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装饰性和功能性金属效应颜料

作者:Aaron M. Hollman博士*,太阳化学公司高性能颜料部,美国俄亥俄州辛辛那提市Spring Grove 大街5020号   |  发表于:2016-02-23   |  关键词:金属颜料,锌粉,面漆,铜金粉,粉末涂料,   | 摘自: 2015年美国PCI中文版电子杂志11月刊

涂料市场保持快速增长,并不断发生变化。涂料配方师不仅在为液体和粉末涂料寻求具有闪光表面和镀铬镜面的金属效果,对耐腐蚀性、屏蔽效果和热耐久性等性能的要求也在不断提高。水性技术越来越重要,同时也为金属颜料供应商提供了令人振奋的创新机会。
本文重点介绍了太阳化学公司生产的一些Benda-Lutz®金属效应颜料产品线,可用做装饰性颜料和功能颜料。金属效应颜料是鳞片状的铝粉铜粉、铜-锌粉(金粉)、锌粉以及其它金属粉(见图1)。金属粉或其粉浆可为多种涂料提供独特的迷人外观(金属高度闪光和强烈的色阶跳跃等)。此外,许多金属颜料可以赋予改进的功能性。耐腐蚀性、屏蔽性、热耐久性等都是可以用金属效应颜料来改善的功能。

图1

铝粉

在汽车、消费电子和其它装饰性涂料中,金属银是全球最畅销的颜色。银色和其它有金属表面通常是用鳞片状铝粉作为颜料。铝粉具有优异户外耐久性和耐候性。这使它们非常适用于汽车面漆,而汽车面漆能够影响其它市场的色彩潮流。鳞片状铝粉的光学特性主要取决于它们的几何形状表面粗糙度。鳞片状结构能最有效地反射入射光,散射光最少,从而能改善金属光亮度和颜色跳跃性(采用不同视角观察到的从亮到暗的颜色变化过程)。

在生产鳞片状铝粉的大多数工艺中,需要使用润滑剂来防止“冷焊接”1。当在涂料中使用时,这些润滑剂可以赋予铝粉的漂浮型或非浮型特性。由于它们具有高的表面张力,漂浮型铝粉会朝着涂膜的表面上迁移,如图2a所示。界面处的铝粉富集会得到强反光性金属表面,从而赋予高的金属光亮度和光泽。对于液体涂料,漂浮型铝粉的理想应用是防腐蚀领域(如屋顶、罐体、船舶和耐高温涂料)。这些漂浮型铝粉既能反射光线(可见光、紫外光和红外光),又能提供屏蔽效果,防止湿气和其它反应介质进入漆膜。

图2

非浮型鳞片状铝粉能被漆基完全润湿并在整个漆膜中均匀分布,如图2b所示。由于这个原因,这些颜料非常适合用于有色或多色涂料,例如汽车面漆。非浮型铝粉也可优选应用于优异的附着力或耐擦伤性要求。与漂浮型铝粉相比,在表面性能方面,它们能提供更显著的改善作用。一些常见的非浮型铝粉的几何形状见图3。为了能有效地反射,这些产品从左到右排列。这些鳞片从不规则的小片(玉米片型)到银元片型,再到经过真空电镀金属颜料(或VMP)。

图3图4

图3中显示了所有鳞片的几何形状,除经过真空电镀处理的VMP颜料外,所有都是通过霍尔球磨湿法工艺生产。图4显示颗粒大小和形状对通过湿法处理的铝粉光亮度的影响。不规则几何形状薄片的玉米片等级(图3a)的特征是具有较低的表面边缘比和高得多的表面粗糙度(见图4)。发生在边缘处的光散射导致了较低金属光亮度,和与复杂几何形状的鳞片相比变化性相对较少。由于具有优异的不透明性,这些颜料能更多地应用于工业涂料。

高级银元型或透镜状铝片的几何形状见图3c。除了其均匀的薄片结构和降低的表面粗糙度,这些颜料经过严格控制后具有非常窄的粒径分布。如图4所示,金属效应颜料越粗糙的铝粉具有越高的光亮度,片状表面越光滑,粒径分布越窄。一般情况下,随着粒径大小和不透明性的降低,光亮度和闪烁性增加。具有高亮度的金属颜料的生产是持续研发的目标。这些颜料需要特殊处理来得到高度均匀、单分散的片状,从而能获得高的镜面反射和最小的片状表面积。

不像图3中所示的其它几何形状,VMP颜料是通过物理气相沉积制备。这些薄片均匀沉积并从运动的圆圈状基材上剥离而得到厚度控制很好的完全光滑的铝薄片。在光学性能方面,真空电镀处理的铝颜料能得到用传统的金属工艺无法得到的金属光亮度和反射能力,因此,它们经常应用于高端装饰用途中的镜面和镀铬效果(轮子涂层、汽车装饰和电子消费品)。在最近PCI的一篇文章中全面评价了这一系列的颜料2。
许多市场,特别是中国,已经制定一些新的法规,旨在改善空气质量和降低VOC排放。这就要求涂料生产商从溶剂型向水性或低VOC配方转变。众所周知,未经处理的铝会与水反应而释放出氢气。在水性涂料中用于稳定铝片的最常见的方法是化学钝化和包覆,有时为两者的组合。包覆能提供较高水平的气体释放稳定性,对铝片的光学和应用性能的影响较小。可通过将片状表面包覆来提高功能性,如抗气体释放性、机械稳定性及耐酸碱性3,附着力和户外耐久性。

铜金粉

铜金粉是由铜或铜-锌合金制成的鳞片状颜料(有时称为黄铜)。由于其独特的金色和金属铜效应,这些颜料在装饰性油墨和涂料用途中非常受欢迎。铜金粉的最终颜色是由合金化过程中采用的铜锌比率决定的。在大多数情况下,铜的含量范围从约70%到100%。铜金粉通常以不同粒径的4种标准颜色,即青金(Cu与Zn的比例〜70:30),青红金(〜85:15),红金(〜90:10)和铜色(100%铜)。铜金粉的颜色范围可以通过控制的氧化过程扩展,通过该过程在铜金粉薄片的表面上得到金属氧化物的薄层。这些表面层产生干涉效应而得到动人的色彩,如橙色和火红色。

铜金粉具有很好的低温稳定性。标准的未经处理的铜金粉粉末只有在低于80℃时是稳定的,因而不能用于粉末涂料。可用无机包覆处理来生产具有显著较高的温度稳定性的铜金粉(高达200℃)。这种包覆技术在侵蚀性漆基体系中也能为颜料提供改进的耐化学介质性。

锌粉

尽管铜金粉颜料通常用于装饰性涂料,大部分锌颜料被用来提供功能性。由于其在元素电位序中的位置,锌颜料经常用来提供腐蚀防护作用。通常,最耐腐蚀的涂层是用锌粉颜料制备的富锌底漆(在干膜中至少含90%的锌)。Benda-Lutz®锌粉是一系列片状锌颜料,能提供具有极好阴极保护作用的片状锌粉,可制备较低膜厚的涂层,具有较低的沉降趋势。此外,这种片状几何形状能提供优异的长期屏障性能,赋予成品涂层独特的光滑金属外观。

腐蚀保护需要基材和涂布的锌粒子之间有导电接触。片状锌粉能提供更大的表面接触,得到更高的导电性,因此具有较好耐腐蚀性。由于片状锌粉比锌粉反应更迅速,通常片状锌粉会与铝片一起组合使用。这样降低了片状锌粉的反应活性,延长了阴极保护的周期。

图5

除了出色的耐腐蚀性能,锌系列颜料还包括一种纯黑色耐蚀片状锌粉。图1提供了干颜料的照片,而图5提供了涂料应用中使用的产品照片。典型的锌片在外观上呈灰色或银色。这种独特的黑色耐蚀片状锌粉提供了新的应用机会,例如高耐热性涂料(汽车排气装置和制动盘转子)以及其它配套的汽车零部件。相对于锌粉,锌片更好控制,增加了配方灵活性,提高了应用性能和可持续性(每单位覆盖面积的物料消耗降低)。

参考文献

1,Metallic Effect Pigments, Peter Wissling, European Coatings Literature, Vincentz Network, 2006.

2,Mitchell, J.; Hollman, A. M.; Venturini, M. T, PCI, October 2013, pg 54.

3,Hollman, A. M.; Improved chemical resistance, PPCJ, Vol. 200 No 4546, March 2010, pg 12




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