Единственное решение по рецептуре — то, как вы вводите пигмент, — может сыграть решающую роль между безупречным жемчужным финишем и покрытием с крапинками, твердыми осадками или мертвым блеском. Промышленные перламутровые пигменты ведут себя совсем не так, как обычные красители. Их тонкие пластинчатые частицы более плотные, гораздо более чувствительны к сдвигу и полностью зависят от параллельной ориентации, чтобы обеспечить обещанные оптические эффекты. Правильная дисперсия с самого начала не является усовершенствованием; это обязательное условие.
В этом руководстве описаны практические стратегии, на которые опираются разработчики покрытий при работе с перламутровые пигменты промышленного класса как в водных, так и в масляных системах — от трехэтапного процесса диспергирования до выбора диспергатора для конкретной системы, управления pH, пределов сдвига и контроля ориентации тромбоцитов.
Стандартные неорганические пигменты имеют примерно сферическую форму, изотропны и устойчивы к агрессивному измельчению. Промышленный перламутровый блеск не относится ни к чему подобному. Они представляют собой тонкие плоские пластинки (обычно толщиной от 0,1 до 3,0 микрон), состоящие из прозрачной слюдяной подложки, покрытой диоксидом титана, оксидом железа или их комбинацией. Их оптические характеристики полностью зависят от сохранения этой геометрии и последующей ориентации параллельно поверхности подложки во время формирования пленки.
Три физических реальности отличают перламутровый блеск от обычных пигментов:
Эти ограничения подталкивают разработчиков рецептур к более мягким методам смешивания, специально разработанным диспергаторам и стратегиям управления реологией, которые сильно отличаются от тех, которые используются для пигментов диоксида титана или оксида железа.
Дисперсия пигмента – это не единое событие, это последовательность трех перекрывающихся этапов, каждый из которых несет в себе определенные риски при работе с перламутровыми оттенками.
Смачивание – это замена границ раздела воздух-твердое тело на поверхности пигмента границами раздела жидкость-твердое тело. Чтобы диспергатор мог адсорбироваться на поверхности тромбоцитов, он должен иметь более низкое поверхностное натяжение, чем сам пигмент. В водорастворимых системах высокое поверхностное натяжение воды делает этот этап более сложным, и часто требуется специальный смачивающий агент — обычно неионогенное поверхностно-активное вещество с низким пенообразованием и низким содержанием летучих органических соединений. Предварительное смачивание пигмента в небольшом количестве растворителя или воды перед добавлением его в основную партию значительно ускоряет этот этап и снижает риск захвата воздуха, вызывающего дефекты пленки.
Использование предварительно обработанные промышленные перламутровые пигменты, разработанные для легкого диспергирования может значительно упростить этап смачивания, поскольку модификации поверхности пластинки уменьшают энергетический барьер, позволяющий жидкости вытеснять воздух.
Слабосвязанные скопления тромбоцитов необходимо разделить на отдельные частицы. Здесь требуется усилие сдвига, но для перламутровых минимальный эффективный сдвиг является руководящим принципом. Предпочтительны низкоскоростные диссольверы, лопастные мешалки и низкоскоростные диспергирующие лопасти. Высокоскоростные бисерные мельницы, песочные мельницы и ультразвуковые процессоры, настроенные на высокую интенсивность, разрушают тромбоциты и навсегда ухудшают блеск. Пигмент следует добавлять медленно в предварительно смешанный носитель при осторожном перемешивании, ни в коем случае не сбрасывая его в высокоскоростную мельницу.
После отделения тромбоциты необходимо держать отдельно. Без стабилизации силы притяжения Ван-дер-Ваальса будут стягивать частицы вместе, образуя хлопья, которые оседают и сопротивляются редиспергированию. Стабилизация достигается либо электростатическим путем (преобладает в водосодержащих системах), либо посредством стерических механизмов (преобладает в нефтесодержащих системах). Диспергатор должен прочно адсорбироваться на поверхности тромбоцитов и оставаться закрепленным на стадиях разбавления и понижения давления — требование, которое определяет выбор химического состава диспергатора в каждом типе системы.
Высокая полярность воды создает как преимущества, так и сложности при использовании перламутровой дисперсии. Положительным моментом является то, что электростатическая стабилизация эффективна: придавая поверхностный заряд тромбоцитам, анионные или неионогенные диспергаторы заставляют частицы отталкиваться друг от друга. С другой стороны, высокое поверхностное натяжение воды препятствует смачиванию, а ионная среда системы гораздо более чувствительна к pH и концентрации электролита, чем любой состав на основе растворителя.
Для водорастворимых систем основными инструментами являются анионные поликарбоксилатные диспергаторы и неионогенные полимерные диспергаторы (на основе полиэтиленоксида или полиуретана). Современные полиуретановые диспергаторы, не содержащие APE и VOC, обеспечивают превосходное сцепление с слюдяными поверхностями с оксидным покрытием, обеспечивая при этом долговременную электростерическую стабильность. Диспергатор следует добавлять на этапе смачивания, а не добавлять позже, чтобы обеспечить полное покрытие поверхности пластинок до того, как частицы начнут сближаться друг с другом.
Уровень pH перламутровой дисперсии на водной основе не является второстепенным вопросом. Большинство перламутровых веществ на основе слюды стабильны и хорошо диспергируются в диапазоне pH от 7,5 до 9,0. Ниже этого диапазона обработка поверхности пластинок оксидом алюминия или кремнезема может стать дестабилизированной, вызывая флокуляцию. Уровень pH выше 10 может повлиять на некоторые со-пигменты красителей. Когда для повышения вязкости используется щелочной тиксотропный агент, необходимо следить за тем, чтобы pH системы не превышал порог стабильности пигмента — тест pH после каждого введения добавки является практической проверкой качества, которая позволяет избежать значительных переделок.
Поскольку перламутровые пигменты плотнее большинства пигментов, управление реологией в водорастворимых системах особенно важно. Ассоциативные загустители (HEUR, HMHEC) и дисперсии органофильных глин обеспечивают слабую сетчатую структуру, которая удерживает тромбоциты без постоянного повышения вязкости при низком сдвиге до неприемлемого уровня. Целью является получение мягкого, легко диспергируемого осадка, а не твердой упаковки, для повторного взвешивания которой требуется механическое вмешательство.
В системах на основе растворителей и масел отсутствие значительного ионного заряда означает, что электростатическая стабилизация практически не играет роли. Стабильность полностью зависит от стерических механизмов: полимерные цепи, прикрепленные к молекулам диспергатора, адсорбируются на поверхности тромбоцитов и создают физический барьер, который не позволяет частицам приблизиться достаточно близко для флокуляции.
Полимерные диспергаторы с высокой молекулярной массой — блок-сополимеры, сверхразветвленные полиэфиры и модифицированные полиуретаны — являются «рабочими лошадками» перламутровых составов на основе растворителей. Химический состав закрепляющей группы должен соответствовать поверхности тромбоцитов: для слюды, покрытой TiO₂, фосфатные и аминные якоря обладают сильным сродством; для марок с покрытием из оксида железа часто хорошо работают карбоксилатные анкеры. Необходимо также учитывать полярность растворителя — хвостовые цепи диспергатора должны быть хорошо сольватированы в непрерывной фазе, чтобы простираться наружу и обеспечивать эффективное стерическое отталкивание. Хвостовая цепь, разрушающаяся в среде с плохим растворителем, не обеспечивает защиты.
Устойчивые к атмосферным воздействиям промышленные перламутровые пигменты. Разработанные для наружного применения на нефтяных средах, часто включают в себя запатентованную обработку поверхности, которая улучшает взаимодействие с полимерными диспергаторами, уменьшая количество присадок, необходимых для достижения стабильных дисперсий.
Масляные системы, как правило, более снисходительны к управлению вязкостью, но чувствительность к сдвигу перламутровых пластинок не зависит от среды — те же пластинки, которые разрушаются в бисерной мельнице на водной основе, будут одинаково разрушаться и в мельнице на основе растворителя. Стандартный промышленный протокол заключается в предварительном смачивании пигмента в растворителе, добавлении его в смесь смолы и растворителя при низкоскоростном перемешивании лопастью или диссольвером и перемешивании до визуально однородного состояния перед использованием любого оборудования, вызывающего сдвиг. Стадию диспергирования с высоким сдвигом следует использовать для неорганических или органических базовых пигментов, добавляемых перед перламутровым добавлением.
В таблице ниже приведены критические параметры рецептур для обоих типов систем, служащие практическим руководством для разработчиков рецептур, переключающихся между платформами или разрабатывающих универсальные системы.
| Параметр | Водная система | Масляная/сольвентная система |
|---|---|---|
| Механизм стабилизации | Электростатический электростерический | Стерические (полимерный барьер цепи) |
| Предпочтительный тип диспергатора | Анионный поликарбоксилат; неионогенный полиуретан | Блок-сополимер; сверхразветвленный полиэстер |
| Требование к pH | 7,5–9,0 (критический) | Не применимо |
| Метод смешивания | Растворитель с низким сдвиговым усилием; пост-добавление к разочарованию | Лопасть с низким сдвигом; предварительно влажная суспензия |
| Урегулирование риска | Высокая (фаза низкой вязкости) | Умеренная (увеличивает вязкость растворителя) |
| Модификатор реологии | HEUR, HMHEC, органоглина | Органоглина, коллоидный кремнезем, полиамидный воск. |
| Типичный режим отказа | Твердый осадок; Флокуляция, вызванная pH | Флокуляция; удаление диспергатора растворителем |
| Чувствительность к сдвигу | Высокая — избегайте высокоскоростных мельниц. | Высокий — применяется то же ограничение |
Дисперсия – это только половина оптической истории. Хорошо дисперсный перламутр с хаотично ориентированными пластинками все равно будет выглядеть плоским и тусклым. Максимальный блеск и перемещение цвета требуют, чтобы тромбоциты располагались параллельно подложке, и это выравнивание во многом определяется решениями по рецептуре и применению, а не самим пигментом.
Усадка пленки во время высыхания является основным фактором ориентации. По мере испарения растворителя или воды пленка сжимается вертикально, создавая силу, которая прижимает пластинки к подложке. Составы с низким содержанием твердых веществ дают большую усадку и, следовательно, обеспечивают лучшую ориентацию. чем системы с высоким содержанием сухого остатка, что является одной из причин, почему базовые покрытия на водной основе, несмотря на проблемы с дисперсией, могут достигать превосходного блеска в автомобильной промышленности. Это особенно актуально для применение автомобильных покрытий где перемещение цвета и яркость являются определяющими показателями качества.
Несколько рычагов формулирования улучшают ориентацию:
Для детального технического рассмотрения механики ориентации и ее связи с качеством дисперсии см. техническая грунтовка для перламутровых пигментов в промышленных покрытиях, опубликованная журналом PCI Magazine обеспечивает полезную информацию о динамике усадки пленки и ее оптических последствиях.
Поскольку промышленные перламутры оседают (это физическая неизбежность, учитывая их плотность), цель рецептуры смещается с предотвращения полного осаждения на обеспечение того, чтобы любой осадок оставался мягким и легко повторно диспергируемым при осторожном перемешивании. Твердая упаковка, при которой тромбоциты уплотняются в плотный, связный слой, является типом отказа, который действительно имеет значение при производстве и применении на месте.
Несколько стратегий снижают риск жесткой упаковки:
Оценки контроля качества осаждения должны включать объем седиментации после 7-дневного стояния (без модификаторов реологии) и оценку повторного диспергирования с использованием протокола рассчитанного по времени низкоэнергетического перемешивания. Состав, который возвращается к однородному виду в течение 60 секунд при осторожном встряхивании, обычно пригоден для применения в полевых условиях. Все, что требует механического вмешательства, сигнализирует о необходимости коррекции рецептуры.
Для применений, требующих длительного срока хранения или стабильности при транспортировке, функциональная гамма перламутровых пигментов включает марки со специальной обработкой поверхности, предназначенной для уменьшения образования нагара как в системах на водной основе, так и на основе растворителей. Сочетание правильного сорта пигмента со стратегиями диспергирования, описанными в этом руководстве, дает рецептуры, которые стабильно работают от партии к партии и от применения к применению.
Наконец, для более широкого контекста того, как жемчужные пигменты взаимодействуют с различными чернилами и носителями покрытий, включая управление вязкостью в специализированных системах, подробное описание перламутровые пигменты в системах печатных красок предоставляет дополнительную информацию, которая применима непосредственно к практике разработки промышленных покрытий.
