颜料的物化性能对涂料的影响

　　颜料就是能使物体染上颜色，在涂料中能够均匀分散，但并不溶于介质中的粉末物质。颜料根据化学成分可分为有机和无机颜料，有机颜料包括偶氮颜料、钛菁颜料、多环颜料和其他颜料，无机颜料包括金属氧化物或一些金属不溶性的金属盐；根据来源可分为天然和合成颜料；着色颜料根据色谱可分为红、橙、黄、绿、蓝、白与黑等。涂料工业中，颜料主要起到2个方面的作用：一是通过不同色系的相互搭配或配色，提供多彩的装饰效果；二是能够赋予涂膜具有遮盖力，通过着色使涂膜对装饰性底材具有良好的覆盖与遮盖；提高涂膜的耐光性、耐热性和耐化学品性，并提高颜料在涂膜中使用的长效性和使用寿命。本文重点研究、对比与分析8种常用颜料的物化性能，有助于涂料工作者了解颜料对涂料的影响，并能较好地掌握与运用。

　　1常用颜料的物化性能

　　从颜料产品的广泛应用性与使用安全性，以颜料三原色（红、黄、蓝）及无色系（黑和白）为研究对象，选取有机彩色颜料的C.I.颜料红22、C.I.颜料黄3、C.I.颜料蓝15：3，无机彩色颜料的C.I.颜料红101、C.I.颜料黄42、C.I.颜料蓝28，以及无机颜料的C.I.颜料黑7和C.I.颜料白6为例进行物化性能对比，见表1。由于颜料的物化性能不同，会影响涂料的着色力、遮盖力、耐久和耐用性。

表1颜料的物化性能

　　1.1着色力

　　着色力又称着色强度，是某一颜料与白色颜料混合后形成颜色强弱的能力。着色力是颜料对光线吸收和散射的结果，且主要决定于吸收，吸收能力越大则着色力越高。通常来说，有机颜料的着色力比无机颜料的要高，主要原因是：1）有机颜料对可见光的吸收能力比无机颜料的要大：①化学结构不同。有机颜料的分子结构中具有共轭双键和发色基团，而无机颜料没有；②发色机理不同。有机颜料发色是分子结构共轭双键的电子通过选择吸收可见光能从基态跃迁到激发态，使颜料产生的是互补色；无机颜料发色，是所有化学元素都由环绕着（负）电子的正原子核（质子）组成，电子在固定的能级旋转，无机颜料通过吸收能量（例如太阳光），电子能从基态跃迁到激发态，从激发态到低能级的跃迁产生一系列发色谱线，当这些发射谱线的波长处于在可见光范围内时就能看见颜色。无机颜料发射光的强度比有机颜料共轭双键产生光的强度要低；③吸收波长范围不同。有机颜料吸收波长范围为0.38～0.78μm，覆盖了整个可见光区；无机颜料吸收波长范围为0.20～0.40μm，主要在紫外光区和部分可见光区。2）着色力的强弱和颜料在涂膜中分散程度有关：①平均粒径不同。使颜料具有最大着色力的平均粒径为d max时，如颜料的平均粒径d平均＞dmax，则d平均越小颜料分散得越好，着色力就越强；当d平均＜dmax，则d平均越小着色力反而降低，这是因为当d平均越小时体系的比表面积越大，表面能越高，颜料在涂料中易团聚或絮凝，因此分散性变差，着色力降低。由表1可知，无机颜料中的颜料红101和颜料黄42的平均粒径不仅比有机颜料中的颜料红22和颜料黄3要小很多，而比表面积又大很多，所以颜料的分散性相对弱，着色力相对差；虽然无机颜料中的颜料蓝28的平均粒径比颜料蓝15：3还要大很多，比表面积又小很多，但由于彩色有机颜料对可见光吸收能力较大，并且平均粒径在d max附近时，依然具有比彩色无机颜料较大的着色力。而无机颜料黑7是例外，它对光线的吸收（全吸收）能力最强，当它的平均粒径越小时，比表面积越大，黑度越高，着色力越强。②密度不同。由表1可知，彩色无机颜料的密度是彩色有机颜料的1～4倍；粒子密度越大，越容易发生沉降，彩色有机颜料由于密度小，在涂料中的分散性和悬浮性较好，随着涂膜的干燥显示出较强的着色能力。

　　所以，将同等质量分数的彩色有机颜料和彩色无机颜料所形成的涂料进行着色力的效果对比时，彩色有机颜料比彩色无机颜料能展现出更高的着色力和更强的着色强度；或者说，在涂膜中获得同样着色强度时，由于彩色有机颜料比彩色无机颜料的着色力要高，所以彩色有机颜料的相对用量就少。

　　1.2遮盖力

　　遮盖力是指颜料加在透明基料树脂中使之成为不透明涂膜，完全遮盖被涂装饰物表面使其不露底色的能力。遮盖力也是颜料对光线吸收和散射的结果，一般主要决定于散射（但黑色颜料除外，对光的高吸收使它也具有很强的遮盖能力）。当颜料和基料树脂的折射率之差越大则遮盖力越强，若折射率相等时就是透明的。通常来说，彩色无机颜料的遮盖力比彩色有机颜料的要高。

　　以涂料常用的6种树脂的折射率为例，氟碳树脂为1.512、丙烯酸树脂为1.442、环氧树脂为1.544、有机硅树脂为1.5、醇酸树脂为1.402、聚氨酯树脂为1.440；由表1可知，彩色有机颜料中的颜料红22和颜料黄3的折射率与略大于上述树脂的折射率，所形成的涂膜虽然能覆盖装饰物表面，但遮盖能力相对较弱，而颜料蓝15：3的折射率小于基料树脂的折射率，所以表现为透明型，则起不到遮盖的效果；彩色无机颜料的折射率是相应彩色有机颜料的1.26～2.00倍，所以彩色无机颜料与基料树脂形成的涂膜表现出较强的遮盖力，有助于提高涂膜对装饰物表面的覆盖。

　　颜料的遮盖力也与粒径大小有关，高折射率的颜料在同等条件下具有较大的遮盖力，且遮盖力受粒径影响较大。当颜料粒径较大时，遮盖力并不大，随着粒径减小，遮盖力增加；当颜料粒径达到某一临界范围时，可得到遮盖力最大值，此后随着粒径减小遮盖力下降。对于白色颜料系而言，当颜料平均粒径相当于可见光波长（0.38～0.78μm）的一半时，颜料的散射力和遮盖力最强，而表1中颜料白6的平均粒径为0.20～0.30μm，正好介于可见光波长的一半，所以颜料白6在常用的白色颜料中具有最高的遮盖力。由于无机颜料的折射率比有机颜料的要高，平均粒径比有机颜料的要小（颜料蓝28除外，它虽然平均粒径比较大，但仍具有高于相应的彩色有机颜料和树脂的折射率），所以无机颜料的遮盖力通常比有机颜料的要高。

　　1.3耐光性

　　颜料的耐光性是颜料或着色物经日光照射后，不发生褪色、变色或粉化的能力。由表1可知，本文研究的8种颜料中，颜料红22和颜料黄3的耐光性分别为5级和5～6级；颜料蓝15：3、.颜料红101和颜料黄42的耐光性均为7～8级；颜料蓝28、颜料黑7和颜料白6均达到最高级别8级（8级耐光性最好，1级最差）。这是因为：1）颜料红22和颜料黄3属于偶氮颜料，其分子结构中都含有偶氮基（—N=N—），由于偶氮基本身的耐光稳定性差，在光照条件下，容易发生光氧化而分解，所以色彩会逐渐褪去，其结果是导致涂膜逐渐褪色。2）颜料蓝15：3之所以在耐光性上能与颜料红101和颜料黄42达到同一水平，是因为颜料蓝15:3属于酞菁颜料，酞菁是一个大环化合物，环内有一空穴，空穴的直径约为2.7×10-10 m，可以容纳铁、铜、钴、铝、镍、钙、钠、镁等许多过渡金属和金属元素，这些金属元素能与酞菁形成络合物。在酞菁分子中，以铜酞菁的稳定性最好，是由于酞菁分子中心的空隙与铜原子大小相当，而颜料蓝15：3是单一的铜酞菁，因此颜料具有较好的耐光性。颜料红101和颜料黄42是金属氧化物，因此具有较好的光稳定性。3）颜料蓝28、颜料黑7和颜料白6的耐光性能之所以达到8级，是由于颜料中分别含有的钴元素、炭黑粒子和二氧化钛均是惰性较高的物质，它们对光线的照射反应不敏感，受日光曝晒发生褪色的现象少，因而加入涂料后具有保色性能好的特点。

　　上述分析可知，颜料的化学组成与分子结构的稳定性对颜料在涂料涂膜中的耐光牢度影响较大，并且无机颜料的耐光性整体比有机颜料的要好。

　　1.4耐热性

　　颜料的耐热性是指颜料不会发生褪色、变色、甚至分解的最高温度。由表1可知，1）无机颜料的耐热性整体比有机颜料的要好，但颜料蓝15：3除外，它的耐热性可达200℃，比颜料黄42高。无机颜料的耐热性较好是因为它们含有金属色的氧化物或金属盐；由于有机颜料是有机化合物，受热易分解，所以耐热稳定性稍差。2）有机颜料中红、黄、蓝三色的耐热性，是按颜料红22、颜料黄3、颜料蓝15：3逐渐递增的，这是因为颜料红22和颜料黄3不仅属于单偶氮颜料，并且分子结构中都含有—NO2，由于偶氮基邻位的—NO2可以形成分子内氢键，分子具有很强的平面性，颜料具有更高的熔点，因而提高了耐热稳定性。尽管颜料红22和颜料黄3的色相与分子结构不同，但颜料黄3的分子结构中除提高耐热性的—NO2外，还引入了—Cl和—CONH2极性基团，这些基团是特定的有助于提高颜料耐热性的极性取代基，所以颜料黄3在耐热性上略好于颜料红22。颜料蓝15：3属于β晶型的酞菁蓝。在已发现的酞菁颜料中共有八种晶体构型，这些晶型以希腊字母命名并按发现先后分别称为：α、β、γ、δ、ε、R、π、X等晶型。而热力学中，当某种晶型不稳定时，通常是指该晶体的热力学不稳定，由于α晶型在200℃受热时会转变呈β晶型，因而β晶型的酞菁蓝热稳定性最好。3）颜料蓝28和颜料白6耐热性之所以可达1 000℃，是由于颜料蓝28属于尖晶石型结构，颜料白6属于金红石型结构，这2种结构均具有极高的耐热稳定性。4）颜料黄42之所以在无机颜料中耐热性相对较差，是由于它是一种含水氧化铁，当加热至150℃以上时开始失去结晶水而转为红色的氧化铁。

　　上述分析可知，颜料的耐热性受分子结构与晶型结构的影响较大，其结果是影响颜料在涂料涂膜中使用的寿命，而无机颜料的耐热性大多比有机颜料的要好。

　　1.5耐酸碱性

　　颜料的耐酸或耐碱性是指颜料抵抗遇碱或遇酸溶液后沾色和颜料变色的能力。由表1可知，8种颜料中只有颜料红101和颜料黄42的耐酸性是4级，而其他颜料的耐酸性均达到5级（5级最好，1级最差），是因为颜料红101和颜料黄42属于氧化铁颜料，它是一种碱性氧化物颜料，涂膜遇酸后会发生反应而变色的现象。8种颜料中只有颜料红22的耐碱性是2级，其他颜料的耐碱性均达到5级（5级最好，1级最差），是因为颜料红22是由5-硝基-2-甲基苯胺重氮化后与色酚AS-T7在碱性介质中偶合而制得，尽管色酚AS是酸性较弱的化合物，但是遇碱会形成盐而溶解，所以耐碱性较差，易导致涂膜变色和退色。

　　2功能性颜料对涂料的影响

　　随着颜料的不断发展，人们越来越重视对功能性颜料的研究、开发与应用，包括珠光颜料、荧光颜料和热敏颜料。

　　2.1珠光颜料

　　珠光颜料是由高折射率的金属氧化物薄层包裹片状的云母或石英构成。涂料中使用珠光颜料是利用它的光学性能，具体来说：珠光颜料的片状径向远大于厚度径向的面积，因而在涂膜中不仅平铺于基材表面，颜料间还会形成层叠状，由于云母或石英是透明的薄片，当光线照射在薄片时，有的光线在薄片表面形成直接反射，有的光线会透射过薄片再反射，有的光线甚至在薄片层间形成多次的透射-折射-反射。同时，由于金属氧化物是有色泽的包覆膜，不仅具有金属质感，还使得涂膜能呈现出珠光的幻彩效应。珠光颜料适用于高层写字楼、会展中心、酒店的建筑外立面，以及汽车涂料的装饰。

　　2.2荧光颜料

　　荧光颜料也是一种具有光学性能的颜料，通过吸收可见光和紫外线后，能把原来人眼感觉不到的紫外荧光转变为一定颜色的可见光，其总的反射光强度比一般普通有色物质为高，形成非常鲜艳的色彩。组成荧光颜料的主要元素有荧光染料、载体树脂和助剂。荧光染料是具有特殊结构的化合物，其结构是分子内或含有发射荧光的基团、或含有有助色基团、或含有刚性平面结构的π键；载体树脂必须是含有强极性基团的树脂，并且与荧光染料具有良好的相容性；助剂用来提高荧光颜料与树脂的相容性和稳定性，防止颜料退色。荧光颜料适用于具有反光装饰和安全警示提醒作用的地方。

　　2.3热敏颜料

　　热敏颜料是一种利用温度变化（升高或降低）影响颜色变化的特殊颜料，它分为2种类型：可逆热敏颜料和不可逆热敏颜料。1）可逆热敏颜料：当颜料受热温度在100℃以内时颜色发生变化，温度降低时又恢复原色。影响可逆热敏颜料发生变色的因素包括失去结晶水、晶型转变和pH变化。2）不可逆热敏颜料：由于受热温度高于100℃后，颜料发生了物理或化学变化，导致温度降低时而无法恢复原色。影响不可逆热敏颜料的因素包括热分解、氧化、升华和熔融。热敏颜料适用于不宜采用测温仪测量温度状态和变化的地方。

　　3结语

　　制备涂料前，应先根据客户的定色和用途来制定颜料的组合与搭配，力求选择着色力好、遮盖力高、耐光性与耐酸碱性好以及具有一定功能性的颜料。因此，选择颜料时需要注意：

　　1）选取平均粒径大、比表面积和密度小的有机颜料，有助于颜料在基料中的分散，提高涂料的着色力；

　　2）选取折射率高和平均粒径小的无机颜料，有助于提高颜料对可见光的散射，提高涂料对装饰物的遮盖；

　　3）选取化学组成与分子结构较为稳定的无机颜料，有助于提高颜料在涂膜中的耐光性，提高涂料的使用寿命；

　　4）选取晶型结构稳定的无机颜料和分子结构中引入提高耐热性极性基团的有机颜料，有助于提高颜料的耐热性，提高涂膜的使用寿命；

　　5）选取耐酸碱性级别较高的颜料，有助于防止涂膜遇酸或碱后颜料发生反应而变色；

　　6）选取不同的功能性颜料，有助于赋予涂膜特殊的珍珠幻彩与金属质感的外观、不同色相的荧光现象及受温度影响变化而变色的功效。