解决粉末涂料问题的颜料: 耐用、功能性强、色彩鲜艳

PCI秘书
2022-11-01
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作者 Mark Ryan,市场经理,薛特颜料公司,俄亥俄州,Cincinnati


用于粉末涂料着色的颜料对其展色性、外观和耐久性有很大的影响。高性能标准颜料是被称为彩色复合无机颜料(CICPs)的颜料。它们可以提供经久耐用的颜色,经得起最具挑战性的处理和应用。它们还具有优异的分散性能,因此颜色配方在生产过程中是可预测和稳定的。最近的研究发现,除了颜色之外,CICPs还具有一些特性,这些特性使其能够满足监管要求,不仅提供颜色,还可以提供功能特性。最后,CICPs非常耐用,为使用长效树脂配制的粉末涂料提供了持久的颜色选择。


背景


CICPs是无机颜料的一个特种分支。它们通常由简单氧化物的混合物制成,然后在约600°C及更高温度的窑中进行煅烧。在这些升高的温度下,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。最著名的也许就是用于艺术家材料的铝酸钴蓝(PBl28)。在这种新的化学形式下,它们具有了新的性质,并且可以在燃烧温度下保持稳定。


由于其高折射率,CICPs天生具有散射光的能力,而粒径控制和优化可实现高不透明度和高光泽。由于其固有的无机性质和较高的加工温度,CICPs是惰性的,可在广泛的酸碱环境中稳定,并且在溶剂和树脂系统中能耐溶解和迁移。这种固有的稳定性意味着CICPs可获得广泛的监管批准——尤其是当颜料固有的不溶性使其能够通过浸出和可萃取测试时。


这种惰性也使CICPs成为高耐久、长期的建筑产品的标准颜料,尤其是基于高性能树脂(如含氟聚合物等)的涂料。虽然简单的氧化物也很稳定,但CICPs具有更大的颜色范围和色度。CICP颜料的颜色范围很广,只有一种真正的红色例外。它们通常缺乏有机颜料的最终色度或着色强度,但由于其更高的散射性,它们更不透明。


视觉色彩之外的属性


颜料的颜色是我们判断其效用的基本属性。CICPs由于其固有的性质和特性,除了选择性地吸收和散射可见光波长以给人留下颜色印象之外,还可以表现出一些有益的特性。其中两个功能优势是,将CICPs纳入了世界各地的许多食品接触应用列表,以及因其具有近红外反射率,可被用于“降温”节能应用中。


符合FDA食品接触标准且经批准的CICP颜料


因为其具有高热、酸碱稳定性,以及低迁移和溶解性,CICPs是FDA食品接触应用的优秀颜料。由于监管批准和固有的稳定性,CICPs也是粉末炊具涂料较好的着色剂。


红外反射黑色CICPs的研究进展


红外(IR)反射颜料已在各种领域应用了几十年。红外反射CICPs的使用已经成熟,成为一种广泛的颜料,不仅适用于建筑产品,如窗户型材,还适用于其他各种能引起材料变热而导致问题出现的许多其他应用领域。


主要的IR黑色颜料是CI颜料棕色29(PBr29)类。虽然我们的眼睛只对约400-700纳米的波长敏感,但太阳的光谱却超出了这一狭窄的范围。太阳的能量大约有一半在可见光(400-700纳米)中,另一半在近红外(700-2500纳米)中,少数在破坏性极强的295-400纳米的紫外线范围内。黑色颜料必须在可见光范围内吸收颜色,而其中大多数,如碳黑,会继续这种吸收到近红外。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700nm边界附近,它们开始反射。当我们观察295-2500纳米的太阳总波长范围时,标准黑色颜料只能反射大约5%的太阳光总能量,而红外黑色颜料会反射25%到30%。标准黑色颜料的总太阳光反射率(TSR)为5%(或0.05),而红外黑色颜料的TSR约为28%(或0.28)。该TSR可通过分光光度计(ASTME 903)或专用设备(ASTM C1549)测得。


红外反射黑色颜料仍然是颜料领域最热门的话题之一。CICP IR黑色颜料具有高红外反射率、耐用性、使用的经济和广泛性等特点,可根据具体应用来进行定制,尤其是门窗挤压等建筑产品方面的应用。


颜色的可控性


CICP还具有用于粉末涂料的固有着色特性,粉末涂料的颜色控制取决于彩色颜料可预测的分散性。CICPs具有可预测的分散特性,产生的颜色可控且稳定。与有机颜料相比,CICP的使用率相对较高,因此具有更有利的混合比例,也使其颜色更可控。


在尝试调配接近白色的色调和颜色时,正确的颜色强度和剂量最为明显。由于树脂固有的黄色,大多数由纯TiO2制成的粉末涂料都会呈现黄色。想要让白色看起来更白,通常需要用少量的紫罗兰色。添加紫色实际上不会使白色更亮,但会将正b*值降低为更中性/蓝色的色度值。


我们研究了两种影响无TGIC聚酯涂层颜色变化的方法。第一种是有机咔唑紫CI颜料紫23(PV23),另一种是无机CI颜料紫16磷酸锰(PV16),所用配方见表1。有机颜料比无机颜料强得多。因此,PV23和TiO2的预混合必须以59:1的比例(TiO2与PV23)制成,然后将其用作色浆。


这些配方的颜色结果见表2。将材料通过挤出机,然后再次挤出,以便对每种材料进行三次挤出,查看工艺是如何影响颜色的(图1)。没有使用第一次挤压作为标准,而是使用不含紫色,仅含TiO2的配方作为标准。这个白色的δ值如表4所示,在本文中可以进一步查看。


结果表明,几乎不需要太多的紫色来改善标准白色的外观,标准白色有一个明显的黄色色度,b * 值为2.0。最初使用的紫色添加量太高,被减掉一半,以接近中性值0,0(a * ,b * )。无机PV16需要与TiO2按1/200(0.5%)的配比使用,而较强的有机PV23则需要用1/12500(约0.017%)的比例。这种非常低的添加量要求使用预混合操作。


多次挤压的颜色变化是有趣的,因为两次紫色的颜色变化相似。这意味着树脂在每次挤压过程中都会给体系增加更多的颜色,紫罗兰会被“挤”得更黄(图2)。虽然a * 和b *值变得更中性,但L * 值正在下降。任何时候,当紫色这样的吸收颜料添加到像白色这样的广泛散射的颜料中时,反射率就会降低,这是由于吸收颜料是紫色调,在与黄色相关的波长中。


关键是无机磷酸锰PV16不需要额外的预混合步骤,但将如此少量的有机PV23(基于颜料为0.03)添加到如此数量的白色颜料中是有问题的。


持久的颜色


粉末涂料是一种环保型的涂料技术,可用来保护多种用途的基材。最苛刻的应用之一是在高温、紫外线(UV)光、湿度、氧化剂和化学物质以及简单的物理施加存在的侵蚀性环境中的建筑材料。对于这些应用,如果要满足美国建筑制造商协会(AAMA)2605所规定的规格,必须使用性能最高的组分。配方的一部分是使用的树脂,另一部分就是色浆。


含氟聚合物树脂开发于20世纪60年代,以用于涂料的聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表物质。在初始测试期间,白色涂料配方表现良好。当在南佛罗里达等高紫外线气候下配制和测试除白色以外的涂料时,就产生了一个问题。使用TiO2和有机颜料配制色浆着色后,颜色在老化几年后褪色了(图3)。


PVDF涂料的开发人员转向研究CICPs,是因为它们的固有特性以及当时在高温瓷漆中的应用。该研究中的一些原始样板如图4所示。最高红色标记的顶部区域是未暴露的部分,中间区域是未清洗的部分,下面代表清洗区域。


CICPs成为了建筑产品液体和粉末涂料高耐久性涂料应用中的标准颜料。由于其固有的耐候性、优异的遮盖力和低吸油值,它们在基于氟乙烯基醚(FEVE)树脂化学的粉末涂料中特别有用,可以它们提供较好的遮盖力和高光泽。FEVE基粉末涂料具有内在的工艺优势,无需专用设备即可挤压加工成粉末涂料。


为了证明含CICP色浆的FEVE树脂的性能,我们将许多样板涂覆了与封闭的多异氰酸酯交联的FEVE,使用添加剂,并用masstone颜料和白色颜料着色。这些样板的静电喷涂厚度约为50微米(2密耳)。然后将这些样板暴露在一系列加速老化和真实的环境中:


• QUV-A (ASTM 154)
• 聚光太阳能暴露 (Emmaqua)
• 南佛罗里达州暴露


Masstone样板和白色样板(4份白色:1份彩色颜料)的保色性初步结果显示了较低的δ值(表3-5)。


高耐用性涂料中的主要颜料是颜料黑28(PBk28),因为它具有耐候性、可控颜色、中性蓝调和着色好等特性。许多新配方基于红外反射颜料,其中红外黑(PBk29)最具影响力。通过吸收可见光中的深色,但反射掉太阳的不可见红外波长,建筑材料可以保持比标准黑色颜料更凉爽的特性。


之所以使用钴蓝色和绿色颜料,是因为有机酞菁基化学物质会随着时间的推移而变色,尤其是在色调方面。绿50颜料也基于不含铬(III)的组合物,适用于寻找氧化铬(PG17)替代品的应用。


虽然许多粉末涂料化学家可能熟悉CI棕24(PBr24)钛酸黄颜料,因为它对标准粉末涂料具有热稳定性,但它在高耐用性涂料中也非常有用,因为它具有红-黄色调和优异的耐候性。粉末涂料中较新的颜料化学成分是NTP黄2(PY227)和RTZ橙(PY216)。这两种颜料一起将耐久性颜料的范围,从过去的标准无机颜料扩大到了有机颜料的范围。明亮的RAL颜色,如RAL 1003安全黄,可与所有无机颜料匹配。


高性能复合无机彩色颜料是基于含氟聚合物的高耐久性树脂体系的优秀着色剂。在不同老化条件中的持续研究,将着眼于使用加速老化来更好地预测CICPs在真实世界的性能。


结论


CICPs固有的惰性、展色性和特殊性能,使其可以完美地成为粉末涂料化学家和配方设计师的“工具箱”。它们提供可预测的颜色和功能特性,并且在暴露于恶劣环境中时,能够抵抗降解。CICPs是要求最高的粉末涂料应用的有效着色解决方案。


这些实验表明,由于颜色的分散稳定性和可控性,高性能CICPs具有诸多优点,因此它们为粉末涂料化学家和配方设计师提供了“解决问题”的颜料工具箱。


参考资料


1.Pigments used in study:


CI Pigment Violet 16 Manganese phosphate (PV16): Shepherd Color Violet 11T
CI Pigment Brown 29, IR Black PBr29: Shepherd Color Black 10G996
CI Pigment Black 28, Std. Black PBk28: Shepherd Color Black 430
CI Pigment Blue 36, Cobalt Blue PBl36: Shepherd Color Blue 211
CI Pigment Green 50, Cobalt Green PG50: Shepherd Color Green 10G655
CI Pigment Yellow 216, RTZ Orange PY216: Shepherd Color Orange 10P340
CI Pigment Brown 24, Chromium Antimony Titanate PBr24:Shepherd Color Yellow 10C229
NTP Yellow PY227: Shepherd Color Yellow 10P150


2.NTP Yellow Pigment technology is protected under the following patents: US Pat. RE45,382, Australian Pat. 2011 264994,Chinese Pat. 103097299,European Pat. 2580163, Japanese Pat.5778264, South Korean Pat. 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本项目的协助。

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年6月刊中