1.7 Влияние дисперсного состава и формы частиц на оптические свойства пигментированных лакокрасочных материалов

Укрывистость, красящая способность цветных и разбеливающая способность белых пигментов, а также такие колористические показатели, как доминирующая длина волны (цветовой тон) и чистота цвета пигментов при неизменном химическом составе и кристаллической модификации зависит, прежде всего, от их дисперсности. Достаточно точное прогнозирование цвета на практике имеет ряд сложностей, связанных с тем, что спектр диффузного отражения в отличие от спектра пропускания зависит не только от положения и формы полосы поглощения, но и дисперсности пигментов, которая в значительной степени определяет характер рассеяния света. [3,28,29].

Как следует из теории Релея и теории Ми, рассеяние света зависит от размера частиц. Согласно теории Ми, зависимость светорассеяния от размеров частиц выражается кривой с максимумом. Размер сферических частиц пигментов и наполнителей характеризуются диаметром, кубические (гранулированные пигменты)- длиной ребра куба, зернистые и игольчатые характеризуются наибольшим и наименьшим размерами, пластинчатые или чешуйчатые эквивалентным размером или диагональю.

Оптимальный с точки зрения укрывистости размер частиц белых пигментов (в нм) определяется уравнением Вебера:

;

λ – длина волны, нм;

n₁ и n₀ – коэффициенты преломления пигмента и связующего.

Из этого уравнения следует, что размер частиц пигментов, соответствующий максимальному рассеянию света в пигментированном покрытии и, соответственно, максимальной укрывистости, определяется соотношением показателей преломления связующего и пигмента [3].

Зависимость оптической эффективности хроматических пигментов от размера частиц можно представить следующим образом (рисунок 12) [28,29].

Рисунок 12 – Зависимость функции ГКМ хроматических пигментов от размера частиц как суперпозиция двух функций

С одной стороны, с ростом размера частиц экспоненциально уменьшается поглощение в максимуме абсорбции света и, соответственно, уменьшается значение функции ГКМ (F), начиная с F₀. Эта зависимость описывается уравнением [29]

F = F₀exp(-kD).

C другой стороны, имеет место экстремальное изменение зеркального отражения света от поверхности частиц в области «аномального» коэффициента преломления поглощающих свет частиц. Возникающее при этом диффузное отражение света, имеющего цвет дополнительный к поглощенному, повышает эффективную чистоту цвета. Эта зависимость подчиняется уравнению [29].

F₁ = Dexp(-D);

где F₁ можно считать виртуальным коэффициентом поглощения.

Таким образом, зависимость оптической эффективности хроматических пигментов от дисперсности может быть выражена уравнением:

F = F₀ exp(-kD) + Dexp(-D);

где F₀ – предельное значение функции ГКМ (для D 0);

к, Ф и  - коэффициенты, имеющие размерность L^-1.

В результате анализа этого уравнения и, учитывая нецелесообразность

повышения степени дисперсности выше значений, при которых скорость повышения интенсивности резко замедляется, получено [29] следующее уравнение для вычисления оптимального размера частиц:

;

Пренебрегая малыми величинами в высоких степенях, получаем, что положение максимума на кривой, описываемой зависимостью оптической эффективности хроматических пигментов от дисперсности, соответствует размеру частиц:

;

Следует отметить, что максимума на зависимости оптической эффективности хроматических пигментов от дисперсности в области положительных значений может и не быть. Практически, это имеет место для многих пигментов. Максимуму функции F₁ соответствует D = 1/. Этот размер, как отмечалось выше, подчиняется правилу Вебера. Таким образом, при условии, что  – длина волны света, имеющего цвет, дополнительный к поглощенному, n₁ и n₀ - показатели преломления пигмента и среды для данной длины волны, соответственно, можно записать:

;

Анализируя полученное уравнение видно, что оптимальный размер частиц хроматических пигментов равен двум третям размера частиц, соответствующих максимальному рассеянию света, за вычетом некоторой величины F₀k²/Ф². Практически, для всех пигментов коэффициент  примерно в два раза больше к, откуда следует, что с достаточной степенью точности можно считать, что

;

Таким образом, чем выше коэффициент преломления пигмента на участке спектра, где пигмент имеет минимум поглощения света, и выше коэффициент поглощения на участке максимума поглощения, тем меньше оптимальный размер частиц хроматического пигмента.

Для большинства пигментов второй член уравнения уменьшает D_опт не более чем на 30%, а чаще всего на значительно меньшую величину, определяющуюся соотношением F₀ и Ф. Поэтому для ориентировочных расчетов можно пользоваться упрощенной формулой:

;

Если известны показатели преломления среды и пигмента для участка спектра, соответствующего большему отражению или рассеянию, то, используя минимум экспериментальных данных, зависимость оптической эффективности от размера частиц приближенно может быть выражена уравнением [28,29]:

F  F₀exp + ФDexp ;

Для максимума разбеливающей способности характерна узкая фракция размеров частиц, отвечающая оптимальному радиусу частицу r_опт. Если r_н<r_опт, то пигмент имеет голубоватый оттенок, при r_н>r_опт – желтоватый [3].

К пигментам, создающим оптические эффекты за счет явления интерференции, относятся перламутровые пигменты, представляющие собой пластинки слюды с низким показателем преломления, на которые нанесены оксиды металлов (в основном TiO₂) различной толщины. В зависимости от толщины нанесенных слоев (от 40 до 150 нм) создается цвет пигмента. Доминирующая длина волны светового потока, отраженного под углом α связана с показателем преломления оболочки и ее толщиной уравнением

;

где z – порядок интерференции;

- угол падения;

d – толщина слоя, мкм;

n - показатель преломления оболочки.

На цвет пигментов влияет и форма частиц [3].

Изменение распределения частиц пигментов и наполнителей при формировании покрытий из наполненных композиционных материалов, происходящее вследствие флокуляции и коагуляции частиц также оказывает влияние на колористические характеристики покрытий [2,30-32].