Пигменты и пигментированные материалы, их классификация и технология получения.

Введение
Актуальность темы работы. В станковой живописи в значительной мере
используются пигменты - это твердые высокодисперсные неорганические и
органические компоненты, входящие в состав жидких или порошкооб¬разных
красителей (красок, эмалей, шпатлевок, грунтовок и т.д.) с це¬лью придания
покрываемому материалу определенного оттенка цвета, а в комплексе с
органическим пленкообразователем - и защитных свойств, таких как газо- и
водонепроницаемость, механическая проч¬ность, атмосферостойкость и т.д.
Частицы пигмента в пленке способны поглощать, отражать и рас-сеивать
равномерно или избирательно падающий свет, что придает пленке белую, черную
или цветную окраску, полностью укрывающую цвет подложки.
Глава 1. Пигменты: общие сведения и классификация
В общем виде краска или эмаль - это суспензия пигмента в пленкообразующем
веществе.
Все известные красящие вещества делятся по отношению к пленкообразователю на
пигменты (нерастворимы в пленкообразующем веществе) и красители
(растворимы). Понятие «пигмент» - «краситель» может быть относительным, так как
ряд красящих веществ могут растворяться в одних пленкообразователях и не
растворяться в других.
Красящие вещества известны очень давно, но в настоящее время на пигменты
возлагается еще и масса побочных требований. Производство пигментов как
отрасль промышленности появилось в XVIII в. В 1704 г. Дисбахом была получена
Берлинская лазурь, в 1828 г. началось производство ультрамарина, в начале ХХ в. -
титановых белил. Применяемые в лакокрасочной промышленности пигменты на
80% являются неорганическими, однако определенное будущее у органических
пигментов несомненно есть, и их доля будет увеличиваться с развитием химии и
технологии основного органического синтеза.
Основная задача пигмента - придание покрытию определенного внешнего вида,
однако пигменты влияют практически на все свойства лакокрасочного покрытия.
Частицы пигмента могут частично поглощать и диффузно или зеркально отражать
падающий на них свет. Отношение пигмента к падающему свету определяется в
основном его природой и формой частиц. Так, пигменты синих тонов избирательно
поглощают более длинноволновую часть света и диффузно рассеивают во все
стороны более коротковолновые лучи, вызывая тем самым ускоренное разрушение
пленки. Пигменты красных тонов действуют наоборот, следовательно, в защитных
покрытиях, подверженных длительному воздействию света, более выгодно
применять красные пигменты.
В последние годы широкое применение в качестве пигментов нашли алюминиевые
порошки (сферическая форма частиц) и пудры (чешуйчатая). В красочной пленке
пудры располагаются параллельно поверхности и работают как мини-зеркала, так
что почти весь свет отражается от поверхности, в том числе и инфракрасный.
По защитным свойствам все пигменты делятся следующим образом:
1) ингибитивные (свинцовый сурик, основной хромат цинка, цинковый крон,
цинковая пыль, алюминиевая пудра);
2) нейтральные (барит, некоторые оксиды железа);
3) стимуляторы коррозии (некоторые оксиды железа).
Основной потребитель лакокрасочных материалов – тяжелая промышленность, так
как из большого числа существующих методов защиты металлов от коррозии шире
всего применяется покрытие пленкой, металлической либо лакокрасочной.
Преимущество лакокрасочной пленки в большем ассортименте, лучшей адгезии,
4
способности следовать за всеми изменениями формы и размера изделий,
вызванными температурными колебаниями.
Некоторые пигменты обладают комплексом специфических свойств, которые и
определяют область их применения. Например, HgO и Си2О входят в состав
противообрастающих красок для подводных частей морских судов, некоторые
пигменты есть в составе светящихся красок, в состав термоскопических красок
входят пигменты, способные изменять цвет при определенной температуре. HgI2 •
2AgI обратимо меняет цвет от темно-желтого до темно-коричневого при 40 °С.
Изменение окраски происходит вследствие перестройки кристаллической
структуры. Кроме лакокрасочной промышленности ряд пигментов применяется и в
других отраслях. Сажа используется в полиграфии и резиновой промышленности,
оксид титана - для матирования тканей и волокон и т. д.
Глава 2. Основные свойства пигментов, определяющие возможность и
рациональность использования в составе лакокрасочных материалов
Для характеристики свойств пигментов применяют ряд показателей, их можно
разбить на 5 групп.
1. Химические показатели:
а) основной химический состав;
б) наличие примесей;
в) содержание водорастворимых солей;
г) рН водной вытяжки.
2. Физические показатели:
а) кристаллическая структура;
б) форма частиц;
в) дисперсность;
г) показатель преломления;
д) цвет;
е) твердость;
ж) удельная поверхность;
з) насыпной вес и насыпной объем.
3. Технические показатели:
а) укрывистость;
б) маслоемкость;
в) интенсивность;
г) термостойкость;
д) светостойкость;
е) коррозионная стойкость;
ж) атмосферостойкость;
з) стойкость при смешении с другими пигментами.
4. Технико-экономические показатели (рациональность производства):
а) стоимость исходного сырья;
б) доступность сырья;
в) сложность производства.
5. Санитарно-гигиенические показатели:
а) вредность производства;
б) вредность применения.
Важность знания основного химического состава очевидна, однако далеко не
всегда оно дает возможность судить о технических свойствах пигмента. Тем не
менее, например, чем больше в литопоне (сульфид цинка и сульфат бария)
содержание сульфида цинка, тем лучшими техническими свойствами он обладает.
Наличие примесей и водорастворимых солей нежелательно, так как
водорастворимые соли вымываются из пленки с образованием микропустот, а
такие примеси, как известь, могут омылять пленкообразователь. Тем не менее и
примеси, и водорастворимые соли всегда присутствуют, избавиться от них
полностью невозможно.
РН водной вытяжки пигментов должен находиться в пределах 6,5-7,5.
В зависимости от внешних условий возможно три агрегатных состояния вещества,
каждое отличается характером движения частиц, который, в свою очередь, зависит
от типа связи их друг с другом. По степени распространенности среди твердых тел
выделяется кристаллическое состояние, которое характеризуется строго
определенной ориентацией частиц друг относительно друга. Это, в свою очередь,
обуславливает и внешнюю форму тела в виде какого-либо многоугольника -
кристалла. В идеале кристалл ограничен плоскими гранями, сходящимися в
точечных вершинах и прямолинейных ребрах. Такие монокристаллы иногда
встречаются в природе, можно также получить их искусственно. Но большинство
известных кристаллических тел являются поликристаллическими, т. е. сростками
большого количества мелких кристаллов, они имеют неправильную внешнюю
форму, но правильное внутреннее строение.
Получение кристаллов из растворов называют кристаллизацией. Процесс
6
кристаллизации включает в себя:
1) образование перенасыщенных растворов;
2) возникновение зародышей кристаллизации;
3) рост кристалла;
4) перекристаллизация (сочетание процессов растворения и кристаллизации).
Одним из способов получения перенасыщенных растворов является химическое
взаимодействие веществ. Если в результате химической реакции образуется
малорастворимое вещество, то со временем его концентрация становится выше
растворимости, и раствор по отношению к нему станет перенасыщенным.
Кристаллизация включает два процесса:
1) рост уже имеющихся центров кристаллизации за счет отложения новых
молекулярных слоев;
2) возникновение центров кристаллизации.
В зависимости от условий эти процессы идут с разными скоростями. Если скорость
первого процесса значительно больше скорости второго, то образуются крупные
кристаллы, если наоборот - аморфный осадок, если скорости приблизительно
равны, то образуется полидисперсная кристаллическая система.
Глава 3. Методы синтеза пигментов
В химической технологии пигментов можно выделить в основном три метода
получения конечного продукта.
1.Осаждение из водной среды. Метод основан на использовании различных
реакций взаимодействия (замещение, гидролиз, окислительно-восстановительные
реакции и др.) двух или нескольких легко- или труднорастворимых в воде
реакционноспособных соединений, дающих в результате нерастворимый в воде
продукт. Этим методом синтезируют свинцовые и цинковые крона, желтые
железооксидные пигменты, железную лазурь и др.
2.Прокалочные методы. Эти методы основаны на реакциях термического
разложения, окисления или восстановления, протекающих в твердой фазе или на
границе раздела фаз, а также на процессах полиморфного превращения.
Прокалочные методы используются для синтеза оксидов железа, хрома, различных
титанатов.
3.Конденсация из газовой фазы. Это окислительно-восстановительные реакции или
реакции гидролиза, протекающие в газовой фазе. В технологии пигментов этот
метод применяется лишь для синтеза цинковых белил, диоксида титана и диоксида
кремния через соответствующие хлориды, а также технического углерода.
Конечно, строго разграничить эти методы можно не всегда. Наиболее
распространенный в технологии пигментов метод синтеза, основанный на
осаждении пигментов из водной среды, может осуществляться периодическим или
непрерывным способом. Периодический способ характеризуется непрерывным
изменением физико-химических условий синтеза, наличием местных пересыщений
при введении тех или иных компонентов, непостоянством состава реакционной
среды. Поэтому при таком методе осаждения трудно обеспечить получение осадка
со строго заданными свойствами. Основными способами управления таким
процессом при прочих равных условиях является точно установленный порядок
введения исходных компонентов в реакционную систему, строго определенный
режим перемешивания и, в ряде случаев, осаждение в присутствии предварительно
синтезированных зародышей.
Постоянство всех физико-химических условий при осаждении может быть
соблюдено только при использовании непрерывного способа синтеза. Такой
способ дает возможность автоматического регулирования параметров процесса и
управления ими в зависимости от свойств получаемого продукта.
Производство пигментов отличается от производства большинства неорганических
и органических продуктов тем, что при их синтезе нельзя ограничиваться одним
только требованием получения соединения определенного химического состава.
Пигмент должен обладать также необходимыми размерами кристаллов заданной
кристаллической модификации, так как кристаллическая модификация, форма и
размер кристаллов определяют большую часть физико-химических и технических
свойств пигмента.
Чтобы получить монодисперсную систему, исключив возможность роста одних
кристаллов за счет растворения других, необходимо иметь большое число центров
кристаллизации приблизительно равных размеров с примерно одинаковой
растворимостью. При малом числе центров кристаллизации происходит их быстрое
укрупнение, и система становится полидисперсной. Только при наличии в
кристаллизующейся системе большого числа зародышей или при больших
скоростях их образования (намного быстрее скорости роста) удается синтезировать
дисперсную систему из очень мелких частиц практически одинаковых размеров.
Заключение
Основная задача пигмента - придание покрытию определенного внешнего вида,
8
однако пигменты влияют практически на все свойства лакокрасочного покрытия.
Частицы пигмента могут частично поглощать и диффузно или зеркально отражать
падающий на них свет. Отношение пигмента к падающему свету определяется в
основном его природой и формой частиц. Так, пигменты синих тонов избирательно
поглощают более длинноволновую часть света и диффузно рассеивают во все
стороны более коротковолновые лучи, вызывая тем самым ускоренное разрушение
пленки. Пигменты красных тонов действуют наоборот, следовательно, в защитных
покрытиях, подверженных длительному воздействию света, более выгодно
применять красные пигменты.