钛白粉光学理论

1、钛 白 粉 光 学 理 论Optical theory图1 由粒子引起的光线折射二氧化钛和其他的白色颜料的遮盖效率主要是利用光的反射。因为白色颜料可强烈地使光线反射或曲折，丽出现反射现象。如果油漆薄膜中有足够的白色颜料，则人射漆膜表面的光几乎可以完全的反射回来，(除了很少部分是由颜料所吸收之外)于是涂膜就会呈不透明状，洁白而光泽。折射和绕射    光线通过和绕过颜料粒子时，粒子对光线的折射和绕射造成光线的散射或弯曲。图1a 反射散射    图 l显示折射现象，其中球形表示二氧化钛粒子，由于漆膜中颜料粒子及基料折射率之不同、故当光线穿越

2、后、必然产生曲折现象。图2显示绕射现象。行进路线靠近二氧化钛粒子的光线受到弯曲、而分开散射到许多方向。这一现象说明颜料在其临近区域对光的散射能力数倍于其粒子横截面内。图2 小粒子周围的光线衍射（绕射）折 射 率    图3表示两个含颜料漆膜的横切面，演示了折射率的差别怎样影响光的散射和盖遮力。在含有高折射率颜料的漆膜中(上图)光线比在含有低折射率颜料的漆膜中弯曲较多(下图)，所以射入漆膜之光线所经过的路径长度较短，因而不能深入。实际上两种漆膜都呈白色不透明状，因为其皆没有存在吸收光线的粒子，所以全部入射的光线亦都会返回表面。然而，如果漆膜厚度如虚线(X)所示，而且

3、放在黑色背景上，那么，含有低折射率颜料的漆膜能使部分光线进入黑色背景而被吸收，则漆膜就不会完全不透明，与白色的漆膜相比较，则呈现灰色。图3 光线在漆膜中的行经路线为什么要用二氧化钛    要了解金红石型二氧化钛(Rutile)、为什么在遮盖上能有这么大的优点,只需将金红石型二氧化钛与锐钛型(Anatase)二氧化钛的折射率和其它商用白色颜料以及油漆基料的折射率相比较则可以看出来(表一)。一般来说颜料的折射率和周围的介质之折射率差别越大，光线的折射就越大。表一 油漆制造所使用的某些颜料和基料的折射率白色颜料折射率基料或介质硅藻土1.45真空1.0000二氧化硅1.4

4、1-1.49空气1.0003碳酸钙1.63水1.3330重晶石1.64聚醋酸乙烯酯树脂1.47陶土（白土）1.65大豆油1.48硅酸镁1.65精制亚麻仁油1.48立德粉1.84乙烯树脂1.48氧化锌2.02压克力树脂1.49氧化锑2.09-2,25桐油1.52硫化锌2.37氧化大豆油醇酸树脂1.52-1.53锐钛型二氧化钛2.55苯乙烯丁二烯树脂1.53金红石二氧化钛2.7370/15/15醇酸/三聚氰胺/尿素1.5475/25醇酸/三聚氰胺1.55<图4> 金红石型二氧化钛(Rutile)与锐钛型(Anatase)的比较晶体结构钛和氢原子在 R型二氧化钛结晶中堪积较紧密比重A型二

5、氧化钛：3.84，R型二氧化钛：4.26折射率A型二氧化钛：2.55，R型二氧化钛：2.73每单位重量的遮盖力R型二氧化钛大约高出30光化学稳定度R型二氧化钛较稳定，较不易粉化紫外线的吸收R型二氧化钛对紫外线(360400nm)吸收力较强。<图5> 折射率对不透明性的影响PVC=20%丙稀酸树脂折射率为1.5   图5表示折射率不同的几种白颜料的不透明性差别。图5a相对遮盖(以金红石型为100计)干膜平光遮盖     很有趣的是，当空气渗入漆膜内。如调制颜料含量高的油时，基料本身的平均折射率减少，颜料和周围介质之间的折射率

6、差别加大，光线散射增多。室内油漆的配制者利用这种效应(有时称为干膜平光遮盖)，以增进二氧化化钛的遮盖效率。二氧化钛粒子大小    如果要有效地散射光线，二氧化钛颜料粒子的直径应该略小于散射光线波长的一半，因为肉眼对黄一绿光(大约0.55微米)最敏感，涂料用二氧化钛颜料的平均直径在0.2和0.3微米之间。散射能力和粒子大小    图6中的曲线是用很稀的系统，以理论推导出的，曲线表明R型二氧化钛对蓝色、绿色和红色光线的相对散射能力为粒子大小的函数。在0.2微米处，各波长光线散射的总和就增至最大。当粒子增加至0.25和0.30微米之间时，蓝

7、色光线的散射迅速减少，但绿色和红色光线的散射却相对地不变。在0.15微米处对应于蓝色光线的最大散射，光谱中红和绿范围内的光线散射就显著下降。图6相对光线散射率与 R型钛白粉粒径大小的关系颜色和粒子大小     在着色至完全遮盖的不吸光白色漆膜内，改变颜料的粒子大小，对颜色没有影响，因为碰到表面的光线全部反射，图7代表这样的一种白色漆膜，用图解形式说明了这一点。蓝光线的波长和散射光程度最短，红光线的波长和散射光程度最长，这两种光线全部反射，视觉效应相同，好象全部光线的光程长度都相同。图7白漆引起的光散射    图8表示；如果把吸光性颜料

8、(例如炭黑)加入到漆膜内，光程较长的红光线有较多的机会被吸收。反射出的色调看来会更蓝。正如以前所述，随著二氧化钛粒径减小，红色光线散射则下降，蓝色增强。这样，在含有吸收光线的物质的油漆内，减小二氧化钛的粒子就会增强蓝色程度。这种现象是散射颜料所固有的，称之为底彩(色相)。图8光线在灰色漆中的散射和吸收颜料体积浓度 PVC    因为干的油漆膜是一种三元结构，所以有理由预料，各个成份之间的体积关系，对油漆性能有重要作用。颜料体积浓度是油漆内的全部颜填料对整个不挥发物的体积比。就白色油漆来说：颜料体积浓度=颜料体积（二氧化钛+填充料）/（颜料体积+粘合剂体积）*100

9、%    在称为临界颜料体积浓度(CPVC)的特定颜料体积浓度百分比时。油漆的许多物理性质和光学性质会突然变化。般而言，临界颜料体积浓度可以认为是刚好有足够的粘结剂涂盖在颜料表面，填充颜料粒子之间的空隙时的颜料体积浓度。例如光泽、透气性、多孔性、遮盖力、着色强度和底彩这类性质都与颜料体积浓度有直接关系。    在典型的商用颜料浓度时，各个二氧化钛粒子开始相互接近，如图 9所示。这种颜料挤塞现象影响图6中曲线的高度和形状。<图9>在各种颜料浓度时，粒子之间的间隔散射系数和颜料体积浓度     当

10、二氧化钛的颜料体积浓度增加至10以上时，由于二氯化钛粒子的聚集会使绕射光的散射效率减少。这个效应的结果会失去部分不透明度，我们可以通过在每单位面积的干漆膜中恒定钛白粉的量(降低漆膜厚度)来证明，见图10a。图10b中的曲线则表示对干膜厚度在不变的情形之下增加其颜料体积浓度，虽然会失去部分散射效率，但仍会增加其不透明度。直到增加至大约25的颜料体积浓度为止，遮盖力会因再加入二氧化钛而减少，这是由于折射效率降低的速度比高浓度二氧化钛所能补充的速度快，这个现象会持续到临界颜料体积浓度为止，在这一点上，由于干膜平光遮盖效应，而使不透明度度再度增加。图10a恒定的TiO2散布率图10b恒定的干膜厚度颜色

11、和颜料体积浓度     在二氧化钛的颜料体积浓度增加时，绕射效率在光谱的红色部分减少的程度最大，因而当颜料体积浓度增加时，反射光会移向较较蓝的范围处。二氧化钛表面处理     防止二氧化钛粒子在颜料含最高的系统中拥挤的一个方法，就是在颜料灰面加上涂膜，表面涂膜作用就像物理性间隔片，保持相邻的二氧化钛粒子的问隔，使其在颜料浓度增加时，绕射光的散射效率损耗减至最小程度。单位重量或单位体积的由涂层颜料比未有涂层者含有较少的二氧化钛。而有涂层的的光线散射能力在某些颜料体积浓度高的油漆中也较高。颜色、颜料体积浓度和粒子大小    粒子大小和二氧化钛颜料体积浓度的综合效应对调色漆的颜色有很大的影响，如图11所示。也许配色不当，多半是由于使用粒子大小不当的二氧化钛以及/或者没有认识到色相（底彩）是随着二氧化钛浓度变化而改变，而不是由于着色颜料的不正确组合所致。图11钛白粉径大小和PVC对调色漆底彩的影响填充料