Fattori che influenzano il colore dei pigmenti

 

Numerosi fattori influenzano il colore dei pigmenti, tra cui la struttura chimica, la forma cristallina e il trattamento superficiale sono fattori decisivi che influenzano sia il colore che le proprietà secondarie. Il colore di un pigmento è determinato principalmente dalla sua struttura chimica. Tuttavia, anche il tipo di forma cristallina, la forma, la dimensione delle particelle e il trattamento superficiale possono alterare il colore. Ad esempio, tra i blu di ftalocianina, la forma cristallina α presenta una tonalità rossa, la forma cristallina β una tonalità verde e la forma cristallina ε produce un pigmento blu di ftalocianina con una tonalità più rossa rispetto alla forma α. Le proprietà secondarie dei pigmenti, come la stabilità dei cristalli, la resistenza alla luce e agli agenti atmosferici, il potere coprente e la trasparenza, la forza colorante, la brillantezza, la reologia, la disperdibilità, la resistenza al calore e la resistenza chimica, sono sempre più importanti per la differenziazione e la segmentazione del mercato.

 

 

Struttura chimica

 

In base alla struttura chimica generale, i pigmenti possono essere classificati in pigmenti inorganici, pigmenti organici e pigmenti ad effetto.

 

1) Pigmenti inorganici:Classificati in base alla struttura chimica, comprendono il biossido di titanio, il nero di carbonio, la serie di ossidi di ferro, la serie di cromati di piombo, la serie di ossidi di cromo e cadmio, il blu oltremare, il vanadato di bismuto e i pigmenti inorganici compositi.

2) Pigmenti organici: I pigmenti organici sono ampiamente classificati in base alla struttura chimica in pigmenti azoici, pigmenti policiclici e pigmenti complessi metallici. I pigmenti azoici sono prevalentemente pigmenti organici tradizionali con scarsa resistenza del colore, anche se esistono eccezioni come il benzimidazolone. I pigmenti a condensazione dizoica, invece, appartengono alla categoria dei pigmenti organici ad alte prestazioni. I pigmenti policiclici e a complessi metallici rappresentano pigmenti organici ad alte prestazioni con eccellenti proprietà di resistenza e solidità del colore.

 

3) Pigmenti a effetto: Polvere di alluminio, polvere di rame, alluminio metallico, mica naturale, mica sintetica, scaglie di vetro, ossicloruro di bismuto, scaglie di grafite, colori strutturali polimerici e pigmenti che cambiano colore.

Cristallo e trattamento della superficie

 

Le dimensioni delle particelle, la distribuzione dimensionale, la forma dei cristalli, la struttura cristallina e la cristallinità dei cristalli di pigmento influenzano le prestazioni cromatiche e le proprietà secondarie. Le polveri presentano strutture cristalline o amorfe, mentre i pigmenti esistono sempre in forma cristallina. I cristalli di pigmento rappresentano le particelle più piccole di pigmento, costituite da atomi o molecole disposte e assemblate in schemi specifici. Le loro forme e microstrutture distinte possono essere osservate con la microscopia elettronica.

Le particelle più piccole presenti nelle dispersioni di pigmento sono chiamate particelle primarie, con diametri che vanno da circa 0,05 a 1 μm. Esse presentano varie forme, come cubi, sfere, bastoncini e aghi.

 

A causa della loro elevata energia superficiale, le particelle primarie mostrano una forte tendenza ad aggregarsi spontaneamente e a ridurre l'energia superficiale. In genere formano aggregati strettamente strutturati attraverso un legame casuale da bordo a bordo o faccia a faccia. Questi aggregati hanno diametri maggiori rispetto alle particelle primarie, generalmente compresi tra 1 e 10 μm. Durante i processi di filtrazione ed essiccazione nella produzione dei pigmenti, le particelle primarie e gli aggregati, o gli aggregati stessi, si agglomerano per formare agglomerati più grandi e più vagamente strutturati con dimensioni delle particelle superiori a 10 μm.

Le caratteristiche dei cristalli dei pigmenti si manifestano tipicamente attraverso le seguenti proprietà, ognuna delle quali esercita diversi gradi di influenza sulle prestazioni dei pigmenti. La dimensione, la forma e la distribuzione delle particelle esercitano effetti particolarmente significativi sulle proprietà dei pigmenti.

• Dimensione delle particelle Generalmente piccole, misurate in micrometri (μm).
• Distribuzione dimensionale delle particelle, comunemente misurata con parametri quali D10, D50 e D90. Ad esempio, un D50 di 20μm indica che 50% delle particelle di pigmento hanno un diametro medio di 20μm.
• Forma delle particelle di cristallo, come ad esempio aciculare, sferica, cubica o altre forme.
• Struttura cristallina: Un singolo pigmento può presentare più forme cristalline. Ad esempio, il blu ftalocianina ha forme α, β ed ε, mentre il biossido di titanio esiste come anatasio, rutilo e brookite. Le diverse strutture cristalline danno luogo a proprietà cromatiche e caratteristiche secondarie diverse.
• La cristallinità influisce principalmente sulla solidità del colore. L'aumento della cristallinità aumenta la resistenza alla luce, agli agenti atmosferici e al calore di un pigmento, migliorandone al contempo le proprietà reologiche, la resistenza ai solventi e la resistenza al viraggio del colore.

 

Il trattamento superficiale è un processo e una tecnologia cruciale nella lavorazione dei pigmenti. La funzione principale del trattamento superficiale è quella di alterare la polarità della superficie delle particelle, garantendo una buona compatibilità tra il pigmento e il mezzo di applicazione. Questo migliora le proprietà applicative come la dispersione, la reologia, la resistenza e la stabilità del sistema di dispersione. Lo stesso pigmento può essere sottoposto a diversi trattamenti superficiali per ottenere tipi di prodotti con proprietà applicative specifiche, come la facilità di dispersione, l'antiflocculazione, l'elevato potere coprente o l'alta trasparenza, nonché l'idoneità per applicazioni a base di solventi o di acqua.

 

L'effetto della dimensione delle particelle sui pigmenti

 

Anche le dimensioni delle particelle dei pigmenti con strutture diverse variano notevolmente. In generale, i pigmenti inorganici hanno dimensioni maggiori rispetto a quelli organici. Tra i pigmenti inorganici, il nerofumo ha particelle di dimensioni molto piccole, persino inferiori a quelle di alcuni pigmenti organici, mentre il biossido di titanio e gli ossidi di ferro hanno particelle di dimensioni maggiori. Le dimensioni delle particelle dell'ossido di ferro rosso possono raggiungere decine di volte quelle del biossido di titanio.

Effetto della dimensione delle particelle sulla tonalità

La tonalità di pigmenti con strutture chimiche identiche varia con la dimensione delle particelle. Per un dato pigmento, l'angolo di colore aumenta al diminuire delle dimensioni delle particelle e diminuisce all'aumentare delle stesse. Quando la dimensione delle particelle di uno specifico pigmento diminuisce, la sua tinta si sposta in senso antiorario sulla ruota dei colori. Al contrario, quando le dimensioni delle particelle aumentano, la tinta si sposta verso le tinte adiacenti in senso antiorario.

 

Effetto della dimensione delle particelle sull'area superficiale e le proprietà

Più piccole sono le dimensioni delle particelle di pigmento, maggiore è la loro area superficiale specifica. Le particelle più piccole presentano una maggiore capacità di adsorbimento e una maggiore viscosità nel mezzo, richiedendo naturalmente maggiori quantità di disperdenti per la dispersione e la riduzione della viscosità. Le diverse dimensioni delle particelle dello stesso pigmento presentano caratteristiche diverse in termini di saturazione del colore, reologia, trasparenza o potere coprente, forza colorante e resistenza agli agenti atmosferici.

Particelle di piccole dimensioni	Prestazioni	Grande dimensione delle particelle
Elevata trasparenza	Trasparenza/Opacità	Copertura elevata
Alto	Forza tintometrica	Basso
Povero	Reologia	Buono
Povero	Resistenza agli agenti atmosferici	Buono
Alto	Saturazione del colore	Basso

 

L'effetto della distribuzione dimensionale delle particelle sulla macinazione e sulla dispersione

La macinazione e la dispersione dei pigmenti comportano l'uso di forze di taglio per rompere gli agglomerati in aggregati, o idealmente in particelle primarie, migliorando così le prestazioni. Contemporaneamente, i pigmenti con distribuzioni granulometriche più strette presentano una maggiore saturazione del colore e una maggiore forza colorante. Il diagramma della distribuzione granulometrica riportato di seguito, che mostra il blu di ftalocianina in fase β in un sistema acquoso dopo vari tempi di dispersione, dimostra chiaramente che l'aumento del tempo di macinazione porta a dimensioni medie delle particelle progressivamente più fini e a una distribuzione più concentrata, avvicinandosi a una distribuzione ideale. Tuttavia, una macinazione eccessiva può talvolta portare a effetti indesiderati, come variazioni di tonalità e diminuzione delle prestazioni.

 

Oltre a questi fattori, anche la forma del cristallo influenza in modo significativo le proprietà reologiche dei pigmenti. Gli aggregati formati da particelle di pigmento con cristalli a forma di piastra o di bastoncino presentano volumi maggiori rispetto agli aggregati di particelle con altre forme cristalline. In condizioni identiche, questi aggregati possiedono una viscosità inferiore e dimostrano una dispersibilità relativamente superiore all'interno del mezzo di dispersione.