Использование лессирующих (прозрачных) железоокисных пигментов

Доступен широкий ассортимент красителей для высококачественной внутренней и наружной отделки древесины, включая непрозрачные оксиды железа, органические пигменты, красители и прозрачные оксиды железа.

Оксид железа встречается в природе в нескольких различных формах и цветах. Действительно, железо является вторым по распространенности элементом на Земле, составляющим более 5% земной коры. Эти натуральные продукты, как правило, имеют крупный размер частиц и содержат примеси, что делает их непрозрачными и грязными. Химия железа - очень сложная область, где при различных условиях производства образуется несколько различных полиморфов.

С конца 19 века пигменты на основе оксида железа производятся в промышленных масштабах, заменяя варианты цветов, получаемых из природных источников. Эти пигменты преимущественно обладают относительно крупными частицами, максимально непрозрачными и обеспечивающими однородные, чистые продукты с высокой насыщенностью цвета. Основным применением этого типа пигмента является строительная промышленность.

За последние 40 лет сформировался рынок пигментов, для которого требуется цвет, прозрачность и защита от ультрафиолетового излучения. Синтетически произведенные прозрачные оксиды железа, обладающие высокой чистотой, консистенцией, чистотой и прозрачностью, отвечают этому требованию.

Синтетическое производство лессирующих (прозрачных) железоокисных пигментов обеспечивает получение целого ряда различных оттенков и морфологий, благодаря чему доступны продукты от кислых (рН 3,0) до слабощелочных (рН 8,5). Кислотные пигменты, как правило, имеют более чистые оттенки, но их трудно полностью диспергировать. Кислотные сорта не рекомендуются для систем на водной основе, поскольку химический баланс, используемый при формировании систем на водной основе из смолы, может быть нарушен и смола выпадет в осадок. Нейтральные и слабощелочные пигменты обеспечивают большую стабильность дисперсии и лучшую производительность в этих системах.

Красота дерева делает его исключительным строительным материалом, где важна эстетика — его зернистость и текстура делают его любимым как в доме, так и вокруг него. К сожалению, незащищенная древесина легко разлагается и, следовательно, нуждается в защите не только от влаги и грибков, но и от ультрафиолетового излучения.

Лессирующие оксиды железа - это многофункциональные нетоксичные пигменты, которые сочетают в себе широкий спектр цветовых оттенков с отличным поглощением ультрафиолета, прозрачностью и устойчивостью к атмосферным воздействиям. Смешивая прозрачные пигменты из оксида железа с другими пигментами, можно получить целый ряд стандартных оттенков древесины.

Форма частиц

Тщательный контроль процесса приготовления прозрачных железооксидных пигментов приводит к образованию пигментов с очень маленькими первичными размерами частиц. При полном рассеивании они не рассеивают свет и, следовательно, полностью прозрачны. Очень малый размер первичных частиц приводит к получению порошков с большой площадью поверхности, обычно от 80 м2 г-1 до 120 м2 г–1, и, следовательно, для неорганических пигментов относительно высокие показатели поглощения масла, обычно 40-45 % по массе.

Еще одним следствием очень малого размера частиц прозрачного оксида железа является то, что между первичными частицами существуют очень высокие межфазные силы. Эти силы группируют первичные частицы в агрегаты, которые трудно смачивать и диспергировать. Заполнители, образующиеся в процессе производства, также имеют тенденцию слипаться и образовывать агломераты. Однако эти агломераты очень легко смачиваются, разрушаются и диспергируются. Именно агрегаты, которые присутствуют во всех прозрачных оксидах железа, требуют процессов диспергирования с высокой скоростью сдвига, таких как измельчение гранул или истирание, чтобы в полной мере использовать прозрачность этих типов пигментов (см. рисунок 1). Высокоскоростное перемешивание не обеспечит достаточного сдвига для диспергирования заполнителей и, таким образом, достижения высокого уровня прозрачности и стабильности дисперсии, обычно присущих прозрачным дисперсиям оксида железа. Распространенным решением для производителей красок является приобретение пигмента в предварительно диспергированной форме. Как только пигмент полностью диспергирован, размер таков, что полученная коллоидная суспензия стабильна и достигается хорошая стабильность в банке. Это не относится к более крупным плотным частицам, которые нуждаются в дополнительной стабилизации с помощью модификаторов реологии и/или заряда для включения в рецептуру.

Микропульверизация не приводит к получению прозрачных пигментов на основе оксида железа, которые легче диспергировать, поскольку заполнители имеют тенденцию уплотняться и, следовательно, их труднее смачивать и диспергировать. Обычно рекомендуют микропорошковые пигменты для применений, где возникает проблема засорения сита, или когда используются системы с низкой вязкостью при плохом перемешивании, что позволяет осаждать более крупные частицы до их деагломерации.

Световые взаимодействия

Свет - это форма энергии. Таким образом, в соответствии с законом сохранения энергии, энергия не может быть уничтожена или получена с помощью какой-либо данной замкнутой системы; она может быть преобразована только в другие формы энергии.

Отражение

Когда луч света попадает на пигментированную пленку, часть света “отражается” на поверхности пленки. Это может быть зеркальное отражение, где угол падения совпадает с углом отражения. Обычно это называется глянцем. Из-за несовершенства поверхности отраженный свет может отражаться в самых разных направлениях. Это известно, как диффузное отражение; если оно происходит в значительной степени, то пленка матовая.

Преломление

Остальная часть света “преломляется” при попадании на пигментированную пленку; свет всегда преломляется на любой границе раздела, где показатель преломления двух компонентов различен. Чем больше разница в показателе преломления, тем больше сдвиг угла преломления.

Поглощение

Как только свет попадает на пигментированную пленку, он взаимодействует с пигментом. Когда свет попадает на частицу пигмента, часть энергии “поглощается” пигментом. Цвет прозрачных пигментов оксида железа является результатом расщепления кристаллическим полем пяти d-орбиталей иона Fe3+, что позволяет поглощать свет определенных длин волн, в результате чего получаются знакомые оттенки оксидов железа. Кристалличность кристаллической структуры определяет специфику длин волн поглощаемого света, что определяет чистоту цветового оттенка.

Тонкие нюансы оттенка также можно получить, изменив производственные процессы, чтобы повлиять на форму частиц. Например, изменения в соотношении сторон иглы могут изменить желтый цвет с зеленого на более красный оттенок желтого.

Поскольку свет может проникать только через несколько атомных слоев на поверхности частиц оксида железа, механизм поглощения может быть достигнут только за счет небольшой доли материала оксида железа.

За счет уменьшения размера частиц увеличивается эффективная площадь поверхности, доступная для создания цвета, что обеспечивает пигментам высокую цветостойкость и улучшенную защиту от ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовая составляющая солнечного света (280-400 нанометров) в основном ответственна за это разрушение путем разложения лигнина в древесине и, как следствие, разрушения клеточной структуры.

Прозрачный оксид железа является сильным поглотителем ультрафиолетового излучения, обеспечивая защиту древесной основы, в то время как его цвет и прозрачность улучшают внешний вид натуральной древесины.

Разброс

Считается, что свет, который попадает на частицу оксида железа и отражается, а не поглощается пленкой краски, был рассеян.

Основываясь на теории Ми, можно показать, что рассеяние света частицей зависит от соотношения размера частицы, длины волны света и соотношения показателей преломления пигмента и среды.

Производственный процесс

Оксиды железа могут быть получены несколькими различными способами, но предпочтительные способы получения прозрачного оксида включают осаждение и окисление из раствора соли железа. Сульфат железа является предпочтительной солью, поскольку он легкодоступен в качестве побочного продукта при производстве пигмента из диоксида титана или при травлении стали.

Частицы оксида железа образуются в результате сочетания соли железа со щелочью, в результате чего образуется гель “зеленой ржавчины”. Этот гель легко окисляется с образованием частиц оксида железа. Важнейшими параметрами для получения правильного цвета, диспергируемости и прозрачности являются рН, концентрация, температура и скорость реакции.

Чистота полученных кристаллов, как с точки зрения посторонних металлических примесей, так и кристаллической фазы, является важной характеристикой при определении оттенка и цветности пигмента. Различные фазы оксида железа имеют разные оттенки. Например, гетит имеет зеленый оттенок желтого, тогда как лепидокрокит имеет красный оттенок желтого.

Черные оксиды железа могут быть получены либо путем прямого осаждения и окисления, либо путем частичного восстановления красного оксида железа в процессе прокаливания. Коричневые оксиды железа обычно получаются путем смешивания красных, желтых и черных оттенков, что соответствует конкретным требованиям заказчика.

После решающей стадии образования кристаллов гетита оксид железа затем фильтруют и промывают для удаления солей, образующихся в процессе осаждения. Неспособность удалить их, как правило, приводит к большей агрегации (снижению диспергируемости), и соли могут повлиять на характеристики полимерной среды.

Процесс сушки, особенно для некальцинированных продуктов, является еще одним важным процессом - чрезмерная сушка вызывает агрегацию, снижающую способность продуктов к диспергированию.

Хотя прозрачный красный оксид железа может быть получен прямым осаждением, опять же обычным способом является обезвоживание кристаллов гетита путем обжига. Процесс обезвоживания начинается при низких температурах, обычно 180ºC, на которые могут влиять условия окружающей среды и продолжительность выдержки продукта при этой температуре.

2FeOOH (желтый) -----> Fe2O3 + H2O 180ºC (красный)(пар)

Хотя основные характеристики размера и формы пигментов определяются в процессе осаждения и окисления, прокаливание также играет ключевую роль. В процессе прокаливания игольчатая природа кристаллов гетита может быть утрачена в пользу более эллиптических или сферических частиц. Кроме того, может происходить агрегация частиц и спекание между частицами, эффективно увеличивая размер частиц.

Любой применяемый процесс измельчения или уменьшения размера имеет тенденцию наносить ущерб диспергируемости и повышению прозрачности — он приводит к уплотнению агломератов, затрудняя увлажнение поверхностей первичных частиц пигментов.

Преимущества прозрачных оксидов железа

Высокая прочность и устойчивость к атмосферным воздействиям прозрачных оксидов железа делают их естественным выбором для окрашивания древесины и отделки мебели. Они устойчивы к кислотам, щелочам и растворителям и не мигрируют. Они обладают превосходной устойчивостью к атмосферным воздействиям и сохранением блеска, что подтверждено стандартными промышленными испытаниями на внешнее воздействие.

Прозрачный оксид железа отличается от непрозрачного оксида железа главным образом размером частиц и формой. Эти различия, однако, придают значительно иные пигментные свойства, аналогичные свойствам воды в виде дождя или тумана. Непрозрачные пигменты обеспечивают более высокую прочность тонировки. Прозрачные оксиды железа обеспечивают более высокую защиту от ультрафиолета и, что важно для отделки древесины, придают гораздо большую эстетическую ценность готовому изделию.

Термостойкость желтых оксидов железа ниже, чем у красных оксидов железа. Химический состав желтого железа представляет собой гидратированную форму красного оксида железа, и этот процесс обезвоживания происходит при относительно низкой температуре. Поскольку площадь поверхности прозрачного оксида железа значительно выше, чем у непрозрачного оксида железа, термостойкость еще немного снижается. Стабильность желтого прозрачного оксида железа зависит как от температуры, так и от времени. Обычно считается, что стабильность составляет приблизительно 180ºC, и поэтому она подходит для применения в древесине.

Как обсуждалось ранее, прозрачные оксиды железа обеспечивают чрезвычайно хорошую защиту носителя и подложки от ультрафиолетового излучения. Хотя такие пигменты, как непрозрачный оксид железа, сажа и оксид цинка, также могут использоваться в качестве материалов, поглощающих ультрафиолетовое излучение, рекомендуемый уровень использования делает эти продукты матовыми или полупрозрачными, что ухудшает эстетику отделки древесины. Для обработки древесины с УФ-отверждением может потребоваться немного увеличить загрузку фотоинициатора.

Прозрачные железооксидные пигменты, поскольку они неорганические, обладают превосходной стойкостью. Они не мигрируют и не вытекают из готового изделия и имеют достаточно малый размер, чтобы проникать в поры структуры древесины. Большей экономической эффективности и стойкости можно достичь, используя прозрачные пигменты из оксида железа вместо органических красителей в сочетании с дорогими органическими УФ-поглотителями, которые, как правило, расходуются по механизму поглощения.

Процесс диспергирования

Прозрачные железооксидные пигменты, как известно, трудно диспергируются. Ряд компаний специализируются на производстве дисперсий с высоким содержанием пигмента, которые можно легко добавлять в рецептуру заказчика. Процесс диспергирования тщательно контролируется для обеспечения надлежащего смачивания частиц, разрушения агрегатов и последующей стабилизации первичных частиц в дисперсии.

Дисперсии для обработки древесины производятся с использованием прозрачных железооксидных пигментов с конечным содержанием пигмента 30-50% в различных системах нанесения на основе растворителей (например, алкидное масло длительного действия/уайт-спирит) или на водной основе. Системы на водной основе могут содержать подходящую смолу, обеспечивающую отличные эксплуатационные характеристики в составе дополнительных красок, или они могут быть на основе поверхностно-активных веществ, что обеспечивает гораздо более широкое применение, но с несколько худшими эксплуатационными характеристиками по сравнению с аналогом на основе смолы.

Прозрачные железооксидные пигменты выпускаются как в нейтральных, так и в кислых сортах. Нейтральные сорта, как правило, используются как в системах на основе растворителей, так и в системах на водной основе, в то время как кислотные пигменты, как правило, более специфичны для системы и используются только в составах на основе растворителей. Правильная рецептура системы является ключом к успешному диспергированию прозрачных железооксидных пигментов. Если рецептура не обеспечивает достаточного связующего вещества для обеспечения высокой площади поверхности пигмента, то это может привести к нестабильной дисперсии или неполной оптимальной прозрачности. Идеальная рецептура также зависит от процесса диспергирования.

Для систем с относительно низкой вязкостью предпочтительна бисерная мельница, содержащая стеклянную, стальную или циркониевую среду, хотя также могут использоваться шаровые мельницы или измельчители. Там, где требуются составы с высокой вязкостью, например пасты или концентраты с высокой загрузкой пигмента, могут потребоваться две или даже три прокатные мельницы.

Первая стадия процесса диспергирования заключается в увлажнении поверхности пигмента, затем в деагломерации первичных частиц и, наконец, в обеспечении стабильности дисперсии.

Предварительное смешивание предпочтительно осуществляют при высокой вязкости (5-50%) и является ключевой фазой в смачивании поверхности и первоначальном разрушении агломератов. Если загрузка пигмента слишком мала, то для достижения оптимальной прозрачности необходимы низкая вязкость и увеличенное время измельчения. Изменение количества растворителя, добавляемого перед стадией диспергирования, может регулировать вязкость диспергируемой системы. Затем при необходимости в качестве окончательной корректировки можно добавить дополнительный растворитель. Высоковязкое предварительное смешивание наиболее подходит для систем, основанных на растворителях; водные растворы, как правило, имеют более низкую вязкость системы.

Обычно вязкость премикса снижается до 5-10% перед измельчением путем добавления растворителя. Время диспергирования обычно значительное (более 25 часов), при этом дальнейшее улучшение прозрачности достигается после достижения приемлемых уровней диспергирования и стабильности. Процесс диспергирования часто может быть улучшен, если температура дисперсии выше температуры окружающей среды, например, на 40-50 °C, за исключением случаев, когда безопасность требует более низкой температуры. Следует учитывать потери растворителя и сводить их к минимуму.

Вывод

Синтетические прозрачные оксиды железа легко доступны в виде порошка и в виде предварительно диспергированных дисперсий для применения на основе растворителей или воды. Доступные в широком диапазоне натуральных цветовых оттенков от желтого до красного и коричневого, прозрачные оксиды железа обеспечивают составу для отделки древесины сочетание следующих свойств.

• • Превосходная прозрачность
• • Устойчивость к свету
• • Долговечность
• • Химическая стойкость
• • УФ-экранирование
• • Экономичность
• • Нетоксичность

Эти типы пигментов в настоящее время широко используются во всем мире в качестве тонкопленочных консервантов, покрытий для мебели и наружных покрытий, придающих естественной красоте древесины защиту, очарование и теплоту. Они находят применение в широком спектре систем ухода за древесиной, в том числе для ограждений, настилов, садовой мебели, сайдинга, краснодеревщиков и напольных покрытий.