特殊效果顏料的創(chuàng)新與應用

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性，就技術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。它們的厚度通常遠低于50nm。

下圖顯示了三種鋁顏料的電子顯微照片，當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了基底的功能，所有這些基底材料的光學折射率都很低。其尺寸與金屬效果顏料的尺寸相當。二氧化鈦、α-氧化鐵(III)和其他光學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，如果反應進行得當，這些核會沉積在云母薄片上，在反應過程中，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）、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、導電、紅外反射、紫外線吸收或激光打標等功能，在所有功能性應用中，顏料和應用介質(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電、紅外反射和激光標記顏料。下表列出了此類顏料的組成和應用。

顏料成分	特性	應用
（錫，銻）O2/云母	導電性	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	塑料激光打標

一種基于涂有導電 (Sn,Sb)O2層的云母片的導電顏料，其導電性足以用于防靜電地板和靜電噴漆，與導電炭黑顏料相比，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用領域正引起越來越多的關注，主要集中在太陽熱輻射范圍（近紅外，750-1400納米）。具有適當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，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)生高對比度的標記，不同波長的激光可用于聚合物的激光打標： CO2 激光器（10600 納米）、Nd:YAG 激光器（532 或 1064 納米）和準分子激光器（193-351 納米）。在聚合物上形成的標記非常耐用、耐磨。激光標記聚合物的典型應用是標記電氣設備、電子元件、醫(yī)療設備、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記顏料的塑料部件上進行黑白標記的示例。淺色激光標記也是可行的，這里使用的顏料在與激光束作用時會導致部分蒸發(fā)的聚合物局部發(fā)泡。
激光標記效果顏料案例