各种各样的着色剂可用于高质量的室内外木材表面处理，包括不透明氧化铁、有机颜料、染料和透明氧化铁。gydF4y2Ba

氧化铁以几种不同的形式和颜色自然存在。事实上，铁是地球上第二丰富的元素，占地壳的5%以上。这些天然产品往往颗粒粗大，含有杂质，使其不透明和肮脏。铁的化学是一个非常复杂的领域，在不同的制造条件下，会产生几种不同的多晶态(见表1)。gydF4y2Ba

自19世纪末以来，氧化铁颜料已经实现了商业规模的生产，克服了从自然来源中获得的颜色的可变性。这些颜料主要是大颗粒尺寸的颜料，最大限度地提高不透明度，并提供一致、干净的产品，具有高颜色强度。这种颜料的主要应用领域是建筑业。gydF4y2Ba

在过去的40年里，一种需要颜色、透明度和紫外线防护的颜料出现了市场。合成的透明氧化铁，提供高纯度，一致性，清洁度和清晰度满足这一要求。gydF4y2Ba

透明氧化铁颜料的合成生产提供了一系列不同的色调和形态，其中酸性(pH值3.0)到微碱性产品(pH值8.5)可用。酸性颜料往往表现出更干净的色调，但很难完全分散。酸性等级不推荐用于水性树脂系统，因为形成水性树脂系统所使用的化学平衡会被破坏，树脂会析出。中性和微碱颜料在这些体系中提供更大的分散稳定性和更好的性能。gydF4y2Ba

木材的美丽确立了它作为一种特殊的建筑材料，美学是重要的-它的纹理和纹理使它成为家庭内外的最爱。不幸的是，未经保护的木材很容易退化，因此，不仅需要防止水分和真菌，还需要防止紫外线辐射。gydF4y2Ba

透明氧化铁是多功能无毒颜料，结合了一系列的色度，具有良好的紫外线吸收，透明度和风化稳定性。通过将透明氧化铁颜料与其他颜料混合，可以达到一系列标准的木材色调。gydF4y2Ba

环境方面gydF4y2Ba

经过多次毒理学测试，氧化铁颜料没有显示出有害影响，被认为是环境和生态安全的。测试显示LDgydF4y2Ba _50gydF4y2Ba 大于10,000 mg/kg，虽然它不是刺激物，但高浓度时可发生机械刺激作用。美国对氧化铁颜料的粉尘限制为OSHA (Z-3) 15 mg/mgydF4y2Ba ^3.gydF4y2Ba TWA和ACGIH (1989) 10 mg/mgydF4y2Ba ^3.gydF4y2Ba 环球航空公司。在德国，一般粉尘阈值为6mg /mgydF4y2Ba ^3.gydF4y2Ba ，适用于所有材料。对于含有超过1%结晶二氧化硅的氧化铁粉尘的进一步限制，不适用于合成透明氧化铁，因为这些氧化铁的总二氧化硅含量低于1%。因此，对透明氧化铁颜料的唯一要求是确保职业卫生措施足以防止超过这些粉尘限值。在欧洲，透明氧化铁颜料在1994年《化学品危害信息和供应包装条例》中未被归类为“特殊废物”或危险物品。gydF4y2Ba

透明氧化铁颜料满足FDA对各种应用的纯度要求。例如，它们适合作为玩具、木制积木和摇摆马的着色剂。它们也符合欧洲委员会AP(89)1关于与食物接触的聚合物的要求，例如，木制厨房用具和碗。gydF4y2Ba

粒子的形式gydF4y2Ba

仔细控制透明氧化铁颜料的制备过程会形成初级颗粒尺寸非常小的颜料。当完全分散时，它们不会散射光，因此是完全透明的。非常小的初级颗粒尺寸导致粉末具有高表面积，通常在80m之间gydF4y2Ba ^2gydF4y2Ba ggydF4y2Ba ^{－1gydF4y2Ba} 和120米gydF4y2Ba ^2gydF4y2Ba ggydF4y2Ba ^1gydF4y2Ba 因此，对于无机颜料，吸油数字相对较高，一般为40 - 45% v/w。gydF4y2Ba

透明氧化铁颗粒尺寸非常小的另一个结果是，初级颗粒之间存在非常高的界面力。这些力将主要粒子聚集成难以浸湿和分散的聚集体。在制造过程中产生的骨料也倾向于粘在一起并形成团聚体。然而，这些结块很容易被弄湿、分解和分散。聚合体存在于所有透明氧化铁中，因此需要高剪切分散过程，如磨珠或磨粒，以充分利用这些颜料类型的透明度(见图1)。高速搅拌不会提供足够的剪切来分散聚合体，从而发展通常与透明氧化铁分散体相关的高水平的透明度和分散稳定性。对于涂料制造商来说，一个常见的解决方案是购买预分散形式的颜料。一旦颜料被完全分散，其大小是这样的，所产生的胶状悬浮液是稳定的，并获得良好的罐内稳定性。对于更大的致密颗粒则不是这样，它们需要通过流变性和/或配方中包含的电荷改性剂进行额外的稳定。gydF4y2Ba

微粉化不会产生更容易分散的透明氧化铁颜料，因为聚集体往往变得紧密，因此更难以湿化和分散。Johnson Matthey通常推荐微粉颜料用于存在筛网堵塞问题的应用，或者当低粘度系统使用时，搅拌效果差，允许较大颗粒在解聚之前沉降。gydF4y2Ba

光的相互作用gydF4y2Ba

光是能量的一种形式。因此，根据能量守恒定律，任何给定的封闭系统都不能破坏或获得能量;它只能转化为其他形式的能量。gydF4y2Ba

反射gydF4y2Ba

当一束光照射在有色薄膜上时，一部分光被“反射”在薄膜表面。这可以是镜面反射，其中入射角与反射率角相同。这通常被认为是光泽(见图2)。由于表面缺陷，反射光可以反射到许多不同的方向。这被称为漫反射;如果发生在很大程度上，那么胶片是哑光的。gydF4y2Ba

折射gydF4y2Ba

其余的光在进入彩色薄膜时被“折射”;光总是在两组分折射率不同的任何界面上发生折射。折射率差越大，折射角的偏移就越大。gydF4y2Ba

吸收gydF4y2Ba

一旦光线进入色素膜，就会与色素相互作用。当光线照射在色素颗粒上时，部分能量会被色素“吸收”。透明氧化铁颜料的颜色是铁的5个d轨道的晶体场分裂的结果gydF4y2Ba ^{3 +gydF4y2Ba} 离子，因此允许吸收某些波长的光，从而形成我们熟悉的氧化铁的阴影。晶体结构的结晶度决定了所吸收光波长的特异性，从而决定了色度的纯度。gydF4y2Ba

通过改变制造过程来影响颗粒形状，也可以获得细微的阴影差别。例如，改变针宽高比可以将黄色从绿色阴影变为更红的黄色阴影。gydF4y2Ba

由于光只能穿透氧化铁颗粒表面的几个原子层，因此只能从一小部分氧化铁材料中实现吸收机制。通过减小颗粒尺寸，可用于创建颜色的有效表面积增加，从而提供高颜色强度的颜料和改进的紫外线防护。gydF4y2Ba

阳光中的紫外线成分(280-400纳米)通过分解木材中的木质素并最终破坏细胞结构，主要负责这种降解(见图3)。透明氧化铁是紫外线辐射的强吸收剂，为木材基质提供保护，而其颜色和透明度增强了天然木屑的外观。gydF4y2Ba

散射gydF4y2Ba

照射在氧化铁颗粒上的光在漆膜内被反射，而不是被吸收，据说是被散射了。gydF4y2Ba

基于Mie理论，粒子对光的散射可以显示为粒子尺寸、光的波长、[符号缺失]以及颜料和介质折射率的比率的函数(见图4)。gydF4y2Ba

传输gydF4y2Ba

透明氧化铁颜料的粒度被制造成本质上的针状，尺寸小于20纳米宽，小于150纳米长，以确保对某些波长的光没有干扰，因此产品是透明的。gydF4y2Ba

生产过程gydF4y2Ba

氧化铁可以通过几种不同的制造路线生产，但制造透明氧化铁的首选工艺包括从亚铁盐溶液中沉淀和氧化铁(见图5)。硫酸铁是首选盐，因为它是二氧化钛颜料制造或钢铁酸洗工业的副产品，很容易获得。gydF4y2Ba

氧化铁颗粒是由亚铁盐与碱结合产生的，碱会产生一种“绿色锈”凝胶。这种凝胶很容易氧化产生氧化铁颗粒。产生正确的颜色、分散性和透明度的关键参数是pH值、浓度、温度和反应速率。gydF4y2Ba

所生产的晶体的纯度，包括外来金属杂质和晶体相，是决定颜料色相和色度的重要特征。氧化铁的不同相有不同的颜色。例如，针铁矿是绿色的暗黄色，而鳞粒铬铁矿是红色的暗黄色。gydF4y2Ba

黑色氧化铁可以通过直接沉淀和氧化途径制造，也可以通过在煅烧过程中部分还原红色氧化铁来制造。棕色氧化铁通常通过混合红色、黄色和黑色色调来实现，从而产生客户特定的要求。1995年，Johnson Matthey为赤铁矿结构中的铁替代工艺申请了专利，该工艺产生了单一的棕色颜料，比使用混合颜料获得了更高的热稳定性、光照和耐候性。gydF4y2Ba

在针铁矿晶体形成的关键阶段之后，氧化铁被过滤和洗涤，以去除沉淀过程中产生的盐。如果不能去除这些盐，可能会导致更大的聚集(分散性降低)，并且会影响树脂介质的性能。gydF4y2Ba

干燥过程，特别是对于非煅烧产品，是另一个关键的过程-过度干燥导致聚集降低产品的分散能力。gydF4y2Ba

虽然透明的红色氧化铁可以通过直接沉淀法生产，但传统的方法还是通过烧制使针铁矿晶体脱水。脱水过程在低温下开始，通常是180ºC，这可能受到环境条件和产品在温度下保存的时间的影响。gydF4y2Ba

2FeOOH—————> Fe2O3 + H2O(黄色)180ºC(红色)(蒸汽)gydF4y2Ba

虽然颜料的大小和形状的主要特征是在沉淀和氧化过程中确定的，但煅烧也起着关键作用。在煅烧过程中，针铁矿晶体的针状性质可能会被更椭圆的球形颗粒所取代。此外，颗粒聚集和颗粒间烧结可以有效地增大颗粒尺寸。gydF4y2Ba

掺入的任何研磨或尺寸减小过程往往不利于分散性和透明度的发展——它往往会使结块紧密，使它们更难润湿颜料初级颗粒的表面。gydF4y2Ba

透明氧化铁的好处gydF4y2Ba

透明氧化铁的高耐久性和耐候性使其成为木材污渍和家具饰面的天然选择。它们耐酸，碱和溶剂，不出血/不迁移。它们表现出优异的耐候性和保光性，由行业标准外部暴露测试证实。gydF4y2Ba

透明氧化铁与不透明氧化铁的主要区别在于颗粒的大小和形状。然而，这些差异赋予了显著不同的色素性质，类似于雨或雾形式的水!不透明颜料提供更高的着色强度。透明的氧化铁提供了更高的紫外线防护，对木材整理剂很重要，为成品提供了更大的美学价值。gydF4y2Ba

黄色氧化铁的热稳定性低于红色氧化铁。黄铁的化学成分是红铁氧化物的水合形式，这个脱水过程发生在相对较低的温度下。由于透明氧化铁的表面积明显高于不透明氧化铁，热稳定性进一步略有降低。黄色透明氧化铁的稳定性与温度和时间有关。一般认为其稳定性约为180ºC，因此适用于木材应用。gydF4y2Ba

如前所述，透明氧化铁为支撑介质和衬底提供了极好的紫外线防护。虽然不透明氧化铁、炭黑和氧化锌等颜料也可以用作紫外线吸收材料，但推荐的使用水平使这些产品介于不透明和半透明之间，从而损害了木纹饰面的美观性。对于uv固化木材应用，可能需要稍微增加光引发剂的负载。gydF4y2Ba

透明氧化铁颜料，因为它们是无机的，提供了极好的持久性。它们不会从成品中迁移或渗出，并且尺寸小到足以渗透到木结构的孔隙中。使用透明氧化铁颜料而不是有机染料与昂贵的有机紫外线吸收剂结合使用，可以获得更高的成本效益和持久性，有机紫外线吸收剂往往因其吸收机制而牺牲。gydF4y2Ba

分散过程gydF4y2Ba

如前所述，透明氧化铁颜料是出了名的难以分散。许多公司专门生产高颜料含量的分散体，可以很容易地搅拌到客户的配方中。分散过程被仔细控制，以确保充分润湿颗粒，破坏团聚体，并随后稳定分散中的初级颗粒。gydF4y2Ba

用于木材应用的分散体使用透明氧化铁颜料，最终颜料含量为30-50%，在溶剂性(例如，长油醇酸/白酒)或水性应用的一系列介质系统中生产。水性系统可能含有合适的树脂，在补充涂料配方中提供优异的性能，或者它们可能是基于表面活性剂的，这提供了更广泛的应用，但与基于树脂的对应产品相比，性能略差。gydF4y2Ba

透明氧化铁颜料有中性和酸性两种等级。中性等级往往用于溶剂型和水性体系，而酸性颜料往往更系统特异性，只用于溶剂型配方。该体系的正确配方是透明氧化铁颜料成功分散的关键。如果配方不能为颜料的高表面积的需求提供足够的粘结剂，则可能导致不稳定的分散或不完整的最佳透明度。理想的配方还取决于分散过程。gydF4y2Ba

对于粘度相对较低的系统，包含玻璃，钢或氧化锆介质的珠磨是首选，尽管球磨机或研磨器也可以使用。如果需要高粘度配方，例如高颜料含量的浆料或浓缩料，则可能需要两台甚至三台辊磨机。gydF4y2Ba

分散过程的第一个阶段是将颜料表面浸湿，然后对初级颗粒进行脱团聚和脱团聚，最后形成分散的稳定性。Trans-Oxide®颜料是通过控制表面吸收水分来制造的，以增强第一阶段的分散。gydF4y2Ba

预混料最好在高粘度(5-50泊)下进行，这是表面润湿和团聚体初始破坏的关键阶段。如果颜料负载过低，那么低粘度结果和延长研磨时间成为实现最佳透明度的必要条件。在分散阶段之前修改溶剂的添加量可以控制被分散体系的粘度。然后可以根据需要添加额外的溶剂作为最后的调整。高粘度预混最适用于溶剂型体系;水性钻井液的体系粘度较低。gydF4y2Ba

通常情况下，通过添加溶剂，预混料的粘度在磨珠前降低到5 - 10泊之间。虽然玻璃和钢也适用，但磨珠机最好是水平的氧化锆介质。分散时间通常很长(25小时以上)，在达到可接受的分散和稳定性水平后，还能继续提高透明度。如果分散温度高于环境温度，例如40-50ºC，通常可以增强分散过程，除非安全要求较低的温度。应考虑并尽量减少溶剂损失(见表2)。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

合成的透明氧化铁很容易以粉末形式获得，并作为溶剂或水性应用的预分散分散体。从黄色到红色到棕色的一系列自然色系中，透明氧化铁为木材表面处理配方提供以下组合。gydF4y2Ba

• 良好的透明度gydF4y2Ba

• 永恒之光gydF4y2Ba

• 耐用性gydF4y2Ba

• 抗化学腐蚀gydF4y2Ba

• 紫外检测gydF4y2Ba

• 经济gydF4y2Ba

• 可降解gydF4y2Ba

这些色素类型目前在全球范围内被用于薄膜防腐剂、家具擦拭污渍和外部污渍，为木材的自然之美增添了保护、魅力和温暖。它们应用于各种各样的木材护理系统，包括围栏，甲板，草坪家具，壁板，橱柜和地板。gydF4y2Ba

有关透明氧化铁颜料或分散剂的更多信息，请联系庄信万丰颜料和分散剂，4820工业大道，费尔菲尔德，OH 45014;电话:800/770.2634或513/858.6670;传真513/858.6703;电子邮件mckenmf@jmusa.com;访问www.matthey.com。gydF4y2Ba

链接gydF4y2Ba

• Johnson Matthey颜料和分散剂gydF4y2Ba