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特殊效果顏料的創(chuàng)新與應(yīng)用

很多現(xiàn)代效果顏料一直是無機(jī)顏料領(lǐng)域的佼佼者,而新顏料的開發(fā)也為它們帶來了挑戰(zhàn)。這一點(diǎn)尤其適用于特殊效果顏料(透明效果顏料、珠光顏料和干涉顏料),也在一定程度上適用于金屬效果顏料。特別是使用特殊效果顏料,可以在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的光澤和顏色效果,例如閃光色和彩虹色,重要的是片狀顏料顆粒的取向平行于基材或表面并且在其應(yīng)用系統(tǒng)中彼此平行,這是在涂料、印刷油墨、塑料或化妝品配方中實(shí)現(xiàn)所需光學(xué)效果的唯一方法。


典型的金屬效果顏料由直徑達(dá)100μm、厚度小于1μm的薄金屬片組成。 適合用于這種顏料的金屬有鋁和銅,還有鋅/銅合金。金屬效果顏料的原材料是錠狀的相應(yīng)金屬,這些通常被熔化,然后以液體形式噴射,然后在礦物油、油酸和硬脂酸存在下,將所得金屬砂粒在球磨機(jī)中機(jī)械成型為薄片。 出于安全原因,干磨是不行的,因?yàn)樵谘心ミ^程中產(chǎn)生的新金屬表面具有極強(qiáng)的反應(yīng)性,就技術(shù)重要性最高的鋁顏料而言,如今按照其起源時間的順序區(qū)分了以下三種類型:“玉米片型”、“銀元型”和“VMP 型”( 真空金屬化顏料)。玉米片型和銀元型是通過上述工藝生產(chǎn)的,而VMP型是近年來才開發(fā)的,是通過真空蒸發(fā)金屬鋁并將蒸氣沉積到聚合物箔上來生產(chǎn)的。 冷卻后,箔片上形成的薄鋁層被分離并研磨成顏料顆粒。 這樣得到的顏料顆粒非常細(xì)。 它們的厚度通常遠(yuǎn)低于50nm。


下圖顯示了三種鋁顏料的電子顯微照片,當(dāng)顏料表面更光滑并且邊緣和表面處存在更少的散射中心時,要實(shí)現(xiàn)的金屬光澤效果更強(qiáng)。 因此,從光學(xué)角度來看,銀元型尤其是VMP型代表了傳統(tǒng)玉米片型的進(jìn)一步發(fā)展。
鋁效果顏料的電子顯微照片


典型的特殊效果顏料是基于層-基底原理,由天然或合成云母、二氧化硅、氧化鋁或玻璃組成的薄片承擔(dān)了基底的功能,所有這些基底材料的光學(xué)折射率都很低。其尺寸與金屬效果顏料的尺寸相當(dāng)。二氧化鈦、α-氧化鐵(III)和其他光學(xué)折射率高的金屬氧化物會在基底平板上形成薄層。金屬氧化物層的厚度大多在40-250納米之間。在與光的相互作用中,反射、折射和干涉對這些顏料起著最為重要的作用。根據(jù)涂層材料的不同,吸收也會發(fā)揮作用,例如在存在氧化鐵層的情況下。光澤和色彩效果取決于基底和涂層的選擇,也可以在基底平板上沉積多層涂層。在這種情況下,通常會考慮高折射率層和低折射率層的交替排列。干涉色是由界面上反射的入射光波長疊加產(chǎn)生的,由此產(chǎn)生的色彩效果取決于一個金屬氧化物層或多個金屬氧化物層(如果使用多個金屬氧化物層)的厚度。


下圖顯示了層基底顏料的典型結(jié)構(gòu)。以二氧化鈦-云母顏料的橫截面為例(掃描電子顯微鏡照片)。
層基底效果顏料典型結(jié)構(gòu)


層-基底原理最早用于以天然云母薄片為基底的效果顏料。迄今為止,涂有二氧化鈦TiO2或氧化鐵α-Fe2O3的云母薄片是這類顏料中最重要的一種。此類顏料的生產(chǎn)始于天然云母的研磨,研磨過程中產(chǎn)生的片晶被分類以產(chǎn)生多種顆粒部分。由于顏料顆粒的大小和形狀來自于所使用的云母顆粒,因此這些顆粒在決定下一步生產(chǎn)過程中所生產(chǎn)顏料顆粒的光學(xué)特性方面起著決定性的作用。下一步,將一部分云母顆粒懸浮在水中,在高溫和規(guī)定的pH值條件下,在攪拌下將鈦鹽溶液(TiOCl2、TiOSO4)或鐵鹽溶液(FeSO4、FeCl3)滴入懸浮液中,在這些條件下,會形成二氧化鈦水合物或氧化鐵水合物核,如果反應(yīng)進(jìn)行得當(dāng),這些核會沉積在云母薄片上,在反應(yīng)過程中,氧化物水合物層會在云母板上生長,其厚度可根據(jù)加入的鈦鹽或鐵鹽溶液的量來確定和調(diào)整,沉淀反應(yīng)完成后,接下來的步驟是過濾、洗滌、干燥和煅燒(700-950 °C),只有經(jīng)過熱處理后,云母板表面的氧化物水合物才會形成二氧化鈦或氧化鐵(III),這同時實(shí)現(xiàn)了高折射率,而高折射率對顏料表面的光反射非常重要。


此外,顏料層在煅燒后會牢固地附著在基底表面,就二氧化鈦而言,銳鈦礦改性總是在熱處理后形成,要獲得金紅石色層,首先要在云母平板上沉積二氧化錫薄層,二氧化錫和二氧化鈦(金紅石型)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系使煅燒過程中形成的二氧化鈦在金紅石型改性層中結(jié)晶,與鈦白粉顏料一樣,金屬氧化物云母顏料也會使用表面涂層,以提高穩(wěn)定性并改善與應(yīng)用介質(zhì)的相容性。


特殊效果顏料的最新發(fā)展包括基于板狀二氧化硅的顏料(絨毛色彩效果,即與觀察角度密切相關(guān))、氧化鋁顏料(極度閃亮的色彩效果,尤其是在涂料中,如汽車涂料)和硼硅酸鹽玻璃顏料(特別強(qiáng)烈和純凈的干涉色)。多年來,合成云母制成的平板也可用作基底,針對每種基底材料都開發(fā)了特殊的生產(chǎn)工藝,其技術(shù)范圍包括從網(wǎng)狀涂層(二氧化硅)到熔鹽晶體生長(氧化鋁、合成云母),再到將玻璃熔體中的液態(tài)玻璃液滴噴灑到光滑的基底上。


新開發(fā)的技術(shù)還包括在鋁板上沉積氧化鐵層的各種效果顏料,這類顏料既有金屬效果顏料的高遮蓋力,又有氧化鐵的吸收和干涉現(xiàn)象所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的紅色、橙色和金色。


具有防腐顏料和磁性顏料等功能特性的無機(jī)顏料早已問世。然而,在這一領(lǐng)域仍需要開發(fā)改良產(chǎn)品和全新產(chǎn)品,這包括防腐蝕、導(dǎo)電、紅外反射、紫外線吸收或激光打標(biāo)等功能,在所有功能性應(yīng)用中,顏料和應(yīng)用介質(zhì)必須充分匹配,才能使表面(如漆膜)達(dá)到所需的性能。


一些較新的功能性顏料是基于特殊效果顏料的層-基底原理制成的。這一原理也可用于導(dǎo)電、紅外反射和激光標(biāo)記顏料。下表列出了此類顏料的組成和應(yīng)用。
顏料成分特性應(yīng)用
(錫,銻)O2/云母
導(dǎo)電性防靜電地板、靜電噴涂
(四氧化三鐵)Fe3O4/云母
磁性磁性表面
(二氧化鈦)TiO2/云母
太陽熱反射溫室、透明頂燈
(二氧化鈦)TiO2/云母,(錫,銻)O2/云母聚合物激光打標(biāo)塑料激光打標(biāo)


一種基于涂有導(dǎo)電 (Sn,Sb)O2層的云母片的導(dǎo)電顏料,其導(dǎo)電性足以用于防靜電地板和靜電噴漆,與導(dǎo)電炭黑顏料相比,云母顏料的優(yōu)勢在于其淺灰色,這為用戶提供了更多的色彩選擇。


基于層-基底原理的某些紅外反射顏料在各種應(yīng)用領(lǐng)域正引起越來越多的關(guān)注,主要集中在太陽熱輻射范圍(近紅外,750-1400納米)。具有適當(dāng)厚度二氧化鈦層的云母顏料能從其表面反射大部分太陽熱輻射,同時還能透過人眼可見光的主要部分,這些光對植物的光合作用非常重要(光合有效輻射 (PAR),400-750 納米)。因此,這種嵌入聚合物中的顏料不僅可用于溫室和農(nóng)用薄膜,還可用于透明屋頂元件和建筑物外部,目的是在保持可見光透射的同時,避免太陽光影響下的溫度升高。


基于層-基底原理的功能性顏料也適用于聚合物的激光打標(biāo),由二氧化鈦(TiO2)或(錫、銻)二氧化鈦(Sn,Sb)沉積在云母板上的層尤其適用于這一目的。當(dāng)聚焦激光束照射到聚合物中的顏料顆粒時,由于顆粒對激光的吸收,會產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的局部加熱,這一過程會導(dǎo)致吸收顆粒區(qū)域內(nèi)的聚合物碳化,從而形成深灰到黑色的顏色。即使聚合物中含有0.1%的少量顏料,也足以產(chǎn)生高對比度的標(biāo)記,不同波長的激光可用于聚合物的激光打標(biāo): CO2 激光器(10600 納米)、Nd:YAG 激光器(532 或 1064 納米)和準(zhǔn)分子激光器(193-351 納米)。在聚合物上形成的標(biāo)記非常耐用、耐磨。激光標(biāo)記聚合物的典型應(yīng)用是標(biāo)記電氣設(shè)備、電子元件、醫(yī)療設(shè)備、汽車部件以及各種產(chǎn)品的可追溯代碼和序列號。


下圖顯示了在含有激光可標(biāo)記顏料的塑料部件上進(jìn)行黑白標(biāo)記的示例。淺色激光標(biāo)記也是可行的,這里使用的顏料在與激光束作用時會導(dǎo)致部分蒸發(fā)的聚合物局部發(fā)泡。
激光標(biāo)記效果顏料案例