Factoren die de kleur van pigmenten beïnvloeden

 

Talrijke factoren beïnvloeden de pigmentkleur, waaronder chemische structuur, kristalvorm en oppervlaktebehandeling, die zowel de kleur als de secundaire eigenschappen beïnvloeden. De kleur van een pigment wordt voornamelijk bepaald door de chemische structuur. Het type kristalvorm, vorm, deeltjesgrootte en oppervlaktebehandeling kunnen de kleur echter ook veranderen. Bij het ftalocyanine blauw bijvoorbeeld vertoont de α kristalvorm een rode tint, de β kristalvorm een groene tint en de ε kristalvorm produceert een ftalocyanine blauw pigment met een rodere tint dan de α vorm. Secundaire eigenschappen van pigmenten, zoals kristalstabiliteit, lichtechtheid en weerbestendigheid, dekkracht en transparantie, kleurkracht, glans, reologie, dispergeerbaarheid, hittebestendigheid en chemische weerstand worden steeds belangrijker bij marktdifferentiatie en -segmentatie.

 

 

Chemische structuur

 

Op basis van de algemene chemische structuur kunnen pigmenten worden onderverdeeld in anorganische pigmenten, organische pigmenten en effectpigmenten.

 

1) Anorganische pigmenten:Ingedeeld naar chemische structuur zijn dit titaniumdioxide, koolstofzwart, ijzeroxidereeks, loodchromaatreeks, chroomreeks- en cadmiumreeksoxides, ultramarijnblauw, bismutvanadaat en samengestelde anorganische pigmenten.

2) Organische pigmenten: Organische pigmenten worden op basis van hun chemische structuur grofweg ingedeeld in azopigmenten, polycyclische pigmenten en metaalcomplexpigmenten. Azopigmenten zijn voornamelijk traditionele organische pigmenten met een slechte kleurvastheid, hoewel er uitzonderingen bestaan zoals benzimidazolon. Diazo condensatiepigmenten behoren echter tot de categorie van hoogwaardige organische pigmenten. Polycyclische en metaalcomplexpigmenten vertegenwoordigen hoogwaardige organische pigmenten met uitstekende kleurechtheid en weerstandseigenschappen.

 

3) Effectpigmenten: Aluminiumpoeder, koperpoeder, metallisch aluminium, natuurlijk mica, synthetisch mica, glasvlokken, bismutoxychloride, grafietvlokken, structurele polymeerkleuren en kleurveranderende pigmenten.

Kristal en oppervlaktebehandeling

 

De deeltjesgrootte, grootteverdeling, kristalvorm, kristalstructuur en kristalliniteit van pigmentkristallen beïnvloeden allemaal de kleurprestaties en secundaire eigenschappen. Poeders vertonen kristallijne of amorfe structuren, terwijl pigmenten altijd in kristallijne vorm bestaan. Pigmentkristallen zijn de kleinste pigmentdeeltjes die bestaan uit atomen of moleculen die in specifieke patronen gerangschikt en geassembleerd zijn. Hun verschillende vormen en microstructuren kunnen worden waargenomen met elektronenmicroscopie.

De kleinste deeltjes in pigmentdispersies worden primaire deeltjes genoemd, met diameters van ongeveer 0,05 tot 1 μm. Ze hebben verschillende vormen, zoals kubussen, bollen, staven en naalden.

 

Door hun hoge oppervlakte-energie vertonen primaire deeltjes een sterke neiging om spontaan te aggregeren en hun oppervlakte-energie te verminderen. Ze vormen meestal strak gestructureerde aggregaten door willekeurige rand-tot-rand of face-to-face binding. Deze aggregaten hebben een grotere diameter dan primaire deeltjes, over het algemeen variërend van 1 tot 10 μm. Tijdens filtratie- en droogprocessen in de pigmentproductie klonteren primaire deeltjes en aggregaten, of aggregaten zelf, samen tot grotere, meer los gestructureerde agglomeraten met een deeltjesgrootte van meer dan 10 μm.

De kristalkenmerken van pigmenten komen meestal tot uiting in de volgende eigenschappen, die elk in verschillende mate van invloed zijn op de pigmentprestaties. Vooral de grootte, vorm en verdeling van de deeltjes hebben een grote invloed op de pigmenteigenschappen.

• Deeltjesgrootte Over het algemeen klein, gemeten in micrometers (μm).
• Deeltjesgrootteverdeling, gewoonlijk gemeten met parameters als D10, D50 en D90. Een D50 van 20 μm geeft bijvoorbeeld aan dat 50% van de pigmentdeeltjes een gemiddelde diameter van 20 μm heeft.
• De vorm van kristaldeeltjes, zoals aciculair, sferisch, kubisch of andere vormen.
• Kristalstructuur: Eén pigment kan meerdere kristalvormen hebben. Ftalocyanine blauw heeft bijvoorbeeld α-, β- en ε-vormen, terwijl titaandioxide bestaat als anataas, rutiel en brookiet. Verschillende kristalstructuren zorgen voor verschillende kleureigenschappen en secundaire kenmerken.
• Kristalliniteit is voornamelijk van invloed op kleurvastheid. Een hogere kristalliniteit verbetert de lichtechtheid, weerbestendigheid en hittebestendigheid van een pigment, terwijl ook de reologische eigenschappen, oplosmiddelbestendigheid en weerstand tegen kleurverliezen worden verbeterd.

 

Oppervlaktebehandeling is een cruciaal proces en technologie bij de verwerking van pigment. De primaire functie van oppervlaktebehandeling is het veranderen van de polariteit van het deeltjesoppervlak, zodat er een goede compatibiliteit ontstaat tussen het pigment en het applicatiemedium. Dit verbetert de toepassingseigenschappen zoals dispersie, reologie, weerstand en stabiliteit van het dispersiesysteem. Hetzelfde pigment kan verschillende oppervlaktebehandelingen ondergaan om producttypes te maken met specifieke toepassingseigenschappen, zoals gemakkelijke dispersie, anti-flocculatie, hoge dekkracht of hoge transparantie, en geschiktheid voor toepassingen op basis van oplosmiddelen of op basis van water.

 

Het effect van de deeltjesgrootte op pigmenten

 

De deeltjesgrootte van pigmenten met verschillende structuren varieert ook sterk. Over het algemeen hebben anorganische pigmenten een grotere deeltjesgrootte dan organische pigmenten. Van de anorganische pigmenten heeft carbon black zeer kleine deeltjesgrootten, zelfs kleiner dan sommige organische pigmenten, terwijl titaniumdioxide en ijzeroxiden grotere deeltjesgrootten hebben. De deeltjesgrootte van ijzeroxide rood kan tientallen keren groter zijn dan die van titaniumdioxide.

Effect van deeltjesgrootte op tint

De tint van pigmenten met identieke chemische structuren varieert met de deeltjesgrootte. Voor een bepaald pigment neemt de kleurhoek toe naarmate de deeltjesgrootte afneemt en af naarmate de deeltjesgrootte toeneemt. Wanneer de deeltjesgrootte van een specifiek pigment afneemt, verschuift de kleurtoon linksom op de kleurencirkel. Omgekeerd, wanneer de deeltjesgrootte toeneemt, verschuift de tint naar aangrenzende tinten tegen de klok in.

 

Effect van deeltjesgrootte op oppervlakte en eigenschappen

Hoe kleiner de pigmentdeeltjes, hoe groter het specifieke oppervlak. Kleinere deeltjes hebben een sterker adsorptievermogen en een hogere viscositeit in het medium, waardoor natuurlijk grotere hoeveelheden dispergeermiddelen nodig zijn voor dispersie en vermindering van de viscositeit. Verschillende deeltjesgrootten van hetzelfde pigment vertonen verschillende kenmerken op het gebied van kleurverzadiging, reologie, transparantie of dekkracht, kleurkracht en weerbestendigheid.

Kleine deeltjesgrootte	Prestaties	Grote deeltjesgrootte
Hoge transparantie	Transparantie/Opaciteit	Hoge dekking
Hoog	Kleurkracht	Laag
Slecht	Reologie	Goed
Slecht	Weerbestendigheid	Goed
Hoog	Kleurverzadiging	Laag

 

Het effect van de deeltjesgrootteverdeling op malen en dispergeren

Bij het malen en dispergeren van pigmenten worden schuifkrachten gebruikt om agglomeraten te breken in aggregaten, of idealiter in primaire deeltjes, waardoor de prestaties verbeteren. Tegelijkertijd vertonen pigmenten met smallere deeltjesgrootteverdelingen een hogere kleurverzadiging en kleurkracht. Het onderstaande diagram van de deeltjesgrootteverdeling, dat β-fase ftalocyanine blauw in een waterig systeem toont na verschillende dispersietijden, laat duidelijk zien dat een toenemende maalduur resulteert in een geleidelijk fijnere gemiddelde deeltjesgrootte en een meer geconcentreerde verdeling, die een ideale verdeling benadert. Overmatig malen kan echter soms leiden tot ongewenste effecten zoals kleurverschuivingen en verminderde prestaties.

 

Naast de bovenstaande factoren heeft ook de vorm van het kristal een aanzienlijke invloed op de reologische eigenschappen van pigmenten. Aggregaten gevormd door pigmentdeeltjes met plaat- of staafvormige kristallen vertonen grotere volumes in vergelijking met aggregaten van deeltjes met andere kristalvormen. Onder identieke omstandigheden hebben deze aggregaten een lagere viscositeit en vertonen ze een relatief betere dispergeerbaarheid binnen het dispersiemedium.