DE112012002036T5

DE112012002036T5 - Kupferhaltige infrarotreflektierende Pigment-Zusammensetzungen

Info

Publication number: DE112012002036T5
Application number: DE112012002036.7T
Authority: DE
Inventors: Lei Wang
Original assignee: Ferro Corp
Current assignee: Vibrantz Corp
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2014-03-27
Also published as: US20140057112A1; WO2012154766A1; US9238735B2

Abstract

Pigmentzusammensetzungen werden beschrieben, die in vorteilhafter Weise die Gesamtsonnenlichtreflexion steigern. Auch beschrieben werden Verfahren zur Herstellung von Pigmentzusammensetzungen. Die Pigmentzusammensetzungen können Kupferoxid, Kupfer-Antimon-Oxide, Kupfer-Eismut-Oxide oder Kombinationen davon; und Erdalkalimetalloxide, frühe Übergangsmetalloxide, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloid(Halbmetall)-oxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon enthalten.

Description

Technisches Gebiet
Der Gegenstand dieser Offenbarung betrifft allgemein Pigment-Zusammensetzungen und ein Verfahren zur Herstellung von Pigmentzusammensetzungen.
Hintergrund
Pigmente werden verbreitet in verschiedenen Anwendungen wie Farben, Tinten, Kunststoffen, Kautschuken, Keramiken, Emaille und Gläsern verwendet. Anorganische gefärbte Pigmente basieren auf kristallinen Materialien, die aus Oxiden von Mischmetallen bestehen. Es gibt verschiedene Gründe für die Verwendung anorganischer Pigmente. Unter diesen sind die Farbeigenschaften der Pigmente, ihre sichtbaren genauso wie Ultraviolett(UV)- und Infrarot(IR)-Reflexionseigenschaften, ihre Lichtechtheit und ihre Temperaturstabilität. Die hohe Temperaturstabilität ist notwendig, wenn gefärbte Objekte bei erhöhten Temperaturen geformt werden.
Pigmente zeigen bestimmte Farben, weil sie bestimmte Lichtwellenlängen selektiv reflektieren und absorbieren. Weißes Licht ist eine annährend gleichmäßige Mischung des gesamten sichtbaren Spektrums von Licht. Wenn weißes Licht auf ein gefärbtes Pigment trifft, werden einige Wellenlängen absorbiert, wenn sie mit der elektronischen Struktur des Pigments in Wechselwirkung treten. Diese Wechselwirkungen werden von der Chemie und der Bindung des Pigments bestimmt. Die nicht absorbierten Wellenlängen werden zum Beobachter zurückreflektiert und dieses reflektierte sichtbare Lichtspektrum erzeugt das Aussehen einer Farbe. Beispielsweise reflektiert Ultramarin blaues Licht, typischerweise zwischen 400 und 500 Nanometer Wellenlänge, und absorbiert sichtbares Licht anderer Wellenlängen.
Das Aussehen von Pigmenten ist auch abhängig vom Spektrum der Lichtquelle. Sonnenlicht hat eine hohe Farbtemperatur, ein ziemlich gleichmäßiges Spektrum und wird als Standard für weißes Licht betrachtet. Künstliche Lichtquellen, einschließlich Fluoreszenzlicht, tendieren dazu, große Peaks in einigen Regionen ihres Spektrums und tiefe Täler in anderen Regionen aufzuweisen. Unter diesen Bedingungen betrachtet, können Pigmente verschiedene Farben zeigen.
Eine große Anzahl komplexer anorganischer Farbpigmente (CICPs) sind kupferhaltige Pigmente. Beispiele für kupferhaltige Schwarzpigmente schließen C. I. Pigmente, Black 26, Black 27, Black 28 und Black 30 ein. Alle diese Schwarzpigmente haben eine Spinell-Kristallstruktur. Kupferchromit-Schwarzpigmente (C. I. Pigments Black 28) sind Spinelle, die aus Kupfer(II)-Oxid und Chrom(III)-Oxid-Grün hergestellt werden, mit der allgemeinen Formel CuCr₂O₄. Kupferchromite sind die am meisten verbreitet verwendeten CICP-Schwarzpigmente. Die Kupferchromit-Schwarzpigmente sind Allzweck-Pigmente mit Dauerhaftigkeit und Temperaturbeständigkeit. Kupferchromit-Schwarz liefert im Allgemeinen einen dunklen Farbton, genauso wie eine starke Absorption im Nah-IR-Bereich. Kupferchromit-Schwarzpigmente sind hervorragende UV-Absorber und zeigen gute UV-Deckkraft (Opazität) für die Systeme, die sie verwenden. Rot gefärbtes Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) wird verbreitet als Pigment, als Fungizid und Antifouling-Mittel für Schiffsfarben verwendet. Das schwarze Kupfer(II)-oxid wird als Pigment in Keramiken zur Herstellung von blauen, roten und grünen (und manchmal grauen, pinken oder schwarzen) Glasuren hergestellt.
Entsprechend der Definition der CPMA (Color Pigments Manufacturers Association) gibt es für die Pigmente mit gelbem Farbton verschiedene gelbe, gelbbraune oder braune Pigment-Familien. Die meisten davon sind Titanat-Verbindungen, die mit Übergangsmetallen dotiert sind, mit Rutilkristallstruktur, wie Nickel-Antimon-Titan-Gelb (Yellow 53), Chrom-Antimon-Titan-Braungelb (Brown 24) und Nickel-Niob-Titan-Gelb (Yellow 161) usw. Nach unserem besten Wissen gibt es keinen Bericht über ein kupferhaltiges gelbes Pigment. Es gibt auch weitere kupferhaltige Pigmente wie Ägyptisches Blau: ein synthetisches Pigment aus Kalziumkupfersilikat (CaCuSi₄O₁₀), Han-Blau (BoCuSi₄O₁₀), Paris-Grün; Kupfer(II)-acetoarsenit (Cu(C₂H₃O₂)₂·3Cu(AsO₂)₂) und Scheele-Grün: Kupferarsenit CuHAsO₃, und einige blaue und grüne organische Pigmente wie Kupferphthalocyanin und seine Derivate.
Zusammenfassung
Das Folgende bietet eine vereinfachte Zusammenfassung der Erfindung, um ein grundlegendes Verständnis einiger Aspekte der Erfindung zu ermöglichen. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick der Erfindung. Sie ist weder zur Identifizierung von Schlüssel- oder kritischen Elementen der Erfindung, noch zur Abgrenzung des Umfangs der Erfindung gedacht. Ihr einziger Zweck ist die Darstellung einiger Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form als Einleitung zur detaillierteren Beschreibung, die später gegeben wird.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt wird eine Farbpigment-Zusammensetzung mit dunklem Farbton bereitgestellt. Genauer gesagt beinhaltet in Übereinstimmung mit diesem Aspekt die Farbpigment-Zusammensetzung mit dunklem Farbton Kupferoxide; Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide oder Kombinationen davon und Erdalkalimetalloxide, Oxide von frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetalloxide, Metalloidoxide (d. h. Halbmetalloxide), Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon. Die Pigmentzusammensetzung kann eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 15% oder mehr zeigen.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt wird eine hell getönte Pigment-Zusammensetzung mit gelbem und grünem Farbton bereitgestellt. Genauer gesagt enthalten in Übereinstimmung mit diesem Aspekt die gelblichen Pigment-Zusammensetzungen Magnesiumoxide; kristalline Komplex-Oxidkomposite und amorphe Oxidkomposite. Das kristalline Komplexoxid schließt eine oder mehrere kristalline Phasen aus Kupfer-Magnesium-Antimonoxiden (Cu₃MgSb_1,6O_6-δ beispielsweise) und ihre Bismut-Festlösungsderivate, Kupfer-Antimonoxide (CuSb₂O₆ beispielsweise) und ihre Bismut-Festlösungsderivate, Magnesium-Antimonoxide (MgSb₂O₄ oder MgSb₂O₆ beispielsweise) und ihre Bismut-Festlösungsderivate ein. Die amorphen Oxidkomposite schließen mindestens eines ein, das ausgewählt wird aus der aus Antimonoxiden und Bismutoxiden bestehenden Gruppe und mindestens eines, das ausgewählt wird aus der aus Erdalkalimetalloxiden, Oxiden von frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetalloxiden, Metalloidoxiden (z. B. Halbmetalloxiden) und Seltenerdenmetalloxiden bestehenden Gruppe ein. Die Pigment-Zusammensetzung kann eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 45% oder mehr zeigen.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt wird eine andere Farbpigment-Zusammensetzung bereitgestellt. Genauer gesagt hat in Übereinstimmung mit diesem Aspekt die Farbpigment-Zusammensetzung die Formel CuO·(A)_x·B_y ist, wobei x = 0,01 bis 2; y = 0,01 bis 2; A Antimonoxide, Bismutoxide oder Kombinationen davon ist; B Oxide von Mg, Co, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B, Ce oder Kombinationen davon ist.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt wird eine weitere Farbpigment-Zusammensetzung bereitgestellt, Genauer gesagt enthält in Übereinstimmung mit diesem Aspekt die Farbpigment-Zusammensetzung kristallines Kupferoxid und amorphe Komposite, die mindestens eines enthalten, das ausgewählt wird aus der aus Antimonoxiden und Bismutoxiden bestehenden Gruppe und mindestens eines, das ausgewählt wird aus der aus Erdalkalimetalloxiden, Oxiden von frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetalloxiden, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden bestehenden Gruppe.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Pigment-Zusammensetzung bereitgestellt. Genauer gesagt beinhaltet in Übereinstimmung mit diesem Aspekt das Verfahren Kombinieren von Metall-Verbindungen, die Kupfer, mindestens eines von Antimon und Bismut und mindestens eines, das ausgewählt wird aus Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloiden (z. B. Halbmetallen) und Seltenerdenmetallen; und Umsetzen der Metall-Verbindungen zur Bildung einer Pigment-Zusammensetzung, wobei die Pigment-Zusammensetzung Kupfer-Antimon-Oxide, Kupfer-Eismut-Oxide oder Kombinationen davon und Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Post-Übergangsmetalloxide, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon enthält.
In Übereinstimmung mit noch einem anderen Aspekt wird ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung einer Pigment-Zusammensetzung bereitgestellt. Genauer gesagt beinhaltet in Übereinstimmung mit diesem Aspekt das Verfahren einen ersten Schritt, das Kombinieren von mindestens einem von Antimon und Bismut und mindestens einem, das ausgewählt wird aus Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloiden und Seltenerdenmetallen zur Bildung von ersten Oxid-Verbindungen, und Erwärmen der ersten Oxid-Verbindungen durch eine Festphasenreaktion zur Bildung eines Oxidkomposits; und einem zweiten Schritt, der das Kombinieren von Kupferoxiden mit dem Oxidkomposit zur Bildung von zweiten Oxid-Verbindungen beinhaltet, und Erwärmen der zweiten Oxid-Verbindungen durch eine Festphasenreaktion zur Bildung der Pigment-Zusammensetzung.
Um die vorstehenden und verwandte Ziele zu erreichen, umfasst die Erfindung daher die im Folgenden vollständig beschriebenen und insbesondere in den Ansprüchen herausgestellten Merkmale. Die folgende Beschreibung und die angehängten Zeichnungen stellen im Detail einige illustrative Ausführungsformen der Erfindung dar. Diese Ausführungsformen sind ein Hinweis, jedoch nur für einige der verschiedenen Arten, in denen die Prinzipien der Erfindung angewendet werden können. Andere Gegenstände, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlich, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Graph der Reflexionswerte für Pigment-Zusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)_x-(TiO₂)_y.
2 ist ein Graph der Reflexionswerte für Pigment-Zusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)_x-(TiO₂/SiO₂)_y.
3 ist ein Graph der Reflexionswerte für Pigment-Zusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)_x-(TiO₂/MgO)_y.
4 ist ein Graph der Reflexionswerte für Pigment-Zusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)_x-(MgO)_y.
5 ist ein Graph der Reflexionswerte für Pigment-Zusammensetzungen mit der Formel CuO-(Bi₂O₃)_x-(TiO₂)_y.
Detaillierte Beschreibung
Die erfindungsgegenständlichen Pigment-Zusammensetzungen können verbesserte Sonnenlichtreflexionseigenschaften zeigen, so dass die Pigment-Zusammensetzungen einen relativ hohen Anteil von Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 und 2500 nm reflektieren, während ein relativ geringer Anteil von Licht mit einer Wellenlänge zwischen 250 und 780 nm reflektiert wird, was entweder helle oder dunkle Farbtöne zeigt. Diese einzigartigen Reflexionseigenschaften ermöglichen, dass die bevorzugten Pigment-Zusammensetzungen selektiv Infrarot-(IR)-Strahlung reflektieren, während sie Licht innerhalb des sichtbaren Spektrums kaum signifikant reflektieren. Daher behalten die Pigment-Zusammensetzungen ihr gewünschtes Aussehen und ihre Farbe bei, z. B. dunkle Farbtöne, schwarze Farbe oder helle Farbtöne, während gleichzeitig signifikante Mengen IR-Strahlung reflektiert werden.
Pigment-Zusammensetzungen
Die erfindungsgegenständlichen Pigment-Zusammensetzungen können Kupferoxide; Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide oder Kombinationen davon; und Alkalimetalloxide, Oxide von frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon enthalten. In anderen Worten können die erfindungsgegenständlichen Pigment-Zusammensetzungen Kupferoxide; mindestens eines, ausgewählt aus der aus Kupfer-Antimonoxiden und Kupfer-Bismutoxiden bestehenden Gruppe; und mindestens eines, ausgewählt aus der aus Erdalkalimetalloxiden, Oxiden von frühen Übergangsmetallen, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden bestehenden Gruppe enthalten. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen kristalline Kupferoxide und amorphe (nicht-kristalline) Oxidkomposite, die mindestens eines enthalten, ausgewählt aus der aus Antimonoxiden und Bismutoxiden bestehenden Gruppe und mindestens eines, ausgewählt aus der aus Erdalkalimetalloxiden, Oxiden von frühen Übergangsmetallen, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden bestehenden Gruppe. Die Kupferoxide können Kupfer(I)-Oxide und Kupfer(II)-Oxide beinhalten.
In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen eine Kombination von Kupfer-Antimonoxiden und Kupfer-Bismutoxiden mit Erdalkalimetalloxiden, Oxiden von frühen Übergangsmetallen, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden, Seltenerdenmetalloxiden oder Kombinationen davon. In einer anderen Ausführungsform bestehen die Pigment-Zusammensetzungen im Wesentlichen aus Kupfer-Antimonoxiden mit Erdalkalimetalloxiden, Oxiden früher Übergangsmetalle, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden, Seltenerdenmetalloxiden oder Kombinationen davon. In einer noch weiteren Ausführungsform besteht die Pigment-Zusammensetzungen im Wesentlichen aus Kupfer-Bismutoxiden mit Erdalkalimetalloxiden, Oxiden früher Übergangsmetalle, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden, Seltenerdenmetalloxiden oder Kombinationen davon. Die Kombination dieser Oxide kann erfolgen, solange die grundlegenden und wesentlichen Eigenschaften der Pigment-Zusammensetzungen nicht beeinträchtigt werden, d. h. die Farbeigenschaften (z. B. dunkle Farbtöne, schwarze Farbe oder helle Farbtöne) und die verstärkten Sonnenlichtreflexionseigenschaften wie hier beschrieben.
Die Kupfer-Antimonoxide und die Kupfer-Bismutoxide sind Multi-Kation-Oxid-Verbindungen der Formel Cu_xD_yO_z, wobei D Sb oder Bi ist; O ein Sauerstoffatom ist; jeder von x, y und z unabhängig eine ganze Zahl verschieden von null sein. In diesen Ausführungsformen kann eine oder mehr Verbindungen der Formel Cu_xD_yO_z eine Atom-Zusammensetzung haben, die durch ein Verhältnis Cu_x:D_y charakterisiert ist. In einer Ausführungsform kann ein Kupfer-Antimonoxid eine Atom-Zusammensetzung mit einem Verhältnis nahe den Ränder des Bereichs von etwa 0,05:0,95 (Kupfer:Antimon) oder etwa 0,95:0,05 (Kupfer:Antimon) oder Verhältnisse von Kupfer/Antimon oder Antimon/Kupfer innerhalb des Verhältnisses nahe den Rändern des Bereichs aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Kupfer-Bismutoxid eine Atom-Zusammensetzung mit einem Verhältnis nahe den Rändern eines Bereichs von etwa 0,05:0,95 (Kupfer:Bismut) oder etwa 0,95:0,05 (Kupfer:Bismut) oder Verhältnisse von Kupfer/Bismut oder Bismut/Kupfer zwischen den Verhältnissen nahe den Rändern des Bereichs aufweisen. D. h., die Kupfer-Antimonoxide oder die Kupfer-Bismutoxide können verschiedene Zwei-Kationen-Oxide mit Atom-Zusammensetzungsverhältnissen aufweisen, wobei die relative Konzentration jedes Kations in den Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,95 fällt. Beispiele für Kupfer-Antimonoxide schließen CuSb₂O₆ ein. Beispiele für Kupfer-Bismutoxide schließen CuBi₂O₄ ein.
In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Kombinationen der Kupfer-Antimonoxide und der Kupfer-Bismutoxide. Die Pigment-Zusammensetzungen können die Kupfer-Antimonoxide und die Kupfer-Bismutoxide in bestimmten molaren Verhältnissen enthalten, beispielsweise in einem Bereich von molaren Verhältnissen Sb:Bi wie von etwa 10:1 bis etwa 1:10. In einer anderen Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen die Kupfer-Antimonoxide und die Kupfer-Bismutoxide innerhalb eines Bereichs von molaren Verhältnissen von etwa 9:1 bis etwa 1:9 oder innerhalb eines Bereichs von molaren Verhältnissen von 5:1 bis 1:5. In Abhängigkeit von bestimmten Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Kupfer-Antimonoxide und die Kupfer-Bismutoxide in Mengen einzusetzen, die molaren Verhältnissen von Sb:Bi von 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 1:2, 1:3, 1:4 und 1:5 entsprechen. Alle hier ausgedrückten molaren Verhältnisse beziehen sich auf molare Mengen von Antimon (Sb) zu Bismut (Bi), wenn nicht anders angegeben.
Die Pigment-Zusammensetzungen können darüber hinaus Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide (z. B. Halbmetalloxide), Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon enthalten. Erdalkalimetalle sind eine Reihe von Elementen, die aus der Gruppe 2 des IUPAC-Periodensystems der Elemente ausgewählt werden. Beispiele für die Erdalkalimetalle schließen Mg, Ca, Sr und Ba ein. In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von Mg, Ca, Sr, Ba oder Kombinationen davon.
Frühe Übergangsmetalle sind eine Reihe von Elementen, die aus den Gruppen 3 bis 7 des IUPAC-Periodensystems der Elemente ausgewählt werden. Beispiele für die frühen Übergangsmetalle schließen Sc, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc und Re ein. In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von Sc, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, To, Re oder Kombinationen davon. In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von Ti, Zr oder Kombinationen davon.
Post-Übergangsmetalle sind eine Reihe von Elementen, die aus den Gruppen 12 bis 15 des IUPAC-Periodensystems der Elemente ausgewählt werden. Beispiele für Post-Übergangsmetalle schließen Zn, Al, Ga, In, Sn und Bi ein. In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von Zn, Al, Ga, In, Sn, Bi oder Kombinationen davon. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von Zn, Al oder Kombinationen davon.
Metalloide (z. B. Halbmetalle) sind eine Reihe von Elementen, die aus den Gruppen 13 bis 16 des IUPAC-Periodensystems der Elemente ausgewählt werden. Beispiele für Metalloide schließen B, Si, Ge, As, Sb und Te ein. In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von B, Si, Ge, As, Sb, Te oder Kombinationen davon. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von B, Si, Sb oder Kombinationen davon.
Seltenerdenmetalle sind eine Reihe von Elementen, die aus der Gruppe 3 des IUPAC-Periodensystems ausgewählt werden. Beispiele für Seltenerdenmetalle schließen Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Tb, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No und Lr. In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr oder Kombinationen davon. In einer anderen Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von Ce.
Die Erdalkalimetalloxide, frühen Übergangsmetalloxide, Post-Übergangsmetalloxide, Metalloidoxide und Seltenerdenmetalloxide sind Oxid-Verbindungen der Formel E_wO_z, wobei E ein Metall ist, das ausgewählt wird aus den Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloiden und Seltenerdenmetallen; O ist atomarer Sauerstoff; jeder von w und z kann unabhängig voneinander ein von null verschiedene ganze Zahl sein. In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Oxide von Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B, Ce oder Kombinationen davon.
In einer Ausführungsform enthalten die Metalloxide der frühen Übergangsmetalle, die Oxide der Post-Übergangsmetalle, die Metalloidoxide oder Kombinationen davon Metallkationen nur mit leeren (d⁰), vollständig gefüllten d-Orbitalen (d¹⁰) oder keinen d-Orbital-Elektronen in ihrer Valenzschale. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Erdalkalimetalloxide, die Seltenerdenmetalloxide oder die Kombinationen davon Metalle ohne Elektronen in einer Valenzschale der d-Orbitale.
In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Kombinationen von Erdalkalimetalloxiden, Oxiden früher Übergangsmetalle, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden. Die Pigment-Zusammensetzungen können Kombinationen von Erdalkalimetalloxiden und Oxiden früher Übergangsmetalle, Kombinationen von Erdalkalimetalloxiden und Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Kombinationen von Erdalkalimetalloxiden und Metalloidoxiden oder Kombinationen von Erdalkalimetalloxiden und Seltenerdenmetalloxiden enthalten. Die Pigment-Zusammensetzungen können Kombinationen von Oxiden früher Übergangsmetalle und Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Kombinationen von Oxiden früher Übergangsmetalle und von Metalloidoxiden oder Kombinationen von Oxiden früher Übergangsmetalle und Seltenerdenmetalloxiden enthalten. Die Pigment-Zusammensetzungen können Kombinationen von Oxiden von Post-Übergangsmetallen und Seltenerdenmetalloxiden oder Kombinationen von Oxiden von Post-Übergangsmetallen und Metalloidoxiden enthalten.
In einer Ausführungsform können die Pigment-Zusammensetzungen die Formel aufweisen: CuO·A_x·B_y, wobei x = 0,01 bis 2; y = 0,01 bis 2; A Oxide von Sb, Bi oder Kombinationen davon ist; B Oxide von Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B, Ce oder Kombinationen davon ist. In einer weiteren Ausführungsform können die Pigment-Zusammensetzungen die Formel aufweisen: CuO·(A'₂O₃)_x·B_y, wobei x = 0,01 bis 2; y = 0,01 bis 2; A'Sb, Bi oder eine Kombination davon ist; B Oxide von Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B, Ce oder Kombinationen davon ist. In einer weiteren Ausführungsform wird B ausgewählt aus MgO, CaO, SrO, TiO₂, ZrO₂, ZnO, SiO₂, B₂O₃, CeO₂ oder Kombinationen davon. In einer Ausführungsform ist x = 0,01 bis 1 und y = 0,01 bis 0,4. In einer weiteren Ausführungsform ist x = 0,01 bis 0,5 und y = 0,01 bis 0,3. In noch einer weiteren Ausführungsform ist x = 0,01 bis 0,4 und y = 0,01 bis 0,2. In noch einer Ausführungsform ist x = 0,01 bis 0,3 und y = 0,01 bis 0,1. In noch einer Ausführungsform ist x = 0,05 bis 0,5 und y = 0,01 bis 1,5. Wenn x = 0,05 bis 0,5 und y = 0,01 bis 1,5 ist, können die Pigment-Zusammensetzungen einen hellen Farbton haben (z. B. Gelb und helles Grün).
In einer Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide oder Kombinationen davon aus kristallinen Phasen der Pigment-Zusammensetzungen. Die Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide oder Kombinationen davon können die kristallinen Phasen der Pigment-Zusammensetzungen gemeinsam mit anderen Komponenten wie Kupferoxiden, Erdalkalimetalloxiden, Oxiden von frühen Übergangsmetallen, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden, Seltenerdenmetalloxiden oder Kombinationen davon sein. In einer anderen Ausführungsform enthalten die Pigment-Zusammensetzungen CuSb₂O₆ und CuBi₂O₄ als kristalline Phasen gemeinsam mit CuO als Hauptkomponente und anderen Oxiden.
Die Pigmentzusammensetzungen enthalten jede geeignete Menge der Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide, oder Kombinationen davon und jede geeignete Menge der Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon. Die Menge der jeweiligen Oxide hängen von den gewünschten Anwendungen der Pigmentzusammensetzungen ab. In einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Kupferoxide mit etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 98 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 20 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 20 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Kupferoxide in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 98 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide, oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 10 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon von etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 10 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In noch einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Kupferoxide in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 98 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide, oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 1 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und die Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon In etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 1 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung.
In einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Kupferoxide in etwa 60 Gew.-% oder mehr und etwa 99,6 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide, oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 20 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 20 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Kupferoxide in etwa 80 Gew.-% oder mehr und etwa 99,6 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide, oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 10 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 10 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In noch einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Kupferoxide in etwa 98 Gew.-% oder mehr und etwa 99,6 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; Kupfer-Antimonoxide, Kupfer-Bismutoxide, oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 1 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 1 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung.
In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen jede beliebige geeignete Menge kristalline Kupferoxide und jede beliebige geeignete Menge amorphe (nichtkristalline) Oxidkomposite, die mindestens eines enthalten, das ausgewählt wird aus der aus Antimonoxiden und Bismutoxiden bestehenden Gruppe und mindestens eines, das aus ausgewählt aus der aus Erdalkalimetalloxiden, Oxiden früher Übergangsmetalle, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden bestehenden Gruppe. Die Mengen der kristallinen Kupferoxide und der amorphen Oxidkomposite hängen ab von den gewünschten Anwendungen der Pigmentzusammensetzungen. In einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen kristalline Kupferoxide in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 98 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung und die amorphen Oxidkomposite in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 40 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen kristalline Kupferoxide in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 98 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung und die amorphen Oxidkomposite in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 20 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen kristalline Kupferoxide in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 98 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung und die amorphen Oxidkomposite in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 2 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung.
In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen darüber hinaus Magnesiumoxide. Alle hier beschriebenen Pigmentzusammensetzungen können jede beliebige geeignete Menge Magnesiumoxide enthalten, In einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen darüber hinaus die Magnesiumoxide mit etwa 10 Gew.-% oder mehr und etwa 50 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In einer anderen Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Magnesiumoxide mit etwa 15 Gew.-% oder mehr und etwa 45 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In noch einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Magnesiumoxide in etwa 20 Gew.-% oder mehr und etwa 40 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung.
In einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Magnesiumoxide; kristalline Komplexoxidkomposite; und amorphe Oxidkomposite. Das kristalline Komplexoxidkomposit schließt mindestens eine kristalline Phase ein, die ausgewählt wird aus der aus kristalliner Phase von Kupfer-Magnesium-Antimonoxiden (Cu₃MgSb_1,6O_6-δ beispielsweise) und ihren Bismut-Festlösungsderivaten, kristalliner Phase von Kupfer-Antimonoxiden (CuSb₂O₆ beispielsweise) und ihren Bismut-Festlösungsderivaten, kristalline Phase von Magnesium-Antimon-Oxiden (MgSb₂O₄ oder MgSb₂O₆ beispielsweise) und ihren Bismut-Festlösungsderivaten bestehenden Gruppe. Das kristalline Komplexoxidkomposit kann kristallines Kupfer-Antimon-Bismut-Magnesium-haltiges Oxidkomposite sein. Das amorphe Oxidkomposit beinhaltet mindestens eines, das ausgewählt wird aus der aus Antimonoxiden und Bismutoxiden bestehenden Gruppe und mindestens eines, das ausgewählt wird aus der aus Erdalkaltmetalloxiden, Oxiden früher Übergangsmetalle, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden (zum Bespiel Halbmetalloxiden) und Seltenerdenmetalloxiden bestehenden Gruppe.
In einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Magnesiumoxide in etwa 10 Gew.-% oder mehr und etwa 50 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, kristalline Komplexoxidkomposite in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 90 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, und amorphe Oxidkomposite in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 10 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In einer anderen Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Magnesiumoxide in etwa 15 Gew.-% oder mehr und etwa 45 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, kristalline Komplexoxidkomposite in etwa 55 Gew.-% oder mehr und etwa 85 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, und amorphe Oxidkomposite in etwa 0,5 Gew.-% oder mehr und etwa 9 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung. In noch einer Ausführungsform enthalten die Pigmentzusammensetzungen Magnesiumoxide in etwa 20 Gew.-% oder mehr und etwa 40 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, kristalline Komplexoxidkomposite in etwa 60 Gew.-% oder mehr und etwa 80 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, und amorphe Oxidkomposite in etwa 1 Gew.-% oder mehr und etwa 8 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung.
In einer Ausführungsform sind die erfindungsgegenständlichen Pigmentzusammensetzungen im Wesentlichen frei von mindestens einem der Elemente, die ausgewählt werden aus der aus Chrom, Blei, Cadmium, Quecksilber, Nickel und Kobalt bestehenden Gruppe. Die hier verwendet bedeutet der Begriff „im Wesentlichen frei von einem Element”, das die Pigmentzusammensetzungen das Element in keiner Form enthalten, oder das Element oder irgendwelche Verbindungen, die das Element enthalten, nicht absichtlich zu den Pigmentzusammensetzungen zugesetzt werden. Beispielsweise sind in einigen Ausführungsformen alle bei der Herstellung der Pigmentzusammensetzungen verwendeten Materialien im Wesentlichen frei von mindestens einem der Elemente, die ausgewählt werden aus der aus Chrom, Blei, Cadmium, Quecksilber, Nickel und Kobalt bestehenden Gruppe. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren zur Herstellung der Pigmentzusammensetzung nicht das Kombinieren von mindestens einem der Elemente, die ausgewählt werden aus der aus Chrom, Blei, Cadmium, Quecksilber, Nickel und Kobalt bestehenden Gruppe mit der Pigmentzusammensetzung und/oder Vorläufermaterialen für die Pigmentzusammensetzungen.
Verfahren
Die Erfindung stellt auch verschiedene Verfahren zur Herstellung der hier beschriebenen Pigmentzusammensetzungen bereit, Die erfindungsgegenständlichen Pigmentzusammensetzungen können durch jede geeignete Technik hergestellt werden, beispielsweise durch eine Festphasenreaktion oder Co-Präzipitation. Metallverbindungen einschließlich Kupfer, mindestens eines von Antimon und Bismut, und mindestens eines, ausgewählt aus Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetallen werden kombiniert. Die Metallverbindungen werden zur Bildung der Pigmentzusammensetzungen umgesetzt.
Die Metallverbindungen können jede beliebige geeignete Verbindung sein, solange die Metallverbindungen zur Bildung der Pigmentzusammensetzungen umgesetzt werden können. In einer Ausführungsform sind die Metallverbindungen Metalloxide, Metallcarbonate, Metalhydroxide, Metallbicarbonate, Metalloxyhydroxide, Metallsulfate, Metalloxysulfate, Metallfluoride, Metallchloride oder Metalloxychloride. Für die Co-Präzipitationstechnik können lösliche Metallverbindungen und/oder Metallsalze verwendet werden. Beispiele für Metallverbindungen, die in der Erfindung verwendet werden können, schließen Oxide, Carbonate, Hydroxide, Bicarbonate, Oxyhydroxide, Sulfate, Oxysulfate, Chloride oder Oxychloride von Cu, Sb, Bi, Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloiden und Seltenerdenmetallen ein. In einer Ausführungsform schließen die Metallverbindungen, die erfindungsgemäß verwendet werden können Oxide, Carbonate, Carbonate, Hydroxide, Bicarbonate, Oxyhydroxide, Sulfate, Oxysulfate, Chloride oder Oxychloride, von Cu, Sb, Bi, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B und Ce ein.
In einer Ausführungsform werden die Metallverbindungen durch Erwärmen auf eine erhöhte Temperatur zur Bildung der Pigmentzusammensetzungen umgesetzt. Die Reaktionen können in Luft-, in Inertgas- oder in Vakuum-Atmosphäre durchgeführt werden. Die Metallverbindungen können durch Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1200°C für etwa 0,5 bis etwa 48 Stunden umgesetzt werden. Es versteht sich jedoch für diejenigen, die die Erfindung ausführen, dass ein breiter Bereich von Temperaturen und Zeiten verwendet kann, und dass die Temperatur und die Zeitdauer nicht kritisch sind, solange die Temperatur und Zeitdauer, die eingesetzt werden, zur Bildung der erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen ausreichend sind. Das Erwärmen kann durch Einbringen der Reagenzien in einen Tiegel, der im inneren eines Ofens angeordnet ist, oder in eine andere geeignete Vorrichtung zur Erwärmung der Reagenzien erzielt werden. Das Erwärmen kann auch durch die Verwendung eines Drehkalzinierofens oder anderer kontinuierlicher Kalzinierungsverfahren erzielt werden. In einer weiteren Ausführungsform können alle Metalloxide mit Ausnahme von CuO bei einer Temperatur von etwa 1100°C bis etwa 1450°C während etwa 0,5 bis 10 Stunden zur Bildung einer glasartigen Schmelze vorkalziniert werden, und dann abgekühlt und zu einem Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 5 bis 20 μm (D₅₀) gemahlen werden. CuO wird dann zugegeben und mit diesem vorhergestellten Pulver auf eine Temperatur auf etwa 600°C bis etwa 1200°C während etwa 0,5 bis etwa 24 Stunden zur Herstellung des Pigmentpulvers erhitzt. In einer weiteren Ausführungsform werden die Metallzusammensetzungen durch eine Zwei-Schritt-Methode gebildet. Der erste Schritt beinhaltet das Kombinieren von mindestens einem von Antimon und Bismut mit mindestens einem, das ausgewählt wird aus Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloiden und Seltenerdenmetallen zur Bildung der ersten Metallverbindung und Erhitzen der ersten Metallverbindung durch eine Festphasenreaktion auf eine Temperatur von etwa 1100°C auf etwa 1300°C zur Bildung eines Oxidkomposits. Der zweite Schritt beinhaltet das Kombinieren von Kupferoxiden mit dem Oxidkomposit zur Bildung einer zweiten Metallverbindung und Erhitzen der zweiten Metallverbindung durch eine Festphasenreaktion auf eine Temperatur von etwa 600°C auf etwa 1200°C zur Bildung der Pigmentzusammensetzung.
In einer anderen Ausführungsform werden die Metallverbindungen durch Co-Präzipitation zur Bildung einer Pigmentzusammensetzung umgesetzt. Die Metallverbindungen werden in einer Flüssigkeit wie destilliertes Wasser gelöst, und die Lösung wird zu einer anderen wässrigen Lösung eines Co-Präzipitans wie Natriumhydroxid, Natriumcarbonat, Ammoniumhydroxid, und Ammoniumhydrogencarbonat gegeben. Während des Co-Präzipitationsverfahrens kann die Temperatur der Lösung bei etwa 40°C bis etwa 70°C gehalten werden. In einer Ausführungsform werden die co-präzipitierten Pulver filtriert und getrocknet. In einer weiteren Ausführungsform werden die co-präzipitierten Pulver auf eine Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1200°C während etwa 0,5 bis 48 Stunden an Luft oder in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt. Das Erhitzen kann durchgeführt werden wie oben beschrieben.
In einer Ausführungsform werden die Pigmentzusammensetzungen gemahlen. Wenn eine kleinere Partikelgröße gewünscht oder wenn eine besondere Anwendung die Meidung von kleineren Partikelagglomerationen erfordert, kann ein Zerkleinern oder Mahlen der Pigmentzusammensetzung durchgeführt werden. In einer Ausführungsform haben mindestens 90% der Partikel der Pigmentzusammensetzungen eine mittlere Partikelgröße von etwa 0,2 μm oder mehr und etwa 15 μm oder weniger. In einer weiteren Ausführungsform haben mindestens 90% der Partikel der Pigmentzusammensetzungen eine mittlere Partikelgröße von etwa 0,3 μm oder mehr und etwa 3 μm oder weniger.
Reflexion
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Pigmentzusammensetzungen verbesserte Reflexions- oder Reflektanzeigenschaften zeigen (die Begriffe „Reflexion” und „Reflektanz” werden hier austauschbar verwendet). Solche Verbesserungen können beobachtet werden anhand Verbesserungen der Infrarot(IR)-Reflexion oder Verbesserungen der Sonnenlichtreflexion (oder genauer gesagt Gesamtsonnenlichtreflexion (TSR)). Wie von Fachleuten verstanden wird, ist die Gesamtsonnenlichtreflexion die Menge an reflektierter Energie im ultraviolett-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich des Sonnenspektrums dividiert durch die Gesamtmenge der einfallenden Sonnenenergie.
In einer Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 15% oder mehr. In einer anderen Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 18% oder mehr. In noch einer Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 20% oder mehr.
Die Pigmentzusammensetzungen mit hellem Farbton können eine höhere Sonnenlichtreflexion zeigen als die Pigmentzusammensetzung mit dunklem Farbton. In einer Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzung mit hellem Farbton eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 35% oder mehr. In einer anderen Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen mit einem hellen Farbton eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 40% oder mehr. In noch einer Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 45% oder mehr.
In einer Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen eine durchschnittliche Reflexion von etwa 30% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 1300 und 1600 nm. In einer anderen Ausführungsform zeigt die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 35% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 1300 und 1600 nm. In noch einer Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen eine durchschnittliche Reflexion von etwa 40% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 1300 und 1600 nm.
Wie angegeben, können die erfindungsgegenständlichen Pigmentzusammensetzungen verbesserte Sonnenlichtreflexionseigenschaften in der Weise zeigen, dass die Pigmentzusammensetzungen einen relativ hohen Anteil von Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 und 2500 nm reflektieren, während sie einen relativ geringen Anteil von Licht mit einer Wellenlänge zwischen 250 und 780 nm nicht signifikant reflektieren. In einer Ausführungsform zeigt die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 20% oder weniger für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm, und die Pigmentzusammensetzungen zeigen eine durchschnittliche Reflexion von etwa 20% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 und 2500 nm. In einer weiteren Ausführungsform zeigen die Zusammensetzungen eine durchschnittliche Reflexion von etwa 15% oder weniger für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm, und die Pigmentzusammensetzung zeigt eine durchschnittliche Reflexion von etwa 25% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm. In noch einer Ausführungsform zeigt die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 10% oder weniger für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm, und die Pigmentzusammensetzung zeigt eine durchschnittliche Reflexion von etwa 30% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm. Die Pigmentzusammensetzungen können einen dunklen Farbton aufweisen wie schwarz.
In einer Ausführungsform zeigen die Zusammensetzungen mit hellem Farbton eine höhere durchschnittliche Reflexion für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm und/oder für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm als die Pigmentzusammensetzungen mit dunklem Farbton. In einer Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen mit hellem Farbton eine durchschnittliche Reflexion von etwa 30% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm und eine durchschnittliche Reflexion von etwa 50% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm. In einer anderen Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen mit hellem Farbton eine durchschnittliche Reflexion von etwa 35% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm und eine durchschnittliche Reflexion von etwa 55% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm. In noch einer Ausführungsform zeigen die Pigmentzusammensetzungen mit hellem Farbton eine mittlere Reflexion von etwa 40% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm und eine durchschnittliche Reflexion von etwa 60% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm.
Wie im Detail im Folgenden in den Ergebnissen verschiedener Tests erklärt, werden diese verschiedenen Reflexionsmessungen durchgeführt, wenn das Pigmentmaterial in einer gepressten Tassenform vorliegt. Das Testverfahren wird hier auch als „Trockenpresspulver”(DPP)-Testverfahren bezeichnet, welches im Detail in US-Patent 6,174,360 von Sliwinski et al. beschrieben ist. Eine weitere Testtechnik, die im Detail hier in den Testergebnissen beschrieben ist, beinhaltet das Einbringen der Pigmentzusammensetzungen in ein Alkydmelamin(AM)-Farbensystem.
Es können beträchtliche Energiekosteneinsparungen durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen erzielt werden, die die angegebene Sonnenlichtreflexionseigenschaften zeigen. Genauer gesagt kann, obwohl das Ausmaß der Sonnenlichtreflexion von Farben und Beschichtungen von verschiedenen Faktoren abhängt, im Allgemeinen für zahlreiche Bauanwendungen ein Anstieg der Gesamtsonnenlichtreflexion von nur 1% in beträchtlichen jährlichen Einsparungen resultieren. Eine Fallstudie, die Metalldachdeckmaterial beschreibt, welches infrarotreflektierende Pigmentzusammensetzungen enthält, ist bereitgestellt in „Cool Metal Roofing Case Study”, erhältlich von der Cool Metal Roofing Coalition of Pittsburgh, PA.
Es wird gewürdigt werden, dass die erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen Mischmetalloxidpigmente sind, und dass daher solche Pigmentzusammensetzungen in Anwendungen eingesetzt werden können, in denen traditionell Mischmetalle wie Oxidpigmente verwendet werden. Beispielsweise könnten erfindungsgemäße Pigmentzusammensetzungen zur Bereitstellung visueller Effekte (zum Beispiel Farbmodifikation) in Glasmaterialen einschließlich allgemein gläsernen anorganischen Materialien, wie Glasmassen, Glasuren und/oder Glasemaillen eingesetzt werden. Dementsprechend kann ein Aspekt der Erfindung ein Substrat mit einer Beschichtung bereitstellen, die die Pigmentzusammensetzung beinhaltet, wobei das Substrat aus der aus Metall, Glas, Emaille oder Keramik bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Die erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen könnten zum Färben eines Massenobjekts verwendet werden, das aus einem organischen Harz aufgebaut ist.
Die erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen wären wahrscheinlich geeignet für die Verwendung bei der Herstellung von Schutzschichten zum Verhindern der Korrosion von metallischen Substraten. Die Pigmentzusammensetzungen könnten Zement, Gips oder Stuck, entweder in der Masse oder in Oberflächenbehandlungen, zum Erzielen visueller Effekte zugesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen könnten zur Herstellung von Tinten verwendet werden, insbesondere Tinten, die verbesserte Sonnenlichtreflexionseigenschaften zeigen können. Die Tinten reflektieren einen relativ hohen Anteil von Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 und 2500 nm, während sie einen relativ geringen Anteil von Licht mit einer Wellenlänge zwischen 250 und 780 nm reflektieren, was entweder einen hellen Ton oder dunkle Farbtöne ergibt. Das heißt, die Tinten können Infrarot (IR) Strahlung reflektieren, während sie Licht innerhalb des sichtbaren Spektrums nicht signifikant reflektieren. Daher können die Tinten ihr gewünschtes Aussehen und ihre Farbe, d. h. dunklen Farbton, schwarze Farbe oder hellen Farbton beibehalten, während sie gleichzeitig signifikante Mengen IR-Strahlung reflektieren können.
Andere potentielle Verwendungen der Pigmentzusammensetzungen könnte Datenspeichersubstrate, Kuppler für Mikrowellenstrahlen und Absorber für elektromagnetische Strahlung sein. Dementsprechend ist eine Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, umfassend: Aufbringen einer Formulierung auf ein Substrat, die, vor dem Brennen oder Härten, eine Pigmentzusammensetzung umfasst, Brennen oder Härten der Mischung zur Bildung einer Pigmentbeschichtung auf dem Substrat, und Exponieren der Pigmentbeschichtung gegen elektromagnetische Strahlung. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Verfahren die Pigmentbeschichtung, die Strahlung mit einer Wellenlänge von kürzer als 400 nm absorbiert, und in einer bevorzugteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren die Pigmentbeschichtung, die Ultraviolettstrahlung absorbiert.
Testen
Um die verschiedenen Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung weiter zu bestimmen, werden eine Reihe von Untersuchungen durchgeführt, um die Reflexionseigenschaften einer Pigmentzusammensetzung zu beurteilen, die Kupfer-Antimon-Oxide, Kupfer-Bismut-Oxid oder Kombinationen davon und Erdalkalimetalloxide, Oxide früher Übergangsmetalle, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon umfasst. Die Reflexion der Pigmentzusammensetzung wird über einen Bereich von Lichtwellenlängen gemessen, der sowohl des sichtbare Spektrum als auch das Infrarot(IR)-Spektrum einschließt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabellen 1 und 2 und 1 bis 5 gezeigt.
Die verwendeten Rohmaterialen sind Kupferoxid (CuO oder Cu₂O), Antimonoxid (Sb₂O₃ oder Sb₂O₅), Bismutoxid (Bi₂O₃) und andere Metalloxide wie in den folgenden Tabellen angegeben. Metallcarbonate, Metallhydroxid und Metallnitrate können auch als Rohmaterialien für diese Arbeit verwendet werden. Die Pulver werden jeweils in molaren Verhältnissen eingewogen wie in den Tabellen angegeben. Nach Einwiegen der verschiedenen Rohchargen werden diese im Labor während 2 Minuten unter Verwendung eines Osterizer-Blenders gemischt. Wenn sie nach dem Mischen homogenisiert vorliegen, werden die einzelnen Rohchargen in Cordierit-Tiegel gegeben und an Luft bei einer Temperatur im Bereich von etwa 600°C bis etwa 1200°C während etwa 2 bis 48 Stunden gebrannt. 50 g der kalzinierten Pigmentzusammensetzung werden in eine Probenmühle mit Wasser gegeben und auf einem mechanischen Roll-Rack während 30 Minuten gemahlen. Nach dem Mahlen wird die Pigmentzusammensetzung durch Filtration vom Wasser abgetrennt. Nach Abtrennen des Wassers von der Pigmentzusammensetzung wird die Pigmentzusammensetzung auf ein Trockenblech gegeben und in einem Trockenofen bei etwa 150°C während etwa 2 Stunden getrocknet.
Zum Testen der Tönung wird die Pigmentzusammensetzung in steifem Polyvinylchloridharz (RPVC) mit einer Beladung der Testpigmentzusammensetzung zu Titanoxid von 1:4 für Farbzwecke beurteilt. Das Harz wird unter Verwendung einer im Stand der Technik bekannten Zweiwalzenmühle dispergiert.
Zur Beurteilung des Massenfarbtons wird die Pigmentzusammensetzung in einer Alkyldmelaminfarbe getestet. Um das Dispergieren der Pigmentzusammensetzung im Farblösungsmittel zu unterstützen, werden Glasperlen verwendet und, das Mischen wird in einem mechanischen Schüttler während 30 Minuten durchgeführt. Nach 30 Minuten Schütteln wird die Dispersion von den Glasmedien durch Schwerkraftfiltration durch ein Farbsieb abgetrennt. Dann wird die Farbe auf eine Leneta-Karte gezogen und in einem Trockenofen bei etwa 80°C während etwa 45 Minuten gehärtet. Nach dem Härten werden die Farbe und die Gesamtsonnenlichtreflexion gemessen. Die Sonnenlichtreflexion wird entsprechend ASTM Test Nr. E903 gemessen und angegeben.
Für die Gesamtsonnenlichtreflexion wird die Pigmentzusammensetzung mit einem medienfreien (oder medienunabhängigen) „Dry Pressed Powder” (DPP) Testverfahren für die Sonnenlichtreflexion getestet und beurteilt wie in US Patent 6,174,360 von Sliwinski et al. beschrieben. Die in diesem Patent beschrieben, werden die Pigmentzusammensetzungsproben mit einer reinen Presstassenpulverprobe unter Verwendung eines Perkin Lambda 19 Spektrophotometers bei einer Wellenlänge von 2,5 μm gemessen, das mit einem Labsphere RSA-PE-19 Reflexionsspektroskopie-Zubehör ausgestattet ist.

Beispiel 1 – In dieser Versuchsreihe werden Pigmentzusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By verwendet. Die Verbindung B und die Werte von x und y sind in Tabelle 1 angegeben. Vergleichszusammensetzungen sind CuO als solches, und CuO kalziniert. Das CuO als solches stellt ein Kupferoxid ohne Kalzinieren dar. Das CuO kalziniert stellt ein Kupferoxid dar mit Kalzination in Luft bei einer Temperatur im Bereich von 600°C bis 1200°C während etwa 2 bis 48 Stunden. Tabelle 1 Farbe und Reflexion für CuO-(Sb₂O₃)x-By Formulierung

CuO-(Sb₂O₃)x-By Formulierung
Zusammensetzungen	X	B	Y	L*	a*	b*	TSR%
CuO, als solches	-	-	-	28.51	0.73	0.57	12.3
CuO, kalziniert	-	-	-	27.8	0	–1.07	13
Versuch #1	0.02	B₂O₃	0.03	27.58	0.56	–0.22	19.5
Versuch #2	0.04	SiO₂	0.03	27.88	0.57	–0.18	17.3
Versuch #3	0.06	ZnO	0.03	28.09	0.56	–0.24	17.1
Versuch #4	0.1	ZrO₂	0.03	28.39	0.57	–0.33	16.9
Versuch #5	0.1	MgO	0.05	28.76	0.49	–0.27	15.9
Versuch #6	0.1	MgO	0.1	28.83	0.48	–0.34	17.9
Versuch #7	0.1	TiO₂	0.02	28.82	–0.09	0.51	21.4
Versuch #8	0.1	TiO₂	0.04	28.51	0.32	0.65	17.9
Versuch #9	0.1	TiO₂	0.06	27.97	0.28	0.31	17.2
Versuch #10	0.1	TiO₂	0.08	29.28	1.06	2.11	17.6
Versuch #11	0.05	TiO₂/SiO₂	0.05	27.01	0.39	–0.5	17.3
Versuch #12	0.10	TiO₂/SiO₂	0.05	26.96	0.27	–0.65	16.1
Versuch #13	0.15	TiO₂/SiO₂	0.05	26.9	0.33	–0.59	15.7
Versuch #14	0.20	TiO₂/SiO₂	0.05	27.12	0.38	–0.55	16
Versuch #15	0.1	TiO₂/MgO	0.08	28.56	–0.02	0.46	19
Versuch #16	0.1	TiO₂/MgO	0.05	28.45	0	0.3	18.3
Versuch #17	0.05	MgO	1	37.88	–0.21	9.35	19.1
Versuch #18	0.1	MgO	1	47.86	3.58	19.95	28.2
Versuch #19	0.15	MgO	1	63.67	15	35.25	50.6
Versuch #20	0.2	MgO	1	69.01	8.03	33.36	49.6

Tabelle 1 zeigt auch die gemessenen Massenfarbtöne und Gesamtsonnenlichtreflexionswerte in Alkydmelaminfarbe. Tabelle 1 zeigt, dass höhere %TSR erzielt wird, wenn die Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By angewendet wird, während im Allgemeinen dieselben Farbeigenschaften beibehalten werden wie bei den Kontrollen, die ohne die Verwendung der Zugabe weiterer Metalloxide wie Sb₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂, ZnO, SiO₂, und B₂O₃ formuliert werden.

Beispiel 2 – In dieser Versuchsreihe werden Pigmentzusammensetzungen mit der Formel CuO-(Bi₂O₃)x-By verwendet. Die Verbindung B und die Werte von x und y sind in Tabelle 2 angegeben. Vergleichszusammensetzungen sind CuO als solches und CuO kalziniert. Tabelle 2 Farbe und Reflexion für CuO-(Bi₂O₃)x-By-Formulierung

CuO-(Bi₂O₃)x-By Formulierung
Zusammensetzungen	X	B	Y	L*	a*	b*	TSR%
CUO, als solches	-	-	-	28.51	0.73	0.57	12.3
CUO, kalziniert	-	-	-	27.8	0	–1.07	13
21	0.1	B₂O₃	0.03	27.36	0.2	–0.89	18.3
22	0.15	SiO₂	0.03	27.44	0.17	–0.92	17.2
23	0.2	ZnO	0.03	27.49	0.15	–0.87	17.2
24	0.25	ZrO₂	0.03	27.58	0.16	–0.83	16.5
25	0.1	MgO	0.05	32.31	1.6	2.37	20.4
26	0.1	CeO₂	0.05	32.18	1.6	2.31	20
27	0.1	TiO₂	0.02	26.93	0.13	–0.84	19.1
28	0.1	TiO₂	0.04	27.52	0.21	–0.74	19.3
29	0.1	TiO₂	0.06	27.88	0.2	–0.68	19.5
30	0.1	TiO₂	0.08	28.55	0.25	–0.41	20.1

Tabelle 2 zeigt auch die gemessenen Massenfarbtöne und Gesamtsonnenlichtreflexionsweite. Tabelle 2 zeigt, dass höhere %TSR erzielt wird, wenn die Formel CuO-(Bi₂O₃)x-By vorliegt, während im Allgemeinen dieselben Farbeigenschaften beibehalten werden wie bei den Kontrollen, die ohne die Verwendung der Zugabe anderer Metalloxide wie B₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂, ZnO, SiO₂ und CeO₂ formuliert werden.
Beispiel 3 – Bei dieser Untersuchung werden vier Pigmentzusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By hergestellt. Die Reflexion der Pigmentzusammensetzungen wird über einen Bereich von Lichtwellenlängen gemessen, der sowohl das sichtbare Spektrum als auch das Infrarot(IR)-Spektrum einschließt. Die Reflexionstestergebnisse sind in 1 dargestellt „Versuch #7” in 1 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By, wobei B TiO₂ ist, x 0,1 ist und y 0,02 ist. „Versuch #8” in 1 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By, wobei B TiO₂ ist, x 0,01 ist und y 0,04 ist. „Versuch #9” in 1 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By, wobei B TiO₂, x 0,1 ist und y 0,06 ist. „Versuch #10” in 1 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By, wobei B TiO₂, x 0,1 ist und y 0,08 ist.
1 zeigt, dass die Pigmentzusammensetzungen, die Antimonoxide und Titanoxide enthalten, innerhalb des sichtbaren Spektrums, zum Beispiel 250 bis 700 nm und insbesondere im Bereich von 400 bis 600 nm, nahezu identische Reflexionskurven zeigen wie die Zusammensetzung, die Antimonoxid und Titanoxid nicht enthält, d. h. CuO als solches Pigment. Für das Licht im IR-Spektrum, zum Beispiel zwischen 780 und 2500 nm und bevorzugt zwischen 1300 und 1600 nm, zeigen die Antimonoxide und Titanoxid enthaltenden Pigmentzusammensetzungen jedoch signifikant größerer Reflexionswerte als die Pigmentzusammensetzung, die keine Antimonoxide und kein Titanoxid enthält. Genauer zeigt bei einer Wellenlänge von 1500 nm die Pigmentzusammensetzung, die keine Antimonoxide und kein Titanoxid enthält, eine Reflexion von etwa 24%, während Pigmentzusammensetzungen die in Gegenwart von Antimonoxiden und Titanoxid gebildet werden, Reflexionswerte von etwa 33% bis etwa 35% zeigen. Diese Daten zeigen die bemerkenswerte IR-Reflexionsleistung und die konsistenten Farbqualitäten der erfindungsgemäßen bevorzugten Pigmentzusammensetzungen.
Beispiel 4 – Bei dieser Untersuchung werden vier Pigmentzusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-(TiO₂/SiO₂)y hergestellt. Die Reflexion der Pigmentzusammensetzungen wird über einen Bereich von Lichtwellenlängen gemessen, der sowohl das sichtbare Spektrum als auch das Infrarot(IR)-Spektrum einschließt. Die Reflexionstestergebnisse sind in 2 angegeben. „Versuch #11” in 2 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-(TiO₂/SiO₂)y, wobei x 0,05 ist und y 0,05 ist. „Versuch #12” in 2 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-(TiO₂/SiO₂)y, wobei x 0,10 ist und y 0,05 ist. „Versuch #13” in 2 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-(TiO₂/SiO₂)y, wobei x 0,15 ist und y 0,05 ist. „Versuch #14” in 2 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-(TiO₂/SiO₂)y, wobei x 0,20 ist und y 0,05 ist. Für den TiO₂/SiO₂-Teil ist das molare Verhältnis von Ti:Si 1:1, y = 0,05, was 5% ist.
2 zeigt, dass die Pigmentzusammensetzungen, die Antimonoxide, Titanoxide und Siliziumoxide enthalten, im sichtbaren Spektrums, d. h. 250 nm bis 700 nm, und insbesondere im Bereich von 400 bis 600 nm, fast identische Reflexionskurven zeigen wie die Zusammensetzung, die keine Antimonoxide, Titanoxide und Siliziumoxide enthält, d. h. das CuO als solches Pigment. Für Licht im IR-Spektrum, d. h. zwischen 780 nm und 2500 nm und bevorzugt zwischen 1300 und 1600 nm, zeigen die Pigmentzusammensetzungen, die Antimonoxide, Titanoxid und Siliziumoxide enthalten, jedoch signifikant größerer Reflexionswerte als die Pigmentzusammensetzung, die keine Antimonoxide, Titanoxid und Siliziumoxide enthält. Genauer zeigt bei einer Wellenlänge von 1500 nm die Pigmentzusammensetzung, die keine Antimonoxide, Titanoxide und Siliziumoxide enthält, eine Reflexion von etwa 24%, während Pigmentzusammensetzungen, die in Gegenwart von Antimonoxiden, Titanoxiden und Siliziumoxiden gebildet werden, Reflexionswerte von etwa 35% bis etwa 38% zeigen. Diese Daten zeigen die bemerkenswerte IR-Reflexionsleistung und die konsistenten Farbqualitäten der erfindungsgemäßen bevorzugten Pigmentzusammensetzungen.
Beispiel 5 – In dieser Untersuchung werden zwei Pigmentzusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-(TiO₂/MgO)y hergestellt. Die Reflexion der Pigmentzusammensetzungen wird über einen Bereich von Lichtwellenlängen gemessen, der sowohl das sichtbare Spektrum als auch das Infrarot(IR)-Spektrum einschließt. Die Reflexionstestergebnisse sind in 3 angegeben. „Versuch #5” in 3 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)_0,1-(TiO₂/MgO)_0,08. „Versuch #16” in 3 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)_0,1-(TiO₂/MgO)_0,05. Für den TiO₂/MgO Teil beträgt das molare Verhältnis Ti:Mg 1:1, y = 0,05 oder 0,08.
3 zeigt, dass die Pigmentzusammensetzungen, die Antimonoxide, Titanoxide und Magnesiumoxide enthalten, deutlich größere Reflexionswerte zeigen. Genauer zeigt bei einer Wellenlänge von 1500 nm die Pigmentzusammensetzung, die in Gegenwart von Antimonoxiden, Titanoxiden und Magnesiumoxiden gebildet wird, Reflexionswerte von etwa 50% bis etwa 53%, und eine TSR von 23.7% und eine TSR von 24,54%. Diese Daten zeigen die bemerkenswerte IR-Reflexionsleistung und konsistenten Farbqualitäten der bevorzugten erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen.
Beispiel 6 – Bei dieser Untersuchung werden vier Pigmentzusammensetzungen mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By hergestellt. Die vier Pigmentzusammensetzungen haben einen hellen Farbton, zum Beispiel Gelb und/oder Hellgrün. Die Reflexion der gelben und grünlichen Pigmentzusammensetzungen wird über einen Bereich von Lichtwellenlängen gemessen, der sowohl das sichtbare Spektrum als auch das Infrarot(IR)-Spektrum einschließt. „Versuch #17” ist eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By, wobei B MgO ist, x 0,05 ist und y 1 ist. „Versuch #18” ist eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By, wobei B MgO ist, x 0,10 ist und y 1 ist. „Versuch #19” ist eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By, wobei B MgO ist, x 0,15 ist und y 1 ist. Ein typisches DPP-Reflexionsspektrum von Versuch #19 ist in 4 dargestellt. „Versuch #20” ist eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Sb₂O₃)x-By, wobei B MgO ist, x 0,2 ist und y 1 ist. Tabelle 1 zeigt auch den gemessenen Massenfarbton und Gesamtsonnenlichtreflexionswerte der vier gelben und grünen Pigmentzusammensetzungen, gemessen in einem Alkydmelaminfarbsystem.
4 zeigt, dass die Pigmentzusammensetzung (Versuch #19), die Kupferoxid, Antimonoxide und Magnesiumoxide enthält und einen gelben Farbton hat, signifikant größere Reflexionswerte zeigt, gemessen durch die DPP Methode. Genauer zeigt in einem breiten Wellenlängenbereich von 550 zu 2500 nm die Pigmentzusammensetzung, die in Gegenwart von Kupfer, Antimon und Magnesiumoxiden gebildet wird, Reflexionswerte von etwa 45% bis etwa 70%, was in einer TSR von 54% resultiert. Dies ist ein weiteres Beispiel, das die bemerkenswerte IR-Reflexionsleistung und einen gelblichen Farbton der bevorzugten erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen zeigt.
Beispiel 7 – In dieser Untersuchung werden vier Pigmentzusammensetzungen mit der Formel CuO-(Bi₂O₃)x-By hergestellt. Die Reflexion der Pigmentzusammensetzungen wird über einen Bereich von Lichtwellenlängen gemessen, der sowohl das sichtbare Spektrum als auch das Infrarot(IR)-Spektrum einschließt. Die Reflexionstestergebnisse sind in 5 angegeben. „Versuch #27” in 5 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Bi₂O₃)x-By, wobei B TiO₂ ist, x 0,1 ist und y 0,02 ist. „Versuch #28” in 5 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Bi₂O₃)x-By, wobei B TiO₂ ist, x 0,1 ist und y 0,04 ist. „Versuch #29” in 5 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Bi₂O₃)x-By, wobei B TiO₂ ist, x 0,1 ist und y 0,06 ist. „Versuch #30” in 5 steht für eine Pigmentzusammensetzung mit der Formel CuO-(Bi₂O₃)x-By, wobei B TiO₂ ist, x 0,1 ist und y 0,08 ist.
5 zeigt, dass die Pigmentzusammensetzungen, die Bismutoxide und Titanoxid enthalten, innerhalb des sichtbaren Spektrums, zum Beispiel 250 nm bis 700 nm und insbesondere im Bereich von 400 nm bis 600 nm, fast identische Reflexionskurven wie die Zusammensetzung zeigen, die keine Bismutoxide und Titanoxid enthält, d. h. das CuO als solches Pigment. Für Licht im IR-Spektrum, d. h. zwischen 780 nm und 2500 nm und bevorzugt zwischen 1300 nm und 1600 nm, zeigen di Pigmentzusammensetzungen, die Bismutoxide und Titanoxid enthalten, jedoch signifikant größere Reflexionswerte als die Pigmentzusammensetzung, die keine Bismutoxide und Titanoxid enthält. Genauer gesagt zeigt bei einer Wellenlänge von 1500 nm die Pigmentzusammensetzung, die keine Bismutoxide und Titanoxid enthält, eine Reflexion von etwa 24%, während Pigmentzusammensetzungen, die in Gegenwart von Bismutoxiden und Titanoxid gebildet werden, Reflexionswerte von 33% bis etwa 38% zeigen. Diese Arten demonstrieren die bemerkenswerte IR-Reflexionsleistung und konsistenten Farbqualitäten der bevorzugten erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen.
Die Ergebnisse der Beispiele 1 bis 7 zeigen, dass signifikante Verbesserungen der Gesamtsonnenlichtreflexion für Pigmentzusammensetzungen auf Kupferoxidbasis durch Einarbeiten von Antimonoxiden und Bismutoxid und bestimmten Metalloxiden erzielt werden können, die ausgewählt werden aus Erdalkalimetalloxiden, frühen Übergangsmetalloxiden, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden. Im Allgemeinen können bei Verwendung von Antimonoxiden oder Bismutoxiden und den anderen Metalloxiden als Additiv Verbesserungen in der Gesamtsonnenlichtreflexion bis zu etwa 15% oder mehr erreichen. Das heißt, für eine Kontroll-Pigmentzusammensetzung, die Kupferoxide als solche enthält, kann durch Einarbeiten von Antimonoxiden oder Bismutoxiden und bestimmten Metalloxiden, die ausgewählt werden aus Erdalkalimetalloxiden, frühen Übergangsmetalloxiden. Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden wie hier beschrieben, die Sonnenlichtreflexion der behandelten Pigmentzusammensetzung um weitere 15%-Einheiten erhöht werden, und typischerweise mindestens 5% und häufig im Bereich von 5% bis 10%. Diese Anstiege der Sonnenlichtreflexion können zu signifikanten Energiekosteneinsparungen führen, falls die Pigmentzusammensetzungen in Beschichtungen oder anderen Farbformulierungen eingearbeitet werden.
Alle hier angegebenen Patente, veröffentlichten Anmeldungen, Standards und Artikel werden in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen.
Was hier beschrieben wurde, schließt Beispiele für die Erfindung ein. Es ist selbstverständlich nicht möglich, jede denkbare Kombination von Komponenten oder Methologien zu beschreiben, um die Erfindung zu beschreiben, aber Personen mit üblichem Fachwissen werden erkennen, dass zahlreiche weitere Kombinationen und Permutationen der Erfindung möglich sind. Dementsprechend ist die Erfindung dazu gedacht, alle solche Änderungen, Modifikationen und Variationen zu Umfassen, die in den Geist und Umfang der angehängten Ansprüche fallen, Darüber hinaus sind in dem Ausmaß, das Begriffe „enthalten”, „aufweisen”, „beinhalten”, und „involvieren” entweder in der detaillierten Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, solche Begriffe so gemeint, dass sie in gleicher Weise inklusiv sind wie der Begriff „umfassend” als „umfassend”, wenn er als Übergangswort in einem Anspruch verwendet wird. In einigen Fällen, in dem Ausmaß, in den die Begriffe „enthalten”, „aufweisen”, „beinhalten”, und „involvieren” entweder in der detaillierten Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, sind solche Begriffe so gedacht, dass sie teilweise oder vollständig exklusiv in einer Weise sind wie die Begriffe „bestehend aus” oder „im Wesentlichen bestehend aus”, wie „bestehend aus” oder „im Wesentlichen bestehend aus” interpretiert werden, wenn sie als Übergangswort in einem Anspruch verwendet werden.

Claims

Gefärbte Pigmentzusammensetzung, umfassend: Kupferoxide in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 98 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; Kupfer-Antimon-Oxide, Kupfer-Bismut-Oxide oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 20 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und Erdalkalimetalloxide, Oxide von frühen Übergangsmetallen, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 20 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Pigmentzusammensetzung eine Gesamtsonnenlichtreflexion von etwa 15% oder mehr zeigt.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 20% oder weniger für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm zeigt, und die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von 20% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm zeigt.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 30% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 1300 und 1600 nm zeigt.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Pigmentzusammensetzung in Pulverform mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 0,2 μm oder mehr und etwa 15 μm oder weniger vorliegt.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Oxide von frühen Übergangsmetallen, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Erdalkalimetalloxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon Metallkationen nur mit leeren (d⁰), vollständig gefüllten d-Orbitalen (d¹⁰), oder keinen d-Orbital Elektronen in ihrer Valenzschale enthalten.
Gefärbte Pigmentzusammensetzung der Formel: CuO·(A)_x·B_y, wobei x = 0,01–2; y = 0,01–2; A Antimonoxide, Bismutoxide, oder Kombinationen davon ist, B Oxide von Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B, Ce, oder Kombinationen davon ist.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 7, wobei A Sb₂O₃, Sb₂O₅, Bi₂O₃ oder Kombinationen davon ist.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 7, wobei B MgO, CaO, SrO, TiO₂, ZrO₂, ZnO, SiO₂, B₂O₃, CeO₂ oder Kombinationen davon ist.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 7, wobei die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 20% oder weniger für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm zeigt, und die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 20% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm zeigt.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 7, wobei die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 30% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 1300 nm und 1600 nm zeigt.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 7, wobei die Pigmentzusammensetzung in Pulverform mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 0,2 μm oder mehr und etwa 15 μm oder weniger vorliegt.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 7, wobei die Oxide von frühen Übergangsmetallen, Oxide von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxide, Erdalkalimetalloxide, Seltenerdenmetalloxide oder Kombinationen davon Metallkationen nur mit leeren (d⁰), vollständig gefüllten d-Orbitalen (d¹⁰), oder keinen d-Orbital Elektronen in ihrer Valenzschale enthalten.
Gefärbte Pigmentzusammensetzung, umfassend: kristalline Kupferoxide in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 98 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; und amorphe Komposite in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 40 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, wobei die amorphen Komposite mindestens eines umfassen, das ausgewählt wird aus der aus Antimonoxiden und Bismutoxiden und mindestens einem bestehenden Gruppe, das ausgewählt wird aus der aus Erdalkalimetalloxiden, frühen Übergangsmetalloxiden, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden bestehenden Gruppe.
Gefärbte Pigmentzusammensetzung umfassend: Magnesiumoxide in etwa 10 Gew.-% oder mehr und etwa 50 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung; kristalline Oxidkomposite in etwa 50 Gew.-% oder mehr und etwa 90 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, wobei die kristallinen Komplexoxidkomposite mindestens eine kristalline Phase umfassen, die ausgewählt wird aus der aus kristalliner Phase von Kupfer-Magnesium-Antimon-Oxid und ihren Bismut-Festlösungsderivaten, kristalliner Phase von Kupfer-Antimon-Oxiden und ihren Bismut-Festlösungsderivaten und kristalliner Phase von Magnesium-Antimon-Oxiden und ihren Bismut-Festlösungsderivaten bestehenden Gruppe; und amorphe Oxidkomposite in etwa 0,2 Gew.-% oder mehr und etwa 10 Gew.-% oder weniger der Pigmentzusammensetzung, wobei das amorphe Komposit mindestens eine umfasst, das ausgewählt wird aus der aus Antimon-Oxiden und Bismut-Oxiden und mindestens einem bestehenden Gruppe, das ausgewählt wird aus der aus Erdalkalimetalloxiden, frühen Übergangsmetalloxiden, Oxiden von Post-Übergangsmetallen, Metalloidoxiden und Seltenerdenmetalloxiden bestehenden Gruppe.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 15, wobei die Pigmentzusammensetzung eine mittlere Reflexion von etwa 30% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm zeigt, und eine durchschnittliche Reflexion von etwa 50% oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2500 nm.
Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 15, wobei die Pigmentzusammensetzung eine durchschnittliche Reflexion von etwa 60 oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 2000 nm zeigt.
Verfahren zur Herstellung einer Pigmentzusammensetzung, umfassend: Kombinieren von Metallverbindungen, die Kupfer, mindestens eines, das ausgewählt wird aus der Antimon und Bismut bestehenden Gruppe, und mindestens eines, das ausgewählt wird aus der aus Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloiden und Seltenerdenmetallen bestehenden Gruppe; und Umsetzen der Metallverbindungen zur Bildung einer Pigmentzusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Umsetzen der Metallverbindungen zur Bildung der Pigmentzusammensetzung umfasst: Erwärmen der Metallverbindungen durch eine Festphasenreaktion auf eine Temperatur von mindestens 600°C bis etwa 1200°C zur Bildung der Pigmentzusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Kombinieren der Metallverbindungen umfasst: Kombinieren von Kupferverbindungen, mindestens einer von Antimonverbindungen und Bismutverbindungen, und mindestens einer, ausgewählt aus Oxiden von Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B, Ce.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Umsetzen der Metallverbindungen zur Bildung der Pigmentzusammensetzung umfasst: Umsetzen der Metallverbindungen durch Co-Präzipitation zur Bildung der Pigmentzusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Kombinieren der Metallverbindungen umfasst: Kombinieren von Kupferverbindungen, mindestens einer von Antimonverbindungen und Bismutverbindungen, und mindestens einer, ausgewählt aus Oxiden von Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B, Ce.
Zwei-Schritt-Verfahren zur Bildung einer Pigmentzusammensetzung, umfassend: einen ersten Schritt, umfassend Kombinieren von mindestens einem von Antimon und Bismut und mindestens einem, ausgewählt aus Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloiden und Seltenerdenmetallen zur Bildung erster Metallverbindungen, und Erwärmen der ersten Metallverbindungen durch eine Festphasenreaktion auf eine Temperatur von etwa 1100°C bis 1300°C zur Bildung eines Oxidkomposits; und eine zweiten Schritt, umfassend Kombinieren von Kupferoxiden mit dem Oxidkomposit zur Bildung von zweiten Metallverbindungen, und Erwärmen der zweiten Metallverbindungen durch eine Festphasenreaktion auf eine Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1200°C zur Bildung der Pigmentzusammensetzung.
Substrat mit einer Beschichtung, die die gefärbte Pigmentzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 7 umfasst, wobei das Substrat ausgewählt wird aus der aus Metall, Glas, Emaille oder Keramik bestehenden Gruppe.
Verfahren zur Herstellung einer Pigmentzusammensetzung, umfassend: einen ersten Schritt, umfassend Kombinieren von mindestens einem von Antimon und Bismut und mindestens einem, ausgewählt aus Erdalkalimetallen, frühen Übergangsmetallen, Post-Übergangsmetallen, Metalloiden und Seltenerdenmetallen zur Bildung erster Metallverbindungen, und Erwärmen der ersten Metallverbindungen auf eine Temperatur von etwa 1100°C bis etwa 1450°C zur Bildung einer glasartigen Schmelze; Mahlen der glasartigen Schmelze zur Bildung eines Pulvers, Kombinieren von Kupferoxiden mit dem Pulver und Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1200°C zur Bildung der Pigmentzusammensetzung.
Verfahren wie in den Ansprüchen 23 und 25 dargestellt, wobei die Pigmentzusammensetzung die Formel umfasst: CuO·(A)_x·B_y, wobei x = 0,01–2; y = 0,01–2; A Antimonoxide, Bismutoxide, oder Kombinationen davon ist, B Oxide von Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Zn, Al, Si, B, Ce, oder Kombinationen davon ist.