钛白粉作为一种高效的光散射颜料，为涂膜提供了优异的白度和遮盖力。随着汽车工业、建筑工业以及水性涂料市场的迅速崛起，钛白粉的总体需求量也日益剧增。然而，由于原钛矿资源的短缺，造成了钛白粉的供应紧张和价格上涨，也对涂料生产商造成了巨大的成本压力。

除了需要推进钛白粉生产新工艺及新技术的发展外，涂料生产商也需要积极探索如何提高钛白粉的使用效率，或者寻求新的替代物，以降低钛白粉的用量。

在实际应用中，钛白粉的团聚或者絮凝现象导致即使在钛白粉含量较高的情况下，也无法获得理想的遮盖。因此，提高钛白粉的光散射效率成为研究的热点话题。

Michael结合蒙特卡罗模拟方法阐述了在涂料配方中采用细填料等体积取代粗填料时，钛白粉粒子间将获得更多的空间阻隔，从而有效的提高涂膜的遮盖力。

随着填料粒径的减小，钛白粉颜料被更好的阻隔开，提高了钛白粉的光散射效率。这意味着获得同样的遮盖力，钛白粉的使用量会减少。这种钛白粉的空间阻隔也被称为“颜料稀释”效应。

然而，被稀释的钛白粉粒子也存在着重新聚集的可能性。2013年，陶氏化学因成功开发EVOQUE预复合聚合物技术而赢得了美国总统绿色化学挑战奖。

普通涂料钛白粉粒子间距离过于亲近会发生光散射区域重叠，使得效率降低。而预复合聚合物在涂料中固定于钛白粉粒子表面，形成有效的空间阻隔。

从而改进了涂料中钛白粉粒子的分布状况与光散射效率，提高了涂膜的遮盖力，并能够将涂料配方中钛白粉用量降低20%，以更少的成本达到同样甚至更好的遮盖效果。此外，预聚合复合物的添加还有助于改善涂料的耐沾污、耐腐蚀等性能。

这项技术的应用能够显著的降低能源消耗。据第三方验证生命周期评估（LCA）结果表明，EVOQUE预复合聚合物可以使涂料产品降低22％以上的碳排放量和30％的用水量。

1997年，Virtanen提出了一种钛白粉粒子预埋技术，以钛白粉粒子为核，外部包裹碳酸钙为壳，形成了如图8所示的核-壳结构的功能性颜料。

外层的碳酸钙为钛白粉粒子间提供了有效的空间阻隔，提高了光散射效率。碳足迹相比普通钛白粉低70%左右，可以实现钛白粉的部分取代。这种颜料已在FP pigments公司实现了商业化生产。

同样，科幕公司开发出了一种表面处理的钛白粉TS-6300。常规的表面处理往往是出于降低钛白粉的光催化活性以及提高分散性。而TS-6300中的高度处理化技术使得钛白粉粒子间产生了额外的阻隔空间，减少了钛白粉之间的团聚效应，从而提升了光散射效率。

并且，这种表面处理使得钛白粉粒子的吸油量提高，降低了CPVC的水平，使得在更低PVC的情况下能够利用涂膜中空气的存在提高光散射效率。

涂膜中空气的存在可以降低树脂/空气混和物的折射率，从而与钛白粉颜料的折射率差值变大，提高了涂膜的光散射能力。在涂料中，通常有三类空隙有助于提高遮盖，即树脂内的空气、填料粒子内的空气以及树脂与颜料界面处的空气。

对于树脂内空气提高遮盖的典型例子是Kowalski等在1984年*开发出的中空聚合物微球，并被罗门哈斯公司商业化，名称为ROPAQUE。

选用含羧酸基团的乳胶粒子与苯乙烯等硬单体等发生聚合反应，得到由高玻璃化转变温度（Tg）的聚合物硬壳包裹的乳胶粒子。

然后升高体系温度至壳层的Tg之上，再利用碱中和并溶解核内的羧基使核膨胀，然后降温使壳发生定型，产生充满水的微球。在涂膜干燥的过程中，水透过聚合物的壳挥发，逐渐被空气所替代。

为了比较中空聚合物对湿遮盖与干遮盖的影响，试验表明，只含有钛白粉的涂料具有较高的初始湿遮盖，并随着干燥时间的增加而逐渐下降，直至达到干遮盖的平稳状态。

同时含有钛白粉和中空聚合物的涂料具有相似的初始湿遮盖，然后在干燥过程中遮盖力逐渐下降，并在到达*低点后，得益于中空聚合物中水分的挥发，遮盖力又逐渐上升至平稳状态。

当涂料中降低钛白粉的含量，并搭配中空聚合物时，初始湿遮盖较差，但涂膜干燥后能够获得与仅含钛白粉的涂膜同样的干遮盖能力。

因此，中空聚合物可以用来部分替代钛白粉，并且能够如超细填料一般作为有效的空间阻隔，提高钛白粉的效率。此外，中空聚合物还能改进涂膜的耐污渍、耐沾污、耐擦洗性能，以及提供优异的户外保色性。

与中空聚合物类似，填料内部的空气也有助于涂膜的遮盖。欧米亚公司生产的微孔高岭土粒子截面处的聚焦粒子束图像，其结构中含有许多的微孔。这种含封闭微孔的高岭土是通过快速煅烧工艺制备而成的。

在传统的高岭土煅烧工艺中，天然水合硅酸铝在30min里缓慢加热至1000°C，使得片状的粘土颗粒形成形状不规则的团聚体。而这种含封闭微孔的煅烧高岭土加热过程仅需数秒。天然硅酸铝中的羟基基团在温度达到500 °C时发生解离，并以蒸汽的形式释放。

由于加热速度过快，蒸汽来不及释放而使得粒子内压力增加而膨胀，*终形成了很多的微孔。粒子内的空隙体积占比约20%，使得高岭土密度从原来的2.60降到2.06。

微孔高岭土中封闭的空气完全抵御了液体涂料中树脂、溶剂或者水的渗透，因此这些空隙有助于同时提高涂料的湿遮盖以及干遮盖。并且在低于或者高于涂料CPVC时均能够给涂膜提供高遮盖力，*高可节省20%的钛白粉使用。

其中，在低于CPVC的配方中，设定初始点为钛白粉体积含量为20%，且不含其他任何颜填料，然后分别以5%PVC的梯度增加三种对比物质，即PVC从20%逐渐升高至45%，整个过程通过等体积替换树脂保持钛白粉的体积含量不变。可以看出，传统的煅烧高岭土对于涂膜遮盖力的作用极小，这是因为其折射率与树脂相差不大。

而含有封闭气孔的两种物质，微孔高岭土和中空聚合物，极大地提高了涂膜的遮盖力。尽管两者对于涂膜遮盖力的贡献相似，但对于光泽的影响却不尽相同。微孔高岭土由于其表面的微粗糙结构具有哑光效应，而中空聚合物有利于提高涂膜的光泽。

在高于CPVC的配方中，起点为75%PVC，其中包含10%PVC的钛白粉和65%PVC的平均粒径为4µm的碳酸钙。然后同样以5%PVC的梯度取代碳酸钙，并维持总的PVC和体积固含不变。

在CPVC之上时，微孔聚合物优于中空聚合物和传统煅烧高岭土。这是由于此时微孔高岭土粒子内部及外部的空隙同时作用的结果。

并且由于微孔高岭土吸油量低于传统煅烧高岭土，对耐擦洗也不会造成不利的影响。

另外，Nguyen等通过自由基乳液聚合技术合成了聚合物与钛白粉的复合纳米夹心体。在此结构中，钛白粉粒子首先通过水溶胀型的亲水型内层聚合物预埋，然后再包覆一层疏水型外层，*后在碱溶液中内部亲水型的聚合物层发生溶胀，形成了内含空气和钛白粉粒子的夹心结构。

这种结构通过3种方式提供遮盖：

一是钛白粉粒子；

二是空气；

三是外层提供的空间阻隔。

综上所述，在涂料配方中，针对不同的性能要求，通过降低钛白粉的团聚提高其光散射效率，或者通过引入空气增加额外的光散射，均能够使得涂膜获得更好的遮盖力，实现钛白粉的部分取代，减少碳排放，提升钛白粉的可持续发展能力。