颜料与涂料之——涂料配方中颜料的选择

颜料与涂料之——涂料配方中颜料的选择

第一节白色颜料的选择

一、钛白粉

在涂料工业中，最重要的白色颜料就是钛白粉(TiO2)。钛白粉由于折射率高(金红石型钛白粉n = 2.80，锐钛型钛白粉n = 2.55)，光散射的能力比其它白色颜料都强，在着色涂料中具有极好的遮盖力，特别是金红石型钛白粉。与其它着色颜料相比，钛白粉颜料在所有白色颜料中表现出最好的亮度。由于具有这些优异的光学特性、无毒和化学惰性，钛白粉可以代替其它所有的白色颜料。

表10-1为各种白色颜料的物理性能比较，从表中可以看出，TiO2各方面性能都最优异。

表10-1 各种白色颜料的物理性质比较

颜料物理性质二氧化钛

(锐钛型)二氧化钛

(金红石型)

锌钡白氧化锌铅白硫化锌

相对密度 3.9 4.2 5.5 ~ 5.7 6.8 ~ 6.9 4.0

折射率 2.52 2.71 2.03 2.09 2.37

遮盖力(PVC20%)333 414 118

87 97

着色力1,300 1,700 260 300 100 660

紫外线吸收(%)67 90 18

93 35

反射率(%)88 ~ 90 47 ~ 50 90 80 ~ 82 88

反射率(%)94 ~ 95 95 ~ 96 96 93 ~ 94 95

1. 粒径和粒径分布

许多TiO2晶休看上去都是透明的，但工业上TiO2颜料的超细微粒却具有很高的不透明性(遮盖力)。当粒径为0.25 µm左右时，钛白颜料的遮盖力最大；TiO2粒径大于或小于0.25 µm时，遮盖力都会降低。0.25 µm的粒径对光波长400 nm来说是最理想的。在遮盖力最大值附近，随着颜料粒径的变化，颜料的颜色也会发生变化。粒径较小的TiO2显现蓝光，粒径较大的TiO2显现黄光。

TiO2的粒径分布也对涂料的性能存在影响，粒径分布窄的钛白粉产品的遮盖力或单位体积着色强度比粒径分布宽的产品更好。

2. 表面处理

钛白粉的表面处理剂用量一般为颜料量的0 ~ 20%，主要是无机表面处理剂，如Al2O3、SiO2、ZrO2或它们的混合物。另外，一些有机表面处理剂也可用于改进钛白粉在不同介质中的分散性，如多元醇、胺和硅烷偶联剂，在颜料生产过程中可以作为研磨助剂。

表面处理剂的类别和添加量对颜料性能的影响很大，表10-2为处理剂用量和颜料性质的关系，从表中可以看出，随着处理剂用量的增加，颜料的粒径、吸油值和表面积都会增加；

表10-2 表面处理剂与TiO2物理性能的关系

颜料类别表面处理剂表面积(m2/g)吸油量粒径

基本颜料无 5 ~ 7 很小

有光颜料低9 ~ 14 低小

多用途耐久性颜料中等12 ~ 16 中等中等

高干遮盖力颜料高25 ~ 40 高大

在PVC < CPVC和PVC > CPVC时，表面处理剂类型与光学性能之间的关系分别见表10-3和表10-4。表10-5为表面处理剂类型与产品耐久性之间的关系，从表中可以看出，经Al2O3处理后，TiO2的光泽提高，但耐久性变差，而SiO2可以提高耐久性，但产品光泽较低。

表10-3 表面处理剂与TiO2光学性能的关系(CPVC以下)

颜料类别遮盖力着色力色调光泽颜色

有光最高最高最蓝最高N/E

多用途耐久性颜料中等中等中性色中等N/E

高干遮盖力颜料最低最低最黄最低N/E

表10-4 表面处理剂与TiO2光学性能的关系(CPVC以上)

颜料类别遮盖力着色力色调光泽颜色

有光最低最低最蓝最高N/E

多用途耐久性颜料中等中等中性色中等N/E

高干遮盖力颜料最高最高最黄最低N/E

表10-5 表面处理剂与TiO2耐久性的关系

颜料类别表面处理剂光泽着色力抗粉化性光泽保持力

低耐久性颜料Al 高高低低

中等耐久性颜料 Al、Si 中等中等中等中等

高耐久性颜料 Al、Si 中低低高高

中等耐久性颜料 Al、Org 高光高中等高

高耐久性颜料 Al、Zr、Org 高光高高高

3. 涂料配方设计中钛白粉的选择

在涂料配方设计中，钛白粉的用量在原材料成本中占很大比例。TiO2产品的品种繁多，所有的产品都是为某些性能设计的，不同等级的产品其用途和价格都不同。钛白粉作为主要原材料用于涂料中时，选择合适的等级是很重要的。不同等级钛白粉适合不同类型的涂料产品，主要包括以下级别：

(1) 具有高耐候性的钛白粉，适合于管道涂料和汽车涂料；

(2) 具有优异光学性能的钛白粉，主要用于陶瓷涂料和水性工业涂料；

(3) 具有最好不透光性的涂料级钛白粉(80 ~ 86% TiO2)，主要用于平光乳胶漆；

(4) 有合适特性的复合级钛白粉，应用范围比较广，属于通用型钛白粉。

实际上，一些级别之间的差别很小，除非必须突出某些特殊的性质，如(1)、(2)类，一般级别的选择很宽。在大批量生产和贮存TiO2时，可以选择适合各种用途的通用型级别。在建筑装璜涂料的生产中，通用型钛白粉颜料可用于从低到高各种PVC下的溶剂型外墙有光涂料和水性乳胶漆中，改变了通常认为的高级钛白粉颜料主要用于中高PVC哑光乳胶漆的观点。陶瓷级颜料，特别是与不透明聚合物联合使用时，在这些涂料中的应用更加广泛。因此，若配方设计者能正确选择某一种等级的TiO2，则既能提高产品的性能，又能降低涂料的生产成本。表10-6可以作为钛白粉颜料选择的指导，涂料的PVC要根据用户的需要和对产品性能的要求来设计。

表10-6 钛白粉颜料选择的关键−光泽和耐久性

项目低耐久性(内墙、油墨)中等耐久性(外墙建筑涂料)高耐久性(汽车、管道)

低光泽高吸油值，高干遮盖力通用级钛白粉

+体质颜料抗粉化级钛白粉+体质颜料

中等光泽多用途陶瓷级钛白粉

+体质颜料

通用级抗粉化级

高光泽陶瓷级高光通用级高光抗粉化级

在涂料配方设计中，除选择合适的钛白粉等级外，另一个关键的问题是如何确定钛白粉的最佳使用量。这取决于涂料遮盖力的需求，但也受到其它因素如PVC、润湿分散程度、涂膜厚度、涂料固含量和其它着色颜料的存在等的影响。对于常温固化溶剂型白色涂料，TiO2含量在PVC为17.5%或颜基比为0.75:1时，可从高质量涂料的350 Kg/1000 L到经济型涂料产品的240 Kg/1000 L，涂料的固含量为50 ~ 70%。对于装饰性乳胶漆，当PVC < CPVC时，钛白粉的用量为200 ~ 300 Kg/1000 L，钛白粉的用量取决于涂料配方中所需的光泽、涂料中其它不透光组分(如不透光聚合物或煅烧粘土)的用量和涂料总体积固含量等；当PVC > CPVC时，钛白粉的用量可以随干遮盖力的增加进一步降低，在一些经济型涂料配方中，钛白粉的用量可以降低到20 Kg/1000 L。在高层建筑外墙涂料中，钛白粉的用量可以降低到一定比例，以增加涂膜的粘结强度。

表10-7至表10-9列出了使用TiO2颜料的几种不同用途的简单涂料配方。