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颜料—涂料的重要组成部分
相关专题： 颜料 时间：2009-04-01 16:39
摘 要 颜料是涂料的重要组成部分,本文简要介绍了颜料的作用和性质。
关键词 涂料;颜料;颜料的作用;颜料的性质;颜料的分散
1 色彩展现精彩世界
涂料的色彩来自于颜料。
色彩演绎出无限遐想,无论是高楼大厦、乡间别墅,还是家居装饰,都用涂料丰富的色彩绘就美的享受,刷出无限惬意,使生活呈现出五彩缤纷和绚丽多姿。涂料的色彩文化正悄悄改变着人们的生活,影响人们的身心健康。
随着生活水平的提高,人们对涂料颜色的选择范围和层次要求越来越广泛和丰富,简单的色调已无法满足人们个性化的需求,复色越来越普遍,浅淡、中性、天然、缤纷,多层次,个性化的发展趋势已逐渐成为主流状态。
色彩心理学认为人对色彩的偏爱在多数情况下是感性的,随性别、年龄、文化程度、所处环境的不同存在明显的差异。
消费心理学的研究表明,在购买决策中色彩因素占60 %左右,因此涂料色彩正成为销售过程中的有力武器。
颜色通常分为暖色和冷色。红、橙、黄系列颜色使人们联想起温暖或热的物体,被称为暖色;而绿、蓝、紫系列颜色使人们有一种和平、宁静、放松的感觉,被称为冷色。浅色使空间“变大”,而深色使空间“减小”。
红色对人的心理活动有强烈刺激,使人感到兴奋和温暖,红色注目性高,视认性好,用于多种危险信号。
黄色是最明亮的颜色,使人有光明、向上、愉快的联想,注目性优于红色,视认性很高。
绿色使人精神集中,制造有效的工作环境,人对绿色最敏感,因此绿色作为安全色的色相,视认性高。蓝色使人沉静,心旷神怡,感到寂寞,冷清,视认性较差。黑色有庄重的感觉,也是恐惧的象征。白色是高尚、纯洁的象征,也代表寒冷、忧伤。
2 颜色的表示方法
211 颜色与光波
颜色和光有密切的关系。光是一种电磁波,波长不同对人视觉神经的刺激也不同,颜色便是视觉的一种反映。光的波长与颜色的关系如表1。
通常将可见光分为红、绿、蓝三段。红、绿、蓝为三原色,黄、品、青为三辅色,多种颜色的光都可由三原色和三辅色配合而成。
漆膜本身不能发光,漆膜的颜色是入射光照射在漆膜上时,经过反射、吸收、散射、折射各种作用后从表面反射或透射出光的颜色进入人的眼睛。因此决定漆膜的颜色是入射光、物体本身和人的眼睛,这就是颜色的三要素。眼睛对光的感觉是不同的,一般人对绿光最敏感,对红光最不敏感。而且颜色和心理作用有密切关系。
212 漆膜颜色的表示方法
(1) 色调法
GB/ T 3181 - 1995《漆膜颜色标准》规定了用色调表示漆膜颜色,配合《漆膜颜色标准样卡》( GSBG51001 - 1994) 一起使用。色调由红、黄、绿、蓝、紫5种主色和黄红、绿黄、蓝绿、紫蓝、红紫5 种相邻色表示,每种色调范围又包括若干种颜色。这种方法应用最广泛。
(2) CIE 三色色标系统数据法
三色色标系统是国际照明委员会(CIE) 规定的方法。颜色坐标由三个互相垂直的矢量组成,每种颜色均可由色坐标中某一点坐标的三个矢量值表示出来。CIE 三色色标系统有三种表示方式:①用三刺激值X、Y、Z 表示;②用刺激值Y和色度坐标x、y 表示;③用CIE 均匀色空间色坐标L3、a3、b3表示。
(3) 色调、明度、彩度标号法
色调、明度、彩度为颜色视知觉的三属性。色调是颜色的基本因素,判别颜色为主色或相邻色对的中间色;明度又称亮度,判定颜色的明暗程度,是物体反射光的量度,其标度以绝对黑色为0 ,绝对白色为10 作基准进行分度;彩度又称饱和度,用以表明颜色偏离同明度中性色的程度,是颜色的纯粹程度。三色色标系统法和色调、明度、彩度法都有一系列数学式表示。
颜料的颜色一般不是单纯色,而是介于单纯色之间,将两种不互补色的颜料混合,得到的颜色是介于这两种颜色之间的颜色。
213 鲜映度
颜色的清晰度和鲜映度是不同的概念。鲜映度是漆膜反映影像的清晰程度。鲜映度是光泽、表面光滑的一种综合指标,能较好地表征光学装饰性。鲜映度的测量原理示意如图1。
光源发出一定强度的光照射到字数码板上,反射到被测漆面上,再反射至观察点,观察者通过目镜观察漆面的字码,通过对字码的辨别测得鲜映度等级。鲜映度分为0. 1、0. 2、0. 3 ⋯⋯1. 0、1. 2、1. 5、2. 0共13 个等级(称DOI 值) 。在每个值的旁边印有几个数字,随DOI 值的升高,印的数字越来越小,肉眼
越难分辨。在观察点能清晰读取数字旁的最高DOI值为被测漆面的鲜映度。
3 颜料的作用
3. 1 增强作用
颜料的活性表面可以和大分子链相结合,形成交链结构。当一条链受到应力时,可通过交联点将应力分散。颜料与大分子间的作用力对涂料起到增强作用(见图2) 。颜料微粒越细,增强效果越好。
3. 2 增加附着力
涂料固化成膜时,常伴有体积收缩,产生内应力,影响涂料的附着力。而加入颜料后可以减少收缩,增加附着力。
3. 3 改变流变性
颜料的加入提高了涂料的黏度,赋予涂料很好的流变性。如添加气相SiO2 可赋予触变性。
3. 4 改善耐候性
有些颜料可吸收紫外光或反射紫外光,起到光屏蔽作用,如炭黑就是紫外光吸收剂,可提高涂料的耐候性。
3. 5 降低光泽
颜料可以影响漆膜表面的平滑性,使光泽降低。很细的SiO2 和蜡可在清漆中用于消光。
3. 6 防腐作用
红丹等防腐蚀颜料的加入大大提高涂料的防腐蚀性能。云母、玻璃鳞片、不锈钢鳞片在重防腐涂料中都具有屏蔽作用,能阻挡水和空气穿透涂膜侵蚀基体。锌粉在涂料中还有类似于牺牲阳极的作用。
3. 7 降低成本
体质颜料(惰性颜料) 在涂料中不起色彩作用,但可增加体积,降低成本。
4 颜料的性质
4. 1 遮盖力
遮盖力是涂料赋予被涂物装饰性的重要性质。是指涂料涂覆于基材上,颜料遮挡被涂物表面,由于光的吸收、散射和反射而不能透过涂膜见到基材表面的能力。遮盖力与折光率、颜料微粒大小及分散性等因素有关。
遮盖力有两种情况:一种是漆膜吸收照射在其上的光线,使光线不能达到底部,因而无法看到基材表面,如加有炭黑的黑漆;另一种是光线在颜料与成膜剂界面之间散射,使光线不能达到底部,因此无法看到基材表面,如白色漆。对于大部分彩色颜料,则是吸收与散射同时起作用。
遮盖力用两种方式表示:一是遮盖单位面积所需的最小用漆量;二是遮盖底面所需的最小漆膜厚度。
同种颜料,由于粒径不同,对光的散射情况也不同,遮盖力也就有差异,颜料粒径越小遮盖力越好。为了取得最佳遮盖效果还应将颜料分散好,颜料的絮凝必然降低遮盖力。
遮盖力也与颜料体积浓度( PVC) 有关,当体积浓度超过临界体积浓度(CPVC) ,即PVC > CPVC 时,由于漆膜中有气泡出现,会大大提高遮盖力。
颜料的折光率与聚合物的折光率之差越大,遮盖力越好,反之则遮盖力越差。SiO2 遮盖力差,只作体质颜料,而金红石型钛白粉折光率最大,与聚合物的折光率差也最大,因而是最好的白色颜料。
4. 2 着色力
颜料的着色力是颜料的主要性能。着色力越好,颜料用量越少,成本越低。
着色力与颜料本身性质有关,也与其粒径大小有关。一般有机颜料比无机颜料着色力好。颜料粒径越小,着色力越好。
颜料的分散性好,着色力也好。分散不良可引起色调异常。
着色力与遮盖力无关,透明颜料的遮盖力差,而着色力可能很好。
4. 3 密度
密度越小的颜料越有利于降低成本,因为颜料的作用是以体积为基础的。
金红石型钛白粉密度4. 1g/ cm3 , 而铅白为616g/ cm3 ,前者比后者遮盖力好,体质颜料一般密度
都比较小。
4. 4 粒径大小与形状
颜料的最佳粒径一般应为光线在空气中波长的1/ 2 ,即0. 2μm - 0. 4μm。大于此值,颜料的总表面积减少,对光线的总散射能力减少;小于此值,颜料将失去对光线的散射能力。
颜料通常是不同粒径的混合体,粒径在0. 01μm- 50μm 之间。颜料微粒的形状不同,其堆积和排列也不同。
影响到颜料的遮盖力和流变性等。如片状颜料有栅栏作用,减少空气和水份的穿透,而杆状颜料增强作用好,有利于下道涂层的黏附,但降低涂层的光滑度和光泽。
4. 5 渗色性
在红漆底层上涂白漆,成了粉红色,这是因为白漆中的溶剂溶解了一部分红漆中的颜料,这种现象称为渗色。红色有机颜料最容易渗色,渗色与溶剂有密切关系。
4. 6 耐光性
人们要求涂膜不仅有色泽,而且要耐久,最好能保持到涂膜破坏为止,这就要求颜料的耐光性要好。耐光性差的颜料在光的作用下会很快褪色、发暗或色相变坏。
4. 7 稳定性
颜料在涂料中的稳定性十分重要,不仅影响涂料的使用,也影响涂层的耐老化性。如氧化锌用于高酸值树脂中,会与树脂反应生成皂,使树脂通过金属锌交链,因而在贮存过程中黏度大增,产生“肝化”。含铅颜料与大气中H2S 反应生成黑色PbS ,使漆膜发暗。
在高温烘漆中,颜料的热稳定性也是十分重要的。
4. 8 吸油量
吸油量是颜料的重要指标。在100g 颜料中将亚麻仁油逐滴加入,并不断用刮刀混合,起初颜料成松散状,后来全部颜料黏结成一个球,若继续滴加亚麻仁油,体系将变稀,此时所加的亚麻仁油量为颜料的吸油量(OA) 。OA = 亚麻仁油量/ 100g 颜料 达到吸油量,意味着颜料表面吸满了油,微粒间的空隙也充满了油。若再加油,黏度自然要下降。
颜料的微粒越细,分布越窄,则吸油量越高;颜料的密度越小,吸油量越高;颜料微粒呈园珠型比呈针状吸油量高。
吸油量也与颜料自身性质密切相关,如BaSO4比CaCO3 吸油量高。
4. 9 体积浓度
颜料的体积浓度是在涂膜干膜中颜料所占的体积百分数。PVC = 颜料的体积漆膜总体积
当颜料吸附了树脂并在颜料无规则紧密堆积形成的空间中充满树脂时,这时的体积浓度称为临界体积浓度(CPVC) 。
体积浓度与漆膜性能有很大关系,当达到CPVC时,各种性能都呈现一个转折点(如图3) 。
当PVC 增大时,漆膜内颜料体积大了,漆膜表面平滑度下降,光泽下降,遮盖力增大,着色力增加,耐蚀性下降,防污力变差。PVC 与CPVC 之比称为比体积浓度:Δ= PVC/ CPVC 比体积浓度的取值范围见表2。
4. 10 毒性
很多颜料都有毒性,在使用中应谨慎。镉、铬等重金属盐的毒性已为世人公认,正在努力寻找其代替品。红丹的毒性使防蚀性能优良的红丹走向淘汰之路,有机颜料大多也有毒性,选择时应予以注意。
5 颜料的分散
5. 1 颜料的分散过程及其影响因素颜料的分散是色漆制备的关键,分散性的优劣直接影响涂料的质量。颜料的分散过程是:润湿→研磨与分散→稳定。
润湿是颜料微粒表面的水分和空气被溶剂所取代的过程。溶剂黏度低时,润湿的速度较快,在润湿时应先加溶剂后加颜料。在水性涂料中,由于水的表面张力较大,有机颜料润湿有困难,需要加一定润湿剂降低水的表面张力。
颜料粒子间的范德华力,常使颜料微粒聚集成为聚集体,因此需要研磨,用剪切力使颜料聚集体分散开。黏度与剪切力成正比,黏度越高,剪切力越大,对研磨分散越有利;但黏度不能太高,否则研磨电机负荷太大。
分散后的颜料仍有聚集倾向,即絮凝。絮凝使涂料的遮盖力和着色力下降。为避免聚集,稳定颜料微粒,可采用电荷保护和立体保护两种办法。
电荷保护是加一些表面活性剂或无机分散剂,使颜料微粒表面带电荷,形成双电层,利用电荷的排斥力使颜料微粒保持稳定。(见图4) 。
立体保护是加一些聚合物使颜料微粒表面形成一吸附层,当吸附层达到一定厚度(8nm - 9nm) 时,吸附层间即产生排斥力,使微粒不致聚集(见图5) 。聚合物产生的吸附层有多个吸附点,吸附层厚度可达50nm ,保护作用好。
稳定的颜料分散体在存放时,不应发生沉降、絮凝和导致体系黏度的增加。
防止颜料微粒的沉降要尽量用粒径小,密度低的颜料和黏度高的介质。颜料密度相对较大时,可用表面活性剂处理,增大微粒吸附层的半径,减小沉降的可能性。
颜料微粒的不断运动,当微粒的动能克服了微粒间的斥力而导致亲密接触时,颜料即产生絮凝。提高黏度可防止絮凝,更重要的是防止颜料微粒在运动过程中的互相接触。
颜料微粒通常受到范德华力、静电力和空间阻力三种作用力。范德华力是吸引力,静电力主要是排斥力,空间阻力是排斥力。这三种力的共同作用决定颜料分散体的稳定性。防止絮凝最重要的是克服范德华力。当颜料微粒互相靠近时,排斥力逐渐增加,达到最高点后,进入吸引区,吸引力引起絮凝。因此,提高分散稳定性要防止高能量的微粒因碰撞而进入吸引区。
对水分散体系通常可加入一些表面活性剂或电解质使微粒表面形成厚的双电层,使微粒间产生较大的排斥力,以防止絮凝。
在涂料贮存期间,树脂和颜料均发生一系列物理化学反应,特别是颜料的絮凝,使涂料黏度上升。
为了稳定颜料分散体而加入的表面活性剂有润湿作用、稳定作用和挤水作用。表面活性剂可降低介质的表面张力和介质与颜料的界面张力,因而促进颜料的润湿。同时颜料微粒表面吸附有表面活性剂时,可产生静电或立体保护作用,阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂联合使用效果更好。
为了使颜料易于分散,可用树脂对颜料微粒进行表面处理。聚合物可在聚集的颜料微粒间形成空隙,使溶剂容易渗入微粒中将树脂溶解,使微粒较好的分散于介质中。
用硬脂酸处理CaCO3 ,可降低颜料比重,增大体积,控制颜料的沉降速度,沉降后也不致形成硬块。用Al2O3 、SiO2 处理TiO2 微粒表面,除提高分散性外还可改善耐候性。
一般颜料都是由水—颜料体系经过干燥粉碎而制得的,在转变为粉末过程中,颜料微粒严重聚集,加入表面活性剂后,可使颜料微粒直接由水相转变为油相,利于研磨。聚合物在颜料分散中也起到保护作用。聚合物浓度过高,不利于颜料润湿。
5. 2 颜料的分散设备
颜料的分散设备主要有三辊机、球磨机、砂磨机、高速搅拌机等。
三辊机是最常用的研磨分散设备,由三个钢辊及传动部分组成,三辊速度不同,加料辊(后辊) 为慢速,前辊为高速(见图6) 。三辊机是典型的用剪切力作用来分散颜料的设备。
球磨机由钢筒及传动部分组成,钢筒内装钢球作为研磨介质,钢筒水平旋转,钢球将颜料粒子撞击磨碎。球磨机是典型的用撞击力来分散颜料的设备。
砂磨机是球磨机的改进和发展,砂磨机的研磨介质是微细的砂或珠。砂磨机筒体直立,有搅拌轴和由底部向上的强制送料系统,连续进料。漆料和颜料的混合体在筒内受到激烈搅拌,砂粒猛烈的撞击使颜料分散,通过出口筛挡住砂粒并送回筒中(见图7) 。砂磨机分散效率高,已被普遍采用。
高速搅拌机用于颜料和漆料预混合,也可用于研磨后的调稀作业。对易于分散的颜料,高速搅拌机可得到满意的分散效果,转速一般为4000r/ min -5000r/ min。
超声波分散用于纳米颜料,利用超声波的空化作用使聚集的纳米微粒均匀分散。
颜料研磨后用细度板来判断其研磨效果。而分散性的好坏用遮盖力和着色强度来衡量。首先备有分散得很好的标准白浆和标准色浆(如蓝浆) ,用待测白浆和标准白浆相比,在白浆中各加入一定量的标准蓝浆,混合后,若待测白浆颜色比标准白浆深,则未分散好,表明白浆遮盖力差。反之若要测色浆(如蓝浆) 的分散性,可用加标准白浆进行比较,待测蓝浆若变浅,表明蓝浆未分散好。
涂料配色时,常将每种颜料分别分散成单色色浆,再配成单色色漆,由几种单色色漆按确定配比在同一研磨机中分散,得到稳定的颜料分散体。
对多数色漆,甚至深色漆,往往需要加一定数量的白色颜料。而鲜艳的色漆宜选用有机颜料。深色漆和暗色漆宜加一些黑色颜料。在一种涂料中使用颜料品种越少越好。
6 颜料创造灿烂未来
除开涂料的功能性因素外,涂料的广泛应用应归功于颜料的发展。可以说,没有五光十色的颜料,就没有五彩缤纷的涂料,也就没有五彩斑斓的世界。
不言而喻,颜料的作用是显而易见的。
然而在对涂料的研究中,对颜料的关注太少。我国是世界涂料的第二生产大国,是世界颜料的重要消费市场,也是世界各大颜料商必争之地。
经过数十年的艰苦奋斗,我国颜料工业已具有相当规模,我国已经成为世界颜料生产大国,世界无机颜料低档品及初级品的主要贡献者,但却不是颜料利润的主要获得者。
我国颜料工业技术水平普遍偏低,低档产品过剩,而高档产品严重不足,与先进国家的差距还很大,因此,缺乏足够的市场竞争力。
加速开发高档颜料产品,迅速改变我国颜料工业的落后面貌,才能创造涂料工业的辉煌明天,也创造人类生活的灿烂未来。