特殊效果顏料的創(chuàng)新與應(yīng)用

作者：精顏化工日期： 2023-08-09 點擊量：文字大小：大中小

很多現(xiàn)代效果顏料一直是無機顏料領(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)用中實現(xiàn)獨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中機械成型為薄片。出于安全原因，干磨是不行的，因為在研磨過程中產(chǎn)生的新金屬表面具有極強的反應(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，要實現(xiàn)的金屬光澤效果更強。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