降低表面涂布中二氧化钛的使用成本

降低表面涂布中二氧化钛的使用成本

对白度有明确要求的产品，如纸、塑料、清漆、油漆和油墨等，二氧化钛是其中必不可少的颜料。众所周知，二氧化钛在水性白色油墨（和其他白色涂料）的诸多成分中是最昂贵的。同时，因供应、需求和产能利用率之间复杂的关系，二氧化钛的价格变化无常，很难预测。二氧化钛的价格在2012年第三季度曾达到了历史最高点（是2007年价格的2倍）。

1　合成的空心球状颜料可以部分取代油墨中的二氧化钛颜料

怎样才能降低表面涂布中二氧化钛的使用成本？在2014年美国纸浆与造纸工业技术协会（TAPPI）主办的美国纸业展览会暨纸工业研讨会（PaperCon）上，有研究人员提出，合成的空心球状颜料（hollow sphere pigment，HSP）可以部分取代油墨中的二氧化钛颜料。该研究证实，二氧化钛和HSP可以协同散射光线，在达到相同光学性能的情况下，HSP可使二氧化钛基油墨在临界颜料体积浓度（CPVC）附近时的成本降低20%～35%。由此带来的成本降低，其意义重大且行之有效的。同时，HSP替代二氧化钛颜料的技术的应用也能够在一定程度上维持二氧化钛的价格相对稳定。

研究中，二氧化钛、HSP和黏合剂复配并作为唯一不挥发组分。油墨涂在干净的聚酯薄膜上，干燥后涂层厚度为0.2 mi（l3.08 μm）。以二氧化钛、HSP和黏合剂的体积分数（φ）为变量，在一个完整的立方模型上测量其不透明度和色（L a b）值。在不透明度这一指标上，统计模型中所有第2阶及其他高阶项是无意义的，除非针对二氧化钛和HSP（A（φTiO）2（φHSP），A> 0）间的相互作用建模。二氧化钛和HSP对光的协同作用和散射效果之间的规律十分明显。

与散射相关的理论能够对此作出解释。每个二氧化钛粒子的散射截面大于粒子本身；然而，当二氧化钛粒子密集度很高的时候会造成散射截面重叠，此时它们散射效率骤降。粒子越密集其散射效率越差。相对而言，HSP并不容易聚集。HSP是通过聚合物外壳和空芯二者之间“内置”折射率的不同来散射光线的，即使2个HSP粒子相互接触，它们含有空气的空穴仍然是分开的。

在二氧化钛粒子十分密集的涂层中引入HSP粒子，有助于增加二氧化钛粒子之间的孔隙，从而增加散射效率。与此同时，HSP也会通过自身的孔隙来增加散射效率。这2种光散射方式是能够协同作用的。

2　商业应用前景

从商业的角度来看，二氧化钛和HSP这种可以协同散射光线作用能够使涂料更加便宜。图1显示了不同油墨配方的三元等不透明度（constant opacity contours）。图中每根轴代表1种成分的体积分数。

图1　不同油墨配方的三元等不透明度

图1标明了油墨配方组分三元图中的等不透明度曲线，这些油墨配方是根据不透明度模型所推算出的。根据等不透明度曲线的特点，这种组合空间可分为2个区域：高二氧化钛含量区（A区）[φ（TiO2）> 0.3%]和低二氧化钛含量区（B区）[φ（TiO2）＜0.3%]。

A区的特点是不透明度曲线与等黏合剂浓度线变化一致，也就是说在黏合剂用量一定的情况下，1份含HSP的颜料体积浓度（PVC）大约可以代替1份含TiO2的PVC。这是因为在A区二氧化钛粒子非常密集。

而当以质量计算时，0.5磅（约0.23 kg）的HSP乳液（固含量30%）能取代1磅（约0.45 kg）干二氧化钛。假设干二氧化钛的价格是1.75美元/磅（约3.86美元/kg），HSP乳液和黏合剂（固含量均为30%）售价都是1美元/磅（约2.21美元/kg），由此推算，HSP取代干的二氧化钛后就每磅涂料能够节省1.25美元。

但是在B区则需要3～4份含HSP的PVC才能够取代1份含TiO2的PVC。也就是说，1.5～2.0磅（约0.68～0.91 kg）HSP乳液（固含量30%）才能取代1磅（约0.45 kg）干二氧化钛。确切的节省数目取决于特定的墨水配方，表1为举例说明。

表1为分别按照图1的A区和B区中的油墨配方，对含有HSP的二氧化钛基油墨重新配制后制得样品。假设二氧化钛价格为1.75美元/磅（约3.86美元/kg），黏合剂价格以湿重计（固含量约30%）为1美元/磅（约2.21美元/kg），HSP价格以湿重计（固含量约30%）为1美元/磅（约2.21美元/kg），计算出所需成本。

A区的油墨配方中，二氧化钛和HSP混合后，肉眼不易察觉涂料白度的变化，而在B区也仅能察觉其十分轻微的变化。这与实验中所用的二氧化钛和HSP的粒径相仿是一致的。众所周知地是，实验中所测的涂料白度（L值）与不透明度息息相关，这是因为白色涂料也需要更加优异的不透明度。

表1　HSP部分替代油墨中的二氧化钛颜料的举例

3　结束语

HSP在水性油墨中的应用已经能够证实在达到相同不透明度和白度的情况下，可以用HSP来降低二氧化钛的用量。不透明度和颜色模型不仅可以从机理上对此进行解释，而且在调整含HSP油墨配方时，还能够作为一种非常简单有效的工具。研究表明，由于二氧化钛和HSP之间对光的协同散射作用，使用二氧化钛空心球状颜料替代常规二氧化钛最多能够降低20%～35%的成本；而确切的节省数目取决于实际应用情况和具体的油墨配方。可以肯定地说，HSP的应用是一种前景可观的技术；并且当这一技术商业化后能够辅助稳定二氧化钛的价格，尤其是在各种含有二氧化钛的涂料价格出现波动时，HSP的作用会更加显著。

（程富江，李祥祥编译）

太阳宏河纸业年产50万t箱板纸项目今年投产

山东太阳宏河纸业项目是近年来太阳纸业的重点建设项目之一，于2014年8月22日开工建设。2016年，公司将突出工作重点，把握关键环节，确保投产项目高效运行、在建项目尽快竣工投产。

太阳宏河纸业有限公司由山东太阳纸业股份有限公司和邹城宏河矿业集团共同出资建设。项目位于邹城太平工业园区，占地面积1 757亩（约117 hm2），总投资157亿元。一期项目投资概算为60亿元，主要包含年产35万t天然纤维素项目、年产50万t低定量高档牛皮箱板纸项目及配套水处理等项目。项目主要依托交通优势、区位优势和产业优势，采用当今世界先进、成熟和可靠的技术，生产高端天然纤维素、低定量高档牛皮箱板纸等产品。

（雕龙）

亚太森博（广东）二期2016年底完工

亚太纸业二期项目总投资2.98亿美元，在原一期项目剩余用地扩建年产45万t高档文化用纸，用地745亩（约49.7 hm2）。该项目于2015年8月动工建设，预计于2016年底完工，年内至少完成投资8亿元，力争2017年初正式投产，届时将形成90万～100万t的产能，将占据国内高档文化用纸三分之一的市场份额。

据介绍，亚太纸业是新加坡金鹰集团旗下公司，主要从事文化用纸的生产和销售，是珠三角最大的高档文化纸生产商。2015年，亚太纸业共生产文化用纸49万t，实现产值26亿元，出口销售4亿元，年生产能力位居全国同行业首位，占据国内市场60%的份额。

根据市场需求，金鹰集团预计在银洲湖纸业基地完成100亿元投资的目标，以后该基地将成为金鹰集团在中国大陆最大的纸业生产基地。

（雕龙）