效应颜料

效应颜料：过去、现在和未来(Ⅰ)

1前言

由于流行时尚，汽车及其他消费市场的需求推动，能产生特殊效应的颜料（如随角异色效应或装饰性花纹效应），具有增长的经济价值并且能在各种工业产品及终端用户中得到推广应用。在装饰用途方面，特殊的效应颜料具有以下三种优势：（a）这种颜料能创造光学深浅莫测的幻觉，例如在轿车涂料中采用珠光颜料就能观察到这种现象；（b）这种颜料能产生难以捉摸的随角异色吸引眼球的惊奇色彩效果，例如可用于轿车涂料或装饰性彩印中；（c）这种颜料能模拟天然珍珠的效果应用于钮扣、塑料瓶以及很多其他装饰性物件中。

在很多不同的工业产品及终端用户应用中都可以发现有闪光的，虹彩的及随角异色效应的光学效果。这些效应常用于功能性目的，例如安全防伪印刷或滤光器，以及应用于装饰性目的，例如，化妆品、塑料、印刷品、工业涂料及轿车漆。在防伪领域中，例如随角异色光学效应不会轻易地被复印机或摄影技术所复制。如果有类同产品可利用时才可能进行伪造，这样就使伪造要花费更多的精力和财力。因此珠光颜料及多膜层光学颜料被很多国家用于钞票的防伪。

特别制作的光学多层聚合物膜以及平行定向排列的效应颜料在实用介质中可以反射一部分可见光。这样就可用作为装饰性或功能性的光学系统。作为功能性应用的一个实例是在温室中采用特别效应颜料，这样就能影响某些光线的透射和反射，从而对植物的生长产生影响。

将效应颜料用于装饰中有三个优势。一是具有光深浅莫测的幻觉，这种现象由珠光颜料层状半透明粒子的多层次排列而产生。这种幻觉是由于颜料和基料之间的不同界面以及效应颜料本身诸边界层对光线反射的结果所致。在模压拉伸面时如在轿车挡泥板表面上，这种幻觉效应特别明显。美国40%以上以及欧洲30%以上的轿车涂料中都含有珠光颜料。

二是令视觉捉摸不定的惊奇的随角异色效应。因此，这种有特别效应的颜料常常被用于需美化和吸引眼球效果的应用中。第3个优势是能模仿天然珍珠的效果而用于制造钮扣、塑料瓶以及其他各种物品。

光学效应如直接光反射，多层次光反射，光干涉，和色游动（travel）（强烈的随角光学效应），通过采用加入实用体系中平行定向排列的特别设计的效应颜料就能达到，而且还可通过采用多层次充填的膜层来达到。这种膜基本上是由连续的、不含颜料的无机或有机聚合物构成，其膜厚为几微米至几百微米。这些膜基本上由具有折光率不同的交替层的多层次体系构成的。在另一方面，因为效应颜料的似片状粒子群体具有很容易形成平行定向排列的能力，所以效应颜料在

实用体系中能产生光学感染力。粉末涂料的应用中，在某些情况下片状颜料很难形成定向排列，但是也能得到强烈闪光的色彩效应。即使在粒子有一部分呈现不规则排列情况下，也有可能产生反射，多层次反射，干涉，不过这样得到的效应是有差别的。

本文特别着重论述在实用体系中效应颜料与填充光学膜的比较，列举了各种效应颜料的类型，分析效应颜料的分析方法和效应颜料粒子定向排列与粒子几何形状之间的关系。

2效应颜料与填充光学膜的比较

效应颜料在装饰性和功能性应用中与填充光学膜比较，具有以下优势：

·与有关的各种应用体系能容易地拼混；

·能与其他颜料混合而产生各种不同的色彩效果；

·容易获得更“闪烁”的效果，这是因为单一粒子被目视分辨到一定程度而显现出各种结构效应；

·采用片状颜料的不同粒径就可增加光学性和功能性效应的变化种类；

·生产成本易于接受；

·生产无环境污染；

·采用很简便的施工方法就能使所需的效应展示在表面，这些施工方法例如有喷涂、印刷、模压等。

与此相反，填充的膜在大多数情况下只能以很有限的方式加以应用，甚至有时在实际中还不可能被使用。因此，涉及装饰性及功能性效应（例如，导电性、红外光反射性）的新材料发展时，很明显要定位在片状效应颜料粒子上。

3填充光学膜的制备及类型

填充的光干涉膜可以用下列三种不同方式制备：

气相沉积法（用于无机膜制备）；

液相沉积法（用于无机和有机膜制备）；

注模或挤压技术（用于有机膜制备）。

气相沉积法可用两种主要方法完成，即物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。工业上采用PVD法是高真空蒸发（用电流或电子枪进行加热蒸发），磁控管溅喷，离子镀，离子辅助蒸发。实用的CVD法是低压CVD法，等离子激发

CVD法。MOCVD法则采用金属有机母体，使它发生分解或与其他气体化合物进行反应。

用作填充的光学膜形成物的大多数底材为低折光率的材料，如玻璃或聚合物。因此，形成的膜应具有比底材更大的折光率，以便能获得反射和干涉现象。二氧化钛和二氧化锆常常被用作膜层材料，而其他化合物如硫化锌和五氧化钽或者金属被沉积在底材上。

在许多情况下制成的多层膜都含例如二氧化硅、氧化铝或氟化镁3类的物质，作为低折光率薄层。这种薄层再与高折光率薄层按交替顺序配合。这些薄层大多数都是透明的，但也有一些是半透明的（如氧化铁、金属）。如果诸材料的蒸发条件相似时，则混合型氧化物薄层也是可行的办法。

如果要考虑的主要因素是成本，则气相沉积法只能局限于填充膜的制备。其主要的应用是光学透镜、滤光器、激光镜、眼镜以及通信系统元件。除此之外，用气相沉积法制成的电化着色层以及透明导电层也有增长的趋势。

制作填充光学膜很常用的方法是液相沉积法。液相沉积法有三个主要的方法：

①浸渍法（用于表面大的物件，很经济，易操作）；

②用离心旋转湿表面方法散布形成液体膜层（旋转涂覆，仅适合于小型圆形物件）；

③喷涂法。

为了用液相沉积法制成均匀膜层，成膜溶液必须具备下列性质：初始化合物具有适当的溶解度且溶剂挥发时具有充分的结晶趋势；底材与溶液的接触角足够小以便具有良好的润湿效果；沉积的胶体膜能容易地转化成均匀的固体膜而不产生裂纹及表面粗粒。

用液相沉积法制取填充光学膜及功能性膜的应用已有几十年的历史。制取这些膜时多数情况采用玻璃作底材。

光学效应，特别是随角异色效应可采用有机多层膜来获得。有机材料的折光率比无机材料的折光率小得多。因此，这种膜通常具有70层以上，有时甚至达到1000层以上才能获得强烈的干涉效应。折光率之差应大于0.06。

这种多层膜的每一层其厚度通常为50~400nm。反射光及彩度的数量取决于

折光率之差、膜的层数、膜的光学厚度系数、膜厚度的均匀性。

有机多层膜可采用冷辊压铸挤出法制成，即用通常各式各样的单层平板状膜与收集来自2个或多个挤压机（混合挤压）挤压出的聚合物软化物的供料器相结合并按预定的层次排列而制成。具有低折光率膜的聚合物通常为聚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸酯-聚酯，聚丙烯，乙烯-醋酸乙烯酯，聚醚二醇（折光率为