改良天然工艺生产优质氧化铁颜料

作者：弗吉尼亚州海沃西

          国泰工业（美国）有限公司副总裁 Charles Hoover             

几个世纪以来，人类一直利用天然氧化铁作为着色剂。直到上个世纪，人们才开发出化学合成这些天然颜料的方法。最近，国泰工业的胡佛颜料部门致力于氧化铁回收，通过对其天然的生产过程进行改良，合成出一系列独特的氧化铁颜料EnvironOxide^®。EnvironOxide^®系列氧化铁颜料不仅是一个良好的着色剂，它也是一个成功的废物回收项目的副产品。

大部分人都知道硫是煤炭中的主要污染物。当煤被燃烧时，硫被释放到大气中，与水分结合后形成酸雨。相比于普通煤炭，硫含量高的煤是卖不出去的，只能放在堆积如山的矿场里。但大多数人并不知道的是，煤炭中的硫并不是硫元素，而是外观形似金矿且被称为黄铁矿的硫化铁。当这种黄铁矿与水接触并溶于水后，就会变成硫酸。当这种酸进入溪流和河流，杀死植物和动物时，就会造成严重的环境问题。

可持续性氧化铁颜料

当然，这种有害的酸有一种不容易被发现的特点，那就是这种黄铁矿中的铁被溶解在硫酸中。如果这类还有铁质的酸被适当中和，它会以水合氧化铁黄的形式沉淀出来，用于制造颜料。就像其它氧化铁黄一样，EnvironOxide^®铁黄颜料可以经过热处理或煅烧，表现出红色的外观(图1）。常规的合成氧化铁需通过消耗特定的矿产资源或利用化学方法消耗原料来合成而得，而通过60年的持续观察，EnvironOxide^®颜料的生产过程是完全可持续的。

（图1）就像其它天然产生的氧化铁黄，EnvironOxide^®氧化铁黄颜料（上图）可以经过热处理或煅烧表现出红色，也就是EnvironOxide^®氧化铁红颜料（下图）。

我们的试验场地选在美国一所大学的校园。20世纪50年代，化学系开始分析校园中酸性矿藏的渗漏情况。当时，渗滤液中的铁含量为58 ppm，而近期观察到的铁含量在56 ppm左右。因此，可以肯定的是，这些氧化铁的原料来源在可预见的将来是可持续性的。

着色力与视觉差异

作为一种纯净的氧化铁颜料，这些产品表现出来的耐光性和耐化学性，就如几个世纪以来人们所认知的传统氧化铁一样优秀。传统合成氧化铁和这种新型氧化铁的主要区别在于，后者的初级晶体尺寸明显更小，因而更透明（图2）。在众多氧化铁产品中，这也不算是独一无二的特点。几个世纪以来，安巴（Umber）和生纳（Sienna）一直被用于透明木器涂装。如今，由先进合成工艺生产的透明氧化铁颜料已经被用于诸如汽车涂料等高端应用。

（图2）EnvironOxide^®铁黄和铁红使用于透明金属涂料时，我们能看到尺寸明显更小的初级晶体能带来更好的透明性。

传统的合成氧化铁是不透明的。衡量颜料质量的传统方法是用TiO₂冲淡并测试着色力。这是在给予一定的分散能量的前提下，间接测量其化学纯度和表面积的方法。（图3）传统的颜料着色力测量方法对于透明颜料具有一定的误导性。通过增加颜料的添加量或将其与TiO₂这种非常不透明的颜料结合，可以实现透明氧化铁的不透明性。我们也可以减少常规不透明氧化铁的添加量，来使常规氧化铁达到与透明氧化铁相同的对比率。不过这两种方法都不能真正测量颜料的质量，尤其是透明度。按照传统观点，上述例子中的所有透明氧化铁的着色力，都比类似颜色的不透明氧化铁弱，尽管它们的纯度更高，比表面积更大。当然，我们理解是因为透明颜料让TiO₂反射了更多的光。那么，这真的是的颜料着色力问题，还是我们所看到的色彩差异造成的视觉效果？

（图3）在相同的添加量下各种氧化铁红搭配TiO₂着色。所有透明氧化铁都比类似的有色不透明氧化铁弱，尽管它们的纯度更高，比表面积更大。

过 程

现如今，我们用分光光度计测试对比率来评估涂层的不透明度。分别测量涂层在白色和黑色底板上的对比率，黑白底材上的颜色测量值越近，涂层越不透明。因此，通常情况下，也可以用这种方法反向确定涂层的透明度。但从视觉上看，这也是一种误导。在相同的对比率下，原本设计用于不透明涂层的颜料，在透明涂层中使用时却呈现出“乳白色”。如表1所示，与透明氧化铁的对比率相等时，不透明氧化铁呈现出“乳白色”。

（表1）与透明氧化铁的对比率相同的情况下，不透明氧化铁显示出“乳白色”。

不同颜料的透明度质量可以通过一△E数值来评估，其中，标准是黑色基材，测试样品是将颜料做在相同对比率的涂料中。△E CIELAB值越小，透明颜色的质量就越“纯净”。在这个例子中，合成透明氧化铁具有最小的△E和视觉上“最清洁”的透明度（图4）。当然，这只是一个相对的比较，而不是一个绝对值；但在比较涂料的透明度，或相似涂料配方中所使用的颜料的透明度时，这是有帮助的。

（图4）从左到右：EnvironOxide^®氧化铁红、透明合成氧化铁红、透明天然氧化铁红、不透明合成氧化铁红

总而言之，当氧化铁颜料的初级晶体尺寸减小时，颜料变得更加透明。这些透明颗粒可以来自自然形成的矿质，也可以通过化学方法合成制造，或者可以通过这个独特的工艺生产，并最终得到黄色、红色、橙色和棕色颜料。目前，EnvironOxide^®产品比化学合成生产的透明氧化铁略显“乳白色”，但其“清洁”程度优于透明涂料中使用的安巴粉（Umbers）、生纳（Siennas）和赭石金（Ochres）。在木器涂料中，由于木材基材的特性，这种“乳白色”的差异是无法察觉的。当添加量较高或与TiO₂联合使用时，该系列产品可用于部分环保不透明涂料体系。铁红产品也具有粉末涂料和卷材涂料所需的热稳定性（图5）。因此，这些产品用于宜人的自然色调涂料体系是非常理想的。

（图5）目前，EnvironOxide^®产品比化学合成生产的透明氧化铁略显“乳白色”，但其“清洁”程度优于透明涂料中使用的安巴粉（Umbers）、生纳（Siennas）和赭石金（Ochres）。铁红产品也具有粉末涂料和卷材涂料所需的热稳定性。