云母鈦珠光顏料的生產質量影響因素及其應用

梁立德

（廣西七色珠光材料股份有限公司，廣西柳州 545600）

0 引言

大約在20世紀的70年代，杜邦化學公司的化學研究人員發現了天然白云母薄片表面在光線照射下呈現出珍珠般的光澤，研究表明是因為光線在云母層狀結構多個界面間發生了透射、折射和反射產生的效應，這種效應也叫珠光效應。因為層與層間的折射率不一致，且折射率越高珠光效應越明顯。云母鈦珠光顏料的生產制備就是源自于這種研究發現，將云母片作為顏料的基材包裹在里面，在基材表面以化學反應方法沉積出二氧化鈦薄層，由此工藝制備的珠光顏料，在光線照射于顏料表面時，能呈現出色彩斑斕的效果，產生鮮艷、亮麗的美感。云母鈦珠光顏料具有折射率高、遮蓋力強、化學穩定性高、耐高溫、耐酸堿、無毒無害、色彩豐富亮麗等優點，迎合人們對更高層次的色彩和審美的追求。因此，在建筑裝飾涂料、汽車涂料、皮革、工業產品涂料、塑料、油墨、陶瓷、化妝品等行業得以非常廣泛的應用。

1 云母鈦珠光顏料制備的化學原理分析

液相沉積法為例，生產云母鈦珠光顏料工藝中，通常以四氯化鈦（TiCl4）為水解沉淀劑，用化學反應式表示主要有如下反應過程：

四氯化鈦與中和劑并流水解沉積是目前珠光顏料生產最普遍和常用方法。把一定粒徑大小規格的云母鱗片與去離子水按既定配比制成懸浮液，并將懸浮液置于具有特制的耐酸堿腐蝕的反應釜中。在水解反應過程中需要精確把控懸浮液的pH、溫度、TiCl4溶液加入速率、攪拌速率等參數在合理的范圍內。只有嚴格控制好以上這些參數，TiCl4才能受控地沉積在云母表面上。由上述的化學反應式可知TiCl4的水解會產生鹽酸，隨著水解反應的不斷進行，生成的鹽酸會使懸浮液的pH發生非常明顯的變化，因此需要采用中和劑如氫氧化鈉（NaOH）進行酸堿中和來控制反應釜中穩定的pH環境。水解反應釜內在這些特定的反應條件下能夠產生納米級H2TiO3粒子，這些粒子沉積于懸浮液當中的基材上，沉積的粒子越來越多時珠光顏料顏色發生變化，珠光顏料從銀白色逐漸過渡到金、紅、紫、藍、綠等干涉色。

2 光學原理

珠光顏料是能夠產生珍珠光澤（珠光效應）的顏料，其光學原理是在基材上沉積包裹一層或交替多層如TiO2的多種金屬或者非金屬氧化物，組成了類似“三明治”的夾心體結構。在這樣的夾心體結構中，表面所沉積的各種氧化物沉積層之間存在光學折射率的差異，入射光照射在表層以及透射到里面的每一層不同氧化物沉積層界面處都能產生光的反射與折射，由多重反射與折射光的疊加又會發生光的干涉現象，這就是能讓人們肉眼看到色彩斑斕的美妙效果。對于云母鈦珠光顏料來說，云母片基材上沉積的層狀結構依據二氧化鈦沉積層厚度不同，顏色變化會有銀白、橙色、金色、紅色、藍色、紫色、綠色多種顏色，這些顏色產生同樣也是光的干涉現象，統稱為干涉色。

3 云母鈦珠光顏料生產工藝流程

3.1 基材云母粉制備

云母的天然形成條件有多種，主要成分是二氧化硅（49%左右）。云母結晶結構中的硅原子和氧原子結合比較緊密，而其他元素原子如鉀原子、鋁原子與氧原子的結合較弱，因此云母具有易于層狀解理的特性。經過加工容易分剝成平坦、具有彈性、光滑而薄的薄片。天然云母種類很多，能用于珠光顏料工業生產的主要是白云母和金云母。白云母與金云母致色鐵、錳離子等雜質含量較低顏色較為純屬凈。云母鈦珠光顏料云母粉基材的制備主要流程有云母煅燒、除雜、水力沖擊破碎、濕法碾磨、精密分級等。

3.2 珠光顏料生產流程

經過對云母粉的分級之后，選擇相應規格粒徑的云母粉投入反應釜，加入純水，經加熱、攪拌制成云母懸浮液。懸浮液一般控制在70～80℃的溫度，在反應釜中精確把控懸浮液的pH、溫度、TiCl4溶液加入速率、攪拌速率等參數在合理的范圍內，之后重點對顏料顏色監控，顏色接近參比樣這時需要進行取樣進行抽濾、洗滌、干燥和高溫煅燒，煅燒后的顏色和目標顏色相同或接近，即認為水解反應達到終點。水解反應釜內的懸浮液經過抽濾、洗滌、干燥和煅燒即可得到珠光顏料，生產流程工藝如圖1所示。該工藝無三廢污染、對設備要求不高，可規模化生產。

圖1 珠光顏料生產流程

4 云母鈦珠光顏料質量影響因素分析

4.1 基材的選擇

云母基材本身的白度和亮度越好，包覆生產的云母鈦珠光的亮度也會更好。影響云母礦色澤度的主要原因是云母礦含有的鐵等致色金屬氧化物。要生產高亮度的云母鈦珠光材料，就要選擇原始色澤度高、透明度高、雜質含量少的白云母。另外云母的碾磨分級工藝也是影響珠光亮度的重要因素，生產珠光材料的云母薄片必需采用濕法碾磨，采用特殊的碾磨設備。以使碾磨得到的云母薄片表面光潔，盡量減少表面劃痕和損傷。云母薄片的徑厚比是影響珠光材料的另一重要因素。通常作為珠光原料的云母片的徑厚比要達到1:（50～100）。碾磨后云母粒徑的分級工藝和技術決定了云母基材的粒徑分布。一般來說，云母基材粒徑分布越窄，所得的珠光材料的亮度和色純度越好，但是要照顧珠光材料的遮蓋力等因素，并不是粒徑分布越窄越好。對于10～60μm粒徑范圍的產品，粒徑徑距在1.4～1.5為佳。

4.2 沉積劑的選擇

對于云母鈦珠光的液相沉積加堿中和水解包覆工藝，已經確定四氯化鈦為主流的沉積劑。相對硫酸氧鈦而言，四氯化鈦作為沉積劑更為經濟和環保，并且珠光的質量較為穩定。而硫酸氧鈦由于難免有鐵、錳、鉻、釩等雜質，目前沒有經濟可靠的除雜手段及環保等原因，逐漸退出主流工藝。沉積劑的雜質成分的含量是影響云母鈦珠光材料亮度的重要原因，尤其是鐵、鎳、鉻等可致色的金屬離子，會在水解中與二氧化鈦形成有色的共同包覆膜，從面影響珠光的亮度。在選擇四氯化鈦時要嚴格控制其中的雜質含量。

4.3 水解工藝參數的選擇

對于液相沉積加堿中和水解工藝，工藝參數和選擇至關重要。尤其是反應體系的溫度、酸度、攪拌強度，鈦液濃度影響最大。要獲得高亮度的云母鈦珠光材料，水解工序要在一個相對穩定的溫度、pH及恰當的攪拌強度下進行，才能獲得光滑致密的包膜。

4.4 包覆工藝技術和包覆層次的選擇

對于相同的基材，同等質量沉積劑，相同的工藝設備，如果包覆工藝技術掌握不當，往往會得到兩種質量截然不同的珠光產品，亮度和色純度會相差甚遠。目前主流的普通的工業級銀白珠光效應材料均只采取單層（銳鈦型）或兩層（金紅石型）的包覆工藝。從理論上說，增加珠光材料的包覆層次可以增加光線在不同層次的界面上發生反射和透射的次數，從而增加珠光材料的亮度。

5 云母鈦珠光顏料的應用

云母鈦珠光顏料在涂料工業領域廣泛應用。經過后處理的珠光顏料添加在涂料中容易分散而不會沉底，無論是水性涂料還是溶劑型涂料。添加珠光顏料的涂料具備很好的光穩定性和耐候性的同時，使涂料增加了珠光效應，非常合適用于建材涂料、保護性涂料和建筑裝飾。涂料添加珠光顏料能增強涂膜附著力與機械強度，起到防脫落、防開裂作用，并讓這些涂料呈現出多彩、仿真、云彩的裝飾效果，被譽為無紙筆畫。珠光顏料在汽車工業中應用發展快速。珠光顏料一般可以添加到各類型樹脂中從而獲得閃光漆，性能和耐候性極佳，能耐受長期的酸雨腐蝕、陽光暴曬等環境。珠光顏料在保有原本金屬般光澤同時還能增加色彩飽和度和層次感，是汽車行業極為重要裝飾顏料。在塑料的應用中，云母鈦珠光顏料化學性質穩定非常安全，不會與樹脂以及殘留物如游離酸堿、活潑基團、塑料助劑發生化學反應，同時還能讓塑料減緩褪色、灰化，提高塑料耐光、耐熱性能及延長使用壽命，添加金屬光澤屬性。另外，珠光顏料在陶瓷、油墨、化妝品等行業也有相當的應用范圍。

6 結語

綜上所述，珠光顏料廣泛應用于建筑裝飾涂料、汽車涂料、皮革、工業產品涂料、塑料、油墨、陶瓷、化妝品等領域，不斷豐富著人們生活的色彩。如何提高珠光顏料的生產質量是行業研究的重要方向。本文認為云母鈦珠光顏料生產流程從原材料到最后的成品，在很多環節當中質量影響最為明顯的是基材的選擇、沉積劑的選擇、水解工藝參數控制、包覆工藝技術和包覆層次這些工序，如果控制好這些工序環節，就一定可以生產出高質量品質的珠光顏料。