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天然须雕饰:云母钛珠光颜料的色彩效应及制备要点
2018年12月06日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:55
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圆润光彩的珍珠一直深受人们喜爱,而为它美丽加分的“珠光现象”其实是一种复杂的天然光学现象形成的——当光线照射时,珍珠层的表面会出现反射、折射和漫反射现象,同时珍珠质层间产生光的衍射和干涉作用,共同形成珍珠特有的色泽和晕彩。

 

 

 

但天然珍珠的数量稀少,价格昂贵,为了得到价格低廉且同样具备这种光泽感的物质,就必须要“仿造”。1653年人们首次从淡水鱼鳞中萃取到鸟嘌呤微结晶体,将它灌入到空心玻璃球中后便成就了“模造珍珠”,但这种工艺太过复杂很快就被取代了。

 

再之后,人们也陆续发现好几种能产生珠光效应的化学物质,如氯化银、砷化物等,但因为它们具有一定的毒性,在使用上受到严格限制,也逐渐被淘汰了。直到美国杜邦化学公司发明了一种以天然云母作为基材并用硫酸氧钛在其表面包膜来生产珠光颜料的方法,天然云母才正式作为珠光颜料的主力军登上舞台。

 

左:欧白鱼的鳞片是鱼鳞珠光材料的来源之一。(来源:cosmeticsandskin)

右:鱼鳞珠光材料中的薄片状晶体,它是形成珠光的关键。

 

一、云母钛珠光颜料的色彩效应

云母钛珠光颜料是由研磨的云母粒子用二氧化钛和(或)其他金属氧化物(如Fe2O3Cr2O3等)包膜而成,当白光照射在这些薄片表面时,经光线的多重反射,能显露出细洁柔和的“珠光效应”、明亮闪烁的“金属闪光效应”、随视角变化的“视角闪色效应”、随曲率而改变的“色彩转移效应”等多种色彩效应,根据呈现的色泽上大致可分为银白色型、彩虹型及着色型三大类。

 

云母钛珠光颜料的截面

 

1)珠光效应

当珠光颜料的粒径较小时,由于包覆在云母薄片上的二氧化钛多晶膜像天然珍珠那样,分成了许多微小的层次,当入射光照射到其表面时,就会沉陷出类似于丝绸般的柔和色泽,云母钛珠光颜料这种和珍珠相似的光学特性,称之为“珠光效应”。

 

丝绸般的美感

 

2)金属闪光效应

金属颜料是通过金属颜料片具有对光的镜面反射这一特点达到装饰的目的,这种利用金属表面对光的镜面反射给人眼造成的闪烁视觉感称为“金属闪光效应”。云母钛珠光颜料也拥有这种特性,当表面包覆钛或其他金属、非金属氧化物,或者对已制的云母钛珠光颜料进行表面金属化处理,就可以获得一系列金属光泽效果。

 

金属闪光底漆带来的光泽感

 

3)视角闪色效应

因为云母钛珠光颜料是在透明的云母薄片表面上包覆一层透明的、其折光率比云母薄片还高的金属氧化物所构成,所以当光线照射到表面时,在折光率不同的界面会发生光的折射和反射,相互平行的反射光之间,必然会产生光的干涉现象而产生幻彩。

 

当观察者的视线处于光线的反射角正对面时,能看到最强的干涉颜色,而偏离反射角时只能看到珠白色或其他颜色。这种随观察者的观察角度变化而看到不同干涉色的现象称之为“视角闪色效应”。

 

 

云母钛珠光颜料光泽原理的示意图

 

4)色彩转移效应

采用干涉色的云母钛珠光颜料制成的涂膜或塑料薄膜,能同时显示两种不同的颜色,称之为“色彩转移效应”。例如:采用幻彩珠光颜料配置的珠光型涂料涂装的轿车,呈现的色彩会随着轿车车身的曲率变化而变化,由蓝变到橙、从黄变到紫的色彩转移效应,也即从幻彩珠光颜料的反射色变到其互补色。

 

流光溢彩的汽车

 

二、云母钛珠光颜料的制备方法

前文提到,天然云母首度作为珠光颜料基材是利用了硫酸氧钛在其表面包膜的方法,但这种方法因操作繁琐且废物对环境有一定的污染,从1967年开始便逐渐被以四氯化钛为包覆材料采用液相沉积制备的方法所取代。目前还形成了在多种基材上包覆金属氧化物的珠光颜料,但还是以云母钛珠光颜料为主。

 

对云母钛来说,珠光性能决定了珠光颜料的呈现效果。影响珠光性能的因素有云母片的粒径分布、厚度及径厚比、表面平滑性、TiO2包膜层的平滑性、TiO2包膜层的密度、游离TiO2的含量等。

 

1.云母基片的精制

云母基片的矿物类型有白云母和金云母,通常采用白云母为原料。云母钛珠光颜料的珠光度强弱,在很大程度上取决于原料云母的质量。以湿磨白云母粉制备粒径均匀、径厚比大的云母浆是颜料合成中最关键的一环,这涉及到云母的分级技术。

 

白云母是一种天然矿产品,分子式为KAl2(AlSi3O10)(OH)2,产品中含有较多的伴生矿,如石英、高岭土、粘土、氧化铁等杂质,随产地不同,其杂质含量不同。云母粉精制的主要目的是去除附着的铁离子及其他夹杂物,改善其表面的吸附性能

 

白云母并非只是白色

它可以是较淡的褐、绿、红色到无色,具有玻璃光泽到丝绢光泽

 

2. 云母钛珠光颜料的制备方法

云母钛珠光颜料的制备方法比较多,主要是液相沉积法,常用的工艺有加碱法、热水解法和缓冲法等,常用的钛原料为四氯化钛、硫酸钛和硫酸氧钛。云母外层二氧化钛粒子的粗细、大小及分布的均匀程度决定产品的质量。二氧化钛膜层致密,折射率高,则珠光效果强。

 

①加碱中和法

加碱中和法是在制备过程中,向具有一定pH值的云母悬浮液中滴加钛盐溶液的制备方法,由于钛盐水解有酸形成,因此需要加入碱液以维持pH值的稳定。pH值是影响钛盐水解的重要因素,体系中氢离子的浓度影响水解反应速度及颜料珠光效果。

 

②缓冲法

此方法利用缓冲剂来控制pH值。根据缓冲剂的类型可分为:

 

(1)有机酸法:选用的缓冲剂有多元酸或羟基多元酸,随着钛盐的水解,在云母基片上沉淀的是含水的有机钛酸,最终经过焙烧得到锐钛型的云母珠光颜料。这种方法制得的颜料粒子细,产品亮度高,工艺简单,pH值易控制,但产品色泽较差,且使用有机酸成本较高。

 

(2)酸溶性缓冲剂法:酸溶性缓冲剂是金属或金属氧化物的成型物,如铁丝、氧化铝等,这些物质可以和钛盐水解产生的酸发生反应,从而起到调节pH值的作用。该方法原料易得,TiO2粒子在云母表面分布均匀,包覆率高,色泽好,但所用缓冲剂必须不影响产物的色相。

 

(3)尿素中和法:缓冲剂尿素达到一定温度,开始缓慢分解,从而起到控制pH值的作用。此工艺pH值控制容易,产品质量稳定。

 

尿素中和法制备工艺流程

 

③加热水解法

加热水解法是在pH值较低的条件下加热使硫酸氧钛水解成较稳定的偏钛酸(H2TiO3),钛盐的水解程度是影响颜料珠光效果的关键。由于未水解钛盐在后处理中产生不利影响,因此应使钛盐尽可能水解完全。由于加热水解法的水解过程始终在酸性条件下进行,不需要碱性物质调节溶液酸度,因此这种制备方法具有生产工艺简单、工艺条件易于控制、生产成本低、产品质量优良的特点。

 

④夹心层包膜法

夹心层包膜法多用来制备彩虹型云母钛珠光颜料。这种方法是在云母薄片上交替包覆TiO2SnO2层,以呈现不同的珠光光泽。如需制备金色或其他彩虹色,则应交替包覆SnO2层和TiO2层直至出现所需的干涉色。

 

为了得到高质量的珠光颜料,TiO2层包覆必须均匀。包覆均匀,有利于提高反射能力、透明度、防腐性能,使颜色更纯。因此包膜过程应缓慢进行,反应温度应稳定且适宜,钛盐和锡盐的添加量也应控制在单位时间水解的钛盐量和锡盐量正好满足形成均匀包膜所需的SnO2TiO2水合物的量的范围内,同时在整个包膜过程中还需不断加入碱液以中和水解过程中不断生成的酸。

 

四、总结

云母钛珠光颜料的发展历史虽短,但由于其性能优良所以应用前景十分广阔。虽然在我国在这方面的研究和起步比较晚,产品的质量和应用水平都稍有不足,但国内天然云母和钛的资源都十分丰富,具有发展云母钛珠光颜料的物质基础,且研究学者也正快马加鞭,目前的研究方向主要集中在包覆工艺的探索,确定和改进影响云母钛珠光颜料质量的各种工艺因素及参数。由于人们对珠光颜料色彩需求的提高,拓宽着色型珠光颜料的色谱范围也将是今后的另一个研究重点。

 

关于珠光颜料的分类,可看《一文了解珠光云母多彩原因

关于珠光颜料的应用,可看《珠光云母:据说,化妆品、汽车、时尚界…都离不了它

 

资料来源:

云母钛珠光颜料的研究进展,葛志强,周涛,曾平,陈冠群。

云母钛珠光颜料的表面改性及其在粉末涂料中的应用研究,柯永东。

 

粉体圈 作者:小榆


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