Двуокись титана со склада в Москве
'Радиан'
'Угреша-Тур'
Группа компаний 'Радиан'
'Полигран-сервис'
О компании Поставка двуокиси титана Поставка железоокисных пигментов Поставка КМЦ(Карбоксиметилцеллюлозы) Наш адрес Группа компаний 'Радиан'
НОВОСТИ КОМПАНИИ "РАДИАН"
10.11.2008
Новость хим.промышленности
Восемь основных факторов, влияющих на оптические свойства диоксида титана.

Восемь основных факторов, влияющих но оптические свойство диоксида титана в составе лакокрасочных покрытий (по материалам доклада, представленного на XXIX конгрессе FATIPEC, проходившем в июне 2008 г. в Ренте, Бельгия) John Crowther, Robert Johnson, DuPont Titanium Technologies, Wilmington, USA Johan Rommens, DuPont Titanium Technologies, Mechelen, Belgium

Наиболее важной характеристикой пигментного диоксида титана для применения в лакокрасочной промышленности является его укрывистость (кроющая способность) в тонкослойных покрытиях. Этот показатель зависит от эффективности использования светорассеивающих характеристик частиц ТIO2. Традиционно производители диоксида титана оптимизируют оптические показатели пигмента. Авторами было показано, что из восьми основных параметров, влияющих на светорассеивающую способность частиц пигмента, только три можно контролировать при его производстве, а пять зависят от использования пигмента при разработке рецептур и производстве ЛКМ. Сочетание экспериментальных данных и результатов математического моделирования позволило определить влияние всех факторов на оптимизацию характеристик пигмента в рецептурах ЛКМ, а также количественно оценить вклад каждого из них.

В отличие от цветных пигментов, обеспечивающих укрывистость за счет поглощения света, диоксид титана рассеивает видимый свет, отражая его до того, как он проникнет в пленку. В соответствии с теорией Ми [1—3] светорассеяние сферическими частицами ТЮ2 можно характеризовать коэффициентом светорассеяния S, который теоретически зависит только от двух безразмерных параметров: S = f (а, т), где а (параметр размера) = D/X (диаметр частиц/длина волны света);

т — относительный показатель преломления = ПП частицы/ПП среды.

Эффективность светорассеяния сильно возрастает, когда т значительно отличается от 1,0 и значение а близко к оптимальному. ТIO2 — бесцветный, эффективно рассеивающий пигмент, так как он обладает очень высоким коэффициентом преломления, и производители, как правило, обеспечивают размер частиц, близкий к оптимальному для рассеяния видимого света (около 0,2 мкм). В реальных лакокрасочных композициях эффективность светорассеяния, кроме показателя преломления и размера частиц, зависит еще от многих факторов, в частности различий при производстве пигмента, технологии получения и отверждения ЛКМ, специфики пленкообразования.

Мы выделили восемь основных факторов, влияющих на эффективность светорассеяния диоксида титана в составе лакокрасочного покрытия, и разработали экспериментальную методику, позволяющую оценить вклад каждого из них. Такой подход позволит намного более эффективно оптимизировать и научно обосновать выбор при рассмотрении компромисса между характеристикой светорассеяния и другими свойствами покрытий. Первые три фактора, приведенные в табл. 1, характеризуют качество диоксида титана, полученного от производителя. Следующие пять факторов зависят от рецептуры ЛКМ и определяют качество материала в различных областях применения.

Фактор I. Тип кристаллической решетки ТЮ2
Как известно, диоксид титана существует в кристаллических формах анатаза и рутила. Для лакокрасочной промышленности предпочтительно использование пигмента рутильной формы, так как он имеет более высокий коэффициент преломления и лучшее распределение частиц по размерам. Кристаллическую форму диоксида титана легко определить при измерении дифракции рентгеновских лучей порошком пигмента или золой краски.

Фактор 2. Чистота Ti02
Современные производители пигмента получают очень чистый диоксид титана. Однако почти все промышленные марки пигмента подвергаются поверхностной обработке для облегчения его переработки, диспергирования в составе ЛКМ и обеспечения долговечности покрытий. Обычно поверхностную обработку проводят оксидами алюминия, кремния и/или небольшими количествами органических добавок. В результате поверхностной обработки уменьшается содержание ТIO2 и пропорционально снижается возможность рассеяния света. Количественно состав пигмента можно анализировать с помощью флуоресценции рентгеновских лучей. В большинстве марок пигмента содержание ТЮ2 снижено лишь на несколько процентов, однако в некоторых марках оно может уменьшаться на 15 %.

Фактор 3. Морфология частиц
Эффективность светорассеяния очень зависит от размера частиц. Считается, что теория Ми, рассматривающая частицы сферической формы, применима к ТIO2, однако она ограниченно применима к несферическим частицам. Отдельные кристаллы ТIO2 имеют сферическую форму, но все промышленные пигменты содержат определенное количество агрегированных кристаллов, снижающих эффективность рассеяния. Необходимо оценивать распределение частиц по размерам, так как их агрегация увеличивает ширину кривой распределения. Большинство коммерческих пигментов имеет нормальное распределение, когда d50 является основным размером и геометрическое стандартное отклонение (ГСО) характеризует ширину кривой.

Однако данные, обычно получаемые при оценке распределения частиц по размерам, не могут быть непосредственно связаны с силой рассеяния. Для определения рассеяния света частицами диоксида титана, которое непосредственно связано с его характеристиками при конечном использовании, была разработана специальная методика DuPont Optical DensitySM [4, 5]. Лабораторные образцы диспергировали в воде, разбавляли и анализировали общее пропускание света (Total Т). Метод определения оптической плотности (ОП) DuPont характеризует рассеяние света пигментом как ОП = - lg(Total Т)/С, где С — концентрация.

По сравнению с обычным измерением рассеяния света, проводимым для лакокрасочного покрытия, например при определении оттенка, измерение DuPont Optical DensitySM имеет ряд преимуществ, в частности более быстрый цикл обработки результатов и увеличение точности измерения со стандартными отклонениями от среднего значения менее 0,5 %. Кроме того, это абсолютный тест, не требующий контроля каждого измерения, что позволяет сравнивать серии образцов, полученных в различные периоды времени.

Измеренное описанным методом рассеяние света является результатом факторов 1, 2, 3. Так как факторы 1 и 2 известны, результаты измерения можно использовать для определения влияния морфологии частиц. На рис. 1 приведены данные для ряда пигментов рутильной и анатазной формы с незначительной поверхностной обработкой или без нее, что делает значение фактора 2 постоянным (примерно 99 %). Для кристаллов каждого типа рассеяние света увеличивается при сужении кривой распределения частиц по размерам (снижении ГСО), т.е. при должном контроле производства пигмента. Каждая линия на графике, отражающая основную тенденцию изменения показателя, обеспечивает меру фактора 3. 15 %-ное отклонение линии для анатазной формы пигмента относительно линии для рутильной модификации является мерой фактора 1. Узкое распределение частиц по размерам для рутила, обозначенное на рис. 1, имеет приблизительно 30 %-ное преимущество перед большинством анатазных пигментов: 15 % — благодаря кристаллической форме (фактор 1) и 15 % — благодаря распределению частиц по размерам (фактор 3).

Фактор 4. Диспергирование диоксида титана в ЛКМ
Для сохранения эффективности диоксида титана и его возможности рассеивать свет, определяемой факторами 1—3, необходимо получить устойчивую дисперсию пигмента в лакокрасочной композиции. Ухудшение оптимальных характеристик возможно в двух случаях:
• сухой пигмент не полностью измельчен на стадии диспергирования;
•взаимодействие с другими компонентами вызывает флокуляцию диоксида титана.

Тест DuPont Optical DensitySM является хорошим инструментом для оценки результата диспергирования 15]. Обработка ультразвуком разбавленного шлама ТIO2 в лабораторных условиях в присутствии дис-пергаторов позволяет легко измельчить пигмент до достижения максимально возможного светорассеяния его частицами. Качество измельчения в бисерной мельнице можно количественно оценить при сравнении оптической плотности пигментной пасты с данными, полученными для шлама. Тест позволяет определить разницу даже на 1 %. Взаимодействие с другими компонентами рецептур ЛКМ также приводит к ухудшению диспергирования Ti02. При отсутствии такого взаимодействия оптическая плотность красок не отклоняется от оптической плотности компонентов в соответствии с их массовой долей. Но если взаимодействие вызывает флокуляцию ТIO2, оптическая плотность краски оказывается ниже теоретического значения. Большинство компонентов краски имеет очень низкую оптическую плотность по сравнению с диоксидом титана; таким образом, определяемые значения очень чувствительны к изменению степени диспергирования ТIO2.

Фактор 5. Рассеяние света за счет пористой структуры покрытия
При концентрации пигментов и наполнителей в краске выше критической объемной концентрации пигмента (КОКП) количество пленко-образователя недостаточно для заполнения пространства между частицами пигмента, поэтому в структуре покрытия образуются воздушные пустоты или поры. Низкий показатель преломления воздуха (1,0) является причиной того, что относительный показатель преломления т становится значительно меньше 1. Светорассеяние имеет высокое значение, когда т отличается от 1, поэтому образование воздушных пустот способствует его улучшению.

Метод ртутной порозиметрии позволяет характеризовать пористость структуры покрытий, Так, он дает возможность не только определить объем пор, но и распределение пор по размерам [6— 8]. Анализ большого количества образцов в течение нескольких лет позволил создать основу эмпирической модели для расчета доли светорассеяния за счет пористой структуры с использованием данных ртутной порозиметрии (объем и диаметр пор). Полное светорассеяние покрытием, определенное с помощью оптических свойств, Scoat, является суммой рассеяния света порами и частицами диоксида титана: S coat = рассеяние порами + хТio2 • STio2, где хТio2 — массовая доля диоксида титана;
STi02 — площадь поверхности частиц диоксида титана.

Фактор 6. Показатель преломления отвержденного покрытия

Как было отмечено выше, светорассеяние частицами пигмента зависит от значения т — соотношения показателей преломления частицы и окружающей среды. Для диоксида титана рутильной модификации в краске т = 2,74/средний показатель преломления отвержденного покрытия. Средний показатель преломления покрытия рассчитывают по его составу. В табл. 3 приведен такой расчет для образцов на основе четырех красок. Первые две из них имеют низкую и высокую объемную концентрацию диоксида титана, но общее значение ОКП < КОКП, поэтому в данном случае поры отсутствуют. Вторая пара образцов содержит такие же объемные концентрации диоксида титана, но общее значение ОКП > КОКП, в результате чего Упор =0,10 см3/г. Рассчитанный средний показатель преломления составляет 1,5—1,8. Эффективность рассеяния света каждым компонентом краски рассчитывают на основе их показателей преломления, отнесенных к показателю преломления покрытия. Очевидно, что частицы, значительно рассеивающие свет, — это ТIO2 и воздушные пустоты. Наполнители, такие, как карбонат кальция или каолин, способствуют образованию пористой структуры, но свет рассеивают воздушные пустоты, а не частицы наполнителя.

Приведенные выше расчеты изменений значения STi0 в зависимости от показателя преломления позволяют сделать заключение, что при идеальном распределении частиц ТIO2 в покрытии качество пигментной дисперсии может быть ограничено факторами 3, 4 или фактором 7 — изменениями химических свойств поверхности в процессе отверждения ЛКМ и агломерацией, что может вызвать флоку-ляцию частиц ТIO2. Физическое распределение или стерическая стабилизация ТIO2 может минимизировать риск флокуляции. Влияние этого фактора можно определить с помощью микроскопии и анализа полученного изображения (рис. 4), однако это затруднено на практике. Вклад фактора 7 можно оценить по разности полного светорассеяния покрытия и влияния остальных семи факторов.

Фактор 8. Отражающий эффект при различном блеске покрытий
Большая часть отраженного света сначала входит в пленку, рассеивается частицами ТЮ2 и воздушными пустотами, а затем возвращается назад. Отражение света происходит под разными углами и характеризуется как диффузное отражение. Но часть падающего света отражается зеркально, не поступая в пленку. При повышении показателя преломления поверхности зеркальное отражение увеличивается. Большинство методов определения таких оптических свойств, как яркость, цвет, укрывис-тость, основано на измерении диффузного отражения (зеркальное отражение исключается).

Если все испытываемые образцы имеют одинаковую гладкость, зеркальное отражение будет одинаковым и не будет влиять на измерение эффективности светорассеяния. Однако, если поверхность одного из образцов очень гладкая, а другого — имеет поверхностные дефекты или более низкий блеск, оба образца будут отражать одинаковое количество света непосредственно у поверхности, но покрытие с дефектами или матовое покрытие будет возвращать большую часть зеркального отражения под диффузными углами. Так как эта часть падающего света не достигает покрытия, на него не влияют ни области рассеяния, ни поглощение света компонентами покрытия. Этот белый свет будет повышать измеренное отражение почти одинаково для видимого света всех длин волн, что скажется на повышении эффективности кажущегося рассеяния и снижении эффективности кажущегося светопоглощения. Это реальный эффект (человеческий глаз также фиксирует более высокое диффузное отражение), но этот свет не проникает в покрытие и не влияет на рассеяние или поглощение света внутри него. Следовательно, при подробном исследовании покрытия необходимо принимать во внимание также этот поверхностный эффект. Применение спектрофотометра, оснащенного све-томерным шаром, позволит измерить отражательную способность с учетом зеркального отражения и на основании этого исключить или принять в расчет эту составляющую.

Влияние восьми факторов. Измерение коэффициентов рассеяния и поглощения В ряде методов измерения коэффициентов рассеяния покрытий, Scoat, широко используют оптические свойства покрытий. В лаборатории DuPont применяется метод определения, при котором краску наносят на тонкую (23 мкм) прозрачную пленку Mylar® [6, 9]. Метод позволяет точно определить массу покрытия, а также непосредственно измерить коэффициент пропускания и отражения и коэффициенты рассеяния (Scoat) и поглощения (Kmat). Этот метод предпочтителен в том случае, если краска содержит значительное количество цветных пигментов.

Определение полного светорассеяния и всех факторов, приведенных в табл. 1, необходимо для понимания основных вкладов и компромиссов, требуемых при составлении рецептур ЛКМ. Анализ восьми основных факторов позволяет оценить влияние каждого из них на светорассеивающую эффективность диоксида титана, а значит, даст возможность оптимизировать рецептуры ЛКМ для достижения наилучшего значения таких важных оптических свойств лакокрасочных покрытий, как укрывистость, яркость, цвет и блеск.


 
 Случайная новость || Cписок новостей

Выберите страницу: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29]



Прокрутить старницу наверх Главная страница Наш e-mail

[ Главная ] [ Новости ] [ О компании ] [ Двуокись титана ] [ Координаты ] [ Карта сайта ]