體質顏料

體質顏料，通常又稱為填料，從本世紀起逐漸變成重要，它們包括許多化合物，從自然界得來、直接製造或作為副產品獲得。這些物質主要是鋇、鈣、鎂、或鋁的鹽類，矽或鋁的氧化物，或從前兩類物質衍生的錯合雙鹽類。

基本介紹

• 中文名：體質顏料
• 外文名：body pigment
• 別稱：填料
• 背景：本世紀起逐漸變成重要
• 包括：鋇、鈣、鎂、或鋁的鹽類

簡介

體質顏料，通常又稱為填料，從本世紀起逐漸變成重要，它們包括許多化合物，從自然界得來、直接製造或作為副產品獲得。這些物質主要是鋇、鈣、鎂、或鋁的鹽類，矽或鋁的氧化物，或從前兩類物質衍生的錯合雙鹽類，在塗料、油墨、油氈、塑膠物質、紙和紙塗料、油布、油灰、擦光和洗刷物質、橡膠產品、水泥、塑膠、陶器等領域中有廣泛的用途。它們的有用程度和白色不透明顏料相接近，並且體質顏料的種類和數量以及在傳統工業中的用途將有更近一步的發展。

特性

這些顏料有兩種通性：折射率比1.75為低(通常是1.45 ~ 1.70)，顏色是白或幾乎是白的。體質顏料其它性質的變化範圍很廣，如相對密度、容量值、顆粒形狀、顆粒大小、粒徑分布、吸油量、化學活性等等。 自從1930年起，隨著生產技術的發展，體質顏料在顏色、均勻度、顆粒大小、粒徑分布、表面處理等方面有很大的改進。體質顏料最早是從自然界獲得，而由其它化學工藝副產品得到的體質顏料逐漸增多，其中很多體質顏料需要專門的生產。常用的體質顏料有碳酸鈣、矽酸鎂、矽酸鋁、硫酸鈣、結晶氧化矽、硅藻土、硫酸鋇等。

分類

常見顏料

碳酸鈣

碳酸鈣主要是從石灰石礦獲得，也可以作為某些製造流程的副產品，或直接用二氧化碳對石灰乳漿反應製得。天然碳酸鈣的製造可以用乾磨法或濕磨法。乾磨法中乾磨好的產品經空氣分選機分離出過大的顆粒返回重磨。利用濕磨法可以產生更細、更鮮艷的、篩分更好的品級。石灰石在有水存在的條件下研磨，利用錐形或管狀研磨機將磨製品連續的放出，用離心機分選，過大的顆粒和進料一起送回重磨。濕磨法的另一重要優點是可通過進一步的浮選改進產品顏色和化學純度。

在連續式研磨過程中，有多種類型的研磨機可以使用，但原則上都應使用壓縮空氣、高溫壓縮空氣或過熱蒸汽作為液體。原料和液體一起進入研磨機，在高速下互相碰撞摩擦而產生研磨，控制液體和顏料的研磨過程使細顆粒和液體一起流出。一般的研磨機都兼有分選和研磨的功能。

沉澱碳酸鈣填料的製造有幾種成熟的工藝，生產商可使用不同的方法製造不同品級的顏料，但公同之處就是沉澱法都是利用天然碳酸鈣為原料，煅燒製成氧化鈣(石灰)，然後水解得到氫氧化鈣。在此工藝中有許多方法可用來除去幾乎所有的大顆粒雜質以及沒有分解成石灰的石灰石。

重碳酸法

控制氫氧化鈣和二氧化碳的反應過程，可得到顆粒大小不同的碳酸鈣，但對所有的沉澱碳酸鈣而言，其粉體顆粒大小一般是中等程度。

副產品法

此方法利用氫氧化鈣漿和碳酸鈉溶液反應，可產生相當細的碳酸鈣顆粒。這一工藝中需要特別注意的是要完全清洗去所有的氫氧化鈉成分，否則碳酸鈣顏料具有鹼性，會導致在塗料中的套用出現問題。

氯化鈣法

此方法中的反應物通常由其它化工過程得來，例如在製造碳酸氫鈉時得到的氯化銨與氫氧化鈣混合可產生氯化鈣和氫氧化銨，氯化鈣和碳酸鈉反應可得到一系列非常細的碳酸鈣，並且填料的顏色純度高，顆粒的粒徑分布相似。當然，需要仔細的洗去所有的氯化鈉組分。氯化鈣方法得到碳酸鈣具有方解石晶型結構，顆粒大小通常為8 ~ 10 µm，最小的範圍為0.03 ~ 0.05 µm。而石灰乳法得到的產品為文石型，顆粒大小一般為0.2 ~ 2.0 µm。

碳酸鈣填料有許品級，相對密度在2.70 ~ 2.77之間，吸油量為5 ~ 45 g/100 g，平均粒徑從小於1 µm到非常大的，200號篩余物(約300 µm)通常有25 ~ 30%，通過控制生產工藝可獲得膠體範圍內(小於0.1 µm)粒徑分布的產品。

碳酸鈣不溶在水，對大部份油性樹脂塗料的基料具有惰性，但其對稀酸類敏感。這一性質有利於碳酸鈣在許多室內塗料中的套用，如底漆、半光漆等，在高光漆、噴漆、以及許多其它工業塗料中也有一定的套用。

石膏

石膏套用在塗料中已經有幾世紀，其主要是用於二氧化鈦-鈣複合顏料中的鈣組分，在立德粉和硫化鋅顏料中也有少量的套用。石膏很少作為一種單獨的顏料使用，主要是因為它們在水中的溶解度和對水的敏感性。硫酸鈣在自然界中以石膏的形式存在，經選擇後(對顏色)，經粉碎、濕磨、水分選、乾燥、篩分或用空氣浮選成為成品。石膏在約650℃完全脫水，成為無水物，也叫作“燒死”的硫酸鈣，以此形式套用在上述幾種複合顏料中。硫酸鈣也可以用鈣離子和硫酸離子反應製得，成為水合沉澱物，然後燒成無水物。

鎂顏料

矽酸鎂(H2Mg3(SiO3)4)可從天然產物中獲得，其中含有滑石、皂石以及其它一些組分，其顆粒形貌主要有兩種，纖維狀或針狀、片狀或雲母狀。典型的矽酸鎂產品一般含有7.0% CaO，某些特殊用途的高達15.0%。矽酸鎂的相對密度為2.60 ~ 2.98，吸油量變化很大，從20以至89 g/100 g，折射率約為1.59，顆粒大小的分布較寬。矽酸鎂對普通的塗料基料具有化學惰性，除非CaO的成份明顯的超過6.0%。

由於規酸鎂耐久度好，並且不會在常用的油性基料中出現沉澱，適合用於室外塗料。而因為組織結構較粗，矽酸鎂不能用於瓷漆，但新開發的細顆粒品級使矽酸鎂的套用範圍擴大。矽酸鎂在外牆漆中最主要的用途是增加薄膜強度，防止開裂，主要原因是其纖維狀或針狀，片狀或雲母狀的顆粒對塗膜的開裂產生了抑制作用。在室內平光漆中，矽酸鎂用來控制光澤或亮度，防止流掛，同時減少流動和流平。

碳酸鎂、鹼性水合碳酸鎂以及氧化鎂是三種其它的鎂化合物，分別有不同的用途。

碳酸鎂在自然界中以菱鎂礦存在，其開採過程與一般礦物相同，包括粉碎、研磨、分級等，主要用在水泥、橡膠產品和紙張中。雖然某些碳酸鎂含量高達45%的天然碳酸鈣(白雲石)在歐洲有一定的套用，但在北美洲直接套用於塗料的場合很少。

鹼性水合碳酸鎂(11MgCO3·3Mg(OH)2·11H2O)也叫作鎂的輕碳酸鹽，將白雲石礦煅燒，去除CO2後餘下的氧化物浮懸在水中，通進CO2，有選擇性的沉澱出鈣的碳酸鹽，同時溶解氫氧化鎂得到酸性碳酸鹽，加熱濾液，沉澱出鹼性碳酸鎂，在進一步加熱後去除CO2，過濾出鹼性水合碳酸鎂，乾燥並研磨。

CaCO3·MgCO3 → CaO·MgO + 2CO2

CaO·MgO + 2H2O → Ca(OH)2 + Mg(OH)2

Ca(OH)2 + Mg(OH)2 + 3CO2 → CaCO3 + Mg(HCO3)2 + H2O

14MgHCO3 → 11MgCO3·3Mg(OH)2·11H2O + 17CO2

此種鎂的輕碳酸鹽作為輕度洗滌劑套用在橡膠中，在印刷油墨合塗料中也有套用。

氧化鎂(MgO)是用鹼性水化碳酸鎂或粗的白雲石礦石煅燒而成，套用在橡膠、水泥，但很少套用在塗料中。

高嶺土

高嶺土通常稱為“瓷土”，主要成分為矽酸鋁，通常A12O3含量為37.5 ~ 44.5%，SiO2為44.8 ~ 53.1%，並含有少量的鐵、鈉、鉀、鈦、鈣和鎂的氧化物，折射率約為1.56，比重為2.58 ~ 2.63，吸油量的範圍較廣，從25到70g/100 g，顆粒大小較細的為0.2~ 2 µm，較粗的可達70 µm。

高嶺土的顏色差別較大，從白色以至乳白色或灰色。高嶺土的化學性質不活潑，填充率較大，加上價格便宜，所以被廣泛的套用。在塗料中的套用包括室內平光漆、半光漆、底漆、倉柵漆、貨車漆等。由於有良好的乾遮蓋力，高嶺土也廣泛的用於水性漆、乳膠漆以及造紙工業和紡織塗料。顏色性能較差的高嶺土多套用在油氈、地板配料和油布中。

通常需要對高嶺土進行後續處理，如煅燒，以改善其某些性質。煅燒高嶺土的Al2O3含量在42.1 ~ 45.3%之間，SiO2為51.0~ 53.1%，燒灼損失幾乎為零，吸油量略高於未經煅燒的高嶺土，通常為47 ~ 75 g/100 g。煅燒的作用是改進光澤或亮度，同時使塗料有更好的遮蓋力和鮮艷光亮度。

對高嶺土的後處理還包括添加分散劑和在顆粒表面用樹脂或疏水性有機物質進行處理，最後分成各種品級，其顆粒大小較平均且分布範圍較狹窄。這種品級的高嶺土多套用在噴漆、瓷漆以及平漆中。

雲母

雲母為鋁和鉀的正矽酸鹽，化學結構式為K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。顏料級雲母只從白雲母或金雲母取得，具有片狀顆粒結構，這正是其可用作體質顏料的主要原因。主要生產過程是用乾磨或濕磨對雲母礦進行沉澱，浮懸的雲母用離心機回收，然後乾燥分選。特級雲母或微粒雲母的平均顆粒大小分別為5 ~ 10 µm和10 ~ 20 µm，也有經過表面處理的品級。

雲母的折射率為1.58 ~ 1.606，相對密度為2.5 ~ 2.83，吸油量為30 ~ 74 g/100 g，除了微粒級外，325號篩余物為3 ~ 30%。雲母顆粒的片狀結構和對紫外線的不透明度可以增強室外建築底漆和最後加工塗膜的抗裂性和耐久性。當塗膜曝露在空氣中時，小片顆粒的發光特性有時會影響到塗膜的外觀。雲母顆粒的形狀以及化學穩定性使其在多孔表面和金屬的底漆、乳膠漆、水性漆、壁紙、金屬粉狀塗料(如鋁、青銅、金箔)等多種體系中都有一定程度的套用。

還有以下一些鋁矽酸鹽體質顏料。浮石是一種火山灰或錯合的鋁、鉀和鈉矽酸鹽的玻璃質，由於具有顆粒粗、多孔、質脆的特性，在平漆、交通標誌漆以及其它的加工漆中有一定程度的套用。典型品級的浮石約含有84%矽酸鋁，相對密度為2.22，粒徑為40 ~ 60號篩孔大小。膨土是一種膠質土，其膨脹作用可進行有效的填充並且礦物本身具有顏料性質，因而在水性漆或乳膠漆中有少量的套用，典型品級的相對密度為2.75，吸油量為23 g/100 g。白土與膨潤土的成份、性質和用途相似，折射率為1.63，相對密度為2.9，吸油量為26 g/100 g。

石英

用作顏料的氧化矽取自石英石或硅藻石，以及單細胞水產植物的砂質骨架沉積物，合成的膠質氧化矽也可以用作顏料。從水產有機質所得的氧化矽叫作硅藻土或硅藻土氧化矽，在近代顏料套用中具有獨特的地位，它們不同於動物性或植物性的顏料。後者有時叫作“化石”樹脂，由於原始有機質的種類太多，用於普通顏料的價值較小。

從石英或硅藻石所得的氧化矽叫作無定形氧化矽，這一用詞雖然不是十分準確，但通常用來和硅藻土進行區分。石英或硅藻石在開採後，第一步通常是煅燒和用水驟冷，使後續的打碎和研磨較為容易，最後用水分選、篩分或空氣浮選。

氧化矽顏料通常含有99%的純SiO2。顏料級氧化矽的折射率為1.55，比重為2.55 ~ 2.65，吸油量為15 ~ 47 g/100 g，3253號篩余物不大於5%。氧化矽的磨蝕性非常好，在常用的塗料基料中難於研磨或分散，因此很少作為塗料的填料。

硅藻石

硅藻石比石英石要軟一些，在組織上也要細一點。硅藻土是一種細粉末，在使用時會影響到環境的衛生狀況，並且在配方沒有經過最佳化的塗料中沉澱很快，儘管有這樣的缺點，但由於其化學性質不活潑和價格低廉，仍然有著較多的套用。硅藻土早期曾用於室外建築塗料，由於矽酸鎂和其它填料有更好效果，因而在此方面的套用逐漸減少。但由於硅藻土可以改善塗料的塗刷性和增強塗膜的粘附力，在漿狀木材填料、底漆、平漆、地板漆、船板漆和交通標誌漆中仍有廣泛的套用。

合成的氧化矽顏料大部份作為流平劑，或對塗料進行增稠。製造合成氧化矽有兩種方法：一種是空氣溶膠法，以空氣代替氧化矽水溶膠中的液體；還有一種是火燒方法，在此法中，四氯化矽在蒸氣相中發生水解。兩種方法得到的產品都有非常細的顆粒和非常高的吸油量，因此也影響了它們在塗料配方中的使用。

硅藻土

硅藻土在世界各地有許多的沉積礦，但只有少數具有足夠細和足夠多的原料而值得開發。天然的硅藻土最高含有60%的自由水份，可通過乾燥減少或去除。第一種方法是將乾燥後的物質加熱、研磨以及空氣浮選。第二個方法是首先在約540 ~ 1,100℃燃燒，除去自由水、結合水、以及有機物質，接著研磨和空氣分選。第三個方法也包括研磨和燃燒，但不同的是和某些化學物質一起在約870 ~ 1,100℃燃燒，這些化學物質是用來漂白和將雜質轉變成為合成矽酸鹽，燃燒後的產品用空氣浮選以獲得不同的品級。

硅藻土的主要成份是氧化矽，含量為83 ~ 89%或更多，其它組分主要為Al2O3和Fe2O3，以及少量或微量的鈉、鉀、鈣、鎂、鈦以及其它氧化物。因為硅藻土具有開口、多孔的結構，因而其物理性質的變化較大，折射率為1.4 ~ 1.5，比重為2.0 ~ 2.30，平均顆粒大小為1 ~ 60 µm，比表面積為7,050 ~ 67,000 cm2/g，吸油量為30 ~ 210 g/100 g。

顏料級硅藻土在1900年起已在塗料中使用，但從1935年起慢慢減少，由於開發了適合一般塗料使用的、更白更細的顆粒，其套用又重新受到了重視。硅藻土的化學性質不活潑，光澤低、填充率高、吸油量高，在平牆塗料、底漆、交通標誌漆、半光塗料、偽裝漆、表面漆、水泥和灰泥加工漆、房屋漆、平清漆、平瓷漆等方面得到了較多的套用。在乳膠漆和其它水性塗料中，硅藻土不僅可以作為消光劑，也給塗膜提供了遮蓋力。因為硅藻土的結構形狀多樣，在塗膜中也可以產生層疊結構，從而能夠增強塗膜的強度，改進抗裂性。硅藻土顆粒的開口結構和不規則形狀會導致塗膜產生相當程度的多孔性，這在某些特定情形下是極為有用的。如果表面塗膜需要利用硅藻土的這種獨特結構，則要避免過度研磨，否則將使硅藻土顆粒破損而降低塗料稠度、增加光澤、減少塗膜的多孔性。

硫酸鋇

用作顏料的硫酸鋇可從天然礦物中提取，或可通過硫酸鈉和硫化鋇溶液反應製得，還可以從生產過氧化氫的副產物獲得。硫酸鋇的折射率較低，是立德粉的主要組分。硫酸鋇也是二氧化鈦-鋇複合顏料的組分，後者為25%銳鐵礦型二氧化鈦和75%硫酸鋇的共沉澱物。當鉛白作為室外建築塗料的主要顏料時，硫酸鋇有時可作為摻合劑。由於塗料是以重量銷售，硫酸鋇因其較高的相對密度而成為一種常用的體質顏料。

顏料級硫酸鋇是由礦物重晶石獲得，也可以用合成的硫酸鋇粉沉澱物質製成。通常用濕法研磨礦物，進行漂白、沖洗、乾燥、分選。高品質的硫酸鋇顏料或重晶石顏料至少含有96%的硫酸鋇，其餘的主要是氧化矽和石膏，以及微量的氧化鐵。

重晶石顏料的折射率為1.64，相對密度為4.30 ~ 4.46，吸油量為5 ~ 12 g/100 g，平均顆粒大小為2 ~ 5 µm，粒徑範圍為0.1~ 30µm。重晶石顏料的化學性質不活潑，其作為體質顏料最重要的性質是它的高密度和低吸油量，易為油和塗料基料所潤濕和容易研磨。由於在酸和鹼條件下都相當穩定，重晶石顏料在高酸性或高鹼性塗料中很有效，但在套用時需要特別注意配方的調整，因為比起大部份其它顏料，重晶石更易趨向於快速沉澱。重晶石的其它套用還包括油氈和地板複合塗料。

合成硫酸鋇粉是用含有硫酸離子的水溶液和含有鋇離子的水溶液反應製得，其性質和重晶石顏料相似，相對密度為4.18~ 4.40，吸油量為13 ~ 30 g/100 g。因為合成硫酸鋇粉的填充率較低，在塗料的套用中是比較貴重的一種填料。硫酸鋇粉與重晶石顏料一樣易於快速沉澱，因此需要注意調節塗料的配方。其作為塗料的填料對最終產品亮度的影響很小，在印刷油墨、油氈、油布和橡膠中也有一定的套用。

其它顏料

其它一部分體質顏料具有獨特的性質而在塗料中有小範圍的套用，這些填料包括碳酸鋇、鋁水化物、亮白、緞白和絲白。

碳酸鋇

碳酸鋇可從碳酸鋇礦或通過合成沉澱獲得，其用途和硫酸鋇相似。

鋁水化物

“鋁水化物”也叫作氫氧化鋁，或“輕質氧化鋁水化物”，通常是在硫酸鋁溶液中加過量的鹼沉澱製得。鋁水化物的主要用途是作為基料，在其上沉澱印刷油墨生產中用到的染料和有機調色劑。鋁水化物具有較高的吸油量，化學性質非常活潑，價格較貴，在紡織品和紙張的塗料、以及橡膠的填料中有一定程度的套用。

亮白

亮白是25%鋁水化物和75%硫酸鋇粉的複合顏料，具有較細的組織和耐腐蝕性，主要用在印刷油墨中。緞白為鋁水化物和硫酸鈣的共沉澱物，主要用在紙的塗裝。絲白是用氯化鈣和鈉氧化矽反應製得，主要用於印刷油墨。

玻璃珠

除上述各種體質顏料外，還有一種在特殊塗料(如交通標誌塗料)中作為填料的玻璃珠，對入射光有相當程度的反射。當塗料表面磨蝕後，玻璃珠就曝露出來，成為微小的反光球，使夜晚交通標誌線的能見度大為改善。通常的品級有100%過70號篩、85~ 100%過80號篩、15 ~ 55%過1440號篩和0 ~ 10%過230號篩，相對應的粒徑分別為0.21、0.177、0.105和0.063 mm。玻璃珠還可以在廣告板、信箱、方向指針等的塗料中起填料的作用。

用途

在塗料、油墨、油氈、塑膠物質、紙和紙塗料、油布、油灰、擦光和洗刷物質、橡膠產品、水泥、塑膠、陶器等領域中有廣泛的用途。它們的有用程度和白色不透明顏料相接近，並且體質顏料的種類和數量以及在傳統工業中的用途將有更近一步的發展。這些顏料有兩種通性：折射率比1.75為低(通常是1.45 ~ 1.70)，顏色是白或幾乎是白的。體質顏料其它性質的變化範圍很廣，如相對密度、容量值、顆粒形狀、顆粒大小、粒徑分布、吸油量、化學活性等等。

自從1930年起，隨著生產技術的發展，體質顏料在顏色、均勻度、顆粒大小、粒徑分布、表面處理等方面有很大的改進。體質顏料最早是從自然界獲得，而由其它化學工藝副產品得到的體質顏料逐漸增多，其中很多體質顏料需要專門的生產。常用的體質顏料有碳酸鈣、矽酸鎂、矽酸鋁、硫酸鈣、結晶氧化矽、硅藻土、硫酸鋇等。