水性涂料中二氧化鈦顏料顏色的測定

王玉雷，陳炳耀，胡倩，付曉東，姚榮茂

（1.廣東三和化工科技有限公司，廣東 中山 528429；2.佛山夫田涂料化工有限公司，廣東 佛山 528300）

水性涂料中二氧化鈦顏料顏色的測定

王玉雷1,*，陳炳耀1,2，胡倩2，付曉東1，姚榮茂2

（1.廣東三和化工科技有限公司，廣東 中山 528429；2.佛山夫田涂料化工有限公司，廣東 佛山 528300）

利用二氧化鈦顏料在水中的高分散性，借鑒色度法的測試原理，設(shè)計了二氧化鈦顏料在水性分散體系中干膜顏色的測定方法。研究了基料色度、漆料細度對二氧化鈦水性色漿顏色測試的影響，確定了試驗漆料的組成。試驗結(jié)果表明，該方法操作簡便，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，最小標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.009 6，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.05。以試劑級二氧化鈦顏料為標(biāo)樣，各水性鈦白漿顏色的測試結(jié)果與標(biāo)樣的驗證結(jié)果接近。該方法適用于水性涂料生產(chǎn)中二氧化鈦顏料顏色的測定。

水性涂料；二氧化鈦顏料；顏色測定；色度法；干膜

1 前言

二氧化鈦顏料是由晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦型或金紅石型的二氧化鈦組成的顏料，是目前白色顏料中光學(xué)和顏料性能最好的品種，也是國際貿(mào)易量很大的重要無機化工產(chǎn)品[1-2]。二氧化鈦顏料的顏色在鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)通常用油相白度或者干粉白度來表示，在實際使用中，企業(yè)更多地需要測量其在各種應(yīng)用體系中的標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)指標(biāo)[由國際照明委員會(簡稱 CIE)制定]。GB/T 1706–2006《二氧化鈦顏料》的修改采用了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 591-1:2000《色漆用二氧化鈦顏料——第1部分：規(guī)范和試驗方法》，其項目設(shè)置與技術(shù)指標(biāo)完全與國際標(biāo)準(zhǔn)一致，其中，7.5節(jié)“顏色測定”引用了 GB/T 5211.20–1999《在本色體系中白色、黑色和著色顏料顏色的比較 色度法》的方法測定二氧化鈦顏料在油相中的顏色。色度法使用精密儀器——光度計進行測試，科學(xué)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析結(jié)果，使得其在油性涂料生產(chǎn)中對二氧化鈦顏料顏色的測定頗具權(quán)威性。但在水性涂料生產(chǎn)中，由于基料本質(zhì)的改變，對測試結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。隨著水性涂料的日益發(fā)展，水性鈦白色漿得到推廣應(yīng)用，因此，測定二氧化鈦顏料在水性分散體系中成膜后的顏色顯得更加重要。本文借鑒色度法的測試原理，設(shè)計了一種二氧化鈦顏料在水性分散體系中干膜顏色的測定方法，以適用于水性涂料生產(chǎn)中二氧化鈦顏料顏色的測定。

2 實驗

2. 1 主要試劑和材料

二氧化鈦顏料，一種為試劑級，純度＞99%，其他為市售進口R706鈦白粉和A-100鈦白粉、國產(chǎn)R966鈦白粉和A-101鈦白粉；市售羥乙基纖維素，美國陶氏公司；進口無色透明有機硅界面活性劑，德國畢克：無色透明烷基磷酸鹽(消泡劑)，深圳海川實業(yè)股份有限公司；去離子水，自制；市售聚酯薄膜。

2. 2 儀器

JB90-D型強力電動攪拌機，順德華能化工有限公司；Datacolor臺式分光光度儀，美國Datacolor公司；平磨儀、100 μm刮板細度計和工字涂布器，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；砂磨機，上尹機械制造廠；涂料用對比率測定儀，廣州市盛華化工科技有限公司。

2. 3 實驗方法

在強力電動攪拌機的作用下，將纖維素、消泡劑、分散劑分散在去離子水中，制得均勻黏稠的基料。然后將二氧化鈦顏料高速分散在基料中，制得試驗漆料。當(dāng)試驗漆料分散到一定細度后，使用150 μm工字涂布器按GB/T 1727–1992《漆膜一般制備法》中的漆膜刮涂法，在聚酯薄膜上制備試驗樣板。待樣板干燥后，按照GB/T 11186.2–1989《涂膜顏色的測量方法 第二部分 顏色測量》，使用 Datacolor臺式分光光度儀測量樣板的L、a、b值(在CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)指標(biāo)中，L表示亮度，a、b表示色度坐標(biāo))，并由這些值按 GB/T 11186.3–1989《涂膜顏色的測量方法 第三部分 色差計算》計算出二氧化鈦顏料的相對色調(diào)。

2. 4 試驗漆料配比設(shè)計

二氧化鈦顏料在水中具有高分散性[3]。二氧化鈦顏料的分散性能與基料本身有很大關(guān)系，主要表現(xiàn)在基料中分散劑的選擇及用量、基料pH等方面[4-7]。在日常一些顏料分散或者色漿制備中，最安全也最實用的方法是選擇與實際漆料一樣的基料。本試驗漆料的選擇參考水性建筑涂料中“高PVC(顏料體積濃度)乳膠漆配方”中分散劑、消泡劑的選擇方法，搭配乳膠漆常用有機類增稠劑纖維素[8-10]，經(jīng)多次試驗，確定正交試驗漆料各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并通過變換每個因子的成分與比例進行復(fù)配，最終確定漆料基本配比如下：

3 結(jié)果與討論

3. 1 測試數(shù)據(jù)精密度

試驗漆料經(jīng)高速分散形成混合均勻的黏稠液體。使用150 μm工字涂布器在聚酯薄膜上制備試驗樣板，濕膜厚度為150 μm，干膜厚度介于50 ～ 60 μm之間。按照GB/T 23981–2009《白色和淺色漆對比率的測定》測定得對比率等于1。由于二氧化鈦顏料對黑色底材完全遮蓋，故測定時受底材顏色的影響可完全不計。選用試劑級二氧化鈦顏料和 R-706鈦白粉按照上述方法分別制備6塊試驗樣板，每一塊樣板隨機選擇一個點，使用Datacolor臺式分光光度儀測定其L、a、b值，試驗結(jié)果見表 1。根據(jù)表 1，由標(biāo)準(zhǔn)偏差計算公式得出試劑級二氧化化鈦顏料L值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.055 2，a值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.009 6，b值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.049 7。R-706鈦白粉L值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.046 3，a值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.023 4，b值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.040 6。6組數(shù)據(jù)中最小標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.009 6，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.055 2。該實驗方法所得數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好，精密度較高。

表1 L、a、b值測試結(jié)果Table 1 Test results of L, a and b values

3. 2 測試結(jié)果準(zhǔn)確度

按照已公告的中國專利“銳鈦型鈦白漿及其制備方法”(公開號為101280128)中的測試步驟，以目前市場上流通的進口R706鈦白粉、進口A-100鈦白粉、國產(chǎn)R966鈦白粉、國產(chǎn)A-101鈦白粉及試劑級二氧化鈦顏料分別制備水性鈦白漿，并經(jīng)砂磨處理使細度控制在10 μm。將此5種水性鈦白漿用150 μm工字涂布器在聚酯薄膜上制備試驗樣板，待試驗樣板干燥后，按GB/T 11186.2–1989使用Datacolor臺式分光光度儀對樣板進行測量。所有試驗以試劑級二氧化鈦顏料為標(biāo)樣，按色度法、本文試驗方法測量數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。表 2表明，對于各種水性鈦白漿，本文所述試驗方法的測試結(jié)果與標(biāo)樣驗證結(jié)果接近。目視測色效果顯著。

3. 3 基料色度的影響

在一種色中加入另一種色，將構(gòu)成與原色不同的顏色。色料的混合意味著對光吸收量的增加，這樣就削弱了反射光的能力，使其明度和純度大大降低[11]。在所制得的試驗漆料中，除二氧化鈦顏料外，其余各組分帶入的顏色粒子都會對光產(chǎn)生反射和透射，從而影響光度計或者色度計對二氧化鈦顏料顏色的測量。為了減少這種影響因素，色度法(GB/T 5211.20–1999)中規(guī)定，對制備的試驗樣板濕膜進行覆膜等相關(guān)的技術(shù)處理后，應(yīng)快速測量，因為試驗樣板干燥之后會因為醇酸樹脂色度值較大，帶入顏色粒子，造成試驗樣板出現(xiàn)色相變化。因此，所選用的消泡劑、增稠劑和分散劑的外觀應(yīng)為無色透明狀，或者漆料中的基料其色度越小越好。本試驗對所選用的消泡劑、增稠劑和分散劑在去離子水中分散均勻后組成的基料，采用GB/T 1722–1992《清漆、清油及稀釋劑顏色測定法》測定其色度，所得色度值均小于1。

表2 不同水性鈦白漿顏色測試結(jié)果Table 2 Test results of color of different water-based titanium dioxide slurries

3. 4 試驗漆料細度的影響

目前，市售二氧化鈦顏料種類繁多，在水中的分散性參差不齊，以不同廠家生產(chǎn)的鈦白粉制備的漆料在相同的分散時間內(nèi)所達到的分散細度各不相同。因此，制備的試驗樣板中顏料粒子大小各不相同。理論上顏料的最佳粒徑應(yīng)為人射光波長的一半，一般的可見光波長為0.4 ～ 0.7 μm，故采用米頓公式計算出二氧化鈦的最佳粒徑應(yīng)為0.20 ～ 0.35 μm[12]。但是在實際應(yīng)用中，顏料的粒子總是以聚集態(tài)出現(xiàn)。粒子過粗，光的散射率下降；粒子過細，則發(fā)生光的衍射，導(dǎo)致不透明度下降，容易產(chǎn)生色相、色調(diào)不一致的現(xiàn)象。色度法已經(jīng)明確規(guī)定，采用包括鏡面反射的d/8或者8/d的幾何條件來測定顏色(在此條件下，不會觀察到試驗樣板上任何鏡面反射和紋理)，同時在完全遮蓋的不吸光的白色漆膜對光全反射，故改變顏料粒子的大小對顏色沒有影響。以試劑級二氧化鈦顏料所制備的試驗樣板為例，其Kubelka-Munk函數(shù)值的對數(shù)與光波波長的關(guān)系如圖1所示(K為吸收系數(shù)，S為散射系數(shù))。它表明，在420 nm波段后，在藍光至紅光的可見光光譜波長范圍內(nèi)，K值與S值基本相等。因此，二氧化鈦漿料的細度不影響試驗樣板的測定結(jié)果。但為使對比試驗更具有可比性，減少無關(guān)變量對實驗結(jié)果的干擾，本試驗要求二氧化鈦顏料標(biāo)樣及試樣的分散細度與實際生產(chǎn)中制備的水性鈦白漿的細度保持一致。

圖1 二氧化鈦試板的lg(K/S)隨光波長的變化Figure 1 Variation of lg(K/S) with light wavelength for titanium dioxide test plate

4 結(jié)論

(1) 通過試驗研究了二氧化鈦顏料在水性分散體中干膜顏色的測定方法，確定了試驗漆料中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：二氧化鈦20% ～ 40%，增稠劑1% ～ 3%，分散劑1%，消泡劑1%，去離子水55% ～ 77%。

(2) 該試驗方法操作簡便，測定結(jié)果數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，精度高，試驗樣板容易保存，適用于水性涂料生產(chǎn)中二氧化鈦顏料顏色的測定，并已得到驗證。

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Determination of the color of titanium dioxide pigment in water-based coatings //

WANG Yu-lei*, CHEN Bing-yao, HU Qian, FU Xiao-dong, YAO Rong-mao

A method for determination of dried film color of titanium dioxide pigment in water-based dispersion system was designed by making use of the high dispersion of titanium dioxide pigment in water based on the measuring principle of colorimetric method. The influence of base material chroma and paint fineness on color determination of water-based titanium dioxide slurry was studied. The composition of test paint was determined. The test results demonstrated that the method is easy to operate with good repeatability. The minimal and maximum standard deviations are 0.009 6 and 0.05, respectively. When reagent grade titanium dioxide pigment is used as standard sample, the color determination results of various water-based titania slurries are close to the that of the standard sample. This method can be applied to determination of the color of titanium dioxide pigment during production of water-based coatings.

water-based coating; titanium dioxide pigment; color determination; colorimetric method; dried film

Guangdong Sanvo Industry Technology Co., Ltd., Zhongshan 528429, China

TQ621.12

A

1004 – 227X (2011) 04 – 0074 – 03

2010–10–14

2010–11–23

王玉雷（1984–），男，湖北宜昌人，大專，助理工程師，主要從事油性涂料，氣霧漆及汽車護理產(chǎn)品的研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) waihaoer@163.com。

[ 編輯：韋鳳仙 ]