無常，很難預測。二氧化鈦的價格在2012年第三季度曾達到了歷史最高點（是2007年價格的2倍）。

1　合成的空心球狀顏料可以部分取代油墨中的二氧化鈦顏料

怎樣才能降低表面涂布中二氧化鈦的使用成本？在2014年美國紙漿與造紙工業技術協會（TAPPI）主辦的美國紙業展覽會暨紙工業研討會（PaperCon）上，有研究人員提出，合成的空心球狀顏料（hollow sphere pigment，HSP）可以部分取代油墨中的二氧化鈦顏料。該研究證實，二氧化鈦和HSP可以協同散射光線，在達到相同光學性能的情況下，HSP可使二氧化鈦基油墨在臨界顏料體積濃度（CPVC）附近時的成本降低20%～35%。由此帶來的成本降低，其意義重大且行之有效的。同時，HSP替代二氧化鈦顏料的技術的應用也能夠在一定程度上維持二氧化鈦的價格相對穩定。

研究中，二氧化鈦、HSP和黏合劑復配并作為唯一不揮發組分。油墨涂在干凈的聚酯薄膜上，干燥后涂層厚度為0.2 mi（l3.08 μm）。以二氧化鈦、HSP和黏合劑的體積分數（φ）為變量，在一個完整的立方模型上測量其不透明度和色（L a b）值。在不透明度這一指標上，統計模型中所有第2階及其他高階項是無意義的，除非針對二氧化鈦和HSP（A（φTiO）2（φHSP），A> 0）間的相互作用建模。二氧化鈦和HSP對光的協同作用和散射效果之間的規律十分明顯。

與散射相關的理論能夠對此作出解釋。每個二氧化鈦粒子的散射截面大于粒子本身；然而，當二氧化鈦粒子密集度很高的時候會造成散射截面重疊，此時它們散射效率驟降。粒子越密集其散射效率越差。相對而言，HSP并不容易聚集。HSP是通過聚合物外殼和空芯二者之間“內置”折射率的不同來散射光線的，即使2個HSP粒子相互接觸，它們含有空氣的空穴仍然是分開的。

在二氧化鈦粒子十分密集的涂層中引入HSP粒子，有助于增加二氧化鈦粒子之間的孔隙，從而增加散射效率。與此同時，HSP也會通過自身的孔隙來增加散射效率。這2種光散射方式是能夠協同作用的。

2　商業應用前景

從商業的角度來看，二氧化鈦和HSP這種可以協同散射光線作用能夠使涂料更加便宜。圖1顯示了不同油墨配方的三元等不透明度（constant opacity contours）。圖中每根軸代表1種成分的體積分數。

圖1　不同油墨配方的三元等不透明度

圖1標明了油墨配方組分三元圖中的等不透明度曲線，這些油墨配方是根據不透明度模型所推算出的。根據等不透明度曲線的特點，這種組合空間可分為2個區域：高二氧化鈦含量區（A區）[φ（TiO2）> 0.3%]和低二氧化鈦含量區（B區）[φ（TiO2）＜0.3%]。

A區的特點是不透明度曲線與等黏合劑濃度線變化一致，也就是說在黏合劑用量一定的情況下，1份含HSP的顏料體積濃度（PVC）大約可以代替1份含TiO2的PVC。這是因為在A區二氧化鈦粒子非常密集。

而當以質量計算時，0.5磅（約0.23 kg）的HSP乳液（固含量30%）能取代1磅（約0.45 kg）干二氧化鈦。假設干二氧化鈦的價格是1.75美元/磅（約3.86美元/kg），HSP乳液和黏合劑（固含量均為30%）售價都是1美元/磅（約2.21美元/kg），由此推算，HSP取代干的二氧化鈦后就每磅涂料能夠節省1.25美元。

但是在B區則需要3～4份含HSP的PVC才能夠取代1份含TiO2的PVC。也就是說，1.5～2.0磅（約0.68～0.91 kg）HSP乳液（固含量30%）才能取代1磅（約0.45 kg）干二氧化鈦。確切的節省數目取決于特定的墨水配方，表1為舉例說明。

表1為分別按照圖1的A區和B區中的油墨配方，對含有HSP的二氧化鈦基油墨重新配制后制得樣品。假設二氧化鈦價格為1.75美元/磅（約3.86美元/kg），黏合劑價格以濕重計（固含量約30%）為1美元/磅（約2.21美元/kg），HSP價格以濕重計（固含量約30%）為1美元/磅（約2.21美元/kg），計算出所需成本。

A區的油墨配方中，二氧化鈦和HSP混合后，肉眼不易察覺涂料白度的變化，而在B區也僅能察覺其十分輕微的變化。這與實驗中所用的二氧化鈦和HSP的粒徑相仿是一致的。眾所周知地是，實驗中所測的涂料白度（L值）與不透明度息息相關，這是因為白色涂料也需要更加優異的不透明度。

表1　HSP部分替代油墨中的二氧化鈦顏料的舉例

3　結束語

HSP在水性油墨中的應用已經能夠證實在達到相同不透明度和白度的情況下，可以用HSP來降低二氧化鈦的用量。不透明度和顏色模型不僅可以從機理上對此進行解釋，而且在調整含HSP油墨配方時，還能夠作為一種非常簡單有效的工具。研究表明，由于二氧化鈦和HSP之間對光的協同散射作用，使用二氧化鈦空心球狀顏料替代常規二氧化鈦最多能夠降低20%～35%的成本；而確切的節省數目取決于實際應用情況和具體的油墨配方。可以肯定地說，HSP的應用是一種前景可觀的技術；并且當這一技術商業化后能夠輔助穩定二氧化鈦的價格，尤其是在各種含有二氧化鈦的涂料價格出現波動時，HSP的作用會更加顯著。

（程富江，李祥祥編譯）

太陽宏河紙業年產50萬t箱板紙項目今年投產

山東太陽宏河紙業項目是近年來太陽紙業的重點建設項目之一，于2014年8月22日開工建設。2016年，公司將突出工作重點，把握關鍵環節，確保投產項目高效運行、在建項目盡快竣工投產。

太陽宏河紙業有限公司由山東太陽紙業股份有限公司和鄒城宏河礦業集團共同出資建設。項目位于鄒城太平工業園區，占地面積1 757畝（約117 hm2），總投資157億元。一期項目投資概算為60億元，主要包含年產35萬t天然纖維素項目、年產50萬t低定量高檔牛皮箱板紙項目及配套水處理等項目。項目主要依托交通優勢、區位優勢和產業優勢，采用當今世界先進、成熟和可靠的技術，生產高端天然纖維素、低定量高檔牛皮箱板紙等產品。

（雕龍）

亞太森博（廣東）二期2016年底完工

亞太紙業二期項目總投資2.98億美元，在原一期項目剩余用地擴建年產45萬t高檔文化用紙，用地745畝（約49.7 hm2）。該項目于2015年8月動工建設，預計于2016年底完工，年內至少完成投資8億元，力爭2017年初正式投產，屆時將形成90萬～100萬t的產能，將占據國內高檔文化用紙三分之一的市場份額。

據介紹，亞太紙業是新加坡金鷹集團旗下公司，主要從事文化用紙的生產和銷售，是珠三角最大的高檔文化紙生產商。2015年，亞太紙業共生產文化用紙49萬t，實現產值26億元，出口銷售4億元，年生產能力位居全國同行業首位，占據國內市場60%的份額。

根據市場需求，金鷹集團預計在銀洲湖紙業基地完成100億元投資的目標，以后該基地將成為金鷹集團在中國大陸最大的紙業生產基地。

（雕龍）