第十三章 顏料特性和物理性的相互關係
Pigment Characterization and Physical Relationships
一、顏料顆粒的性狀，測定和特性，以吸顏料散佈
(NatUre,measurement Characterization of pigment particles and pigment
dispersions)
2.顏料粉末和散佈(顏料性質的測定和解釋)
(pigment powders dispersion(measurement&interpretation,of their physical
properties)
只有兩種性質的測定，是為顏料粉末，而其他性質則屬於顏料散佈液，不是
屬顏料粉末的，所以包括有散佈因素在內。
碳黑的密度(density) 是1.8g/cm3，有機顏料粉末，普通有密度在l.0∼2.0g/cm3
間，而無機顏料的密度，則在1.8∼8.8g/cm3間。雖然密度是簡單的基本性質
，是非常困難作正確測定，用水作媒劑的比重瓶，似乎沒有什麼特別理由不
能用，但在實際上，因為顏料具有大的表面積，水不可能完全潤濕顏料表面
，替代出所有的空氣，所以不可得到重複相同的結果。許多溶劑用來代替水
，結果可以好些，但還是難得重複相同的結果。許多顏料在溶劑中，有滲出
現象，滲出程度愈大，愈不能得重複相同結果。Beresford和Brack建議，先在
低真空去除附𤥢氣體，然後仍在真空注入溶劑;再用超音波(ultrasonics)方法攪
動這浮懸液。對有滲出性質的顏料，則用顏料飽和溶劑作為媒液。這樣方法
所得結果，有高重複性，同時對所用溶劑無關。
表面面積(surface area) 標準的測定顏料粉末表面面積的方法，是在低溫和壓
力下，用氮吸收法（nitrogen absorption）測定。這方法般叫做BET法
(Brunauer,Emmett,and Teller法)。所以使用氮的原因，是(1)在低溫時氮是為顏
料強有力的吸收，(2)當溫度提高後，氮可以完全脫除，(3)氮的分子是非常小
，他們的大小是很清楚的(他們的截面積是16.2A°)。這小的分子大小是重要的
，因為顏料粉末是叢聚顆粉，只有小而快速運動的分子,才能滲入。
使用BET法測定表面積，有容積法（volumetric methdds)和重量法(gravimetric
methods)，容積法中還有連續流動法(continuousflow method容積法的儀器是完
全用不脆的玻璃製成，需要有高填空，花費時間，操作麻煩。這種設備有
AmericanlnstrumentCo.Inc.,SilverMd.的Adsorptomat;Numec Instrument & Control
Corp,Apollo，Pay的Orr Surface Area-pore Volume Analyzer;ScientificInstruments
Division of Carlo Erba Corp,Milano,Italy的Sorptomat；和Atlas-M.T.T.Gm b.H.,
Bremen,Germany的BETograph。
他們應用BET方程式
式中Vads＝STP狀況，顏料表面吸附氣體的總容積。
Vm＝用單層(mqnolayer)吸附氣覆蓋全表面所需的氣體容積
P＝在平衡時被吸附氣的部份分壓力(Partial preessure)
Po＝在冷�j劑溫度時，被吸附氣體的飽和壓力。
α＝方程式(1)直線的斜度
β＝直線在P／Vads(Po－P)軸上的切點
式中S。＝1ml吸附氣體，單層覆蓋的面積（㎡／ml）
對氮論，So＝4.3721㎡/md(STP)
Nm＝用單層吸附氣體附蓋顏料全部表面所需的容積
S＝顏料樣品的表面面積(㎡)
Ss＝顏料樣品的此表面面積(㎡/g)
w＝樣品重量(g)
顏料組織(texture of pigment)所謂組織，一般是指一種顏料在一種擔體(vehicle)
中，產生一種有效散佈液的容易程度。在實際上這是很難測定的，在顏料顆
粒在1μm以下，很難測定他們大小。
Carr建議，對碳黑和有機顏料(在亞麻仁油中)的組織，有一種新的指示辦法。
組織程度(texture rating)=S/Y
式中S＝此表面面積(m2/g),Y＝油吸收度(g油料/100g顏料)Y油料吸收度可以用
英國標準法 B.S.3482 (British Standard Test)，1962 測定，用亞麻仁油，在一石
版上，用調色刀 (Palette knife) 磨調到顏料中,使剛剛成為油膏為止。這樣定出
的組織程度，據說和實際相對組織非常接近。
假使用亞麻仁油作吸收油料，α＝部份吸收油料需要覆蓋顏料顆粒表面的，
1－α＝部分油料填滿顆粒間空隙的。
S／Y＝6.84α
那可以測定顏料顆粒的各種大小的α值，假定顆粒圓的，不論用斜方體或立
方體排列，油分子的長度是24A°。
S／Y值的不同，Carr的解釋，是
S／Y大於1.0，顏料結塊的裂解是不完全，這樣的組織， 此一般為硬，就是
硬組織(hard texture)。
S／Y＝1.0顏料結槐裂解完全，那顏料是完全散佈(普通正常組織(normal
texture))。
S／Y小於1.0，顏料結塊裂解完全，何時若干基本結晶，或顏料顆粒有裂開
，造成新的表面，這樣的顏料具有比正常更軟組織(soft texture)。
散佈程度 (degree of dispersion)散佈程度這名詞並沒有確切的定義過，定性的
是顏料散佈在一種油漆、油墨，塑膠或相似的其他系統中的實際狀況，和這
顏料的完全散佈或理想散佈的比較；定量的只是種廣用的方法，是用研磨測
定計(grind gauge)測定的數值，雖然這是一般並不很滿意接受的。
Carr對這問題，用氮測定的顏料粉末表面面積(nitrogen surface，area)和顏料在
系統中的有效表面面積(effective surface area)的比例，也就是基本顏料顆粒的
總表面面積，和在系統實際曝露在擔體中的表面此。假使這兩積表面面積相
同，顏料粉末完全的散佈在系統中，就是100％的散佈；如果不同，他們的
比例，用%表示他們的散佈程度(degree of dispersion)。
問題是如何測定有效表面面積？在實驗上測定在油漆、油墨、紙張塗料、顏
料糊，以及其他相似系統中的散佈程度，是測定顏料在這些系統中的顆粒大
小分配曲線(sizedistribution curve)。這是一個困難問題，還沒有能完全解決，
主要的困難，是(1)顏料顆粒在這些散佈系統中非常細小，普通要比lμm小很
多，超出光學顯微鏡的能力範圍，(2)存在有非常高的顆粒濃度。目前在顏料
著色系統中，測定顆粒大小的方法，祇有盤式離心機 (disk centrifuge) 和電子
顯微鏡(electron microscope)。電子顯微鏡可以提供放大很多倍的照片，可以用
目力或自動掃描機(scanner)核計大小，但這方法緩慢麻煩，而且可能和實際形
成的薄膜情形不同，那盤式離心機，他們在商業上可有最高速度達8000轉／
分鐘，可以處理小到0.025μm的顆粒。
使用電子顯微鏡(electron microscope)，可以觀察(1)顆粒形狀,(2)顏料以及著色
物質的表面和內部結構，(3)顆粒大小，(4)在一矩陣(matrix)中的顆粒散佈情形
，(5)結晶結構，(6)在多組份系統中的個別顏料的識別。
散佈穩定度(dispersion stability)在實際上，有許多油墨和油漆具有良好的儲藏
性質 (storage properties)，所以達成這樣性質的實際方法，可以使那系統發展
出很少流動結構 (rheological structure)或靜止時的黏流性 (thixotropy)，但這樣
的結構締造必須是可往復的，而且不能過份。達成散佈穩定度在非水溶液系
統的稀浮懸劑中，他們的機構理論，可有兩種理論，(1)電的對抗 ( electrical
repulsion)常叫做D.L.V.O.理論(D.L.V.O theory)，因為在他們表面上存在的電
荷，在顆粒間位勢對抗產生的能量阻隔;(2)方位阻擾(sterichindranee)，因為在
他們表面，存在有化合物的吸附層，阻止了他們的接近和結塊。
在水溶液系統中，這電的對抗和方位阻擾兩種機構理論，同樣有用。
在非水溶液系統中，因為加入溶劑變稀(thinning or diluting)而使系統不穩定和
結塊，這影響，變稀影響(effect of thinning)，是常叫作稀釋震盪(dilution shock
)這種方位阻擾機構理論相呼應，加入溶劑，使在顏料表面剝奪去很單層分子
的吸附分子。
儲藏安定度(storage stability)雖然顏料著色系統中，可以完全沒有結塊，但不
能阻止，在靜止時，顏料顆粒沈積出來，但因為顆粒小，同時系統可能黏度
大，他們沈積率是很慢。在實際上油漆和油墨中的儲藏安定性，是靠結構形
成(structure formation)。
著色系統的顏色值 (color value of pigmented system) 顏料的首要作用，是最後
產品的顏色，其他性質如不透明度和抵抗性質，乃是次要，所以最簡單的想
法，就是如何獲得最高顏色值(color value)。依照經驗，進一步的研磨可增加
產品的顏色強度，所以顏料的顏色強度會增加，當他們的顆粒大小減小了。
但有若干顏料太長久的研磨，顏色強度會從最高處，隨同顆粒的變小而變下
降，所以最高顏色值要有最合適的顆粒大小，這情形和顏料類別不同而有差
異。
依照Mie理論，顏色強度是顆粒大小、折光指數n (refractiveindex) 和吸收係數
k (absorption coefficient)的函數。對非常大的顆粒，顏色強度對所有的n和k值
，是差不多一樣的，是和 1/d 成比例，d是顆粒的直徑，當d減少了，顏色強
度增加。對非常小的顆粒，顏色強度對所有的n和k值，是和顆粒大小無關。
對中等大小的顆粒，直線在0.05至0.5μ間，就是射入光波長的一半，顏色強
度隨n和k值變化。所以除非對上述三個數值都知道了，就不可能預測一種顏
料的內在強度(intrinsic strength)。
