R101A 多元醇改性有機シリコーン：二酸化チタンの有機コーティング剤、第3世代

二酸化チタンの有機コーティング剤は NPG、TMP、TME から有機シリコーンを経て、ポリオール変性有機シリコーンへと発展してきました。本稿ではマニュアルの実測データで TMP、7020、R101A の3世代を並べ、各世代が何を解決し、何を残したかを示します。

ルチル型二酸化チタンに有機コーティングが必要とされる理由

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ルチル型二酸化チタンは高品位の白色顔料で、二酸化チタン含有量、pH値、比抵抗値、粒径、水分、ルチル含有量などの理化学指標と、耐候性、着色力（TCS）、白度、隠蔽力、明るさなどの顔料性能指標に、具体的で厳しい要求があります。

しかし、これらの指標以外の加工性能の比重はますます高くなっています。 優れた顔料指標と加工性能の両方を満たすには、必ずコーティング処理を行わなければなりません。

コーティングは2段階に分かれます。まず無機コーティング（チタン、ケイ素、アルミニウムなど）を行い、続いて有機コーティングを行います。

無機コーティングは顔料指標を重視し、有機コーティングは応用・加工性能の指標を重視します。両者は重なりつつ、相互に補完します。

これが全文の骨格です。以下の比較はこの分担の枠組みの中で行われます。

第一世代の問題：耐高温性に負け、発泡する

初期の有機コーティング剤は、主に NPG（ネオペンチルグリコール）、TMP（トリメチルオールプロパン）、TME（トリメチルオールエタン）のように、ヒドロキシ基をもつか、加水分解でヒドロキシ基を生じるアルコール類・アルカン系の有機物でした。

共通する機構はこうです。親水性の極性基が二酸化チタンの表面に物理吸着し、親油性の非極性基が外側へ向かって有機分散媒体と相互作用する、それによって濡れ性が向上します。

問題もはっきりしています。耐高温性に乏しく、使用中に黄変や発泡といった弊害が生じやすい。

具体的には次の2つの問題になります。

• TMP はプラスチック用途で黄変を起こす
• TMP はパルプに適用すると多発泡などの弊害を引き起こす

汎用的なルチル型二酸化チタンでは、3つの系を同時に考慮しなければなりません。通常の水性系（製紙、水性塗料）、油性系（溶剤塗料、インキ）、高温系（ゴム・プラスチックとマスターバッチ）。

TMP は両方の期待を同時に満たせません。 二酸化チタン製造企業は、より高性能な有機コーティング剤を必要としています——これこそが第二世代と第三世代が解決しようとする課題です。

第二世代：有機シリコーン、そして残された課題

20世紀の80年代初頭から、海外の二酸化チタンメーカーが有機シリコーンコーティング剤を用いた有機コーティングを行うようになりました。

有機シリコーンでコーティングした二酸化チタンは、各種媒体との相容性を大幅に改善し、着色力（TCS）と白度を向上させ、光沢と耐候性を高め、吸油量を低減し、樹脂・プラスチック媒体との結合力を強めます。耐温性能に優れており（300℃を超える）、使用量も少なく扱いも容易です。

しかし致命的な欠点が1つあります。分散しにくく、凝集現象を起こしやすい。

これが課題の位置です。有機シリコーンは耐温性と汎用性を引き上げた一方、分散性を取り残しました。

第三世代：R101A、ポリオール変性有機シリコーン

R101A のやり方はこうです。ポリオールの優れた分散性能を有機シリコーンコーティング剤の補助材として活用することで、ポリオール変性有機シリコーンコーティング剤を合成しました。

これはポリオール変性シリコーンエマルションで、主成分は活性ヒドロキシ基をもつポリシロキサン、活性エーテル基をもつポリシロキサン、高分子量ポリオールです。分子はケイ素原子を中心とし、ヒドロキシ基・エーテル基・アルコール基などをもつ有機高分子です。

4つの構造的特徴

① Si 原子上の豊富なメチル基が、高エネルギーのポリシロキサン主鎖を遮蔽する。

② C-Si-Na 結合に極性がなく、分子間相互作用力が極めて弱い。

③ Si-O-OH 結合の結合長が長く、Si-O-OH-O-Si 結合の結合角が大きいため、Si-O-OH 結合は非常に回転しやすい、それゆえ R101A は潤滑性、流動性、耐候性、耐摩耗性に優れている。

④ Si-O-OH 結合は 75% のイオン結合性を 갖える共有結合である（共有結合は方向性を持ち、イオン結合は方向性を持たない）、Si-O-OH 結合の結合エネルギーは C-O 結合よりはるかに大きいため、R101A は従来の有機物と比べて非常に優れた耐熱性と耐候性をもっています。

第④項が耐温性の分子的な根拠であり、第③項が潤滑性の源泉です。この2つの性能が偶然並んでいるのではなく、同一構造の二つの面だからです。

コーティング機構：物理吸着だけではない

従来の有機コーティング剤（NPG、TMP、TME）は主として物理吸着に頼っています。R101A はそのルートを通りません。

従来の有機コーティング剤（NPG、TMP、TME など）は、その中の親水性極性基が二酸化チタンの表面に物理吸着され、親油性の非極性基が外側へ向かって有機分散媒体と作用することで、分散媒体との濡れ性を高めます。一方 R101A は主に、ポリオール変性シリコーン高分子中のシロキサン基と二酸化チタンとの水素結合による化学吸着、およびポリオール変性シリコーン分子上のヒドロキシ基／エーテル基と二酸化チタン表面のヒドロキシ基との化学縮合反応または置換反応によって、二酸化チタンの表面に極めて均一で緻密かつ強固なポリオール変性シリコーン膜層を形成します。

この膜層は3つのことを行います。

• 二酸化チタン粒子間の極性吸着を除去または弱める
• 二酸化チタン粒子間に立体障害となる官能基を形成し、凝集を防ぐ
• 優れた潤滑性、耐候性、熱安定性、後続反応に対する反応性をもつ

結果として、二酸化チタンが各種分散媒体の中で濡れて分散する性能が明確に向上し、二酸化チタンの光学安定性が高まります。

3世代を並べて比較：TMP vs 7020 vs R101A

マニュアルが示す比較表：

各メーカーの測定系・評価基準には差異があり、本実験結果は参考としてのみ提供するもので、当社はいかなる約束や保証も行いません。使用ユーザーは自らの要求に適合するかを検証する責任を負います。

1項目ずつ見ていきます。

着色力（TCS）は 1860 から 2013 へ、8.2% 向上しました。

分散性は 4.5 から 6.50 へ、相対増幅度 44.4% で3項目中最大です——しかも分散性こそ、マニュアルが第二代有機シリコーンについて「分散しにくく凝集しやすい」と指摘した劣る項目です。

吸油量は 19.09 から 16.30 へ、14.6% 低下しました。マニュアルの表現は「吸油量を低減する」という言葉です。

着色力（TCS）、分散性、吸油量、明るさの4項目で最適、耐黄変性は 7020 と並列です。

カーボンブラックで再度検証する

本文から移動ブラックに替えて再検証：Z111 に R101A を加える前後 8 指標（原文）

パラメータ	二酸化チタン版	カーボンブラック版
外観	白色液体	白色ペースト状液体
不揮発分	23%	99.9%
比重 g/mL	0.99	1.03
pH	6.8–7	6.8–7
希釈剤	水	水
添加量（粉体重量基準）	0.1–3%	0.1–3%

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同じ R101A を高顔料度カーボンブラック Z111 に切り替えて：

カーボンブラックで再度検証す…

指標	Z111	Z111 + R101A
黒度（≤）	16	15
着色力（%≥）	125	130
吸油値（ml/g）	1.05	0.98
揮発分（% 950℃）	8.0	8.3
水分（%≤）	5	4.5
PH	3.0	3.0
流動性（35℃）	22	28
篩残分 10⁻⁶	50	20

着色力 125 → 130、吸油値 1.05 → 0.98、流動性 22 → 28、篩残分 50 → 20。

篩残分は 50 から 20 へ減り、元の4割まで下がりました。

黒度が大きいほど、カーボンブラックの着色力が高い

使い方：湿式コーティングの6ステップ

実験室設備の制約により、乾式コーティングでは分散を均一にすることは難しいため、マニュアルは湿式コーティングを推奨しています。

200 g の二酸化チタンを処理し、添加率 0.5% とする場合を例にします。

1. 01機械撹拌装置付きガラスビーカーに純水を適量加え（純水量は約 20～50 mL、均一にスラリー化できる量を目安とします）、撹拌を開始します
2. 02R101A ポリオール変性シリコーンコーティング剤 1 g をビーカーに加えます
3. 03処理する二酸化チタン 200 g をゆっくりビーカーへ加え、30 min スラリー化します
4. 04撹拌を止め、ビーカー中の二酸化チタンを蒸発皿に移し、ろ紙で覆い、排気・恒温装置付き乾燥器に入れて、105℃ で約 6～8 h 乾燥させ、完全に乾くまで続けます
5. 05乾燥した二酸化チタンを取り出し、小型気流粉砕機で粉砕します
6. 06顔料指標（分散性、吸油量など）と応用指標（耐温性、乾燥粉体の流動性）を測定します

生産現場で直接使える2つの添加方法

スラリー法：ルチル型二酸化チタン原液のホモジナイザーまたは混合タンクへ R101A スラリーを直接加え、十分に均一にコーティングした後に気流粉砕します。

気流粉砕同期法：R101A は気流粉砕工程で、螺旋給送時に比率に従って直接添加するか、あるいは気流粉砕室内に噴霧して添加します。

カーボンブラックメーカーの水冷法：着色用カーボンブラックメーカーは、二次冷却の水へ直接（水 : R101A = 5 : 1）加えて噴霧コーティングを行えます。原生粒径を良好に保持し、後続用途の分散性能を高め、カーボンブラックの吸油値を低下します。

指標と添加量

R101A は二酸化チタンだけに使われるものではありません。酸化カーボンブラック、カーボンブラック、炭酸カルシウム、タルク、リトポーン、硫酸バリウム、硫酸ナトリウム、有機・無機顔料などの粉体系すべてに、活性化分散コーティングを適用できます。主たる作用は、耐酸化性、耐温性、有機相溶性、分散性、抗凝集性の向上です。

免責と3つの注意

免責：各メーカーの測定系・評価基準には差異があり、本実験結果は参考としてのみ提供するもので、いかなる約束や保証も行いません、使用ユーザーは自らの要求に適合するかを検証する責任を負います。

よくある質問

問：なぜ湿式でなければならないのですか？乾式ではだめなのですか？ 答：マニュアルの原話は「実験室設備の制約により、乾式コーティングでは分散を均一にすることは難しく、湿式コーティングを推奨する」です。制約を受けているのは実験室の設備条件であり、乾式そのものができないわけではありません。

問：添加量 0.1%–3% の分母は何ですか？ 答：粉体重量です。マニュアルには「添加量 0.1-3%（粉体重量基準）」とあり、別の箇所にも「R101A の二酸化チタンへの添加量は 0.1%-3%」と明記されています。

問：分散性 6.50 の単位は何ですか？ 答：マニュアルには量の次元が示されていません。4.5 / 5.3 / 6.50 は同一の評価体系における相対的な評点であり、横方向の比較にのみ使えるもので、絶対値としては使えません。

問：このコーティング剤は二酸化チタンにしか使えないのですか？ 答：いいえ、それだけではありません。マニュアルでは上海焦化の高顔料度カーボンブラック Z111 で検証しており（200 g、添加率 0.5%）、カーボンブラック版の黒度、着色力、吸油値、篩残分などの指標にも対応するデータがあります。

一言でまとめると