I. はじめに
二酸化チタン (TiO₂)二酸化チタンを主成分とする白色無機顔料です。 TiO2 は結晶構造によりアナターゼ型、ブルッカイト型、ルチル型に分類できます。二酸化チタンは、その高い屈折率、強い着色力、優れた白色度、非毒性、優れた安定性により、塗料、プラスチック、製紙、インクに広く使用されており、その中で塗料産業が最大の消費量を占めており、-約 60% を占めています。
溶剤{0}}ベースか水-ベースのコーティングのどちらにおいても、TiO₂ は隠蔽力と装飾効果を提供するだけでなく、コーティングの物理的および化学的特性を大幅に改善します。化学的安定性、隠蔽力、着色力、耐食性、耐光性、耐候性を高めます。フィルムの機械的強度と接着力を高めます。ひび割れを防ぎます。紫外線と湿気の侵入をブロックし、-老化を遅らせ、コーティングの寿命を延ばします。また、材料の消費量を削減し、製品の多様化をサポートすることもできます。
II.コーティング隠蔽力に対する二酸化チタン粒子サイズの影響
TiO₂ 粒子の形状とサイズの変化は光散乱の程度に大きく影響し、隠蔽力に影響を与える重要な要素です。研究によると、同一条件下では、TiO₂ 粒子サイズが次の範囲にある場合、160～350nm-について可視光の波長の0.4～0.5倍-散乱能力が最も強く、コーティングの隠蔽性能を直接的に向上させます。
フィルム形成材料が TiO₂ 粒子を完全にコーティングできない場合、粒子の接触と凝集が発生し、実質的に粒子サイズが増大し、隠蔽力が低下する可能性があります。
Ⅲ．二酸化チタンの分散性が塗膜隠蔽力に及ぼす影響
コーティング業界では、粉末粒子の分散度が製品の性能を大きく左右します。製造中に、TiO₂ の分散には湿潤、粉砕、分散が含まれます。
TiO₂ の安定した懸濁液は隠ぺい力を向上させますが、TiO₂ の活性と配合環境への影響により、凝集、沈降、不安定性などの問題が発生する可能性があります。したがって、分散品質は隠蔽力に大きく影響します。
IV.分散剤の添加量がコーティングの隠蔽力に及ぼす影響
TiO2 粒子はほとんどのフィラーよりも小さく、凝集する傾向があるため、分散剤の選択と投与量は TiO2 の分散、ひいてはコーティングの隠蔽力に大きな影響を与えます。研究によると、分散剤の添加量が増加すると、顔料/フィラーの分散が向上し、粒子サイズ分布が狭くなり、有効粒子サイズが減少し、結果として隠蔽力が向上することがわかっています。-
V. コーティング中の二酸化チタンの持続可能な開発経路
TiO₂ は、効率の高い光散乱顔料として、優れた白色度と隠蔽力を備えています。{0}自動車、建設、水系コーティング産業の急速な成長に伴い、世界的な需要は増加し続けています。{2}}
しかし、資源消費、エネルギー使用、環境への影響に関する課題は深刻化しています。 TiO₂ 産業の持続可能性を高めることが急務となっています。
新しい生産技術の開発に加えて、コーティングメーカーは、TiO₂ の利用効率を向上させる方法を模索したり、消費量を削減する代替品を特定したりする必要があります。
1. 二酸化チタンの利用効率の向上
実際の用途では、TiO2 の凝集と凝集により、顔料含有量が高くても最適な隠蔽力が妨げられることがあります。したがって、光散乱効率を高めることが重要な研究焦点となっています。
Michael は、モンテカルロ シミュレーションを使用して、粗いフィラーを細かいフィラーに置き換えると、TiO₂ 粒子間の間隔が広がり、反射による隠蔽性が向上することを実証しました。「顔料の間隔」または「顔料の希釈」効果。フィラーが小さいほど TiO2 粒子をよりよく分離できるため、散乱効率が向上し、同等の隠蔽に必要な TiO2 の量が減少します。
ただし、間隔を置いて配置された TiO₂ 粒子は依然として再凝集する傾向があります。-
2013年に、ダウ・ケミカルの開発により米国大統領グリーンケミストリーチャレンジ賞を受賞EVOQUE™ プレ複合ポリマー技術-。これらのポリマーは TiO2 表面に結合し、粒子の分布と散乱効率を高める間隔を提供します。これにより隠蔽力が向上し、TiO₂ 含有量が最大で減少します。20%、パフォーマンスを維持または向上させながらコストを削減します。この技術はまた、耐汚染性、耐食性を向上させ、エネルギー消費を削減し、-独立した LCA によると-二酸化炭素排出量を削減します。22%以上と水の使用量30%.
1997年に、ヴィルタネンTiO₂「プレカプセル化」技術を導入し、TiO₂ コアと炭酸カルシウム シェルを備えたコアシェル顔料を作成しました。{{0}シェルにより間隔が確保され、散乱が強化され、二酸化炭素排出量が約 70% 削減されます。 FP Pigments はこの技術を商品化しました。
同様に、Chemours は処理された TiO₂ グレードを開発しました。TS-6300、粒子の間隔を広げ、凝集を減らす強化された表面処理が特徴です。吸油量が増加すると CPVC の強度が低下し、フィルム内に空隙ができるようになり、光の散乱がさらに改善されます。
2. 空気の導入
コーティング膜内の空気は樹脂と空気の混合物の屈折率を低下させ、TiO2 との屈折率コントラストを増加させ、光散乱を改善します。 3 種類の空隙が隠蔽力に貢献します。
- 樹脂内の空気
- フィラー粒子内の空気
- 顔料と樹脂の界面に空気が存在
古典的な例は、1984 年に Kowalski によって最初に開発され、Rohm and Haas によって商品化された中空ポリマー微小球です。ロパーク™。乾燥中、微小球内の水が蒸発して空気に置き換わり、乾燥時の隠蔽性が高まります。
TiO₂ が中空微小球で部分的に置き換えられると、初期の湿潤隠蔽は低下する可能性がありますが、乾燥隠蔽は TiO₂- のみのコーティングのレベルまで改善されます。ミクロスフェアはまた、耐汚染性、洗浄性、外観の色の保持性も高めます。
Omya の微多孔性焼成カオリンも同様に、密閉された空気空隙を含んでいます。急速な焼成によって生成された粒子は、蒸気圧により内部で膨張し、湿った状態と乾いた状態の両方の隠蔽を強化する閉じた細孔を形成します。まで20%TiO₂ の削減が可能です。
比較すると次のことがわかります。
- 微多孔性カオリンと中空微小球は両方とも隠蔽性を大幅に高めます。
- 微孔質カオリンはマットな効果を生み出す傾向があります。
- ミクロスフェアは光沢を増加させます。
CPVC よりも優れた微孔質カオリンは、内部と外部の両方の空隙が低吸油性と良好な耐スクラブ性を維持しながら隠蔽に寄与するため、さらに優れた性能を発揮します。
グエンら。さらに、ポリマーと TiO2 の「サンドイッチ」ナノ構造を開発し、TiO2、空隙、ポリマー間隔を組み合わせて複数の散乱経路を提供しました。
要約すればTiO₂ の分散を改善し、凝集を最小限に抑え、空気ベースの構造を導入することで、隠蔽力が大幅に向上し、部分的な TiO₂ の置換が可能になり、炭素排出量が削減され、TiO₂ の持続可能な開発がサポートされます。{0}}
VI.二酸化チタンの応用
TiO₂ は、コーティング、プラスチック、ゴム、インク、紙、化学繊維、セラミックス、日用化学薬品、医薬品、食品に広く使用されています。
コーティング
コーティング業界は、特にルチル型 TiO₂ の最大のエンドユーザーです。{0}} TiO₂ を含むコーティングは、明るい色、強力な隠蔽力と着色力、改善された膜強度と密着性、耐紫外線性と耐湿性、および延長された耐用年数を提供します。
プラスチック
プラスチック業界は第 2 位の消費者です。- TiO₂ は、プラスチック製品の耐熱性、耐光性、耐候性、機械的強度、寿命を向上させます。
製紙
製紙は 3 番目に大きな用途です。- TiO₂ は、白色度、光沢、強度、平滑性、不透明性を向上させます。アナターゼ TiO₂ は、その青みがかった色調と光沢効果のために一般的に使用されます。ラミネート紙には、耐熱性と耐光性を高めるためにルチル型 TiO₂ が必要です。
インク
TiO₂ は高級インクに不可欠な白色顔料であり、優れた耐久性、濡れ性、分散性を備えています。{0}
繊維および織物
TiO₂ は化学繊維のつや消し剤として使用され、その柔らかさから通常はアナターゼの形で使用されます。一部のグレードでは、繊維の光触媒による劣化を軽減するために表面処理が必要です。
ホーロー産業
高-純度エナメル-グレードの TiO₂ は、強い不透明度、均一な粒子サイズ、高い屈折率、優れた白色度、優れた耐酸性を備え、-滑らかで薄く、耐久性のあるエナメル コーティングを生成します。
セラミックス
セラミック-グレードのTiO₂は、均一な粒子サイズ、高い屈折率、優れた熱安定性（1200度で1時間耐えても灰色にならない）を特徴としています。陶磁器、建築材料、装飾材料などに広く使用されています。
中国の TiO₂ 産業は 1950 年代半ばに始まりました。今日、中国が占めている世界の TiO₂ 容量の 30%世界最大の生産者であり消費者でもあります。 1999 年から 2011 年にかけて、中国の TiO₂ 消費量は 248,000 トンから 165 万トンに増加しました-。CAGR は 17.11% でした。
中国には現在、原料資源が限られているにもかかわらず、50社を超えるTiO₂メーカーがあり、その多くは東部地域にあります。一方、チタン鉱石の資源は主に南西部に集中しています。業界は依然として比較的細分化されています。中国の TiO₂ 生産は、主に硫酸塩プロセスのアナターゼから主にルチルグレードに移行しており、現在では生産量の 70% 以上を占めています。しかし、ハイエンドの TiO₂ は依然として輸入に大きく依存しています。-
国内の塩素化 TiO₂ 生産量は依然として約 30,000 トンと非常に限られていますが、いくつかの企業が塩素化能力を 600,000 トン以上に拡大する計画を立てています。この期間は、製品構造のアップグレード、技術の改善、高度なプロセスの導入にとって重要な段階を表しています。
VII.結論
環境圧力の高まりと持続可能性への意識の高まりにより、-高汚染と高エネルギー消費を特徴とする TiO₂ 業界は重大な課題に直面しています-。コーティングに不可欠な白色顔料として、TiO₂ の利用効率を高め、消費量を削減し、代替材料を開発することは、持続可能な開発に向けた重要なステップです。