Введение: пигменты — «душа цвета» и «костяк укрывистости» лакокрасочных материалов
Одна из двух важнейших твёрдых составляющих лакокрасочного материала (другая — наполнитель) — пигмент обеспечивает цвет, укрывистость и частично антикоррозионные свойства покрытия. В краске пигмент не «растворяется», а «диспергируется», находясь в виде микронных частиц во взвешенном состоянии в растворе смолы. Качество диспергирования пигмента напрямую определяет красящую способность (при одинаковой массе пигмента — чем лучше диспергирование, тем насыщеннее цвет — выше красящая способность = экономия пигмента = выше прибыль), блеск (крупные частицы рассеивают свет — помутнение — низкий блеск) и стабильность при хранении (плохое диспергирование — флокуляция — твёрдый осадок — брак). Диспергирование пигмента — этап технологии производства красок, оказывающий «наибольшее влияние на удельную себестоимость»: пигмент обычно является самым дорогим сырьём в рецептуре, и повышение эффективности диспергирования на 10% означает экономию 50–200 юаней на тонне краски за счёт затрат на пигмент.
Пигменты для красок — это тонкодисперсные твердые красящие вещества, нерастворимые в пленкообразующих смолах и растворителях краски. Посредством трехэтапного процесса диспергирования — смачивание (диспергатор вытесняет воздух/влагу с поверхности пигмента) → дефлокуляция (механический сдвиг — бисерное измельчение — разрушение агрегатов пигмента до первичных частиц <5 мкм) → стабилизация (адсорбция диспергатора — стерическое отталкивание + электростатическое отталкивание — предотвращение повторной флокуляции частиц пигмента) — они равномерно суспендируются в системе краски, придавая ей цвет, укрывистость, атмосферостойкость и частично антикоррозионные свойства. Пигменты делятся на неорганические (TiO2/сажа/оксид железа — укрывистость/атмосферостойкость/низкая цена) и органические (фталоцианин/хинакридон/DPP — яркий цвет/прозрачность/высокая красящая способность/высокая цена).
I. Химия и свойства шести основных видов пигментов
| Пигмент | Химический состав | Коэффициент преломления | Первичный размер частиц (μm) | Термостойкость (°C) | Атмосферостойкость | Цена (юань/кг) | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TiO2 рутил | TiO2 (>95%)+Al2O3/SiO2 оболочка | 2,72 (наивысший — король укрывистости) | 0,2-0,3 | >1800 | Наилучшая | 15-25 | Белые краски — >99% расхода белых пигментов |
| Сажа (Carbon Black) | Csp2/графитоподобные микрокристаллы — поверхность содержит -OH/-COOH | 1,8-2,0 | 0,01-0,1 | >3000 | Наилучшая | 20-80 | Чёрный — труднодиспергируемый пигмент |
| Красный оксид железа (Fe2O3) | α-Fe2O3 (структура гематита) | 2,9-3,0 | 0,1-1,0 | >1200 | Наилучшая (самый стабильный в природе) | 5-15 | Красный/коричневый — грунтовки против коррозии — стройматериалы |
| Фталоцианиновый голубой (PB15) | Cu-фталоцианин (макроциклическая сопряжённая система / 20π электронов) | 1,5-1,7 | <0,1 | >400 (возгонка) | Отличная | 80-200 | Голубой — триадные цвета CMY |
| Хинакридон (PR122) | Линейный полицикл — каркас хинакридона | 1,5-1,7 | <0,1 | >300 | Отличная | 300-800 | Премиальный красный — авторемонт |
| DPP (PR254) | Дикетопирролопиррол (содержит два лактамных цикла) | 1,6-1,8 | <0,1 | >350 | Отличная | 500-1500 | “Красный Феррари” самый премиальный органический красный |
Часто задаваемые вопросы
Q1: TiO2 — почему укрывистость «рутильной» формы в >1,3 раза выше, чем у «анатазной»?Сущность укрывистости — это рассеяние света: когда свет из смолы (показатель преломления ≈1,5) попадает в частицы TiO2 (рутил R=2,72 — анатаз R=2,55), на границе происходят преломление и рассеяние. Согласно теории рассеяния Ми, эффективность рассеяния зависит от: (1) Δn=|n_пигмент−n_смола| — у рутила Δn=1,22, у анатаза Δn=1,05 — чем больше Δn, тем сильнее рассеяние — эффективность рассеяния рутила примерно на 30% выше, чем у анатаза; (2) размер частиц — оптимальный размер для рассеяния ≈λ/(2,1×Δn)≈550нм/(2,1×1,22)≈215нм — промышленный размер частиц рутильного TiO2 (0,2–0,3 мкм) как раз попадает в этот оптимальный диапазон. Помимо укрывистости, фотокаталитическая активность рутила (вызывающая меление покрытия) значительно ниже, чем у анатаза, поэтому для наружных покрытий необходимо использовать рутильную форму.
Q2: Почему диспергирование сажи — «самого труднодиспергируемого пигмента» — является самым сложным этапом во всём технологическом процессе производства красок?Четыре «высоких» характеристики сажи: (1) Высокая удельная поверхность (20–1500 м²/г) — огромные силы Ван-дер-Ваальса вызывают самопроизвольную агломерацию частиц сажи — первичные частицы от 0,01 мкм слипаются в твёрдые агломераты размером 50–200 мкм; (2) Высокое значение поглощения масла (DBP 50–150 мл/100 г) — между частицами сажи существуют цепочечные агломераты — внутри удерживается большое количество пустот — требуется много диспергатора и смолы для заполнения — это приводит к очень высокой вязкости пасты сажи; (3) Высокое содержание поверхностных функциональных групп (поверхность окисленной сажи содержит -OH/-COOH — pH 3–5 — кислая) — требуется диспергатор с якорными группами, содержащими аминогруппы (-NH2); (4) Высокая электропроводность — частицы сажи генерируют статическое электричество в процессе помола — статическое электричество вызывает взаимное отталкивание частиц — эффективность помола снижается. Три ключевых фактора диспергирования сажи: подходящий диспергатор (с аминогруппами/полиуретанового типа) + высокое сдвиговое усилие (бисерная мельница/шарики из диоксида циркония/линейная скорость >10 м/с) + достаточное время помола (30–60 мин на проход).
Q3: Почему для органических пигментов «диспергирование = жизнь»: почему один и тот же фталоцианиновый голубой — хорошо диспергированный становится сапфирово-голубым, а плохо диспергированный — серо-голубым?Исходный размер частиц фталоцианинового голубого (PB15) 1 мкм — цвет становится серым и тусклым — красящая способность составляет лишь 1/3–1/5 от полностью диспергированного — это означает, что для достижения той же глубины цвета — нужно в 3–5 раз больше пигмента — затраты удваиваются. «Органический пигмент — диспергирование = цвет = красящая способность = затраты — каждая минута помола — это экономия на пигменте».
Q4: Мелющая среда для бисерных мельниц — почему циркониевые шарики ZrO2 постепенно вытеснили стеклянные шарики и стальные шары?Циркониевые шарики (Y-TZP — тетрагональный диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия — плотность 6,0 г/см3 — твердость HV>1200 — трещиностойкость >10 МПа·м1/2) обладают наилучшими комплексными характеристиками: (1) высокая плотность (6,0) — большая энергия удара при измельчении — эффективность измельчения в 3–5 раз выше, чем у стеклянных шариков (плотность 2,5); (2) высокая твердость (>1200 HV) — чрезвычайно низкий уровень собственного износа (<0,01%/1000 ч) — практически не загрязняет краску; (3) высокая трещиностойкость — не раскалываются — срок службы 10000–20000 ч — более чем в 3 раза выше, чем у циркониево-силикатных шариков. Единственный недостаток циркониевых шариков — высокая цена (300–800 юаней/кг) — но удельная стоимость измельчения (расход шариков + электроэнергия + рабочее время) оказывается наименьшей — благодаря высокой эффективности + длительному сроку службы + отсутствию загрязнения — наилучшее соотношение цена/качество в комплексе.
См. также / Похожие материалы
Резюме
Шесть ключевых видов пигментов для покрытий — TiO2 (рутил — король укрывистости), технический углерод (сажа, труднее всего диспергируется / четыре «высоких» свойства), оксид железа (наиболее стабильный / наиболее универсальный), фталоцианиновый голубой (яркий / атмосферостойкий), хинакридон (премиальный прозрачный красный) и DPP (красный Ferrari — новейшее поколение) — имеют свои химические характеристики и требования к диспергированию. Диспергирование пигментов — три этапа: смачивание → дефлокуляция → стабилизация — определяет цвет пигмента, красящую способность и блеск покрытия. Кэсинь Новые Материалы предоставляет клиентам подбор пигментов, подбор диспергаторов и оптимизацию процесса помола — чтобы каждая потраченная на пигмент копейка превращалась в цветовую ценность вашего покрытия.