การใช้คุณสมบัติไทเทเนียมไดออกไซด์ในการเคลือบ

I. บทนำ

ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂)เป็นเม็ดสีขาวอนินทรีย์ซึ่งมีส่วนประกอบหลักคือไททาเนียมไดออกไซด์ ตามโครงสร้างผลึก TiO₂ สามารถจำแนกได้เป็นประเภทแอนาเทส บรูไคต์ และรูไทล์ เนื่องจากมีดัชนีการหักเหของแสงสูง ความแข็งแรงของสีย้อมสูง ความขาวที่ดีเยี่ยม ไม่มี-ความเป็นพิษ และความเสถียรที่ดี ไทเทเนียมไดออกไซด์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเคลือบ พลาสติก การผลิตกระดาษ และหมึก ซึ่งในอุตสาหกรรมการเคลือบมีการบริโภคมากที่สุด-ประมาณ 60%

ไม่ว่าจะเป็นการเคลือบแบบใช้ตัวทำละลาย-หรือแบบน้ำ- TiO₂ ไม่เพียงแต่ให้พลังการซ่อนตัวและเอฟเฟกต์การตกแต่งเท่านั้น แต่ยังปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของการเคลือบอย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย เพิ่มความเสถียรทางเคมี พลังการซ่อนตัว ความแข็งแรงของสี ความต้านทานการกัดกร่อน ความคงทนต่อแสง และความทนทานต่อสภาพอากาศ เพิ่มความแข็งแรงเชิงกลและการยึดเกาะของฟิล์ม ป้องกันการแตกร้าว และปิดกั้นรังสียูวีและการซึมผ่านของความชื้น- ซึ่งช่วยชะลอความชราและยืดอายุการเคลือบ นอกจากนี้ยังสามารถลดการใช้วัสดุและสนับสนุนความหลากหลายของผลิตภัณฑ์

ครั้งที่สอง อิทธิพลของขนาดอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ต่อพลังการซ่อนตัวของสารเคลือบ

ความแปรผันของรูปร่างและขนาดของอนุภาค TiO₂ ส่งผลอย่างมากต่อระดับการกระเจิงของแสง และเป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อพลังการซ่อน การวิจัยแสดงให้เห็นว่าภายใต้สภาวะที่เหมือนกัน เมื่อขนาดอนุภาค TiO₂ อยู่ระหว่าง160–350 นาโนเมตร-เกี่ยวกับ0.4–0.5 เท่าของความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็น-ความสามารถในการกระจายมีความแข็งแกร่งที่สุด ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการซ่อนของการเคลือบได้โดยตรง

หากวัสดุที่สร้างฟิล์ม-ไม่สามารถเคลือบอนุภาค TiO₂ ได้อย่างสมบูรณ์ อาจเกิดการสัมผัสกับอนุภาคและการจับตัวเป็นก้อน ส่งผลให้ขนาดอนุภาคเพิ่มขึ้นและลดพลังการซ่อนตัวลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

III. อิทธิพลของการกระจายตัวของไทเทเนียมไดออกไซด์ต่อพลังการซ่อนตัวของสารเคลือบ

ในอุตสาหกรรมการเคลือบ ระดับการกระจายตัวของอนุภาคผงจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์เป็นส่วนใหญ่ ในระหว่างการผลิต การกระจายตัวของ TiO₂ เกี่ยวข้องกับการทำให้เปียก การบด และการกระจายตัว

สารแขวนลอยที่เสถียรของ TiO₂ ช่วยเพิ่มพลังการซ่อนตัว แต่เนื่องจากกิจกรรมของ TiO₂ และความไวต่อสภาพแวดล้อมของการผสมสูตร ปัญหาต่างๆ เช่น การตกตะกอน การตกตะกอน และความไม่เสถียรจึงสามารถเกิดขึ้นได้ ดังนั้นคุณภาพการกระจายตัวจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อพลังการซ่อนตัว

IV. อิทธิพลของปริมาณสารช่วยกระจายตัวต่อกำลังการซ่อนตัวของสารเคลือบ

เนื่องจากอนุภาค TiO₂ มีขนาดเล็กกว่าสารตัวเติมส่วนใหญ่และมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกัน ตัวเลือกและปริมาณของสารช่วยกระจายตัวจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อการกระจายตัวของ TiO₂ และด้วยเหตุนี้จึงเคลือบพลังการซ่อนตัว การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเมื่อปริมาณของสารช่วยกระจายตัวเพิ่มขึ้น การกระจายตัวของเม็ดสี/ฟิลเลอร์จะดีขึ้น การกระจายขนาดอนุภาคจะแคบลง และขนาดอนุภาคที่มีประสิทธิภาพจะลดลง-ซึ่งส่งผลให้พลังการซ่อนตัวสูงขึ้น

V. เส้นทางการพัฒนาที่ยั่งยืนสำหรับไทเทเนียมไดออกไซด์ในสารเคลือบ

เนื่องจากเป็นสารสีที่กระจายแสง-ประสิทธิภาพสูง TiO₂ จึงให้ความขาวและพลังในการซ่อนที่ดีเยี่ยม ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมยานยนต์ การก่อสร้าง และการเคลือบที่ใช้น้ำ- ความต้องการทั่วโลกยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

อย่างไรก็ตาม ความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการใช้ทรัพยากร การใช้พลังงาน และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้ทวีความรุนแรงมากขึ้น การเสริมสร้างความยั่งยืนของอุตสาหกรรม TiO₂ กลายเป็นเรื่องเร่งด่วน

นอกเหนือจากการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตใหม่ๆ ผู้ผลิตสารเคลือบต้องค้นหาวิธีปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้ TiO₂ หรือระบุสารทดแทนเพื่อลดการบริโภค

1. การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์

ในการใช้งานจริง การรวมตัวและการตกตะกอนของ TiO₂ สามารถป้องกันอำนาจการซ่อนตัวที่เหมาะสมได้แม้ในปริมาณเม็ดสีสูงก็ตาม ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพการกระเจิงแสงจึงกลายเป็นจุดมุ่งเน้นการวิจัยที่สำคัญ

Michael ใช้การจำลองแบบมอนติคาร์โลเพื่อแสดงให้เห็นว่าการแทนที่สารตัวเติมหยาบด้วยสารตัวเติมละเอียดจะเพิ่มระยะห่างระหว่างอนุภาค TiO₂ และปรับปรุงการซ่อนผ่านเอฟเฟกต์ "ระยะห่างของเม็ดสี" หรือ "การเจือจางเม็ดสี"- ตัวเติมที่มีขนาดเล็กกว่าจะแยกอนุภาค TiO₂ ได้ดีขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกระเจิง และลดปริมาณ TiO₂ ที่จำเป็นสำหรับการซ่อนที่เทียบเท่ากัน

อย่างไรก็ตาม อนุภาค TiO₂ ที่เว้นระยะยังคงมีแนวโน้มที่จะ-รวมตัวกันอีกครั้ง

ในปี 2556ดาวเคมิคอลได้รับรางวัล US Presidential Green Chemistry Challenge Award จากการพัฒนาEVOQUE™ พรี-เทคโนโลยีโพลีเมอร์คอมโพสิต- โพลีเมอร์เหล่านี้จับกับพื้นผิว TiO₂ ทำให้เกิดช่องว่างที่ช่วยเพิ่มการกระจายตัวของอนุภาคและประสิทธิภาพในการกระเจิง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงพลังการซ่อนและลดปริมาณ TiO₂ ลงได้สูงสุดถึง20%ลดต้นทุนในขณะที่รักษาหรือปรับปรุงประสิทธิภาพ เทคโนโลยียังปรับปรุงความต้านทานคราบ ความต้านทานการกัดกร่อน ลดการใช้พลังงาน และ-ตาม LCA ที่เป็นอิสระ- ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนโดยมากกว่า 22%และการใช้น้ำโดย30%.

ในปี พ.ศ. 2540วีร์ทาเนนเปิดตัวเทคโนโลยี TiO₂ "ก่อน-ห่อหุ้ม" เพื่อสร้างเม็ดสีเปลือกหลัก-ด้วยแกน TiO₂ และเปลือกแคลเซียมคาร์บอเนต เปลือกให้ระยะห่าง เพิ่มการกระเจิงและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 70% FP Pigments ได้นำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในเชิงพาณิชย์

ในทำนองเดียวกัน Chemours พัฒนาเกรด TiO₂ ที่ผ่านการบำบัดแล้วTS-6300ซึ่งมีการปรับปรุงการรักษาพื้นผิวที่เพิ่มระยะห่างของอนุภาคและลดการรวมตัวกัน การดูดซับน้ำมันที่เพิ่มขึ้นจะลด CPVC ลง ทำให้ช่องว่างอากาศในฟิล์มปรับปรุงการกระเจิงของแสงให้ดียิ่งขึ้น

2. การแนะนำอากาศ

อากาศในฟิล์มเคลือบจะลดดัชนีการหักเหของส่วนผสมของเรซิน/อากาศ เพิ่มคอนทราสต์ของดัชนีการหักเหของแสงกับ TiO₂ และปรับปรุงการกระเจิงของแสง ช่องว่างอากาศสามประเภทมีส่วนช่วยในการซ่อนพลัง:

• อากาศภายในเรซิน
• อากาศภายในอนุภาคตัวเติม
• อากาศที่ส่วนต่อประสานของเม็ดสี–เรซิน

ตัวอย่างคลาสสิกคือไมโครสเฟียร์โพลีเมอร์กลวง ซึ่งพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปี 1984 โดย Kowalski และจำหน่ายโดย Rohm และ Haas ในชื่อโรปาเก™- ในระหว่างการทำให้แห้ง น้ำภายในไมโครสเฟียร์จะระเหยและถูกแทนที่ด้วยอากาศ ช่วยเพิ่มการซ่อนตัวแบบแห้ง

เมื่อ TiO₂ ถูกแทนที่ด้วยไมโครสเฟียร์กลวง การซ่อนแบบเปียกในช่วงแรกอาจลดลง แต่การซ่อนแบบแห้งจะปรับปรุงเป็นระดับการเคลือบ TiO₂- เท่านั้น ไมโครสเฟียร์ยังช่วยเพิ่มความต้านทานต่อรอยเปื้อน สามารถซักได้ และรักษาสีภายนอกอีกด้วย

ดินขาวเผาที่มีรูพรุนขนาดเล็กจาก Omya มีช่องว่างอากาศปิดในทำนองเดียวกัน เกิดจากการเผาอย่างรวดเร็ว อนุภาคจะขยายตัวภายในเนื่องจากแรงดันไอน้ำ ทำให้เกิดรูขุมขนปิดที่ช่วยเพิ่มการซ่อนทั้งแบบเปียกและแบบแห้ง ขึ้นไป20%สามารถลด TiO₂ ได้

การเปรียบเทียบแสดง:

• ดินขาวที่มีรูพรุนขนาดเล็กและไมโครสเฟียร์กลวงช่วยเพิ่มการซ่อนตัวได้อย่างมาก
• ดินขาวที่มีรูพรุนขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะสร้างเอฟเฟกต์แบบด้าน
• ไมโครสเฟียร์เพิ่มความเงางาม

เหนือ CPVC ดินขาวที่มีรูพรุนขนาดเล็กทำงานได้ดียิ่งขึ้น เนื่องจากช่องว่างทั้งภายในและภายนอกมีส่วนช่วยในการซ่อนตัว ในขณะที่ยังคงดูดซับน้ำมันต่ำและต้านทานการเสียดสีได้ดี

เหงียนและคณะ โครงสร้างนาโนโพลีเมอร์–TiO₂ "แซนด์วิช" ที่ได้รับการพัฒนาเพิ่มเติม โดยรวม TiO₂ ช่องว่างอากาศ และระยะห่างของโพลีเมอร์เพื่อให้มีเส้นทางการกระเจิงหลายแบบ

โดยสรุปการปรับปรุงการกระจายตัวของ TiO₂ ลดการรวมตัวกัน และการนำอากาศมาใช้-โครงสร้างจะช่วยเพิ่มพลังการซ่อนตัวได้อย่างมาก ช่วยให้สามารถทดแทน TiO₂ บางส่วน ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน และสนับสนุนการพัฒนาที่ยั่งยืนของ TiO₂

วี. การใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์

TiO₂ ใช้กันอย่างแพร่หลายในสารเคลือบ พลาสติก ยาง หมึก กระดาษ เส้นใยเคมี เซรามิก สารเคมีรายวัน ยา และผลิตภัณฑ์อาหาร

สารเคลือบ

อุตสาหกรรมการเคลือบเป็นผู้ใช้ปลายทางรายใหญ่ที่สุด- โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรูไทล์ TiO₂ การเคลือบที่มี TiO₂ ให้สีที่สดใส พลังการปกปิดและการย้อมสีที่แข็งแกร่ง ความแข็งแรงและการยึดเกาะของฟิล์มที่ดีขึ้น ความต้านทานต่อรังสี UV และความชื้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น

พลาสติก

อุตสาหกรรมพลาสติกเป็นผู้บริโภครายใหญ่อันดับสอง- TiO₂ ช่วยเพิ่มความต้านทานความร้อน ความคงทนต่อแสง ความทนทานต่อสภาพอากาศ ความแข็งแรงทางกล และอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์พลาสติก

การทำกระดาษ

การผลิตกระดาษเป็นแอปพลิเคชันที่ใหญ่เป็นอันดับสาม- TiO₂ เพิ่มความขาว ความมันวาว ความแข็งแรง ความเรียบเนียน และความทึบแสง Anatase TiO₂ มักใช้สำหรับอันเดอร์โทนสีน้ำเงินและให้ความสว่าง กระดาษเคลือบต้องใช้รูไทล์ TiO₂ เพื่อให้ทนความร้อนและแสงได้ดีกว่า

หมึก

TiO₂ เป็นเม็ดสีขาวที่จำเป็นในหมึกเกรดสูง- ซึ่งให้ความทนทาน เปียกน้ำ และกระจายตัวเป็นเลิศ

เส้นใยและสิ่งทอ

TiO₂ ถูกใช้เป็นตัวดูดซับในเส้นใยเคมี ซึ่งมักจะอยู่ในรูปของแอนาเทสเนื่องจากมีความนุ่ม เกรดบางเกรดจำเป็นต้องมีการปรับสภาพพื้นผิวเพื่อลดการย่อยสลายด้วยแสงของเส้นใยด้วยแสง

อุตสาหกรรมเคลือบฟัน

เกรด TiO₂ เคลือบฟัน-ความบริสุทธิ์สูง-ให้ความทึบแสงสูง ขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ ดัชนีการหักเหของแสงสูง ความขาวที่ดีเยี่ยม และความต้านทานต่อกรดได้ดี- ทำให้เคลือบเคลือบฟันเรียบเนียน บาง และทนทาน

เซรามิกส์

TiO₂ เกรดเซรามิก-โดดเด่นด้วยขนาดอนุภาคที่สม่ำเสมอ ดัชนีการหักเหของแสงสูง และความเสถียรทางความร้อนที่ดีเยี่ยม (ทนต่ออุณหภูมิ 1200 องศา เป็นเวลา 1 ชั่วโมงโดยไม่เกิดสีเทา) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเซรามิก การก่อสร้าง และวัสดุตกแต่ง

อุตสาหกรรม TiO₂ ของจีนเริ่มต้นขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1950 วันนี้จีนเป็นผู้รับผิดชอบ30% ของกำลังการผลิต TiO₂ ทั่วโลกและเป็นทั้งผู้ผลิตและผู้บริโภครายใหญ่ที่สุดในโลก ตั้งแต่ปี 1999 ถึง 2011 การบริโภค TiO₂ ของจีนเพิ่มขึ้นจาก 248,000 ตันเป็น 1.65 ล้านตัน-หรือ CAGR ที่ 17.11%

ปัจจุบันจีนมีผู้ผลิต TiO₂ มากกว่า 50 ราย หลายรายอยู่ในภูมิภาคตะวันออกแม้จะมีทรัพยากรวัตถุดิบจำกัดก็ตาม ในขณะเดียวกันทรัพยากรแร่ไทเทเนียมส่วนใหญ่ตั้งอยู่ทางตะวันตกเฉียงใต้ อุตสาหกรรมยังคงมีการแยกส่วนค่อนข้างมาก การผลิต TiO₂ ของจีนได้เปลี่ยนจากกระบวนการอะนาเทสที่มีซัลเฟตเป็นส่วนใหญ่-ไปเป็นเกรดรูไทล์เป็นหลัก ซึ่งปัจจุบันคิดเป็นมากกว่า 70% ของผลผลิต อย่างไรก็ตาม TiO₂ ระดับไฮเอนด์-ยังคงต้องอาศัยการนำเข้าเป็นอย่างมาก

การผลิต TiO₂ คลอรีนในประเทศยังคงมีจำกัดมากที่ประมาณ 30,000 ตัน แม้ว่าบริษัทหลายแห่งวางแผนที่จะขยายกำลังการผลิตคลอรีนเป็นมากกว่า 600,000 ตัน ช่วงเวลานี้แสดงถึงขั้นตอนสำคัญสำหรับการอัพเกรดโครงสร้างผลิตภัณฑ์ ปรับปรุงเทคโนโลยี และการนำกระบวนการขั้นสูงมาใช้

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว บทสรุป

ด้วยแรงกดดันด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นและความตระหนักรู้เกี่ยวกับความยั่งยืนที่เพิ่มขึ้น อุตสาหกรรม TiO₂-ซึ่งมีมลภาวะสูงและการใช้พลังงานสูง-ต้องเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญ ในฐานะที่เป็นเม็ดสีขาวที่จำเป็นในการเคลือบ การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ TiO₂ การลดการใช้ และการพัฒนาวัสดุทางเลือกถือเป็นก้าวสำคัญสู่การพัฒนาที่ยั่งยืน