铝粉颜料概述.doc

鋁粉顔料概述(1)鋁顔料是用純鋁金屬生産的，鋁顔料具有鋁金屬本身的許多特徵，一般來說，根據所生産鋁顔料漿料或粉體品牌的不同，所用的鋁金屬的純度在99.3%99.97%的範圍。當鋁金屬被研磨成顔料粉末以後，最顯著的特徵是粒子本身的幾何形態。鋁顔料粒子實際上是片狀物，而不是像其他多數顔料那樣是球形或針狀體，這種形態是鋁顔料具有衆多獨有特徵的原因所在。鋁粉顔料象鋁金屬一樣，具有優良的抗腐蝕性能和高度的對可見光、紅外線和紫外線的反射能力。鋁在自然界是很穩定的，因在空氣中表面會形成一種堅韌的氧化物保護層。但鋁是種兩性元素，它既會與酸類與會與堿類作用，生成H2和鋁化合物。鋁的可展延性從其能被粉碎成片狀粉末形態而得以證明。歷史上金屬顔料的起源可回溯到遠古時期碾金術。在古文明的埃及，人們將黃金加工成很薄的金箔，然後裝飾在木質、骨質或其他物件的表面。後來這方面藝術傳到中國、印度，接著又傳到歐洲。當古代的藝術家將其藝術用於生産金箔時，由於厚度很薄，其輪廓趨於消失。但不久就發現，將這些疏鬆的材料放置於適當的介質中，就會顯示出金箔的效應。再後來人們將很薄的金箔進一步加工磨碎並過篩，生産出能夠用於工藝品裝飾和印刷油墨的金粉。由於金價太高，不久就被銅粉替代，後來銀和錫也被用於生産銀粉顔料。19世紀中葉，Henry Bessemer先生爲利用價格昂貴的金粉顔料，開發出機械搗碎法工藝，但不久以後新開發的熔鋁法技術迅速替代Bessemer法生産鋁粉，以取代銀和錫。這種機械帶有鋼錘，能將金屬在砧座上錘搗成片狀粉體。爲了防止錘碎後金屬粉末冷融固，生産過程中需加入油類或脂肪作潤滑劑。鋁粉顔料的化學和物理組成：純度99.3%99.97%雜質含量：Si0.05%0.25%、Fe0.1%0.4%、其他0.03%0.05%氧化物含量1.0%3.0%潤滑劑含量0.2%4.0%溶劑含量（指漿料）：碳氫溶劑（脂肪族/芳族:20%/4.0%）閃點（指漿料）105110（約4044）密度（g/cm3）：鋁金屬2.7、鋁粉漿1.381.70直至1930年，當哥倫比亞大學的EJHall開發出濕法球磨工藝之前，還未出現無爆炸危險的金屬顔料生産方法。Hall發明的方法是在適宜潤滑劑和脂族烴類溶劑存在下球磨金屬，能生産具有安全性、質量優異得多的鋁粉顔料。由於消除了Bessemer法的爆炸危險，這種工藝已成爲更高檔鋁粉顔料的安全、經濟的生産方法，如今得到更廣泛的應用。由於其重要意義被很迅速認識，此後，Hall工藝一直是鋁粉顔料的主要生産方法。生産方法上述Hall法之所以重要，不僅是其效率，而且也由於不在乾燥狀態下生産，所以非常安全。具體生産過程是：在裝有鋼球的球磨中，加入三種原材料：金屬鋁材，石油溶劑及適當的脂肪酸，如硬脂酸。研磨在一定的速度下進行，使球體能接觸到鋁材，將其碾平並破碎成細小的片狀物。潤滑劑能防止鋁粉冷融結，在配方中加入足量的石油溶劑是爲了調整漿料的稠度。研磨時間的長短取決於所生産鋁顔料的品種和所要求的粒度分佈。一般來說，540h是需要的。研磨結束以後，從球磨中放出漿料，通過合適孔徑的篩子分離出不合要求的顆粒。在這種方法中，研磨時間的長短決定了品牌間的差別。分離出的粗大粒子返回球磨進行再次研磨，而過篩後的粒子送壓濾機壓濾，去除過量的溶劑，制得揮發份爲20%左右的濾餅。生産鋁粉顔料漿最終工序是將上述壓濾後的濾餅與溶劑在混合器中均勻混合，根據所生産的顔料品種的不同，制得揮發份爲2638%左右的顔料漿，爲保證漿料符合其性能指標的調整工作也在此工序中進行。爲滿足環保條例，並使之與各種塗料、油墨和塑膠系統相容，漿料中的溶劑部份可作相應調整，所以生産商能生産出含有不同溶劑，如芳族，極性或無溶劑的各類顔料漿。例如，爲塑膠工業設計的産品中的溶劑部份被各種塑化劑取代，使其既具有與塑膠系統相容性，以消除了乾粉顔料不安全的因素。最近在鋁粉顔料領域中一個相當大的進展是解決了鋁粉與固體樹脂基料的混合問題，市場上出現塑膠工業專用的丸狀形態的鋁顔料。其他的改進是添加除濕劑、漂浮穩定劑以及爲提高水分散性所用的表面活性劑等。性能鋁粉顔料與大多數非金屬顔料不同，它們具有片狀的幾何形態。這種形態，除顔料的金屬特性外，還能提供其他顔料不能達到的裝飾性和綜合功能。當應用于塗料中時，片狀粒子能以平行底材的位置自動多層定向排列于塗膜表面。浮型鋁粉品種不同，外觀也變化很大，從平光、銀白到高光澤和彩色；而非浮型鋁粉則能提供金屬或多彩色澤以及不同程度的閃光和色彩效應。鋁粉顔料象鋁金屬一樣是不透明體，對可見光、紅外光和紫外光均有高度反射能力。人們在顯微下看到的鋁粉顔料是表面平整、形態不規則的粒子群體，其周邊帶有許多鋸齒形缺口以及平面特徵是由於經過球磨的結果。片狀粒子的實驗尺寸由於品種不同區別很大，但工業上適用的品種，厚度爲0.12.0m，直徑0.5200m。表面積和粒徑分佈對於所有品牌的鋁粉顔料來說，其粒徑控制是很精確和嚴格的，粒徑和粒徑分佈的微小變化將導致顔色、遮蓋力、隨角異色效應和光澤的改變。鋁粉顔料粒徑的測試、控制和評價是通過篩分法進行的。按照以包括325目（44m）篩餘量在內的多種指標爲基礎對鋁粉顔料進行分類，並設立了聯邦和ASTM規格標準(見表2）。一般來說，對鋁粉顔料的評價是用從80目（177m）到325目（44m）一套標準篩進行的。首先計算出在這些標準篩中的百分篩餘量，提供曲線粗粒子部份粒徑分佈。對於044m部份來說，可以應用電鏡、粒徑計算儀和篩分等方法建産粒徑分佈曲線。鋁粉顔料表面積的評價是用水覆蓋性試驗進行的，這種工藝的基礎是浮型鋁粉的疏水性。將乾粉顔料鋪展於水面，不留空隙，所覆蓋的面積單位爲cm2/g。各種規格的鋁粉顔料的覆蓋面積一般爲50003500 cm2/g鋁粉，此值低，表明鋁粉粒徑粗；較高的覆蓋面積表明粒徑較細。這種工藝不能用於非浮型鋁粉顔料表面積的測定，因爲研磨過程中所加入的潤滑劑對鋁粉在水中的漂浮性有影響。鋁粉顔料概述(2) 浮型顔料作爲鋁粉顔料的兩種主要類型之一，這類鋁粉的主要特徵是其具有在介質中漂浮的能力，這種漂浮現象是研磨過程中所加入的脂肪酸潤滑劑作用的結果。因爲一般應用的潤滑劑是飽和脂肪酸（如硬脂酸），它能吸附於鋁粉表面，從而爲其提供疏水和疏油兩種特徵。正是這兩種非濕潤性特徵才能使 鋁粉具有浮型性能。將浮型鋁粉分散在合適的體系中，然後塗覆在基材上就會呈現出銀亮色的外觀。綜觀這類塗膜，人們可以看到片狀鋁粉平行地定向地排地或接近于塗膜表面。這樣的漂浮現象是幾種物理因素作用的結果表面張力、溶劑蒸發、對流和塗料粘度。當溶劑從含有浮型鋁粉濕膜中蒸發時，會起對流作用，帶動鋁粉向塗膜表面運動。另外，鋁粉的疏油性以及由於溶劑揮發引起的塗膜內溫差也是造成顔料漂浮的重要因素。因此，由於包括鋁粉和介質之間介面張力在內的一系列因素，以及由於溶劑揮發粘度逐漸增加，使鋁粉固定于塗層表面，結果得到明亮的銀色塗膜。爲評價浮型鋁粉漿，ASTM D480規定了其測試方法，即調刀法。它是以漂浮的百分率的數位形式進行評價的。這種方法很簡單，將機械操作的調刀浸沒在含有用特定規格的氧茚樹脂與鋁粉配製的塗料的試管中，然後從試管中取出調刀，懸挂在帶蓋的圓筒中。隨後觀察圓筒中調刀上的現象，開始將會看到，在調刀的下部會逐漸出現鋁粉的漂浮現象，而且隨著時間的延長，這種漂浮現象逐漸上升。3min以後，測量調刀上發生漂浮現象的高度部位與被塗料浸沒的高度，從而計算出漂浮的百分率。一般對於浮型鋁粉漿來說，此數值爲55%65%。然而，有幾種浮型鋁粉漿的漂浮值可高達90%100%。這種調刀測試法具有能適用於分散在合適塗料介質中的任何品牌的浮型鋁粉的優點。非浮型鋁粉非浮型鋁粉是與定向于塗層表面的浮型鋁粉相對而言的，這類鋁粉不是定向地排列于塗層表面，而是均勻地分佈于整體塗膜中。這種分佈是由鋁粉生産研磨過程中所加入的潤滑劑造成的，所用的潤滑劑一般是不飽和脂肪酸，如油酸。由於是均勻地分散于整體塗膜中，所以用非浮型鋁粉配製的塗料外觀和特徵與浮型鋁粉是不同的。也因爲在表層或接近於表層沒有連續性的鋁粉分佈，所以塗膜比較耐污染和撞擊。非浮型鋁粉能應用於更廣泛的塗料體系而不用耽心破壞浮型特徵，它也可以呈現出金屬狀的裝飾性或多種色彩的效應。此外，還具有遮蓋性（著色力）、顔色、閃光、隨角異色、影像清晰度以及光澤效應。以上所有性能均受到嚴密控制，並且在很大程度上取決於其粒度和粒度分佈）。鋁粉顔料的粒徑和粒徑分佈對塗膜性能的影響鋁粉顔料的遮蓋力和著色力都與其粒度分佈有關。一般來說，具有最高遮蓋力和著色力品牌的鋁粉，其平均粒徑最小；相反亦然。測定不同牌號之間遮蓋力的差異可通過將鋁粉分散於樹脂中、配製在含有TiO2的介質中，或油漆體系中，然後刮塗在透明的底材上進行肉眼比較。鋁粉顔料的顔色特徵可通過白度、亮度、灰度和暗度等指標表達，顔色也與鋁粉的粒度分佈有關。亮度和灰度是由鋁粉表面反射的光線數量決定的。當粒徑變細時，顔色發暗。然而，通過粒徑分離技術，能制得粒徑很小但仍能呈現出高亮度的鋁粉品種。測定顔色可用色度計或其他反射儀進行，其中Taylor Baumgartner反射儀應用最普遍。鋁粉顔料的閃光效果是用肉眼評價的，但必須在直接陽光或白熾燈下進行。閃光效應與鋁粉的粒徑、粒形和外觀有關。鋁粉顔料的影像清晰度（DOI，下同）與光澤有關，DOI是用Landolt灼熱箱測定的，這種特徵被認爲對汽車工業具有高度重要的意義，它完全是由粒徑決定的。Flop，即雙色效應或不同的金屬色彩，是當以不同角度觀察金屬塗料顔色時所用的專門述語，這種特徵取決於鋁粉顔料的粒徑和粒徑分佈，也取決於所應用的介質體系。鋁粉在塗膜中的定向情況將確定所呈現的多彩效應。能與塗膜表面和底材平行的方向排列，就會呈現出最高的正面亮度和側面（45度視角）顔色深度。造成這些顔色差別的原因是眼睛中所看到的反射光的數量不同。如果正面觀察金屬塗層，眼睛看到的反射光數量達到最大；而當從側面斜角觀察時，反射光數量減少，因而顔色變暗。一般來說，由於反射光數量的不同，所以粒徑較大的鋁粉顔料能産生更明的金屬色彩。塗層金屬色彩的效應也受所應用的介質的影響，現今所應用的高固份塗料，由於鋁粉在其中定位不理想，所以多彩效應也受到干擾。鋁粉顔料概述(3) 鋁粉顔料的配方原則鋁粉顔料本性是相當耐延展的，但又是有點脆性，在應用于塗料時，如果經高速混合或經連續和高強度迴圈，則粒子形態容易受到破壞。所以推薦的分散工藝是在低速攪拌下將足量的樹脂或溶劑加入到鋁粉漿中，制得一種粘稠均勻的膏狀物。在此膏狀物中還可加入其他的溶劑和介質進行配漆。如果上述配漆過程中分散條件太激烈，鋁粉粒子的形態會受到破壞，結果影響塗膜裝飾效果，包括塗膜帶晶粒，色暗，不透明度低，金屬色彩也差。配方中樹脂和其他組份主要取決於塗料的最終用途。但任何金屬塗料的製備都應該符合上述的配方原則。樹脂金屬塗料中樹脂的選擇是由綜合成本分析和塗料的最終用途決定的，所考慮的因素主要有內用還是戶外用，被塗裝的底材，耐化學性和耐濕性，環保性能，乾燥速度等。對於浮型和非浮型鋁粉顔料來說，可選擇的樹脂體系很多，包括含油樹脂，丙烯酸類，醇酸，環氧、聚氨酯和水性樹脂。一般來說，只要能與鋁粉漿中載體石油溶劑相容，不與鋁粉發生互相反應的樹脂都能適用。由於鋁是一種兩性元素，所用樹脂的酸價應在7以下。溶劑溶劑的選擇主要取決於配方中所應用的樹脂。非浮型鋁粉配製的塗料，其溶劑的選擇面要遠大於浮型鋁粉。許多極性和非極性溶劑都能使用。但對浮型鋁粉來說，只能用非極性溶劑，優選爲具有高表面張力（27達因/cm）的脂族和芳族烴類溶劑。因爲包括酮類和醇類在內的極性溶劑對鋁粉的定位會起干涉作用，並在揮發過程中會帶走鋁粉中的脂肪酸潤滑劑，結果降低了鋁粉的漂浮性能。浮型鋁粉適用的溶劑有石油溶劑、二甲苯、甲苯以及具有高閃點的石腦油，這些溶劑都能使鋁粉呈現出優異的漂浮性能。水在大多數溶劑中都是種雜質，所以在塗料體系中水含量應盡可能保持在最低限度下。水也會與鋁反應生成H2。研究表明，成品塗料中水份含超過0.15%，就會與鋁粉反應産生H2，其數量足以會使塗料貯存桶鼓脹或爆裂。催乾劑如果在塗料中需要應用金屬催乾劑的話，適用於浮型鋁粉的催乾劑種類是有限的，只有對鋁粉上的硬脂酸包覆層不造成影響的才可應用。推薦的催乾劑種類有鈷、鋯和錳。應用性能鋁粉顔料之所以能應用於塗料、塑膠或油墨是由於其具有裝飾功能。鋁粉顔料本性就具有不透明性，對可見光，紅外光和紫外光均有高度的反射力。應用于介質中時具有抗腐蝕性，本身所釋放的水份很低。塗料系統鋁粉顔料能應用於多數塗料系統，其最普通用途之一是屋面塗層，這裏用的是瀝青樹脂。當塗層中加入粗粒徑的浮型鋁粉時，不僅能改變屋面外觀，還能減緩外界環境對樹脂的破壞。因爲鋁粉能反射掉陽光中的紫外和紅外光輻射波，從而減慢了對瀝青的氧化速度。而且，鋁粉對熱輻射的反射也能非常有效地降低底材和底材下部的溫度。研究結果顯示，上述降溫作用能延長塗層的壽命，降低了所需的冷卻成本。鋁粉顔料的另一個重要用途是保護鋼質構件，象橋梁，水槽及其它需要長期使用、需要塗裝的大小鋼構件都可使用鋁粉進行保護。鋁顔料已應用於各種體系，並且還將繼續用於底塗或面漆。由於鋁粉的特殊物理性質以及對遮罩性保護的重要性，所以對基料樹脂和底材都具有保護作用。經過對多種片狀顔料（包括不銹鋼粉、玻璃粉、雲母、雲母氧化鐵）進行廣泛研究，得出以下結果：在配製合適的遮罩性保護塗層中，鋁粉顔料的性能最爲優異。如今市場上一種普通的這類産品就是環氧鋁粉厚漿塗料，另一類是濕氣固化型聚氨酯，後一類塗料主要依賴於鋁粉的遮罩性質以及鋁粉漿的低濕份含量。然而，用鋁粉顔料配製的任何體系的耐久性都是體系中所應用的大量片狀鋁粉的功能。 如今，浮型和非浮型兩種鋁粉顔料均已成爲商品並用於多種工業塗層。由於鋁粉顔料類型和品牌不同，所以在塗層中能呈現出一系列的裝飾功能從平光，銀白到彩色外觀，從明亮的閃光色彩到流暢的金屬色。 鋁粉顔料應用量增長最快的領域之一是汽車塗料，從60年代開始，它在汽車面漆中的應用範圍不斷拓寬，到1985年，應用金屬面漆的轎車幾乎超過70%。這種增長與鋁粉的裝飾功能以及消費者的愛好有直接的關係。因爲一面漆款式在消費者可接受程度和購車方面起了重要的作用，而通過鋁粉顔料可設計出許多款式並具有影響的汽車面漆。與此同時，流行的OEM面漆工藝和多變的款式也起到一種革新的作用。另外，樹脂系列，配色及應用工藝都有迅速提高。環保條例對溶劑排放的限制，以及盡可能滿足歐洲人的喜好，這些都進一步促進了正在發生的上述變化。高固分底漆/清面漆體系的開發成功，爲解決許多這類問題提供一個途徑，但又導致對新型鋁粉顔料的需求。單道塗層和底漆/清面漆系統之間對鋁粉的要求差別主要是在塗層中的分佈。在單道塗層中，顔料在塗膜中是整體均勻分佈；而在底漆/清面漆體系中，顔料只分散在底塗層。其厚度只占底/面漆總厚度的1/3以下。因爲底塗層厚度爲0.60.8mil，而清面漆爲1.21.8mil。爲適應這些新的體系，已經開發出一種全新概念的新型鋁粉顔料。低不透明度，明亮的正視白度，深色的隨角異色效應，強DOI以及平滑的片狀粒子表面都是這新一鋁粉顔料的典型特色，其代表性品牌是SPARKLE SILVER 5245-AR ALUMINUM PASTE和SPARKLE SILVER 5251-AR ALUMINUM PASTE。70年代的鋁粉只能用於單道塗層，具有引人入勝的閃光效應和高DOI；80年代出現了用於底漆/清面漆體系的具有高DOI和亮白色平滑表面的鋁粉品種；如今的鋁粉顔料在保持已有的高DOI和深色隨角異色效應的基礎上，正向更亮更白的方向發展。鋁粉顔料概述(4)油墨浮型和非浮型鋁粉顔料用於油墨系統能賦予令人矚目的銀白和金黃色。鋁粉顔料的商品形式有粉體和漿料兩種，其中漿料是鋁粉在石油溶劑或高閃點石腦油中的分散體。但這兩種形態的鋁粉在油墨中的用途都有限：漿料只能與部份基料系統相容，而粉體鋁粉易造成污染，有時還會發生危險。經過塑化的鋁粉顔料有助於部份解決這類問題。最近又新推出丸狀化的鋁粉顔料，它是用固體樹脂作粉體的粘結劑，它消除了漿料鋁粉中使用溶劑的弊端，又消除了粉體顔料具有粉塵和危險的因素。塑膠浮型和非浮型鋁粉顔料能用於多種熱塑性塑膠，應用的前提是能賦予裝飾性和其他功能。鋁粉顔料在塑膠中的裝飾性與在塗料中類似，但實際上不可能呈現出漂浮功能。鋁粉顔料在塑膠中的功能性作用是能通過片狀粒子賦予塑膠以明亮的屏障。一般來說，塑化品牌的鋁粉可以是粉體，也可製成漿料，這些品牌鋁粉能與所有塑膠相容並且使用方便，又無危險。這類鋁粉品牌衆多，其塑化劑有DOP、DIDP、礦物油以及聚合物等。最近，塑膠用丸狀化的鋁粉顔料也已問世，牌號爲SILVET的這類産品是由80%的鋁粉和20%的固體樹脂組成的，比起塑化鋁粉，這些産品應用更簡單、安全和乾淨，並且能與多種熱塑性塑膠相容。鋁粉顔料品牌鋁粉顔料品牌繁多，可將簡單地分成浮型和超浮型，塑化/丸狀化以及特殊品牌三類。浮型和超浮型按照粒徑和表面積，這組鋁粉還可再分成粗、中、細粒徑三類。浮型鋁粉適用于屋面塗層、普通工業面漆、高檔維修塗料和油墨。粗粒徑浮型鋁粉適用於要求最高亮度的屋面塗料，能呈現出明亮的，具有高反射性，結構粗造糙的塗層。爲確保達到最佳亮度和耐候性，這種塗料配製成高顔料份（23磅/加侖）。與粗粒徑相比，中檔粒徑的鋁粉具有較平滑表面，光澤高，表面積大。但這類顔料總的反射功能或亮度不高，適用於高檔維修塗料。因爲表面積大，一般應以低顔料份配製塗料（12磅/加侖）。細粒徑的鋁粉能呈現出最高的光澤，配製成塗料能顯示出鏡子般的或克羅米樣的外觀。這類鋁粉適用於煙霧劑、油墨和特種用途。由於比表面積很高，在塗料中的顔料份也很低（0.751.5磅/加侖）。超浮型鋁粉的漂浮率能接近100%，這類顔料具有提高裝飾效果，提高漂浮能力，增加介質粘度以及增強外觀美感的功能，在配方中顔料份比例較低。普通非浮型鋁粉這類顔料