Железоокисные пигменты

Железоокисные пигменты представляют собой оксиды железа, которые встречаются в природе в минералах. Они являются основным компонентом красных глин и обеспечивают красно-коричневую окраску горных пород. Желтые, красные, коричневые и черные оксиды железа с древнейших времен использовались человеком в качестве пигментов:
- красный железо-окисный - гематит
- черный железо-окисный - магнетит
- желтый железо-окисный - гетит
- коричневый железо-окисный - магнетит
- оранжевый железо-окисный - лепидокроцит

Широкое применение железо-окисные пигменты нашли в производстве цветных строительных материалов и изделий – искусственный камень, тротуарная плитка, черепица и т.д. Они применяются также в производстве оксидных тонеров для принтеров, керамической глазури, катализаторов химических процессов. Кроме того, железоокисные пигменты широко применяются как для непосредственного окрашивания пластмасс в массе, так и для производства суперконцентратов.

Важным преимуществом оксидов железа по сравнению со многими органическими пигментами является их термическая стабильность при температурах переработки большинства полимеров. Однако это не относится к желтым оксидам-гидроксидам железа, которые выделяют воду и превращаются в α-Fe2O3 при температурах около 200 °C.

Для решения этой проблемы помимо смесевых термостойких пигментов с оксидом цинка или марганца разработаны специальные желтые железоокисные пигменты для применения в пластмассах. За счет химической модификации поверхности частиц пигментов температура их термической деструкции увеличена до 260 0С, что позволяет использовать их для окрашивания полиэтилена низкого давления и полистирола. Разработан желтый пигмент, представляющий собой стабилизированный оксид железа/цинка, который стабилен до 300 0С, и может использоваться для конструкционных пластмасс, включая АБС-пластик и полиамид.

Современные синтетические железо-окисные пигменты выпускаются с использованием последних научных технологий, что в свою очередь
позволяет не только получать продукцию высокого качества, но и контролировать множество параметров самого синтеза, которые определяют
специальные свойства пигментов и дают возможность создавать продукт с заданными характеристиками. В настоящее время в промышленных
масштабах используются четыре основные технологии получения железоокисных пигментов (см. таблицу № 1).

Таблица № 1

*Название метода*	*Химические реакции, лежащие в его основе*
*Название метода*	*Химические реакции, лежащие в его основе*
Процесс осаждения	2FeSO4 + 4NaOH + ½O2 → образование желтых зародышей → 2FeOOH + 2Na2SO4 + H2O
Процесс осаждения	2FeOOH → Fe2O3 + H2O
Процесс Пеннимана	2Fe + ½ O2 + 3H2O → образование желтых зародышей → 2FeOOH = 2H2
Процесс Лаукса	9Fe + 4C6H5NO2 + 4H2O → 3Fe3O4 + 4C6H5NH2
	2Fe + C6H5NO2 + 2H2O → 2FeOOH + C6H5NH2
	4Fe3O4 + O2 → 6Fe2O3
Обжиг	4FeSO4*7H2O + O2 → 2Fe2O3 + 28H2O + 4SO3

Для примера приведем результаты исследований составов железоокисных пигментов производства китайской компании HYROX.

Были исследованы составы восьми красителей разных цветов. По результатам рентгенофазового анализа можно судить о структуре пигментов.
В таблице № 2 приведены составы исследованных пигментов. А на диаграмме № 1 представлен рентгеновские спектры исследуемых пигментов.

Таблица № 2

Составы железоокисных пигментов
	гетит HFeO2	гематит Fe2O3	магнетит Fe3O4	кальцит CaCO3
Красный № 110		*
Красный № 120		*
Красный № 130		*
Желтый № 311	*
Коричневый № 610	*	*	*
Коричневый № 663		*	*
Зеленый № 833	*			*
Оранжевый № 960	*	*

Диаграмма № 1

Результаты рентгеноспектрального анализа позволили определить, что эти пигменты получены путем синтеза, используя несколько технологических процессов (см. таблицу № 3).

Таблица № 3

Сводная таблица элементов железоокисных пигментов


Элемент	110	120	130	331	610	663	833	960
C	9,95	8,32	4,18	29,57	6,22	13	50,25	19,83
O	45,92	46,45	19,26	49,75	36,79	52,92	45,16	46,7
Na						0,96
Mg					0,61	0,41	0,21	0,17
Al	0,06		0,06	0,06	0,59	0,31	0,16	0,24
Si	0,06	0,13	0,08	0,05	0,71	0,29	0,04	0,12
S	0,22	0,28	0,2	0,19	0,23	0,17	0,04	0,16
Ca				0,05	0,15	0,04	1,87	0,05
Ti		0,12		0,14	0,16	0,21	0,05	0,21
Fe	43,52	44,69	76,14	20,11	53,78	31,69	2,13	32,5
Cu							0,04
Zn				0,09	0,7		0,04
K					0,07

Качество пигментов характеризуется несколькими важными параметрами. Это красящая способность, насыщенность (интенсивность) цвета, укрывистость, совместимость с окрашиваемым материалом.

Кроме того, пигменты должны обладать высокой светостойкостью, термостойкостью, атмосферостойкостью. Для получения глубины оттенков надо, чтобы пигменты обладали хорошим светопоглощением и светорассеянием.

Как ни странно, но все эти параметры зависят не столько от химического состава материала, сколько от размера, формы и структуры частиц пигментов.
Так, чтобы получить спектр оттенков какого-либо цвета, нужно этот фактор запрограммировать в технологическом процессе синтеза пигмента.

Интенсивность окраски красных железоокисных пигментов максимальна при среднем размере частиц около 0,4 мкм и уменьшается с увеличением или уменьшением размера частиц.

Влияние размера частиц становится еще более очевидным при рассмотрении кроющей способности. Железоокисные пигменты с размером частиц меньше 0,05 мкм являются прозрачными, укрывистость достигает максимума при размере частиц около 0,4 мкм и уменьшается при увеличении размера частиц.
Распределение частиц по размеру имеет решающее значение для чистоты цвета. Пигменты с узким распределением частиц по размеру обладают высокой чистотой цвета, тогда как пигменты с широким распределением дают ненасыщенный цвет.

Ниже приводятся микрофотографии исследуемых пигментов, на которых можно увидеть размеры частиц, их форму.

1 – Красный № 110 - гематит