颜料用于颜色粉末涂料对它们的颜色发展、外观和耐久性都有很大的影响。高性能颜料的标准是无机颜料,称为复合无机颜料(cicp).他们提供持久的颜色,可以经得起最具挑战性和积极的加工和应用。它们还具有优异的分散性能,因此在生产过程中颜色公式是可预测的和稳定的。最近的研究发现,除了颜色,cicp还具有一些特性,使它们能够满足监管要求,这些要求不仅提供颜色,而且提供功能属性。最后,CICPs是高度耐用的,并提供持久的颜色选项的粉末涂料配方的持久树脂。

背景

CICPs是无机颜料的一个特殊分支。它们通常由简单氧化物的混合物制成,然后在约600°C或更高的窑中煅烧。在这样的高温下,金属离子来回转移,因此它们不再是简单的氧化物,而是多种金属和氧的基质。也许最著名的是钴铝酸盐蓝(PBl28),用于艺术材料。在这种新的化学形式中,它们有了新的性质,并且在其燃烧温度下是稳定的。

cicp,由于它们的高折射率,天生就善于散射光。粒度控制和优化允许高不透明度和光泽。cicp由于其固有的无机性质和较高的加工温度而具有惰性,并且在广泛的酸和碱中稳定,并且在溶剂和树脂体系中抗溶化和迁移。这种固有的稳定性意味着cicp获得了广泛的监管批准——特别是当色素的固有不溶性意味着它们能够通过浸出和提取测试时。

这种惰性也使CICPs成为高耐久性、长期建筑产品的标准颜料,特别是基于高性能树脂的涂料,如氟聚合物。而简单氧化物也很稳定,cicp有更大的颜色范围和色度。CICP颜料有很多种颜色,只有一个明显的例外:真红色。它们通常缺乏有机颜料的终极色度或着色强度,但由于较高的散射,它们更不透明。

超越视觉色彩的属性

颜料的颜色是我们判断其用途的主要属性。cicp,由于其固有的性质和特性,除了选择性地吸收和散射可见波长的光来给人以颜色的印象外,还可以表现出有益的特性。其中两个功能上的好处是将CICPs包含在世界各地的许多食品接触应用列表中,以及视觉吸收颜料的近红外反射率,用于“酷”应用。

FDA食品接触兼容和批准CICP颜料

CICPs是FDA食品接触应用的优秀颜料,因为它们具有高的热,酸碱稳定性,以及低迁移和溶解性。CICPs由于其监管批准和固有的稳定性,使粉末涂层炊具成为极好的着色剂。

红外反射黑色cicp的研究进展与特色

红外(IR)反射颜料已经在各种应用中使用了几十年。红外反射cicp的使用已经成熟为广泛的专门应用的颜料,不仅在建筑产品如窗户型材,而且在无数其他的应用中,材料的太阳诱导加热可能导致问题。

主要的红外黑色素是CI色素棕29 (PBr29)类色素。虽然我们的眼睛只对大约400-700纳米的波长的光敏感,但太阳的光谱超出了这个狭窄的范围。大约一半的太阳能量是可见光(400-700纳米),另一半是近红外(700- 2500纳米),还有少部分是高度破坏性的295-400纳米紫外线。黑色颜料必须在可见光范围内进行吸收才能着色,而像炭黑这样的大多数颜料会将这种吸收持续到近红外。基于pbr29的红外黑色颜料吸收可见光,因此颜色较暗,但在可见光和红外之间的700纳米边界附近,它们开始反射。当我们观察太阳的295- 2500纳米的总范围时,标准黑色只能反射大约5%的太阳总能量,而红外黑色则能反射25% - 30%。标准黑色的总太阳反射率(TSR)为5%(或0.05),而红外黑色颜料的TSR约为28%(或0.28)。该TSR可以通过分光光度计(ASTM E 903)或专用设备(ASTM C1549)读取。

红外反射黑色继续是颜料中“最热”的话题之一。CICP IR黑色颜料是提供高红外反射率、耐用性、经济用途和广泛的性能,可以为特定应用量身定制,特别是建筑产品,如门窗挤出。

控制颜色

CICPs还具有对粉末涂料有利的固有着色性能。粉末涂料的颜色控制依赖于可预测的着色颜料的分散。cicp具有可预测的色散特性,可产生可控和稳定的颜色。CICPs提供可控的颜色,因为相对于有机颜料,较高的使用率允许更有利的混合比例。

正确颜色的颜色强度和剂量是最明显的,当试图着色和色调接近白色的颜色。大多数直接用TiO2制成的粉末涂料会有黄色的铸件,这是由于树脂固有的黄色。为了使白色看起来“更白”,通常需要使用少量的紫色。添加紫色并不能让白色变得更亮,但它会将正的b*值降低到更中性的/蓝色阴影值。

研究了两种方法来影响TGIC-free聚酯涂层的颜色变化。第一种采用有机卡唑紫CI颜料紫23 (PV23),另一种采用无机CI颜料紫16磷酸锰(PV16)。所用公式见表1。有机颜料比无机颜料强得多。因此,PV23和TiO2必须以59:1 (TiO2和PV23)的比例进行预混合,然后用作着色剂。

不含tgic的白色与紫罗兰色的调色。
表1”不含tgic的白色与紫罗兰色的调色。

这些公式得到的颜色结果如表2所示。该材料通过挤出机,然后再次运行,以便对每种材料进行三次挤出,以观察加工过程对颜色的影响(图1)。不是将第一次挤出作为标准,而是使用一个不含紫色,只含TiO2的配方作为标准。表4中显示了这个直白色的增量,可以在本文的下方查看。

颜色结果调白。
表2”颜色结果调白。
测试程序说明。
图1”测试程序说明。

结果表明,为了改善标准白色的外观,只需要很少的紫色,标准白色的b*值为2.0,有一个显著的黄色铸件。最初使用的紫色水平太高,被减半以接近中性值0,0 (a*,b*)。无机PV16需要在TiO2的基础上使用1/200(0.5%),而较强的有机PV23需要在1/ 12500(约0.017%)的水平上使用。这种非常低的使用率需要使用预混合。

多重挤压的颜色变化很有趣,因为两种紫罗兰的颜色变化是相似的。这意味着树脂在每次挤压过程中为系统添加了更多的颜色,紫罗兰被“拖”得更黄(图2)。虽然a*和b*值更中性,但L*值正在下降。任何时候,像紫色这样的吸收性颜料被添加到像白色这样广泛散射的颜料中,反射率就会降低,在与黄色相关的波长中,因为吸收性颜料的紫色调。

用紫罗兰色调和白色。
图2”用紫罗兰色调和白色。

关键是无机PV16磷酸锰不需要额外的步骤,使预混合混合。将如此少量的有机PV23(以纯颜料为基准为0.03)加入到这么多的白色中是有问题的。

持久的颜色

粉末涂料是一种环保的方式来保护基材的多种用途。其中要求最高的应用之一是建筑材料在恶劣的环境中,如热,紫外线(UV)光,水分,氧化剂和化学品,以及简单的物理虐待存在。对于这些应用,如果要满足美国建筑制造商协会(AAMA) 2605规定的规格,则必须使用性能最高的组件。其中一部分是使用的树脂,另一部分是着色剂。

含氟聚合物树脂是在20世纪60年代发展起来的,其典型特征是用于涂料应用的聚偏二氟乙烯(PVDF)化学物质。在最初的测试中,白色涂层配方表现良好。当白色以外的颜色在南佛罗里达等高紫外线气候条件下进行配制和测试时,出现了一个问题。当使用TiO2和有机颜料制作颜色时,颜色会在几年内风化(图3)。

二氧化钛与有机颜料着色在PVDF/丙烯酸在南佛罗里达曝光。(图片由Arkema提供)。
图3»二氧化钛与有机颜料着色在PVDF/丙烯酸在南佛罗里达曝光。(图片由Arkema提供)。

PVDF涂料的开发人员转向cicp,因为它们的固有性能和在当时的高温搪瓷使用。该研究的一些原始面板可以在图4中看到。上面用最高的红色标记标记的区域是未暴露的部分,下一个区域是未冲洗的部分,底部代表冲洗的区域。

南佛罗里达CICP着色PVDF/丙烯酸的照片(31年曝光)。(图片由Arkema提供)
图4»南佛罗里达CICP着色PVDF/丙烯酸的照片(31年曝光)。(图片由Arkema提供)

CICPs成为建筑产品液体和粉末涂料中使用的高耐久性涂料的标准着色剂。由于其固有的耐候性能、优异的不透明度和低吸油值,它们在基于氟乙烯乙烯醚(FEVE)树脂化学的粉末涂料中特别有用,因此它们提供了不透明和高光泽的涂料。基于feve的粉末涂料具有固有的加工优势,因为它们可以在不需要专门设备的情况下被挤压和加工成粉末涂料。

为了证明FEVE树脂与CICP着色剂的性能,许多面板涂上了FEVE,与封闭聚异氰酸酯交联,加工添加剂和石膏石颜色1和白色着色的色素。面板经过静电喷涂,厚度约为50微米(2密耳)。然后,面板暴露在一系列加速和真实世界的暴露中:

  • QUV-A (ASTM 154)
  • 集中阳光照射(埃玛夸)
  • 南佛罗里达暴露

石质面板和白色色调(4份白色:1份彩色颜料)的保留色的初步结果显示DE值较低(表3-5)。

QUV-A测试。
表3”QUV-A测试。
南佛罗里达在6个月,12个月和24个月风化。
表4»南佛罗里达在6个月,12个月和24个月风化。
6个月和12个月大的南佛罗里达风化。
表5»6个月和12个月大的南佛罗里达风化。

黑28 (PBk28)化学颜料是高耐久性涂料中的主力颜料,因为它具有耐候性、可控颜色、中性蓝色和着色性能。许多新的配方是基于红外反射颜料,其中红外黑(PBk29)是最具影响力的。通过吸收可见的深色,但反射太阳不可见的红外波长,建筑材料可以保持比标准的黑色颜料更冷。

之所以使用钴基蓝色和绿色颜料,是因为有机替代品酞菁基化学物质已被证明会随着时间的推移而改变颜色,特别是在染色剂中。色素绿50化学也基于一种不含铬(III)的组合物,用于寻找氧化铬(PG17)的替代品。

虽然许多粉末涂料化学家可能熟悉CI色素棕24 (PBr24)钛酸黄,因为它对标准粉末涂料的热稳定性,但该色素化学在高耐久性涂料中也非常有用,因为它的红暗黄色调和优异的风化性能。较新的粉末涂料颜料化学成分是NTP黄2 (PY227)和RTZ橙(PY216)。这两种颜料一起扩大了耐久颜色的范围,超越了标准无机颜料,进入了有机颜料的范围。明亮的RAL颜色如RAL 1003安全黄可以与所有无机颜料相匹配。

高性能复合无机色颜料是基于氟聚合物的高持久性树脂体系的优良着色剂。对不同风化方案的持续研究将着眼于使用加速风化来更好地预测实际性能。

结论

cicp具有固有的惰性、显色特性和特殊属性,使它们完美地添加到粉末涂料化学家和配方师的“工具箱”中。它们提供可预测的颜色和功能特性,并在暴露于恶劣环境时抗降解。cicp是最苛刻的粉末涂料应用的着色答案。

这些实验显示了使用高性能cicp的好处,因为它们的色散稳定性和可控性,因此它们为粉末涂料化学家和配方者提供了“解决”颜料的工具箱。

参考文献

1.研究用颜料:

CI颜料紫16磷酸锰(PV16):牧羊人色紫11T

CI色素棕29,IR黑PBr29:牧羊人色黑10G996

CI色素黑28,标准黑PBk28:牧羊人色黑430

CI色素蓝36,钴蓝PBl36:牧羊人色蓝211

CI颜料绿50,钴绿PG50:牧羊人色绿10G655

CI色素黄216,RTZ橙PY216:牧羊犬色橙10P340

CI颜料棕色24,钛酸锑铬PBr24:牧羊人色黄10C229

NTP黄色PY227:牧羊犬颜色黄色10P150

2.NTP黄色颜料技术受以下专利保护:美国Pat。re45382、澳大利亚版2011 264994、中国版103097299、欧洲版2580163、日本版5778264、韩国版10180902。

特别感谢Kevin Biller和他在ChemQuest粉末涂料研究小组的工作人员对这个项目的帮助。