传统智慧揭秘： 高质量的TiO2 如何实际降低涂料的整体成本
与许多人所说的相反，高质量的TiO 2 对整体涂料成本的影响比您想象的更微妙。
作者 Michael Diebold博士，技术研究员，Chemours公司，特拉华州，Wilmington
我们都知道，TiO2 的质量会影响涂层外观和性能，而且它也是成本的关键驱动因素。但TiO2 颜料对涂料成本的影响比TiO2价格的影响更为复杂。
今天的涂料配方设计师在选择颜料的质量方面，比以往任何时候都有更多的选择。最重要的是，配方设计师需要生产出高质量的涂料。无论是使用足够耐用的涂料来保护桥梁、风力涡轮机或其他工业设备，还是在住宅的深色或色漆涂漆时要求具有遮盖力，配方设计师都需要知道他们的油漆能经得起考验。特别是当许多工业应用要求通过更持久、更耐用的涂层来提高效率，从而延长使用寿命时，质量更是至关重要。
处方设计师还需要控制费用。低成本TiO2 的日益普及为许多配方制定者提供了一种快速的方法，可以在制作涂料时减少前期费用。
这些廉价颜料的生产商以更低的价格向配方设计者提供了一个看似令人信服的建议。如果TiO2 的最终目标是降低涂料的总体成本，那么选择较低质量的TiO2 似乎是一种简单易行的方法。
然而，事实是，这些廉价颜料实际上并不合算。尽管前期价格较低，但从长远来看，使用低质量的TiO2 实际上会给配方设计师带来更多成本。当配方设计师仔细研究后，就会发现，在大多数情况下，选择质量更高的TiO2更具经济效益。
以下是三个最重要的原因：
理由1：使用大量廉价的TiO2无法克服质量缺陷
所选用TiO2的质量是决定涂料遮盖力的关键因素，而质量较低的颜料生产遮盖力较低的涂料，已不是什么秘密了。许多廉价颜料的生产商经常告诉配方设计者，这些遮盖力不足可以通过简单地添加更多质量较低的颜料来克服。当配方设计师在一种颜料上节省10%的成本，却能生产出遮盖力降低5%的涂料时，表面上看起来，他们似乎得到了很好的结果。
然而，尽管许多配方设计师可能被告知，仅仅添加5%以上的TiO2 并不会增加5%的光散射，而且可能出现的情况是，使用更多低质量的TiO2在物理上无法弥补遮盖力的差异。换句话说，再多廉价的TiO2 也无法达到高质量TiO2的光散射水平。事实上，如图1所示，TiO2 的遮盖力优势随着TiO2含量的增加而降低，并且存在一个上限，添加过多的TiO2甚至会对涂料的整体光散射能力产生不利影响。在这种情况下，实现完全遮盖力的唯一方法是增加漆膜的厚度。
这些质量问题最终转化为更高的总体成本。当使用低质量TiO2 产生的整体光散射能力较低的涂料时，将需要在基材表面涂覆更多涂料，以使其具有足够的遮盖力。当一项工作需要使用更多的涂料时，配方设计师需要考虑额外的树脂、溶剂、添加剂和其他材料，这些因素会抬高总体成本。在某些情况下，这还需要额外涂覆涂层，也增加了涂料使用者的成本。
在大多数情况下，配方设计师可以节省生产大量低质量涂料所需的额外材料和能源成本，以及由此带来的麻烦，从一开始就生产出质量更高的涂料，最终成本会更低。
原因2：当调色为相同明度时，使用高质量的TiO2几乎总是产生更低的成本
有两个因素会影响涂料的总体遮盖力：其散射光和吸收光的能力。光散射指的是光线在碰到障碍物（如TiO2）时偏离其直线路径。因此，光线在足以深入到抵达基材之前，更多的光将从漆膜上反射出来，并返回到眼睛。光吸收是指光线被吸收并转化为能量，从而阻止光线返回眼睛。光散射和光吸收的总和决定了涂料的总体遮盖力。
低质量的TiO2 比高质量的TiO2 具有更差的光散射性。使用低质量TiO2的涂料能够克服一些光散射缺陷，这是因为颜料中含有有色杂质，这些杂质会吸收一些光。由于其较高的光吸收水平，用较低质量的TiO2 替代高质量的TiO2时，总遮盖力几乎或没有变化。
然而，这并不意味着质量较低颜料的性能与原始颜料相同。相反，我们发现，由于杂质的存在，低质量颜料生产的涂料的颜色较深。这意味着，虽然低质量TiO2生产的涂料与高质量的TiO2涂料一样具有遮盖力，但其外观也不太明亮。
如果这种低明度可被接受，而且配方设计师更关注的是控制成本，而不是生产更亮的白色涂料，那么必须考虑如果将高品质的TiO2涂料调到相同的明度，会发生什么。这样做，可以以较低的总体成本显著提高遮盖力，同时了解到要达到基材表面完全遮盖力所需的涂料会更少。
通过一个案例来了解明度、遮盖力和成本
通过案例研究，我们可以更好地理解这种效应。例如，考虑三个相关涂料的光学特性-明度和遮盖力。涂料A是由高质量TiO2 制成的涂料。涂料B与涂料A是一样的，除了TiO2已被同等的低质量颜料替代，其成本比现有颜料低5%。两种涂料的光学参数如表1所示。
从R ? 和扩散速率值可以看出，涂料A比涂料B更亮，但遮盖力相同。根据反射率测量计算出的SX（总光散射）和KX（总光吸收）值证实，这种新配方减少了光散射，但增加了光吸收。因此，我们可以在保持遮盖力的同时，将涂料的TiO2颜料成本降低5%。由于TiO2成本可能高达涂料原材料总成本的40%，这种交换可以将涂料的总原来成本降低多达2%。
如果涂料B的明度稍低是可以接受的，那么配方设计师应考虑涂料C，这只是对涂料A的一种改进，在其中添加了碳黑调色剂，使其具有与涂料B相同的明度。这种改进不会改变涂料的光散射强度（SX），但会增加光吸收强度（KX）。涂料C和涂料B的区别在于两个重要方面——更强的光散射和更强的光吸收——这两个方面都增加了遮盖力。如表1所示，这将使涂覆率增加8%以上。
如上所述，与涂料A相比，涂料B的总成分成本节约了2%。然而，由于涂料C的遮盖力比涂料A（和涂料B）高8%，因此其涂覆成本（美元/平方米）降低了8%。因此，更大的节约是使用高质量的颜料，但要使涂料调色与低质量颜料制成的涂料的较低明度相似。从不同角度来看，我们可以说，涂料B以加仑为单位的成本更低，但从涂覆面积来看则成本更高。
原因3：高质量TiO 2 的更高分散性降低了能耗成本
在涂料配制过程中，还可以通过使用高质量的TiO2 实现额外的成本节约。通过使用最高质量的TiO2产品，配方设计师可以降低配方中所需分散剂的量，因为分散剂可以更有效地结合到高质量颜料的表面。此外，高质量TiO2由于其增强的润湿性和较低的分散剂需求，能实现更快、更低能耗的研磨。除了通过减少每桶所需的分散剂来降低材料成本外，研磨时间的减少以及可能消除的不必要的研磨操作，都可以降低生产涂料所需的能源成本。
高质量的TiO2具有研磨速度更快、研磨步骤可能更少，以及在更高固体研磨基料上配制的灵活性等优点，因此它还提供了一种极具成本效益的方法，可以在速率受限的涂料生产设施上提高产能。
此外，使用较少的分散剂还有其他好处，这些好处会影响涂料的质量。例如，使用较少分散剂的涂料往往会产生水敏感性较低、与基材的附着力更强、硬度较低和更耐潮湿的漆膜。因此，这些涂料将不太会需要修补，并有助于延长基础资产的使用寿命。
计算总成本是一个微妙的等式
在选择涂料配方的TiO2等级时，有许多因素需要考虑。虽然廉价颜料的前期价格较低，对专业采购人士和涂料配方设计师来说极具诱惑力，但大多数情况下，购买更高质量的TiO2更具经济意义。尤其是当最终目标是生产高质量的涂料，以满足当今工业和建筑应用日益苛刻的要求时，配方设计师可以通过从一开始就使用更高质量的颜料来避免麻烦和意外支出。
计算TiO2质量对涂料总体成本的最终影响需要一些批判性思考，但对于试图以尽可能低的成本制造出最高质量涂料的涂料配方设计师来说，这是一项有价值的工作。因此，与了解配方设计师正在生产的独特产品以及生产所需的各种材料和步骤的TiO2供应商合作，是非常重要的。有了这些知识，材料供应商可以帮助配方设计师做出最佳决策，以满足最终客户的需求。
本文收录在《PCI中文版》杂志2022年4月刊中
