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(chǎn)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(yīng)、需求和產(chǎn)能利用率之間復(fù)雜的關(guān)系，二氧化鈦的價格變化無常，很難預(yù)測。二氧化鈦的價格在2012年第三季度曾達(dá)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(yè)技術(shù)協(xié)會（TAPPI）主辦的美國紙業(yè)展覽會暨紙工業(yè)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(xié)同散射光線，在達(dá)到相同光學(xué)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(shù)的應(yīng)用也能夠在一定程度上維持二氧化鈦的價格相對穩(wěn)定。

研究中，二氧化鈦、HSP和黏合劑復(fù)配并作為唯一不揮發(fā)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?jǐn)?shù)（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(biāo)上，統(tǒng)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(xié)同作用和散射效果之間的規(guī)律十分明顯。

與散射相關(guān)的理論能夠?qū)Υ俗鞒鼋忉?。每個二氧化鈦粒子的散射截面大于粒子本身；然而，當(dāng)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(nèi)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(xié)同作用的。

2　商業(yè)應(yīng)用前景

從商業(yè)的角度來看，二氧化鈦和HSP這種可以協(xié)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?jǐn)?shù)。

圖1　不同油墨配方的三元等不透明度

圖1標(biāo)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(jù)不透明度模型所推算出的。根據(jù)等不透明度曲線的特點，這種組合空間可分為2個區(qū)域：高二氧化鈦含量區(qū)（A區(qū)）[φ（TiO2）> 0.3%]和低二氧化鈦含量區(qū)（B區(qū)）[φ（TiO2）＜0.3%]。

A區(qū)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(qū)二氧化鈦粒子非常密集。

而當(dāng)以質(zhì)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(shè)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(jié)省1.25美元。

但是在B區(qū)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(jié)省數(shù)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(qū)和B區(qū)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(shè)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(qū)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(qū)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(guān)，這是因為白色涂料也需要更加優(yōu)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(jié)束語

HSP在水性油墨中的應(yīng)用已經(jīng)能夠證實在達(dá)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(diào)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(xié)同散射作用，使用二氧化鈦空心球狀顏料替代常規(guī)二氧化鈦最多能夠降低20%～35%的成本；而確切的節(jié)省數(shù)目取決于實際應(yīng)用情況和具體的油墨配方?？梢钥隙ǖ卣f，HSP的應(yīng)用是一種前景可觀的技術(shù)；并且當(dāng)這一技術(shù)商業(yè)化后能夠輔助穩(wěn)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(xiàn)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(yè)年產(chǎn)50萬t箱板紙項目今年投產(chǎn)

山東太陽宏河紙業(yè)項目是近年來太陽紙業(yè)的重點建設(shè)項目之一，于2014年8月22日開工建設(shè)。2016年，公司將突出工作重點，把握關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保投產(chǎn)項目高效運行、在建項目盡快竣工投產(chǎn)。

太陽宏河紙業(yè)有限公司由山東太陽紙業(yè)股份有限公司和鄒城宏河礦業(yè)集團共同出資建設(shè)。項目位于鄒城太平工業(yè)園區(qū)，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(chǎn)35萬t天然纖維素項目、年產(chǎn)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(yōu)勢、區(qū)位優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，采用當(dāng)今世界先進、成熟和可靠的技術(shù)，生產(chǎn)高端天然纖維素、低定量高檔牛皮箱板紙等產(chǎn)品。

（雕龍）

亞太森博（廣東）二期2016年底完工

亞太紙業(yè)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(chǎn)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(shè)，預(yù)計于2016年底完工，年內(nèi)至少完成投資8億元，力爭2017年初正式投產(chǎn)，屆時將形成90萬～100萬t的產(chǎn)能，將占據(jù)國內(nèi)高檔文化用紙三分之一的市場份額。

據(jù)介紹，亞太紙業(yè)是新加坡金鷹集團旗下公司，主要從事文化用紙的生產(chǎn)和銷售，是珠三角最大的高檔文化紙生產(chǎn)商。2015年，亞太紙業(yè)共生產(chǎn)文化用紙49萬t，實現(xiàn)產(chǎn)值26億元，出口銷售4億元，年生產(chǎn)能力位居全國同行業(yè)首位，占據(jù)國內(nèi)市場60%的份額。

根據(jù)市場需求，金鷹集團預(yù)計在銀洲湖紙業(yè)基地完成100億元投資的目標(biāo)，以后該基地將成為金鷹集團在中國大陸最大的紙業(yè)生產(chǎn)基地。

（雕龍）