Что такое диоксид титана (TiO2) и какую роль он играет в рецептуре пигментов?

Перед началом зимы завод лакокрасочных материалов заменил привычный диоксид титана на марку подешевле, чтобы снизить стоимость рецептуры белой латексной краски. Белизна лабораторной выкраски не показала никакой разницы и даже читалась чуть выше, так что образец без затруднений прошел внутреннюю приемку. Когда партия дошла до объекта, бригада сообщила, что при прежнем расходе краска перестала перекрывать основание и требуется дополнительный слой; через полгода стена с солнечной стороны начала мелить и желтеть.

Диоксид титана, TiO2, это белый пигмент с самым высоким показателем преломления и самой высокой укрывистостью из доступных сегодня. В рецептуре он выполняет сразу три задачи: обеспечивает укрывистость, дает белизну и участвует в формировании атмосферостойкости покрытия или изделия. Кристаллическая форма и способ поверхностной обработки определяют, для чего он пригоден, и мы относимся к нему как к каркасу рецептуры, поскольку его дозировка и качество напрямую ложатся на структуру затрат и срок службы.

Укрывистость возникает из рассеяния света, и чем больше разница показателей преломления между частицей диоксида титана и окружающей средой, тем сильнее рассеяние на этой границе. У рутильного диоксида титана показатель преломления самый высокий среди белых пигментов, и это физическая основа того, что перекрыть основание удается очень тонким слоем. Эффективность рассеяния зависит также от размера частиц: он должен попадать в диапазон, соотнесенный с длинами волн видимого света, поскольку слишком мелкие частицы смещают рассеяние в синюю область и теряют укрывистость, а слишком крупные растрачивают ту площадь рассеяния, которую та же масса могла бы дать. Если у купленного вами диоксида титана распределение частиц по размерам слишком широкое, при той же дозировке вы получаете более низкую эффективность укрывания, и эта потеря в итоге выходит в расход краски или в толщину стенки изделия.

Диоксид титана выпускают в двух основных промышленных кристаллических формах: рутильной и анатазной. У анатаза белизна холоднее, а фотокаталитическая активность заметно выше: под ультрафиолетом на поверхности частиц образуются свободные радикалы, которые постепенно разрушают окружающую полимерную матрицу, что проявляется как меление и потеря блеска. Решетка рутила плотнее, фотокаталитическая активность у него значительно ниже, а в сочетании с поверхностным покрытием из диоксида кремния и оксида алюминия межфазную реакцию удается подавить еще сильнее. Для наружных красок, строительных профилей и деталей, связанных с автомобилем, мы неизменно рекомендуем рутил с полноценным покрытием. Разумное место анатаза это изделия для помещений, производство бумаги, часть процессов матирования химических волокон и другие применения, где длительная атмосферостойкость не требуется.

Связь между дозировкой диоксида титана и укрывистостью не является линейной. Когда объемная концентрация пигмента поднимается до определенного уровня, расстояние между частицами сокращается настолько, что они начинают мешать рассеянию друг друга, прирост укрывистости от дальнейшего увеличения дозировки быстро затухает, и потраченные сверх того деньги уже не возвращаются свойствами. За критической объемной концентрацией пигмента смолы перестает хватать на то, чтобы полностью обволочь каждую частицу, поэтому стойкость покрытия к мытью, адгезия и сопротивление проникновению снижаются, а пластиковые изделия могут потерять ударную прочность. Оптимизируя рецептуру заказчика, мы чаще всего начинаем с проверки того, не завышена ли доля диоксида титана, и заменяем избыток подходящим наполнителем, что одновременно улучшает и себестоимость, и свойства.

Могут ли рутил и анатаз напрямую заменять друг друга, зависит от условий применения: внутри помещений, где атмосферостойкость не требуется, такую замену стоит рассмотреть, а на улице она не выдерживает проверки, поскольку фотокаталитическая активность анатаза ускоряет разрушение матрицы и ведет к мелению и потере блеска; к тому же, если рецептура изначально построена на рутиле, при замене приходится заново сверять укрывистость и оттенок, потому что белизна и цветовой нюанс у них не совпадают. Частичная замена диоксида титана наполнителем ради снижения себестоимости вполне работает при условии, что доля замены остается в разумных пределах эффективности укрывания: у наполнителей вроде карбоната кальция и сульфата бария показатель преломления близок к смоле, собственной укрывистости они почти не дают, и чрезмерная замена вынуждает компенсировать это увеличением толщины покрытия; мы обычно сначала определяем, находится ли текущая рецептура в зоне перерасхода, и лишь затем оцениваем доступный запас для замены. Диоксид титана с одинаковым обозначением диспергируется в разных системах очень по-разному, потому что поверхностная обработка задает сродство частиц к среде: типы неорганического покрытия и органические аппреты различаются для водных систем, систем на растворителях и пластмасс, а плохо диспергированные частицы существуют на деле в виде агломератов, из-за чего эффективная площадь рассеяния падает и укрывистость вместе с блеском теряются.