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干涉颜料与多彩色颜料的有效利用

发表于2016/6/21 14:58:05| 次阅读| 来源欧洲涂料杂志| 作者ECJ

摘要:本文讨论了影响干涉颜料外观的各种因素,并研究了衍射颜料的用途。

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有序的彩虹色

Werner Rudolf Cramer, free consultant, Frank J. Maile, Carl Schlenk

因为干涉颜料随角异色的特征,它不仅单纯吸收或反射光线,还能使光波叠加,与其他颜料相比,能提供更广泛的光学效果。本文讨论了影响干涉颜料外观的各种因素,并研究了衍射颜料的用途。

干涉颜料是光学效果最复杂的颜料。与吸收部分入射光的着色颜料及反射光线的金属颜料不同,干涉颜料因反射光和折射光的光波叠加,导致最终光波的增强或削弱。颜料结构、使用方式和照明情况等多种因素共同影响最佳效果。

采用湿法化学工艺制造而成的颜料,一般有一个片状载体材料,如天然云母、氧化铝或氧化硅等。这些载体颗粒上包覆有高折射指数的金属氧化物,例如二氧化钛或氧化铁。根据氧化物包覆层的厚度不同,颜色会变化,从白色、黄色、红色或蓝色到绿色。产生这种非常见变色的原因是最大层厚或最小层厚移动到更长的波长区。以黄色为例,最小层厚从紫外光区域偏移到可见光区域,这时白色变为黄色。如果二氧化钛的包覆层厚度进一步增加,那么最小层厚会进一步偏移到更长的波长上,从而变为红色。在最小层厚位于紫外光区域时,最大层厚移动至可见光区域,同时长波长范围内的最大层厚移动至不可见的红外光区域。

随包覆层厚度增大,颜色从蓝色变为绿色。这种颜料的色彩顺序在化学上是相同的,只是颜料包覆层厚不同。

取向、角度和基材效果

自80年代中期以来,干涉颜料就已应用于汽车涂料中。从那时起,人们对颜料色彩和效果的定量研究产生了愈来愈浓厚的兴趣。这种颜料用在底色漆中,然后再涂一层罩光清漆。底色漆膜厚10~15 μm,干涉颜料的长度范围5~100 μm,厚度约为0.05 μm。基于这种尺寸,在涂膜中颜料一定是以片状形式与涂层基本平行的方式存在。在底色漆干燥过程中,采用助剂增强其这种取向性。因此,必须研究与测量角度有关的颜料取向理论计算值。

在电子显微镜下,检测到的取向模式是相对平行的取向;在光学显微镜下,入射光角度的变化表明所观察到的颜色大都由颜料类型造成的,而不是由于颜料的不同取向引起的。大多数干涉颜料都是透明的,这就是背景色或环境色也起着重要作用的原因。由于入射光分可分解成为反射色和互补透射色,在白色背景上能够清楚地观察到这种变化。

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当测量接近光泽角时,可检测到反射色并且将透射色从光泽度中移除。这种透射色在颜料的背面产生,通过白色背景进行反射。当入射角为45°时,在逆镜向反射角处测量角度差异效果,那么能测到反射色的逆镜向反射角范围可高达20°。在20°到30°逆镜向反射角之间有一个所谓的转变区。

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当逆镜向反射角较大时,可测到由白色背景反射的互补透射色。黑色背景吸收透射色。彩色基材和着色混合颜料都显示了相同模式(图1)。

干涉颜料外观的测量

光学定律的3种特性均适用于干涉颜料。一方面,当入射角为钝角时,最大反射值向较短波长移动,这也是干涉颜料的重要特征和关键属性。

当对颜料的光学特性进行技术测量时,光线的入射角从锐角变为钝角或反之亦然,每一个光泽角的逆镜向反射角保持不变时,这一结果对单一颜料而言,代表了典型的干涉颜料。经证明,逆镜向反射角为15°是尤为有用的。在接近光泽的逆镜向反射角进行测量,通常会得到风险很大,难以相信的测量结果,特别是测量清漆样品时。第二种特性在反射曲线中得到表征,不仅向更短的波长移动,而且随着入射角变大,最大值大幅提高。这种特性的结果是:在a*b*色空间图中的干涉曲线随着入射角逐渐变大,颜色呈逆时针变化。因此,红色干涉颜料的颜色从蓝红相转变为黄红相,绿色从黄绿相转变为蓝绿相。第三种特性是与入射角不变时的测量有关:一般将入射角设为45°,但其他角度也是有可能,例如65°。由于所有干涉颜料的在接近光泽角处均可呈现反射色,并可测量,即使是与着色颜料配制的混合物中也可观察到并可测得。

因此,即使将相应颜料与绿色或红色颜料混合,蓝色反射色仍可保留。从根本上说,光学效果是取决于与几何结构有关的颜色和/或亮度的变化。对于干涉颜料而言,反射色始终应在靠近光泽角附近进行测量。

添加其他类型的颜料如何影响外观

颜料混合物的整体颜色外观由于其所含颜料不同,受到的影响也不同。这种情况适用于着色颜料、铝颜料和干涉颜料。着色颜料在所有的几何角度都会影响整体颜色效果,铝颜料在接近光泽角处会影响整体颜色效果,而干涉颜料主要是在逆镜向反射角达25°处影响整体颜色效果。因此,由于干涉颜料在接近光泽角处反射,所以干涉颜料的颜色会受到着色颜料的影响。入射角恒定,但在与光泽角呈差异的角度进行测量,这并不仅限于45°入射光。原则上,45°只是更适于表征颜色而已。

这些测量的组合,就会得到所谓的逆镜面反射线;在恒定的差异角进行测量的结果值加合起来就形成干涉曲线。此外,由于可能有多条连接线存在,标明逆镜向反射角值显得很有必要。在逆镜向反射角等于或大于30°时,使用透明干涉颜料在白色背景上测量透射色。

集彩虹所有色彩于一身的颜料

除已知的干涉颜料(采用湿法化学工艺或高真空制备而得)外,还有一些特殊种类的干涉颜料。其光响应相当于在衍射光栅上的反射。入射光以光谱波段分段,从蓝紫色到蓝色、绿色、黄色,再到红色。

与一般干涉颜料(随入射角的变化,产生颜色梯度)不同,在多色颜料中总会明显出现完整的彩虹。可对其色彩进行单独测量-与测量仪器相比,肉眼更能获得更广泛的观察和测量范围,可以看到完整的彩虹。

根据入射角不同,在逆镜向反射角20°~30°间可见彩虹。当入射角较大65°时,彩虹开始出现在约45°逆镜向反射角处,一直至约75°。当入射角变成更陡的45°时,彩虹区位移到35°~65°之间。这些是一级色带的范围。二级色带也在这个范围;虽然是可测量的,但几乎看不见。

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从反射曲线可清楚看出,随着相对于光泽角的逆镜向反射角不断增大,反射及反射最大值从UV区向可见光区偏移。随着逆镜向反射角进一步加大,逐渐远离可见光谱范围,向红外区域移动,同时二级色带的最大值从UV区向可见光区域移动(见图2和图 3)。

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这种干涉规律,即随着入射角变平缓,反射向更短波长区域移动,同样适用于这些颜料。假设逆镜向反射角为55°时,如果不同入射角的反射具有这种恒定的差异角,这种最大值随着入射角变平缓而向较短波长的移动清晰可见。因此,在这些颜料中,光学反射定律均适用于衍射光栅和干涉现象。

改变效应颜料的外观

干涉颜料具有典型的反射色彩,颜色梯度渐变或大或小。通常可在用着色颜料和铝粉颜料混合的汽车色彩中发现。例如,为了营造出蓝色的色彩效果,可将白色干涉颜料与蓝色着色颜料混合。除白色干涉颜料外,还可使用蓝色或绿色干涉颜料,有无限种结合的可能性。

在多色彩颜料的情况下,这种组合是完全不同的:着色颜料和铝粉颜料的混合颜料会影响彩虹效果。多色彩颜料底色本质上是在银白色和银灰色之间。彩虹效果主要发生在这些中性颜料身上。着色颜料混合物会部分甚至完全抑制彩虹颜色,从而原则上作一些初步审定则是必要的。

> 完整的彩虹色仅单独出现于多色彩颜料中或与最少量混合物一同存在时。为了保留彩虹色,组合的可能性有限。黑色的混合物是最理想的,这是由于在这种情况下,彩虹色彩不会被影响。并且由于更明显的对比,彩虹效果更明显。当采用此类颜料时,通常可看到整个彩虹色;不存在仅显示一半或四分之一彩虹色的颜料。在这种情况下,必须采用与其它颜料的混合颜料来控制效果(图4)。

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> 彩虹在逆镜向反射角约35°~45°范围内开始出现彩虹色,根据种类的不同,干涉颜料显示其反射色逆镜向反射角约为 25°。两种色彩范围可通过两种颜料混合获得。

> 从上述多色彩颜料的喷漆图可看出,在观察角的任意一侧都可检测到两道彩虹带之间出现一个间隙。可加入干涉颜料填补这个间隙。此类混合物可用多种方式制成,干涉颜料的选定颜色也可能影响彩虹色(见图5、图6和图7)。


> 彩色颜料混合物在整个入射角和观测角范围内会影响色彩效果。彩色颜料的色调会变,彩虹色受到影响,总体上可能不再能被识别出来。

> 与干涉颜料的色彩相同,彩虹色只有在一个较窄的观察角范围内才明显。尽管在接近光泽角附近彩虹色的浓度较低,但彩色颜料产生更强的总体色彩效果。所以,它们通常对彩虹色有强烈的影响,这种情况只有加入深色颜料时才能明显呈现彩虹色。

混合不同类型颜料的详细实例

实例为一种称为这种称为MultiFlect彩虹类混合颜料(蓝颜料与蓝色干涉颜料)相混合,呈现颜料各自对彩虹色的影响:在逆镜向反射角为15°,接近光泽角时(这种情况下,入射角45°),彩虹颜料在绿色区域内反射稍弱一些;偏离光泽角时(这种情况下,逆镜向反射角为50°),可看到彩虹带的绿色。通过添加蓝色颜料,45°逆镜向反射角的反射曲线向更高值移动,出现在蓝色光谱范围内;在接近光泽角时,逆镜向反射角为15°时,反射曲线在蓝色和红色范围内略有增加。在含有蓝色干涉颜料混合物中的区别甚至更为明显。

接近光泽的反射会影响所产生的反射曲线,在逆镜向反射角为15°时为最大值。可以这么说,这种颜料的反射在特殊效应颜料的彩虹反射区之间移动。这种光学行为也可通过肉眼观察到:在光泽角的左右两侧均可看到彩虹区。在两个彩虹区之间可看到蓝色干涉色。其他干涉颜料也具有同样的效果,它们反射色与彩虹色对比多少更明显一些。绘制a*b*值表明:添加蓝颜料后,彩虹向蓝色区域偏移。添加蓝色干涉颜料,使得彩虹带在蓝色区域发生伸展。不同彩色颜料和干涉颜料的试验表明它们具有相同的颜色响应。

最有地效利用多色彩颜料

与所有效应颜料一样,若要制成有用和有效的色彩,使用多色彩颜料时需要对入射角和观察角的几何位置进行大量实验。尽管这些颜料仅呈现了一道彩虹,但混合干涉颜料尤其可实现具有两种类型颜料的光学特性效果。

此外,可使用彩色颜料,其在整个几何位置中对整体色彩具有至关重要的影响。从多色彩颜料开始,可采用不同方法造出各种效果的色料。当然,这种类型颜料的使用是受限的,特别在汽车行业,但是,在许多特殊系列产品中更具吸引力。对这种机理进行研发的困难在于:大多数分光光度计的测量几何结构只能部分记录彩虹的几何位置。

参考文献

[1] Maile F.J., Martins A.C., A new Generation of Aluminum-based Pigments,Paper 137, ABRAFATI Coatings Congress, São Paulo, Brazil, Oct. 2015.

[2] Maile F.J., Pfaff G., Reynders P., Prog. Org. Coat., 2005, Vol. 54 pp150–163.

[3] Loewen E.G., Popov E., Diffraction Gratings and Applications, Marcel Dek- ker, Inc. N.Y., Basel, 1997.

[4] Cramer W.R., Visual & instrumental geometries in colour matching, CCJ, 2012, No. 7.

[5] Cramer W.R., Reflections on the right angle, ECJ, 2012, No. 4.

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