DE60036783T2

DE60036783T2 - Verfahren zur bestimmung der lichtstreuungseffizienz von pigmenten

Info

Publication number: DE60036783T2
Application number: DE60036783T
Authority: DE
Inventors: Robert William Kennett Square JOHNSON
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: JP2002535674A; WO2000045152A1; EP1147397A1; CA2360274A1; AU2615800A; DE60036783D1; US6236460B1; ATE376176T1; EP1147397B1

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Lichtstreuungseffizienz von Weißpigmenten und Gemischen, die mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthalten.
Lichtstreuungseigenschaften sind die grundlegenden Produkteigenschaften von Weißpigmenten, besonders von TiO₂-Pigmenten. Präzise, genaue Bewertungen von Lichtstreuungseigenschaften sind wichtig für die Lenkung der Produktentwicklung, die Verbesserung der Steuerung des Herstellungsprozesses und zur Unterstützung von Verbrauchern bei ihrer Einsatzoptimierung von Pigmenten.
Zwei Schlüsseleigenschaften bei im wesentlichen allen Endanwendungen von Weißpigmenten sind (a) die Streuungseffizienz zur Bereitstellung von Opazität bzw. Lichtundurchlässigkeit, die im Zusammenhang mit Deckvermögen und Farbstärke steht; und (b) der Unterton, der mit der Änderung der Streuungseffizienz bei sich ändernder Lichtwellenlänge im Zusammenhang steht. Lichtundurchlässigkeit ist die Fähigkeit eines Pigments, die Merkmale des darunterliegenden Substrats abzudecken. Der Unterton eines Weißpigments kann als der Farbton (bläulich oder rötlich) eines grauen Anstrichs beschrieben werden, der das Pigment als Beimischung zusammen mit einem normalen Schwarzpigment enthält. Im allgemeinen ist ein bläulicher Unterton charakteristisch für eine kleine Teilchengröße, während ein rötlicher Unterton charakteristisch für eine größere und weniger gleichmäßige Teilchengröße ist. Der Unterton ist besonders wichtig bei Anwendungen, wo ein Farbabgleich benötigt wird.
Lichtstreuungseigenschaften werden typischerweise an Endanwendungsprodukten oder bei Laborsimulationen von Endanwendungen gemessen. Derartige Messverfahren sind oft kompliziert, zeitraubend und wegen der Veränderlichkeit der Rohstoffe, der durch Anwendung eines mehrstufigen Verfahrens eingebrachten Variabilität und der durch Bedienungspersonen verursachten Streuung fehleranfällig. Daher haben sich die Produktcharakterisierung und die Prozesssteuerung im allgemeinen auf Grundeigenschaften konzentriert, wie z. B. Teilchengrößenmessungen. Wechselbeziehungen zwischen Teilchengröße und Endanwendungseigenschaften werden oft benutzt, um Schlussfolgerungen auf konkrete optische Eigenschaften der Pigmente zu ziehen. Die meisten Teilchengrößenanalysatoren zeigen Teilchengrößen an, die auf theoretischen Gleichungen basieren, in denen eine Kugelform angenommen wird. Daher entsprechen die angezeigten Größen Kugeldurchmessern. Pigmente weisen jedoch komplexere Mikrostrukturen auf. Zum Beispiel enthalten TiO₂-Pigmente verdoppelte und aggregierte Primärkristalle und nicht kugelförmige Teilchen. Ferner weisen die meisten handelsüblichen TiO₂-Pigmente wasserhaltige Oxidbeschichtungen auf. Daher können Messungen von äquivalenten Kugeldurchmessern das Endanwendungsverhalten eines Pigments unter Umständen nicht genau voraussagen.
Pigmente bieten Lichtundurchlässigkeit oder Deckvermögen durch diffuse Lichtstreuung in Endanwendungen. Messungen der Lichtundurchlässigkeit, welche die diffuse Durchlässigkeitskomponente nicht einschließen, liefern keine Ergebnisse, die zuverlässig mit Endanwendungseigenschaften korrelieren.
Bisher ist die Streuungseffizienz typischerweise bei einer grünen Lichtwellenlänge (540–580 nm) in der Mitte des sichtbaren Spektrums gemessen worden, wo das Auge am empfindlichsten ist. Der Unterton charakterisiert die Änderung der Streuungseffizienz quer über das sichtbare Spektrum und ist daher durch Vergleich der Streuungseffizienz bei einer blauen Wellenlänge mit der Streuungseffizienz bei einer roten Wellenlänge des Lichts ermittelt worden. Testverfahren nach dem Stand der Technik charakterisieren Pigmente durch (1) Messungen bei der Endanwendung oder einer Laborsimulation der Endanwendung, oder (2) Messungen an Aufschlämmungen des Pigments.
Als Beispiel des ersten Typs offenbaren Bruehlmann und Ross in J. Paint Techn. 1969, Bd. 41, S. 584–596, die Anwendung von Lichtdurchlässigkeitsmessungen mit einem integrierenden Spektrophotometer zur Bestimmung der Streuungseffizienz. Messungen werden bei 5500 Å (550 nm) an TiO₂-Beschichtungsformulierungen durchgeführt, die auf Kunststofffolien aufgebracht sind. Eine Verbesserung der Verfahrens von Bruehlmann und Ross wurde von Abrams et al. in "Proceedings of 1996 TAPPI Coating Conference", TAPPI Press, Atlanta, GA, 1996, S. 185–192, beschrieben. Für Anwendungen, wo TiO₂ in porösen Medien verwendet wird, z. B. Papierbeschichtungen oder Farbschichten mit einer Formulierung über der kritischen Volumenkonzentration des Pigments, nehmen Abrams et al. Informationen zur Porosität der Beschichtung in Berechnungen des Deckvermögens auf.
Als Beispiel des zweiten Typs beschreibt Losoi in "Proceedings of 5th International Paint Congress", Sao Paulo, Brasilien, 15. Sept. 1997, S. 213 (ABRAFATI, Brazilian Association of Paint Manufacturers, Run Augusts, 2516-2° andar -cj.22-01412-100-Sao Pulo-SP) Verfahren zur Bestimmung optischer Eigenschaften von in Wasser dispergierten TiO₂-Pigmenten. Diese Pigmente sind Aggregate von kleineren Primärkristallen. Die Extinktion einer verdünnten Aufschlämmung bei 550 nm dient als Vorhersagefunktion von Glanzeigenschaften. Sie liefert außerdem einen gewissen Hinweis auf das Deckvermögen oder die Farbstarke, aber Korrelationen sind begrenzt, wenn keine unabhängige Information über die Größe der Primärkristalle verfügbar ist. Ein Verfahren zur Messung des Untertons basiert auf dem Verhältnis von Extinktionsmesswerten einer verdünnten TiO₂-Aufschlämmung bei 400 und 700 nm.
Tumstall, US-Patent 4279512 , offenbart ein Verfahren zur Messung der mittleren Teilchengröße von Teilchen, die in einem kontinuierlichen Medium suspendiert sind, wobei das Verfahren die Messung ungestreuter Strahlung erfordert, die bei drei unterschiedlichen Wellenlängen, R1, R2 und R3, das Medium passiert. Aus den Messungen werden Lichtschwächungsverhältnisse bestimmt. Die Schwächungsverhältnisse werden mit einem Satz von zuvor berechneten Schwächungsverhältnissen für eine Auswahl von mittleren Teilchengrößen verglichen, die den ermittelten Schwächungsverhältnissen entspricht. Die Anwendung des Verfahrens zur Messung der mittleren Teilchengröße von TiO₂-Teilchen in wässriger Suspension wird offenbart.
Verfahren, die auf der Charakterisierung von Pigmentaufschlämmungen basieren, haben bedeutende Vorteile gegenüber Verfahren, welche die Herstellung des Endanwendungsprodukts erfordern: sie sind schneller, weniger kostenaufwendig, und die Bestimmung kann normalerweise mit viel höherer Genauigkeit erfolgen. Verfahren nach dem Stand der Technik mit Verwendung von Pigmentaufschlämmungen hatten jedoch Beschränkungen, die ihre Fähigkeit einschränken, Ergebnisse zu liefern, die direkt mit dem Verhalten in Endanwendungen korrelieren.
Das Streuverhalten ist sehr empfindlich gegen die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Pigmentteilchens und dem Brechungsindex des das Pigmentteilchen umgebenden Mediums. Der Brechungsindex von Wasser ist niedrig im Vergleich zum Brechungsindex des Mediums in Endanwendungen. Daher können Messungen von optischen Eigenschaften wässriger Pigmentaufschlämmungen im blau-grünen Bereich des sichtbaren Spektrums (450–600 nm) unter Umständen ungenaue Informationen zum Verhalten in einem Endanwendungsmedium liefern.
Kürzlich veröffentlichte E. Tan von Rhopoint Instrumentation (mit Sitz in Großbritannien) Informationen über ein Nassfilm-Deckfähigkeitsmessgerät in der Beilage der März-Ausgabe 1999 von Product Finishing (S. S2–S3). Dieses Gerät misst die Lichtundurchlässigkeit (Verhältnis des Schwarz-über-Weiß-Reflexionvermögens einer Beschichtung) als Funktion der Schichtdicke. Das Gerät bietet Automatisierung und Computerdatenanalyse, stützt sich aber auf bekannte Messungen und Analyseverfahren.
Ferner offenbart das Dokument US-A-4279512 ein Verfahren, das die folgenden Schritte aufweist: Herstellung einer verdünnten Aufschlämmung eines Pigments/eines Gemischs in bekannter Konzentration, Messen der Lichtdurchlässigkeit der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge von mindestens 600 nm und Umrechnen des Lichtdurchlässigkeitsmesswerts in eine optische Dichte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung bietet ein Verfahren zur Bestimmung von Pigmenteigenschaften, die mit dem Verhalten eines Pigments in einer Endanwendung korrelieren, wo das Pigment zum Beispiel in einem Anstrich oder einer Beschichtung dispergiert ist. Die vorliegende Erfindung bietet ein schnelles, genaues Verfahren, das direkt die Lichtstreuungseffizienz eines Pigments liefert, wobei das Verfahren aufweist:

(a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung eines Pigments in einem kontinuierlichen flüssigen Medium von bekannter Konzentration (C), wobei die Konzentration die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung ist;
(b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge (λ) von mindestens 600 nm;
(c) Umrechnen des Durchlässigkeitsmesswerts (T) in eine optische Dichte (OD) nach der Gleichung OD = –log(T)und
(d) Dividieren der optischen Dichte durch die Pigmentkonzentration (C) in der Aufschlämmung, um die Lichtstreuungseffizienz des Pigments zu bestimmen.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden, um die Lichtstreuungseffizienz einer Anzahl von Weißpigmenten zu bestimmen. Vorzugsweise wird das Pigment aus der Gruppe ausgewählt, die aus Rutil- und Anatas-Titandioxid, Zinkoxid, Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, Calciumsulfat und Ton sowie Gemischen daraus besteht. Starker bevorzugt ist das Pigment Rutil- oder Anatas-Titandioxid (TiO₂).
Die vorliegende Erfindung bietet ferner ein Verfahren zur Bestimmung des Pigmentunterton, das aufweist:

(a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung von Pigmentteilchen in einem kontinuierlichen flüssigen Medium von bekannter Konzentration (C), wobei die Konzentration die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung ist;
(b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₁) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₁ zwischen 500 und 650 nm;
(c) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₂) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₂ zwischen 600 und 1000 nm;
(d) Umrechnen der Durchlässigkeitsmesswerte in optische Dichten (OD) nach der Gleichung: OD = –log(T)
(e) Dividieren der optischen Dichten durch die Konzentration (C) des Pigments in der Aufschlämmung, um OD/C zu berechnen; (f) Bestimmen des Untertons des Pigments durch den Änderungsgrad von OD/C zwischen λ₁ und λ₂.

Zur Bestimmung des Untertons oder der Änderung von OD/C zwischen den beiden Wellenlängen λ₁ und λ₂ können eine Anzahl von Gleichungen benutzt werden. Vorzugsweise wird der Unterton nach der folgenden Gleichung bestimmt:
OD₁/C bei λ₁ ist die optische Dichte, die aus dem Lichtdurchlässigkeitsmesswert bei der Wellenlänge λ₁, dividiert durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung, berechnet wird. OD₂/C bei λ₂ ist die optische Dichte, die aus dem Lichtdurchlässigkeitsmesswert bei der Wellenlänge λ₂, dividiert durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung, berechnet wird.
Die vorliegende Erfindung bietet außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Lichtstreuungseffizienz eines Gemischs, das mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthält, wobei das Verfahren aufweist:

(a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung des Gemischs in einem kontinuierlichen flüssigen Medium von bekannter Konzentration, wobei die Konzentration die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung ist;
(b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge (λ) von mindestens 600 nm;
(c) Umrechnen des Durchlässigkeitsmesswerts (T) in eine optische Dichte (OD) nach der Gleichung OD = –log (T)und
(d) Dividieren der optischen Dichte durch die Gemischfeststoffkonzentration, um die Lichtstreuungseffizienz des Gemischs zu bestimmen.

Das kontinuierliche Medium kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Wasser, organischen Lösungsmitteln und Lackharzen besteht. Die vorliegende Erfindung ist für Gemische anwendbar, in denen die Lichtstreuungskomponente ein Weißpigment ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Rutil-Titandioxid, Anatas-Titandioxid, Zinkoxid, Siliciumdioxid Calciumcarbonat, Calciumsulfat und Ton sowie deren Gemischen besteht. Außer diesen Weißpigmenten enthält die Lichtstreuungskomponente Kunststoffpigment, Latexpolymerteilchen und andere Stoffe, die in dem Wasser (oder Lösungsmittel) nicht vollständig löslich sind und die eine gewisse messbare Lichtstreuung liefern.
Die vorliegende Erfindung bietet außerdem ein Verfahren zur Bestimmung des Untertons eines Gemischs, das mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthält, wobei das Verfahren aufweist:

(a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung des Gemischs in einem kontinuierlichen Medium von bekannter Konzentration (C), wobei die Konzentration die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung ist;
(b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₁) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₁ zwischen 500 und 650 nm;
(c) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₂) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₂ zwischen 650 und 1000 nm;
(d) Umrechnen der Durchlässigkeitsmesswerte in optische Dichten (OD) nach der Gleichung: OD = –log(T)
(e) Dividieren der optischen Dichten durch die Konzentration (C) der Gemischfeststoffe in der Aufschlämmung, um OD/C zu berechnen;
(f) Bestimmen des Untertons des Gemischs durch den Änderungsgrad von OD/C zwischen λ₁ und λ₂.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Diagramm, das relative optische Dichten für eine Reihe von Pigmenten und die entsprechenden relativen Streukoeffizienten (S) für diese Pigmente in einer Papierbeschichtung darstellt.
2 zeigt ein Diagramm, das die Korrelation von relativen optischen Dichten mit Streukoeffizienten in einer Papierbeschichtung und die damit verbundenen R²-Regressionswerte darstellt.
3 zeigt eine graphische Darstellung zur Charakterisierung der Lichtstreuung eines Gemischs, das mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthält. In der Figur wird die nach den untenstehenden Gleichungen 1 und 2 berechnete Lichtstreuungseffizienz des Gemischs mit dem nach den untenstehenden Gleichungen 3 oder 4 berechneten Unterton des Gemischs verglichen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung von Lichtstreuungseigenschaften von Weißpigmenten. Pigmente sind gewöhnlich in Schichten oder Beschichtungen in einer Endanwendung dispergiert. Die erfindungsgemäßen Verfahren stellen einen schnellen Prozess zur Bestimmung der optischen Dichte und des Untertons eines Pigments bereit, wobei das Pigment in einem kontinuierlichen flüssigen Medium dispergiert ist. Diese Verfahren sind besonders gut anwendbar, um Informationen zu liefern, die mit dem Verhalten des Pigments in Endanwendungen korrelieren.
Geräteausstattung
In der vorliegenden Erfindung wird ein Spektrophotometer benutzt, um die Lichtdurchlässigkeit (T) durch eine Probe einer verdünnten Aufschlämmung eines Weißpigments zu messen. Die optische Dichte wird nach der Formel OD = –log(T) berechnet. Im Handel sind zwar zahlreiche Spektrophotometer verfügbar, aber für Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es entscheidend, dass das Spektrophotometer ein Maß für die Gesamtdurchlässigkeit der Probe liefert. "Gesamtdurchlässigkeit" schließt sowohl die reguläre (geradlinige oder direkte) als auch die diffuse Lichtdurchlässigkeit ein. Die reguläre Lichtdurchlässigkeit bezieht sich auf die Energie, die direkt durch die Probe hindurchgeht. Die diffuse Lichtdurchlässigkeit bezieht sich auf Energie, die beim Durchgang durch die Probe gestreut wird.
Die Gesamtdurchlässigkeit ist bei einer Messung eines Weißpigments wichtig, um die Ergebnisse mit dem Verhalten in der Endanwendung zu korrelieren, da das Verhalten eines Pigments in der Endanwendung von diffuser Streuung abhängig ist. Für Korrelationen von Messungen mit der Endanwendung, z. B. in einer Papierbeschichtung oder einer Farbschicht, kann die Verwendung der Gesamtdurchlässigkeit bei der entsprechenden Wellenlänge eine 1:1-Beziehung zwischen optischer Dichte und der Lichtstreuungseffizienz (dem Deckvermögen) in der Endanwendung liefern. Wenn das Gerät nur die reguläre Durchlässigkeit misst, können bestimmte Unterschiede zwischen Pigmenten charakterisiert werden, aber es gibt keine 1:1-Korrelation zwischen optischer Dichte und Verhalten in der Endanwendung.
Ein Verfahren zur Gewinnung von Messwerten der Gesamtdurchlässigkeit einer Probe besteht darin, das Spektrophotometer mit einer Ulbrichtschen Kugel auszustatten. Eine derartige Modifikation ist im Handel erhältlich. Es können auch andere Verfahren angewandt werden, um Messwerte der Gesamtdurchlässigkeit zu erhalten.
Probenvorbereitung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine verdünnte Aufschlämmung von Pigmentteilchen in einem kontinuierlichen flüssigen Medium von bekannter Konzentration hergestellt. Die Konzentration wird hierin als Konzentration des Pigments in der Aufschlämmung bezeichnet. Die bevorzugten Pigmente, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen sind, sind handelsübliche Weißpigmente, die gewöhnlich als Trübungsmittel verwendet werden. Zu diesen Pigmenten gehören Rutil-Titandioxid (TiO₂), Anatas-TiO₂, Zinkoxid, Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Zinksulfid, basisches Bleisulfat, basisches Bleicarbonat, Antimonoxid, Lithophon oder dergleichen und Tone, z. B. Kaolinton, sowie Gemische davon. Vorzugsweise ist das Pigment aus der Gruppe ausgewählt, die sowohl aus Rutil- als auch aus Anatas-Titandioxid, Zinkoxid, Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, Calciumsulfat und Ton sowie deren Gemischen besteht. Besonders bevorzugt ist das Pigment Rutil- oder Anatas-Titandioxid.
Typischerweise und vorzugsweise ist das kontinuierliche Medium Wasser, jedoch sind andere kontinuierliche Medien, die verwendet werden können, unter anderem hydrophile Medien oder hydrophobe Medien, wie z. B. organische Lösungsmittel oder ein Lackharz.
Die Konzentration des Pigments in der verdünnten Aufschlämmung ist von der Weglänge der Spektrophotometerzelle abhängig. Die Pigmentkonzentration sollte innerhalb eines Konzentrationsbereichs liegen, in dem die optische Dichte direkt proportional zur Konzentration ist. Die Konzentration sollte außerdem in einem Empfindlichkeitsbereich für das Gerät liegen, wo ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auftritt. Zum Beispiel sollte für eine Aufschlämmung von TiO₂ in Wasser bei Verwendung einer Zelle mit einer Weglänge von 1 cm die Konzentration von TiO₂ in der Aufschlämmung im Bereich von 5 bis 50 ppm, vorzugsweise von 10–30 ppm liegen. Für Zellen mit einer Weglänge von weniger als 1 cm kann eine höhere Konzentration von TiO₂ in der Aufschlämmung toleriert werden, wobei die lineare Beziehung der optischen Dichte zur TiO₂-Konzentration aufrechterhalten wird. Umgekehrt sollten für Zellen mit einer größeren Weglänge als 1 cm niedrigere TiO₂-Konzentrationen in der Aufschlämmung verwendet werden.
Für andere Pigmente und für andere kontinuierliche Medien als Wasser muss die Konzentration unter Umständen höher oder niedriger sein, um der Proportionalitätsbeziehung zwischen optischer Dichte und Konzentration zu genügen und außerdem ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Für Pigmente mit niedrigem Brechungsindex, wie z. B. Calciumcarbonat und Tone, werden Konzentrationen in der Größenordnung von 100–300 ppm bevorzugt, wenn Wasser als das kontinuierliche Medium verwendet wird. Man wird erkennen, dass der Fachmann imstande sein wird, die zu nutzende optimale Pigmentkonzentration zu bestimmen.
Eine verdünnte Pigmentaufschlämmung wird hergestellt, indem eine Aufschlämmung des Pigments oder festes Pigment mit einer ausreichenden Menge des kontinuierlichen Mediums vermischt wird, um die gewünschte Konzentration bereitzustellen. Wahlweise wird die Aufschlämmung vor dem Verdünnen einer Vorbehandlung ausgesetzt. Beispiele von Vorbehandlungsmethoden sind unter anderem Vermahlen und Beschallen. Beschallen ist ein bevorzugter Schritt bei der Herstellung einer Aufschlämmung aus einer trockenen Probe. Vorzugsweise wird die verdünnte Aufschlämmung durch schrittweise Verdünnung von Pigmentaufschlämmungen höherer Konzentration hergestellt. Die genaue Herstellung der verdünnten Aufschlämmungsprobe ist wichtig, da Konzentrationsfehler eine negative Auswirkung auf die Genauigkeit der berechneten Ergebnisse haben und die Korrelationsfähigkeit von Ergebnissen mit dem Endanwendungsverhalten des Pigments beeinträchtigen.
Wahlweise wird der verdünnten Aufschlämmung ein Dispersionsmittel zugesetzt. Dispersionsmittel sind unter anderem Polyacrylate, Zitronensäure, Borsäure, Essigsäure, Adipinsäure, Succinsäure, Tetrakaliumpyrophosphat (TKPP), Ethylendiamintetraessigsäure, Triethanolamin (TEA), 2-Amino-2-methyl-1-propanol (AMP), Trimethylolpropan (TMP) oder dergleichen, und Gemische davon.
Messungen
Die verdünnte Pigmentaufschlämmung ist entsprechend den Geräteanweisungen in eine Spektrophotometerzelle zu geben, um eine Probe bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewandt werden, um optische Eigenschaften eines Weißpigments, die mit dem Endanwendungsverhalten korrelieren, durch Messung der Lichtdurchlässigkeit einer das Pigment enthaltenden Aufschlämmung bei einer Wellenlänge von mindestens 600 nm, typischerweise von 600 bis 1000 nm, zu bestimmen. Die bevorzugte Wellenlänge zur Charakterisierung der Lichtstreuungseffizienz oder des Deckvermögens verschiebt sich vom grünen Bereich des Spektrums (540 bis 580 nm) zu einer höheren Wellenlänge. Die Verschiebung ist von der Endanwendung, für die das Pigment vorgesehen ist, und vom Brechungsindex des kontinuierlichen Mediums abhängig, in dem die Durchlässigkeitsmessung durchgeführt wird. Wenn die optische Dichte auf einer Durchlässigkeitsmessung basiert, die in Wasser (Brechungsindex 1,33) durchgeführt wird, dann verschiebt sich die bevorzugte Wellenlänge, die für ein Pigment zur Verwendung in einem pigmentgefüllten Papier zu benutzen ist, um etwa 50 bis 100 nm nach etwa 600 bis 700 nm. Für ein Pigment, das in einer Papierbeschichtung eingesetzt werden soll, wenn das kontinuierliche Medium Wasser ist, verschiebt sich die bevorzugte Wellenlänge um etwa 150 nm nach etwa 650 bis 750 nm, und stärker bevorzugt ist die Wellenlänge 700 nm. Für ein Pigment, das in einer Kunststoffanwendung eingesetzt werden soll, besonders wenn das Pigment TiO₂ ist und die TiO₂-Konzentration niedriger als 15% ist, liegt die bevorzugte Wellenlänge zur Bestimmung optischer Eigenschaften gleichfalls im Bereich von 600 bis 750 nm, wenn das kontinuierliche Medium Wasser ist.
Für ein Pigment, das in Beschichtungsanwendungen verwendet werden soll, wie in z. B. in einem Anstrich, beträgt die bevorzugte Wellenlänge, bei der optische Eigenschaften zu bestimmen sind, 750 bis 1000 nm, wenn das kontinuierliche Medium Wasser ist. Dieser Bereich ist breiter als der Bereich für Papier- und Kunststoffanwendungen, da eine größere Streuung in den Beschichtungsformulierungen auftritt. Die Formulierung kann eine Formulierung auf Wasserbasis oder auf Lösungsmittelbasis sein. Die Pigmentvolumenkonzentration (PVC), und insbesondere die TiO₂-Volumenkonzentration, beeinflusst gleichfalls die bevorzugte Wellenlänge. Mit "TiO₂-Volumenkonzentration" ist das Volumenverhältnis des TiO₂-Pigments zu den übrigen Komponenten der Formulierung gemeint und kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden
Für eine typische Latexfarbe mit einer TiO₂-Volumenkonzentration von etwa 20% beträgt die bevorzugte Wellenlänge zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 750 bis 850 nm. Für eine Latexfarbe mit einer TiO₂-Volumenkonzentration von etwa 30% beträgt die bevorzugte Wellenlänge für die Messung 850 bis 1000 nm.
Die Gesamtdurchlässigkeit der Probe wird bei der zum Zweck der Bestimmung der Lichtstreuungseffizienz festgelegten Wellenlänge gemessen. Der Messwert der Gesamtdurchlässigkeit dient zur Berechnung der optischen Dichte und anschließend der Streuungseffizienz des Pigments, wie weiter unten beschrieben.
Der Unterton in einer Endanwendung wird durch Vergleich der Lichtstreuung am unteren Ende des sichtbaren Spektrums (λ₁ = blaue Wellenlänge) mit der Streuung am oberen Ende des sichtbaren Spektrums (λ₂ = rote Wellenlänge) ermittelt. Um den Unterton in verdünnten Pigmentaufschlämmungen zu bestimmen, müssen diese beiden Wellenlängen nach höheren Werten verschoben werden, ebenso wie die Wellenlänge, die zur Charakterisierung der optischen Dichte oder des Trübungsverhaltens benutzt wird, nach höheren Werten verschoben wird. Statt bei einer blauen Wellenlänge wird die Gesamtdurchlässigkeit der Probe unter Verwendung einer ersten Wellenlänge λ₁ im Bereich von 500 bis 650 nm gemessen, und statt bei rotem Licht wird die Gesamtdurchlässigkeit unter Verwendung einer zweiten Wellenlänge λ₂ im Bereich von 650 bis 1000 nm gemessen. Bei jeder Wellenlänge werden aus den Messwerten der Gesamtdurchlässigkeit optische Dichten berechnet. Die optischen Dichten werden benutzt, um den Unterton des Pigments zu berechnen, wie weiter unten beschrieben. Mit zunehmender Messwellenlänge nimmt typischerweise die optische Dichte ab. Pigmente mit Kurven der optischen Dichte als Funktion der Wellenlänge, die mit zunehmender Wellenlänge steiler abfallen, entsprechen den Pigmenten mit höheren Untertonwerten.
Wahlweise wird vor der Messung der Gesamtdurchlässigkeit der verdünnten Pigmentaufschlämmungsprobe eine "Blindbestimmung" durchgeführt, um das Gerät bei jeder Wellenlänge zu eichen. Um eine "Blindbestimmung" durchzuführen, ist eine Spektrophotometerzelle mit dem gleichen kontinuierlichen flüssigen Medium zu füllen, wie es zur Herstellung der verdünnten Pigmentaufschlämmung verwendet wird, d. h. mit Wasser, Lösungsmittel oder Harz.
Überraschenderweise liefert die Kombination aus Messung der Gesamtdurchlässigkeit, die sowohl die reguläre als auch die diffuse Lichtdurchlässigkeit einschließt, und Durchführung der Messung bei einer größeren Wellenlänge als 600 nm eine hervorragende Korrelation zwischen optischer Dichte und dem Trübungsverhalten, d. h. der Streuungseffizienz in einer Endanwendung.
Berechnungen
Die optische Dichte (OD) ist aus der Gesamtdurchlässigkeit (T) bei jeder Wellenlänge gemäß Gleichung 1 zu berechnen. OD = –log(T) (1)
Die Konzentration des Pigments in der Aufschlämmungsprobe, C in ppm, ist aus der Probenvorbereitung bekannt. Durch Dividieren durch die Konzentration kann nach Gleichung 2 die Lichtstreuungseffizienz berechnet werden.
Der Zweckmäßigkeit und Zuverlässigkeit halber kann die optische Dichte oder die Lichtstreuungseffizienz in Bezug auf ein Standardpigment mit einem bekannten Wert angegeben werden. Auf diese Weise können die optischen Eigenschaften eines Standardpigments zum Vergleich mit anderen Pigmentproben benutzt werden.
Der Unterton wird aus den Lichtstreuungseffizienzen berechnet, die gemäß der obigen Beschreibung bei zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂ berechnet werden. Zur Charakterisierung des Änderungsgrads der optischen Dichte mit der Wellenlänge können viele Beziehungen verwendet werden, aber die logarithmische Beziehung von Gleichung 3 wird bevorzugt:
OD₁/C bei λ₁ ist die optische Dichte, die aus dem Durchlässigkeitsmesswert bei der Wellenlänge λ₁ berechnet wird, dividiert durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung. OD₂/C bei λ₂ ist die optische Dichte, die aus dem Durchlässigkeitsmesswert bei der Wellenlänge λ₂ berechnet wird, dividiert durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung. Der Bequemlichkeit halber kann, wenn dies gewünscht wird, ein Skalierungsfaktor einbezogen werden.
Eine Alternative zu Gleichung 3 für die Bestimmung des Untertons bietet Gleichung 4.
Berechnete Untertonwerte, die durch die Bestimmungen der optischen Dichte nach diesem Verfahren ermittelt werden, können zwar von den herkömmlichen Unterton-Werten für Ruß (CBU) abweichen, aber die Ergebnisse stimmen bei der Voraussage der relativen Untertöne für eine Gruppe von Pigmenten überein. CBU wird von Schaumann im US-Patent 2488439 beschrieben, dessen Lehren hier durch Verweis einbezogen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Untertons ist schneller als das von Schaumann beschriebene Verfahren, das die Herstellung von Ölsuspensionen einer Probe und eines Standardpigments mit Ruß und den Vergleich mit einem Satz von Standardwerten erfordert. Es hat sich gezeigt, dass berechnete Untertonwerte linear mit CBU variieren und aus der optischen Dichte bestimmte Untertonwerte unter Verwendung von Regressionskonstanten für diese lineare Beziehung in die CBU-Skala umgerechnet werden können.
Korrelation mit dem Endanwendungsverhalten
Eine Einschätzung des Endanwendungsverhaltens ist für Hersteller von Zwischenprodukten nicht immer leicht verfügbar, und Hersteller des Endprodukts sind oft auch nicht bereit, ein neues Produkt ohne starke Anzeichen/Belege dafür zu testen, dass das neue Produkt einen Vorteil für ihr Verfahren und/oder ihr Produkt bietet. Daher sind Tests, die gute Korrelationen mit dem Endanwendungsverhalten liefern, bei der Produktentwicklung, der Prozesssteuerung in der Pigmentfertigung und der Markteinführung von unschätzbarem Wert.
Die Messung von Pigmenteigenschaften, die mit dem Endanwendungsverhalten korrespondieren, kann sowohl Pigmentherstellern als auch ihren Kunden helfen, Formulierungen zu verbessern. Ein Test, der auf spektrophotometrischen Messungen basiert, die an Farbschichten oder auf Kunststofffolien aufgebrachten Papierschichten durchgeführt werden, liefert Ergebnisse, die zuverlässig mit dem Endanwendungsverhalten korrespondieren. Ein solcher Test wird von Abrams et al. in den oben genannten "Proceedings of 1996 TAPPI Coating Conference", TAPPI Press, Atlanta, GA, 1996, beschrieben. Beispielsweise können in diesem Test Verbesserungen der Streuungseffizienz direkt mit einem gleichen oder verbesserten optischen Verhalten bei reduzierten TiO₂-Konzentrationen korreliert werden. Dieser Test ist jedoch zeitraubend. Der Fehler bei Wiederholungsversuchen ist besser als bei den meisten Tests an Endanwendungsprodukten, ist aber immer noch größer als 2%. Trotzdem kann in Anbetracht des Erfolgs des von Abrams et al. beschriebenen Tests dieser Test für den Vergleich mit Ergebnissen angewandt werden, die durch das erfindungsgemäße Testverfahren ermittelt werden, um die Korrelation mit dem Endanwendungsverhalten zu beweisen.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung des von Abrams et al. beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung des Deckvermögens oder der Lichtstreuungseffizienz von Pigmenten. Bei dem Verfahren von Abrams wird eine Beschichtungsformulierung hergestellt, die ein bestimmtes Pigment enthält, und auf eine Polyesterfolie aufgetragen. Das Deckvermögen des Pigments wird bestimmt, indem die Lichtdurchlässigkeit und das Reflexionsvermögen der Schicht bei einer Wellenlänge von 550 mit gemessen und anschließend Berechnungen durchgeführt werden, welche die Porosität der Beschichtung berücksichtigen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Bestimmung der optischen Dichte durch Messungen der Gesamtdurchlässigkeit eines Weißpigments, das in einem kontinuierlichen flüssigen Medium dispergiert ist, bei Durchführung der Durchlässigkeitsmessung bei einer größeren Wellenlänge als 600 nm Ergebnisse liefert, die 1:1 mit Ergebnissen aus dem Verfahren von Abrams et al. korrelieren. Daher bietet die vorliegende Erfindung einen einfachen Test mit Ergebnissen, die mit dem Verhalten des Pigments in einer Endanwendung korrelieren. Der Fehler bei Wiederholungsversuchen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt nur 0,5%, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Fehler von 2%+ des Verfahrens von Abrams et al. ist.
Anwendungen in der Industrie
Die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung der Lichtstreuungseffizienz und des Untertons von Weißpigmenten sind sowohl für Pigmenthersteller als auch für Verbraucher von Nutzen. Zum Beispiel können diese Verfahren bei der Durchmusterung von Pigmenten für verschiedene Endanwendungen, bei der Produkt- und Prozessentwicklung von Pigmenten und bei der Optimierung von pigmenthaltigen Formulierungen angewandt werden.
Die Durchmusterung von Pigmenten zum Vergleich der Lichtstreuungseffizienz und des Untertons kann beim Vergleich von Pigmenten zur Ermittlung relativer Eigenschaften nützlich sein. Pigmente können beispielsweise bezüglich einer bestimmten Streuungseffizienz oder eines gewünschten Untertons beurteilt werden. Da die Ergebnisse mit dem Endanwendungsverhalten korrelieren, können Verbraucher von Pigmenten Nutzen daraus ziehen, um zu erkennen, welche Pigmente in ihren Produkten und Formulierungen bevorzugt werden.
Die Durchmusterung von Pigmenten ist außerdem für Verbraucher bei der Optimierung ihrer Formulierungen von Nutzen, beispielsweise auf der Basis der Lichtundurchlässigkeit. Anstelle eines Pigments mit einer niedrigeren Lichtstreuungseffizienz kann eine geringere Menge eines Pigments mit einer höheren Lichtstreuungseffizienz eingesetzt werden, die bei niedrigeren Herstellungskosten zu der gleichen Lichtundurchlässigkeit führt. Alternativ kann eine höhere Lichtundurchlässigkeit erzielt werden, indem ein Pigment durch ein Pigment mit einer höheren Lichtstreuungseffizienz ausgetauscht wird.
Bei der Herstellung von Titandioxidpigmenten durch den Sulfat- oder Chloridprozess können die Pigmentprodukte in Form von Agglomeraten und Aggregaten von TiO₂-Kristallen vorliegen. Messungen des Untertons nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können angewandt werden, um die Größe der Kristalle zu optimieren. Messungen der optischen Dichte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können angewandt werden, um den Agglomerationsgrad zu optimieren. Diese Verfahren können als Werkzeuge für die Qualitätskontrolle im Pigmentherstellungsprozess benutzt werden. Dagegen können herkömmliche Qualitätskontrollmethoden, wie z. B. diejenigen, die auf der Teilchengröße basieren, Effekte der Kristallgröße und des Agglomerationsgrads nicht voneinander unterscheiden.
Die Kristallgröße wird im allgemeinen im Röstofen für den Sulfatprozess und im Oxidationsschritt des Chloridprozesses bestimmt. Der Agglomerationsgrad wird durch Mahl- und Zerkleinerungsschritte beeinflusst. Verständnis und Steuerung der Kristallgröße und der Agglomeration können bei der Entwicklung von neuen Produkten und bei Prozessverbesserungen nützlich sein.
Der Unterton ist besonders dort wichtig, wo eine Farbanpassung entscheidend ist, wie z. B. bei der Farbmischung von Anstrichen, der Nachlackierung von Fahrzeugen und der Anpassung von farbigen Stoffen aus verschiedenen Quellen. Daher können die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Herstellern von TiO₂-Pigmenten ohne weiteres Informationen liefern, die sich auf die Qualität ihres Pigments beziehen, und ferner ihre Kunden bei Formulierungen unterstützen.
Auf Gemische angewandtes Verfahren
Die vorliegende Erfindung kann auch an die Bestimmung der Lichtstreuungseffizienz und des Untertons eines Gemischs angepasst werden, das mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthält. In diesem Fall wird das Gemisch mit einem kontinuierlichen flüssigen Medium verdünnt, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die bei den Bestimmungen der optischen Dichte und des Untertons verwendete Konzentration ist die Konzentration von Gemischfeststoffen in der Aufschlämmung.
Der Begriff "Gemisch", wie er in der vorliegenden Patentanmeldung gebraucht wird, bedeutet eine Kombination von Materialien, wobei mindestens eines der Materialien Licht in messbarem Grade streut. Gemische gemäß der vorliegenden Erfindung können einfach eine Kombination von Wasser mit einer Lichtsteuerungskomponente sein, wie z. B. einen Weißpigment, wie oben definiert. Ein erfindungsgemäßes Gemisch kann auch eine vollständige Formulierung oder eine Kombination aus einem Teil der vollständigen Formulierung sein, die eine filmbildende Zusammensetzung bildet. Derartige filmbildende Zusammensetzungen schließen Anstrichfarben, Beschichtungen, Tinten, Abdeckstoffe, Klebstoffe, Porenfüller, Dichtmittel, Grundiermittel oder dergleichen und Folienstrukturen einschließlich Papier ein. Zum Beispiel kann ein Gemisch gemäß der vorliegenden Erfindung eine Kombination von Weißpigment mit einem Harzbindemittel, Dispersionsmitteln und anderen Zusatzstoffen sein, oder das Gemisch kann die vollständige Formulierung sein, zu der Weißpigment, Füllstoffe, Harzbindemittel, Zusatzstoffe, Dispersionsmittel, Antischaummittel, Lösungsmittel und dergleichen gehören. Das bevorzugte Gemisch zur Verwendung bei dem vorliegenden Verfahren ist die vollständige Formulierung. Obwohl das Gemisch ein Farbpigment oder einen Farbstoff enthalten kann, wird zur optimalen Bestimmung der Lichtstreuungseffizienz empfohlen, dass jedes Farbmaterial, wie z. B. ein Farbpigment oder Farbstoff, das Teil der vollständigen Formulierung ist, aus dem getesteten Gemisch ausgeschlossen wird.
Der Begriff "Gemischfeststoffe" bedeutet das Gewicht von Material, das in der durch das Gemisch gebildeten Trockenschicht vorhanden ist. Wenn beispielsweise das Gemisch eine Kombination von streuenden Teilchen (Weißpigment, Kunststoffpigment oder Füllstoff) und Bindemittel ist, dann sind die Gemischfeststoffe, die in der im Schritt (a) des Verfahrens gebildeten Aufschlämmung vorhanden sind, die Summe des Gewichts der streuenden Teilchen und der Bindemittelfeststoffe. Wenn das Gemisch eine vollständige Beschichtungsformulierung ist, dann ist der Gemischfeststoffgehalt die Summe aller in der Aufschlämmung vorhandenen Komponentenfeststoffe.
Ebenso wie bei dem oben beschriebenen Pigmenttestverfahren schließt das kontinuierliche flüssige Medium Wasser, organische Lösungsmittel und Lackharze ein. Der Begriff "Weißpigment" schließt Rutil-Titandioxid, Anatas-Titandioxid, Zinkoxid, Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Ton und Gemische davon ein. Der Begriff "Lichtstreuungskomponente" schließt Weißpigment, wie oben definiert, und außerdem Kunststoffpigment, Latexpolymerteilchen und andere Stoffe ein, die in dem Wasser (oder Lösungsmittel) nicht vollständig löslich sind und die für eine messbare Lichtstreuung sorgen.
Im Gegensatz zur Anwendung der vorliegenden Erfindung bei der Bestimmung der Streuungseffizienz auf eine Aufschlämmung eines Weißpigments kann ihre Anwendung auf ein Gemisch unter Umständen keine direkte Korrelation zu den optischen Eigenschaften der Gemischtrockenschicht aufweisen. Diese Möglichkeit lasst sich erkennen, wenn man die vollständigen Formulierungen betrachtet, die oft Füllstoffe oder Harze enthalten, die durch die Porosität, die sie in die Trockenschicht einbringen, einen bestimmten Beitrag zur Streuung liefern. Das vorliegende Verfahren bietet eine schnelle, zuverlässige Messung der Streuungseffizienz aus der Analyse einer verdünnten Nassschicht. Obwohl das Verfahren keine direkte Messung der Trockenschichtporosität oder -optik liefert, gelten aus dem Verfahren gezogene Schlussfolgerungen für die Trockenschicht.
Bei der Anwendung des vorliegenden Verfahrens auf Gemische, die mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthalten, sind oben für Pigmentmessungen beschriebene Konzentrationsbereiche auch auf die Konzentrationsbereiche für Gemische anwendbar. Wellenlängen, die für bestimmte Endanwendungen empfohlen werden, wenn das Verfahren auf Pigmentaufschlämmungen angewandt wird, werden auch zur Anwendung bei den Bestimmungen für Gemische empfohlen.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren kann die Lichtstreuungseffizienz eines Gemischs durch die folgenden Schritte bestimmt werden:

(a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung eines Pigments in einem kontinuierlichen flüssigen Medium von bekannter Konzentration, wobei die Konzentration die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung ist;
(b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge (λ) von mindestens 600 nm;
(c) Umrechnen des Durchlässigkeitsmesswerts (T) in eine optische Dichte (OD) nach der Gleichung OD = –log (T)und
(d) Dividieren der optischen Dichte durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung, um die Lichtstreuungseffizienz des Gemischs zu bestimmen.

Der Unterton eines Gemischs, das Weißpigment enthält, kann durch die folgenden Schritte bestimmt werden:

(a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung eines Pigments in einem kontinuierlichen Medium von bekannter Konzentration (C), wobei die Konzentration die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung ist;
(b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₁) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₁ zwischen 500 und 650 nm;
(c) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₂) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₂ zwischen 650 und 1000 nm;
(d) Umrechnen der Durchlässigkeitsmesswerte in optische Dichten (OD) nach der Gleichung: OD = –log (T)
(e) Dividieren der optischen Dichten durch die Gemischfeststoffkonzentration (C) in der Aufschlämmung, um OD/C zu berechnen;
(f) Bestimmen des Untertons des Pigments durch den Anderungsgrad von OD/C zwischen λ₁ und λ₂.

Der Änderungsgrad von OD/C kann gemäß Gleichung 3 berechnet werden:
wobei OD₁/C bei λ₁ die aus dem Durchlässigkeitsmesswert bei der Wellenlänge λ₂ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung, und OD₂/C bei λ₂ die aus dem Durchlässigkeitsmesswert bei der Wellenlänge λ₂ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung; oder gemäß Gleichung 4:
wobei OD₁/C bei λ₁ die aus dem Durchlässigkeitsmesswert bei der Wellenlänge λ₁ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung, und OD₂/C bei λ₂ die aus dem Durchlässigkeitsmesswert bei der Wellenlänge λ₂ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung.
Ein Vergleich der Lichtstreuungseffizienz des Gemischs mit dem Unterton dieses Gemischs bietet ein hervorragendes Werkzeug zur Qualitätskontrolle oder Entwicklung von Formulierungen. Dieser Vergleich bietet ein Verfahren zur Charakterisierung der Lichtstreuung eines Gemischs, das mindestens eine Streuungskomponente enthält, und weist einen Vergleich der Lichtstreuungseffizienz des Gemischs gemäß den Gleichungen 1 und 2 mit dem Unterton des Gemischs gemäß Gleichung 3 oder 4 auf. 3 zeigt einen solchen Vergleich.
Bei Anwendung dieser Vergleichsmethode kann die vorliegende Erfindung genutzt werden, um die Dispersionsbeständigkeit eines Gemischs zu bestimmen, das mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthält. Durch Vergleich der Lichtstreuungseffizienz des Gemischs (1) nach Zugabe eines Elektrolyten, (2) nach Veränderung der Ionenstärke des Gemischs oder (3) nach Zugabe einer erhöhten Menge des Dispersionsmittels, (4) Zugabe eines zweiten Dispersionsmittels oder (5) Austausch eines Dispersionsmittels gegen ein anderes kann ein Hersteller von Formulierungen beispielsweise Vorteile oder Probleme voraussagen, die mit Formulierungs- oder Rohmaterialänderungen verbunden sind. Beispiel 3 veranschaulicht eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens, die auf die Qualitätskontrolle oder die Entwicklung von Formulierungen anwendbar ist. Beispiel 4 veranschaulicht eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei der Messung der Dispersionsbeständigkeit. Der Fachmann wird andere Möglichkeiten zur Anwendung des vorliegenden Verfahrens erkennen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Diagramm der relativen optischen Dichte, dividiert durch die Konzentration (OD/C) als Funktion des relativen Streukoeffizienten (S) in einer Endanwendungs-Formulierung für Papierbeschichtungen für eine Reihe von Titandioxidpigmenten, die in den Beispielen, Tabelle 1, beschrieben werden. Relative optische Dichten wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt. Relative S-Werte für die gleichen Pigmente wurden unter Anwendung des von Abrams et al. beschriebenen Verfahrens bestimmt, wobei Farbformulierungen auf Mylar^®-Polyesterfolien aufgebracht wurden. Die in dem Diagramm gezeichnete Linie ist die ideale 1:1-Korrelationslinie. Wenn die optische Dichte bei 700 nm gemessen wird, folgen die Daten genau der 1:1-Korrelationslinie. Wenn die optische Dichte bei der herkömmlichen grünen Wellenlänge (550 nm) überwacht wird, sind die vorausgesagten Werte häufig zu hoch.
2 zeigt ein Diagramm des Regressionsanstiegs und der Regression R² als Funktion der Wellenlänge für Bestimmungen der optischen Dichte. Dieses Diagramm ist brauchbar, um für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugte Wellenlängen zur Messung der Gesamtdurchlässigkeit für eine Papierbeschichtungs-Endanwendung auszuwählen. Die Gesamtdurchlässigkeit wird bei einer Anzahl von Wellenlängen gemessen. Ergebnisse für die relative optische Dichte, dividiert durch die Konzentration (OD/C) werden mit relativen Streukoeffizienten (S) verglichen, die nach dem Verfahren von Abrams et al. bestimmt werden. Das Diagramm zeigt den linearen Regressionsanstieg der relativen OD/C als Funktion der relativen Streukoeffizienten S für eine Reihe von Wellenlängen und die entsprechenden Regressions-R²-Werte. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, besteht eine 1:1-Korrelation (Anstieg = 1), und die höchsten R²-Werte liegen bei einer Wellenlänge von etwa 700 nm.
2 liefert Informationen zur Auswahl bevorzugter Wellenlängen für die Korrelation von Messwerten mit dem Verhalten in Papierbeschichtungen. Ähnliche Vergleiche der durch die Konzentration dividierten relativen optischen Dichte/Konzentration mit Streukoeffizienten S können durch Fachleute für andere Endanwendungen durchgeführt werden, um bevorzugte Wellenlängen für die Korrelation von Messwerten mit dem Endanwendungsverhalten auszuwählen. Andere Endanwendungen schließen pigmentgefülltes Papier, Kunststoffe und Anstrichfarben ein.
3 veranschaulicht ein Verfahren zur Charakterisierung der Beschichtungszusammensetzung durch Aufragen der optischen Dichte der Beschichtungsformulierung als Funktion des Untertons, der für diese Beschichtungszusammensetzung gemessen wird. Diesen besonderen Diagrammtyp kann man sich als Fingerabdruck für die Beschichtung oder das mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthaltende Gemisch vorstellen. Dieser Fingerabdruck kann benutzt werden, um Verschiebungen in den Streuungseigenschaften der Beschichtung mit der Änderung des Anteils oder der Art einer Komponente der Zusammensetzung vorauszusehen.
Die Charakterisierung der Zusammensetzung mittels Fingerabdruck ist ein Beispiel für eine der Anwendungen der vorliegenden Erfindung bei der Formulierung oder der Qualitätskontrolle.
BEISPIELE
Beispiel 1

Um die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Testverfahrens zu demonstrieren, Ergebnisse zu liefern, die mit dem Endanwendungsverhalten korrelieren, wurden Messungen einer Reihe von handelsüblichen Titandioxidpigmenten durchgeführt, die in Tabelle 1 beschrieben sind. Tabelle 1

Pigmentprobe	Kristallform	Primärkristallgröße, μm (a)	Aggregatgröße, μm (b)	Agglomerationsgrad (c)
A	Anatas	0,140	0,68	4,3
B	Rutil	0,213	0,48	2,3
C	Rutil	0,172	0,40	2,3
D	Rutil	0,205	0,39	1,9
E	Rutil	0,195	0,31	1,6

(a) Die primäre Kristallgröße wird durch Elektronenmikroskopie bestimmt.
(b) Die Aggregatgröße wird mit einem Horiba LA-900-Laserstreuungs-Teilchengrößenanalysator (beziehbar von Horiba Instruments, Inc., Irvine, Californien) bestimmt.
(c) Der Agglomerationsgrad ist das Verhältnis der Aggregatgröße zur primären Teilchengröße.

Anatas-Pigment A wurde nach dem Sulfatverfahren herstellt. Rutil-Pigmente B–E wurden nach dem Chloridverfahren hergestellt. Für die Rutil-Pigmente wurden Unterschiede in der primären Kristallgröße durch unterschiedliche Keimbildner erzielt, wie von Lewis und Braun im US-Patent 3208866 und von Allen und Evers im US-Patent 5201949 beschrieben. Unterschiede in der Aggregatgröße wurden durch die Abzugskonstruktion, wie von Gonzalez im US-Patent 4937064 und von Gonzalez und Musick im US-Patent 5538708 beschrieben, und durch Vermahlen erzielt, wie von Ott und Sullivan im US-Patent 5356470 und von Ott et al. im US-Patent 5653793 beschrieben.
Für jedes der Probenpigmente wurde eine verdünnte wässrige Aufschlämmung mit einer TiO₂-Konzentration von 20 ppm hergestellt. Das für die Verdünnung verwendete Wasser enthielt 0,016 g/l TKPP (Tetrakaliumpyrophosphat) als Dispersionsmittel. Die Gesamtdurchlässigkeit für jede der Proben wurde unter Verwendung einer Zelle mit einer Weglänge von 1 cm auf einem Hunter Ultrascan-Spektrophotometer (beziehbar von Hunterlab, Reston, VA) gemessen, das mit einer Ulbrichtschen Kugel ausgestattet ist, um eine Analyse der Gesamtdurchlässigkeit zu liefern. Messwerte wurden bei Wellenlängen von 550 und 700 nm aufgezeichnet.

Die optische Dichte für jede Probe wurde unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet. Die Streuungseffizienz wurde unter Verwendung von Gleichung 2 berechnet. Optische Dichten bei Verwendung der Probe B als Standard sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

Pigmentprobe	Relative Streuungseffizienz (relative optische Dichte/Konzentration)		Relativer Streukoeffizient S_TiO2 in Papierbeschichtung
	bei 550 nm	bei 700 nm
A	0,89	0,80	0,79
B	1	1	1
C	1,18	0,99	0,99
D	1,18	1,10	1,08
E	1,22	1,15	1,14

Wie aus den Daten von Tabelle 2 und in 1 erkennbar, korreliert die relative Streuungseffizienz (optische Dichte/Konzentration), die auf der Messung bei 700 nm basiert, viel besser mit dem relativen Streukoeffizienten (S) in der Endanwendung als die auf der Messung bei 550 nm basierende relative optische Dichte/Konzentration. Daher korrelieren Streuungseffizienzen, die auf Durchlässigkeitsmessungen bei 700 nm basieren, mit dem Verhalten dieser Pigmente in Endanwendungen.
Zum Vergleich wurde die Gesamtdurchlässigkeit für jede der Proben ohne Ulbrichtsche Kugel gemessen, um eine Analyse der regulären Durchlässigkeit allein zu liefern. Messwerte wurden bei Wellenlängen von 550 und 700 nm aufgezeichnet.

Die optische Dichte für jede Probe wurde unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet. Die Streuungseffizienz wurde unter Verwendung von Gleichung 2 berechnet. Optische Dichten bei Verwendung von Probe B als Standard sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3

Pigmentprobe	Relative Streuungseffizienz (relative optische Dichte/Konzentration)		Relativer Streukoeffizient S_TiO2 in Papierbeschichtung
	bei 550 nm	bei 700 nm
A	1,00	0,86	0,79
B	1	1	1
C	1,12	1,03	0,99
E	1,14	1,04	1,14

Wenn keine Ulbrichtsche Kugel verwendet wird, d. h. wenn nicht die Gesamtdurchlässigkeit, sondern nur die reguläre Durchlässigkeit gemessen wird, dann liefern, wie aus Tabelle 3 erkennbar, weder Messungen bei 550 nm noch bei 700 nm Daten, mit dem Verhalten korrelieren. Das Verhalten basiert auf dem relativen Streufaktor S_TiO2, wie er nach dem Verfahren von Abrams et al. bestimmt wird. Die Ergebnisse, die allein auf der regulären Durchlässigkeit bei einer Messung bei 550 nm basieren, liefern zu hohe Voraussagen der relativen Streuungseffizienz der Pigmente A und C. Die Ergebnisse, die auf der regulären Durchlässigkeit bei einer Messung bei 700 nm basieren, liefern eine zu hohe Voraussage der Streuungseffizienz von Pigment A und eine zu niedrige Voraussage der Streuungseffizienz der Pigmente C und E. Es gibt keine Wellenlänge, die eine 1:1-Korrelation der relativen Streuungseffizienz (relative optische Dichte/Konzentration) mit dem relativen Streukoeffizienten S_TiO2 liefert.
Untertöne, die nach Gleichung 3 berechnet wurden, sind in Tabelle 4 angegeben. Außerdem sind in Tabelle 4 zum Vergleich CBU-Werte enthalten, die nach dem Verfahren von Schaumann bestimmt wurden. Tabelle 4

Pigmentprobe Unterton CBU

A 0,86 15

B 0,47 12

C 1,18 18

D 0,74 14

E 0,69 14
Wie aus Tabelle 4 erkennbar, korrelieren die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Untertonwerte mit CBU-Werten, die nach dem Verfahren von Schaumann bestimmt wurden.
Beispiel 2
Versuche im großtechnischen Maßstab wurden in einer Reihe von Papiermühlen durchgeführt, um Rutil-Pigment B und Rum-Pigment D zu testen, die oben beschrieben werden. Der Versuch schloss Mühlen ein, die beschichtetes holzfreies Papier, beschichtetes holzhaltiges Papier und beschichtete Pappe erzeugen.
Beschichte holzfreie Papiere werden unter Verwendung von Zellstofffasern hergestellt, die chemisch behandelt worden sind, um Lignin zu entfernen. Beschichtete holzhaltige Papiere verwenden 10% oder mehr mechanischen Holzschliff. Der Begriff "leichtbeschichtet" (LWC) wird oft austauschbar mit beschichtetem holzhaltigem Papier benutzt. Die Qualitätsstruktur und die Herstellung dieser Papiere werden in "Pule and Paper 1997 North American Fact Book", Miller Freeman, Inc., San Francisco (1996), S. 183–195, beschrieben. Die Versuche mit beschichteter Pappe schlossen sowohl beschichtetes urgebleichtes Kraftpapier ("Pule and Paper 1997 North American Fact Book", S. 297–301) als auch beschichtete recycelte Pappe ("Pule and Paper 1997 North American Fact Book", S. 303–314) ein.
TiO₂-Streuungseffizienzen wurden unter Verwendung von Messungen des Beschichtungsgewichts, des TiO₂-Gehalts, der Lichtundurchlässigkeit und des Reflexionsvermögens im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums bestimmt. Die TiO₂-Streuungseffizienten wurden nach dem Verfahren von McGinnis in TAPPI 1990 Coating Conference Proceedings, TAPPI Press, Atlanta, S. 23, berechnet.
Lichtstreuungseffizienzen des TiO₂ in beschichteten Papierproben wurden bei Austausch des Pigments B durch das Pigment D verglichen. Die vorausgesagte Verbesserung der Streuungseffizienz, die durch Austausch des Pigments B durch das Pigment D auf der Basis des erfindungsgemäßen Testverfahrens erzielt wurde, betrug 10%. (In Tabelle 2 wurde das Pigment B als Standard für den Vergleich benutzt, und ihm wurde eine relative Streuungseffizienz von 1 zugewiesen, wenn die Lichtdurchlässigkeit bei 700 nm gemessen wurde. Das Pigment D hatte bei Messung der Lichtdurchlässigkeit bei 700 nm eine relative Streuungseffizienz von 1,10.) Die Streuungseffizienz wurde auch nach dem Verfahren von Abrams et al. bestimmt. Auf der Basis dieses Verfahrens betrug die vorausgesagte Verbesserung der Streuung, die durch Austausch des Pigments B durch das Pigment D erzielt wurde, 8%.
In den Tabellen 5 bis 7 sind Daten zur Verbesserung der Streuungseffizienz auf der Basis der Papiermühlenausführung angegeben. Tabelle 5

Mühlen für beschichtetes holzfreies Papier Verbesserung der Streuungseffizienz

1 8–12%

2 7%

3 4%

4 10%

Mittelwert 8%

Tabelle 6

Mühlen für beschichtetes holzhaltiges Papier Verbesserung der Streuungseffizienz

5 8%

6 7%

7 7%

Mittelwert 7%

Tabelle 7

Mühlen für beschichtete Pappe Verbesserung der Streuungseffizienz

8 8%

9 8%

10 7%

11 9%

12 12%

13 11%

14 5%

Mittelwert 9%
Wie aus den Tabellen 5 bis 7 erkennbar, gibt es bei den Papiermühlenversuchen eine Verbesserung von 7–9%, wodurch das erfindungsgemäße Testverfahren als schnell und einfach für die Voraussage der Lichtstreuungseffizienz rechtfertigt wird. Zu beachten ist außerdem, dass bei Verwendung einer herkömmlichen Wellenlänge im grünen Bereich für die Bestimmung der optischen Dichte (550 nm, siehe Tabelle 2) die Verbesserung der Streuungseffizienz mit 18% zu hoch vorausgesagt wird.
Beispiel 3
Das folgende Beispiel veranschaulicht die Anwendung des vorliegenden Verfahrens zur Bestimmung der Kenndaten einer Papierbeschichtungs-Formulierung.

Eine Reihe von Papierbeschichtungszusammensetzungen wurden hergestellt, wie in Tabelle 8 angegeben. Tabelle 8

Kenn-Nr.	TiO₂	CaCO₃	Kaolinton	Acryllatex	OD/C der Beschichtung	Unterton der Beschichtung
1	0	100	0	16	605	0,99
2	15	50	35	14	1452	0,60
3	20	40	40	14	1702	0,49
4	25	40	35	14	1892	0,40
5	15	0	85	14	1512	0,93
6	25	0	75	14	2177	0,74
7	15	50	35	18	1469	0,65
8	25	40	35	18	1935	0,45
9	15	0	85	18	1486	0,95
10	25	0	75	18	2108	0,77

In Tabelle 8 ist die Probenummer die Nummer der jeweiligen Probe, die mit der Zusammensetzung herstellt wurde, die in der zu der Probe gehörenden Zeile dargestellt ist. Die Zusammensetzung ist in Teilen jeder Komponente pro 100 Teile Pigment angegeben.
Der verwendete Kaolinton war ein typischer Kaolinton Nr.1 in Aufschlämmung (70 Gew.-% Ton); die Aufschlämmung von gemahlenem Calciumcarbonat (70 Gew.-% Calciumcarbonat) hatte eine mittlere Teilchengröße von 0,6 μm, wobei 9 Gew.-% feinkörniger waren als 0,2 μm, das Titandioxid war ein typisches Rutil-Titandioxid in einer Aufschlämmung von Papierqualität (71 Gew.-% Titandioxid); und das Bindemittel war eine wässrige Dispersion von 50 Gew.-% n-Butylacrylat/Acrylnitril/Styrol-Copolymer mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 μm und einer Glasübergangstemperatur von 11°C. Die Formulierungen enthielten außerdem 0,35 Teile eines Emulsionspolymer-Verdickungsmittels.
Im allgemeinen wurden Proben hergestellt, indem die gewünschte Menge Tonaufschlämmung in einen Topf eingewogen wurden, der mit einem Paddelrührer ausgestattet war. Bei sich drehenden Rührflügel wurde die Calciumcarbonat-Aufschlämmung der Tonaufschlämmung zugesetzt. Diese Kombination wurde etwa 10 min vermischt, um eine gleichmäßige Vermischung der Materialien sicherzustellen, bevor die Titandioxid-Aufschlämmung zugesetzt wurde. Nach Zugabe der gewünschten Menge der Titandioxid-Aufschlämmung wurde das entstandene Gemisch vor der Zugabe des Latexbindemittels und des Verdickungsmittels nochmals etwa 10 min vermischt. Nach Zugabe aller Komponenten wurde die Zusammensetzung etwa 10 min lang vermischt. Der Feststoffgehalt der Zusammensetzung wurde kontrolliert. Wasser wurde zugesetzt, um den gewünschten Feststoffgehalt zu erzielen. Der pH-Wert aller Formulierungen war 8,6. Falls Ton oder Calciumcarbonat nicht in der Probe vorhanden war, wurde dieses allgemeine Herstellungsverfahren unter Auslassung des Schritts zur Zugabe des ausgeschlossenen Materials durchgeführt.
Die optische Dichte von Proben für jede Zusammensetzung in Tabelle 8 wurde bestimmt, wobei eine Konzentration von 150 ppm der entsprechenden Probe in entionisiertem Wasser verwendet wurde. Die optische Dichte wurde für die Proben bei 700 nm gemessen. Die Bestimmung des Untertons wurde bei Wellenlängen von 500–700 nm durchgeführt. Daten von diesen Proben sind in Tabelle 8 dargestellt.
3 zeigt die Daten in Tabelle 8, die wie folgt aufgetragen wurden: Calciumcarbonat-Formulierung, niedriger Bindemittelgehalt (Proben 1, 2, 3, 4); Calciumcarbonat-Formulierung, hoher Bindemittelgehalt (Proben 7, 8); Ton-Formulierung, niedriger Bindemittelgehalt (Proben 5, 6) und Ton-Formulierung, hoher Bindemittelgehalt (Proben 9, 10).
Das Diagramm in 3 zeigt die Verschiebungen, die bei Änderung der Zusammensetzung auftraten. Für die CaCO₃-haltige Formulierung mit niedrigem Bindemittelgehalt (Kurve 1) nahm mit Erhöhung der TiO₂-Beladung von 0 auf 15, 20 und 25 Teile der OD/C-Wert zu, und der Unterton-Wert nahm ab.
Das Latexbindemittel hat eine relativ niedrige optische Dichte, aber einen hohen Unterton. Kurve 2 im Vergleich zur Kurve 1 zeigt, dass mit zunehmender Konzentration des Bindemittels der Unterton zunahm.
Das in dieser Formulierung verwendete Kaolinton-Pigment hat einen viel höheren Unterton als das CaCO₃-Pigment. Daher verursacht ein Austausch des CaCO₃ durch das Tonpigment in Formulierungen mit entweder hohem oder niedrigem Bindemittelgehalt (Kurven 4 bzw. 3) eine große Untertonverschiebung.
Wenn der Herstellungsprozess in der Pastenstation gut gesteuert wird, um Beschichtungen herzustellen, die exakt die gleichen Komponenten enthalten (Proben 2, 3 und 4), dann fällt jede Charge einer gegebenen Formulierung auf den gleichen Punkt dieser "Karte" oder dieses "Fingerabdrucks" von Kurve 1. Der Nachweis von Verschiebungen, die von der Position auf Kurve 1 abweichen, kann zur Fehlersuche bei ungenauen Komponentenzusätzen oder wechselseitiger Verunreinigung mit anderen Formulierungen oder einer Änderung der Zusammensetzung in den Systemrückführungsschleifen benutzt werden. Die Richtung der Verschiebung kann helfen, abzugrenzen, welche Komponenten sich ändern.
Beispiel 4
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Prüfung der Dispersionsbeständigkeit angewandt werden. Zum Beispiel sind bestimmte TiO₂-Aufschlämmungen empfindlich gegen Ausflockung durch Ca⁺²-Ionen, die aus hartem Wasser oder aus Systemen stammen, wo das TiO₂ in Kombination mit einer CaCO₃-Aufschlämmung verwendet wird. Die Empfindlichkeit von TiO₂-Aufschlämmungen gegen Ca⁺² kann verglichen werden, indem man die gemessenen optischen Dichten von Aufschlämmungsproben vergleicht, die durch Verdünnen der Aufschlämmung mit einer Wasserlösung von bekannter CaCl₂-Konzentration hergestellt werden.
In diesem Experiment, über das weiter unten in Tabelle 9 berichtet wird, wurden die TiO₂-Aufschlämmungsproben zunächst in Lösungen von entweder 0,7 mVal/l oder 1,3 mVal/l Ca⁺² auf einen Feststoffgehalt von 1,5% verdünnt. Nach 30 min wurde die Aufschlämmung dann mit einer CaCl₂-Lösung von gleicher Konzentration wie bei der ersten Verdünnung weiter auf 20 ppm verdünnt. Die optische Dichte wurde an diesen Aufschlämmungsproben von 20 ppm gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 dargestellt.

In Tabelle 9 sind relative optische Dichten für typische handelsübliche Rutil- und Anatas-Aufschlämmungen, Proben A bis G, als ursprüngliche relative optische Dichte dargestellt, die in Abwesenheit von Ca⁺² gemessen wurde. Das heißt, die in einer Verdünnung auf 20 ppm mit Wasser allein gemessene optische Dichte. Die zweiten und dritten Datenspalten von Tabelle 9 zeigen die Auswirkung als prozentualen Verlust an relativer optischer Dichte, wenn die Aufschlämmungsproben in Lösungen angesetzt werden, die Ca⁺²-Ionen in Konzentrationen von 0,7 bzw. 1,3 mVal/l enthalten. Die Proben B, D und E sind empfindlich gegen Ca⁺², wie durch den Verlust an relativer optischer Dichte von annähernd 72 bis 75% belegt wird, der bei einer Konzentration von nur 0,7 mVal/l nachgewiesen wurde. Tabelle 9

Probe		*Relative optische Dichte	% Verlust bei 0,7 mVal/l	% Verlust bei 1,3 mVal/l
A	Rutil	1,10	1	17
B	Rutil	1,05	72	-**
C	Rutil	0,99	2	20
D	Anatas	0,80	73	-**
E	Anatas	0,80	75	-**
F	Anatas	0,80	4	45
G	Anatas	0,92	18	41

*Die relative optische Dichte ist die gemessene optische Dichte, dividiert durch die optische Dichte eines Standards. Die optische Dichte des Standards in dieser Untersuchung war 8640. Der Standard war ein handelsübliches Rutil-Titandioxid von Papierqualität.
**Da der prozentuale Verlust an optischer Dichte (OD) für diese Proben bei der niedrigeren Konzentration des Calciumions so groß war, wurde keine Messung mit 1,3 mVal/l durchgeführt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Lichtstreuungseffizienz eines weißen Pigments, wobei die Lichtstreuungseffizienz mit dem Verhalten in einer Endanwendung korreliert, wobei das Verfahren aufweist: (a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung eines Pigments in einem kontinuierlichen flüssigen Medium von bekannter Konzentration, wobei die Konzentration die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung ist; (b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge (λ) von mindestens 600 nm; (c) Umrechnen des Durchlässigkeitsmeßwerts (T) in eine optische Dichte (OD) nach der Gleichung OD = –log(T)und (d) Dividieren der optischen Dichte durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung, um die Lichtstreuungseffizienz des Pigments zu bestimmen, wodurch die Gesamtdurchlässigkeit sowohl die reguläre, d. h. geradlinige und direkte, als auch die diffuse Durchlässigkeit enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kontinuierliche Medium aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wasser, organischen Lösungsmitteln und Lackharzen besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das kontinuierliche Medium Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pigment aus der Gruppe ausgewählt ist, die am Rutil-Titandioxid, Anatas-Titandioxid, Zinkoxid, Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, Calciumsulfat und Ton sowie Gemischen daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Pigment aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Rutil-Titandioxid und Anatas-Titandioxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pigment Rutil-Titandioxid oder Anatas-Titandioxid ist, und wobei das kontinuierliche Medium Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Endanwendung ein pigmentgefülltes Papier ist und die Wellenlänge im Bereich von 600 bis 700 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Endanwendung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Papierbeschichtungen und Kunststoffen besteht, und die Wellenlänge im Bereich von 650 bis 750 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Endanwendung ein Anstrichmittel ist und die Wellenlänge im Bereich von 750 bis 1000 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Anstrichmittel eine Latexfarbe mit einer TiO₂-Volumenkonzentration von etwa 20 ist und die Wellenlänge im Bereich von 750 bis 850 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Anstrichmittel eine Latexfarbe mit einer TiO₂-Volumenkonzentration von etwa 30 ist und die Wellenlänge im Bereich von 850 bis 1000 nm liegt.
Verfahren zur Bestimmung des Untertons eines weißen Pigments, das aufweist: (a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung eines Pigments in einem kontinuierlichen Medium von bekannter Konzentration (C), wobei die Konzentration die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmmung ist; (b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₁) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₁ zwischen 500 und 650 nm; (c) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₂) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₂ zwischen 650 und 1000 nm; (d) Umrechnen der Durchlässigkeitsmeßwerte in optische Dichten (OD) nach der Gleichung: OD = –log(T)(e) Dividieren der optischen Dichten durch die Konzentration (C) des Pigments in der Aufschlämmung, um OD/C zu berechnen; (f) Bestimmen des Untertons des Pigments durch den Änderungsgrad in OD/C zwischen λ₁ und λ₂, wodurch die Gesamtdurchlässigkeit sowohl die reguläre, d. h. geradlinige oder direkte, als auch die diffuse Durchlässigkeit enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Änderungsgrad in OD/C nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
wobei OD₁/C bei λ₁ die aus dem Durchlässigkeitsmeßwert bei der Wellenlänge λ₁ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung, und wobei OD₂/C bei λ₂ die aus dem Durchlässigkeitsmeßwert bei der Wellenlänge λ₂ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Änderungsgrad in OD/C nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
wobei OD₁/C bei λ₁ die am dem Durchlässigkeitsmeßwert bei der Wellenlänge λ₁ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung, und wobei OD₂/C bei λ₂ die aus dem Durchlässigkeitsmeßwert bei der Wellenlänge λ₂ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Pigmentkonzentration in der Aufschlämmung.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Bestimmung der Lichtstreuungseffizienz für jedes am einer Reihe von Pigmenten als Verfahren zum Durchmustern von Pigmenten aufweist, um relative Lichtstreuungseffizienzen der Pigmente zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner die Bestimmung des Untertons für jedes am einer Reihe von Pigmenten als Verfahren zur Bestimmung des Untertons zur Farbabstimmung aufweist.
Verfahren zur Bestimmung der Lichtstreuungseffizienz eines Gemischs, das mindestens eine Lichtstreuungskomponente aufweist, wobei das Verfahren aufweist: (a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung des Gemischs in einem kontinuierlichen flüssigen Medium von bekannter Konzentration, wobei die Konzentration die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung ist; (b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge (λ) von mindestens 600 nm; (c) Umrechnen des Durchlässigkeitsmeßwerts (T) in eine optische Dichte (OD) nach der Gleichung OD = –log(T)und (d) Dividieren der optischen Dichte durch die Gemischfeststoffkonzentration, um die Lichtstreuungseffizienz des Gemischs zu bestimmen, wodurch die Gesamtdurchlässigkeit sowohl die reguläre, d. h. geradlinige und direkte, als auch die diffuse Durchlässigkeit enthält.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das kontinuierliche Medium aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wasser, organischen Lösungsmitteln und Lackharzen besteht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das kontinuierliche Medium Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Lichtstreuungskomponente aus der Gruppe ausgewählt ist, die am weißem Pigment, Kunststoffpigment, Latexpolymerteilchen, Ton und deren Gemischen besteht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das weiße Pigment aus der Gruppe ausgewählt ist, die am Rutil-Titandioxid, Anatas-Titandioxid, Zinkoxid, Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Ton und deren Gemischen besteht.
Verfahren zur Bestimmung des Untertons eines Gemischs, das mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthält, wobei das Verfahren aufweist: (a) Herstellen einer verdünnten Aufschlämmung des Gemischs in einem kontinuierlichen Medium von bekannter Konzentration (C), wobei die Konzentration die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung ist; (b) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₁) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₁ zwischen 500 und 650 nm; (c) Messen der Gesamtdurchlässigkeit (T₂) der Aufschlämmung bei einer Wellenlänge λ₂ zwischen 650 und 1000 nm; (d) Umrechnen der Durchlässigkeitsmeßwerte in optische Dichten (OD) nach der Gleichung: OD = –log (T) (e) Dividieren der optischen Dichten durch die Konzentration (C) der Gemischfeststoffe in der Aufschlämmung, um OD/C zu berechnen; (f) Bestimmen des Untertons des Gemischs durch den Änderungsgrad in OD/C zwischen λ₁ und λ₂, wodurch die Gesamtdurchlässigkeit sowohl die reguläre, d. h. geradlinige oder direkte, als auch die diffuse Durchlässigkeit enthält.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Änderungsgrad in OD/C nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
wobei OD₁/C bei λ₁ die aus dem Durchlässigkeitsmeßwert bei der Wellenlänge λ₁ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung, und wobei OD₂/C bei λ₂ die aus dem Durchlässigkeitsmeßwert bei der Wellenlänge λ₂ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Änderungsgrad in OD/C nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
wobei OD₁/C bei λ₁ die aus dem Durchlässigkeitsmeßwert bei der Wellenlänge λ₁ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung, und wobei OD₂/C bei λ₂ die aus dem Durchlässigkeitsmeßwert bei der Wellenlänge λ₂ berechnete optische Dichte ist, dividiert durch die Gemischfeststoffkonzentration in der Aufschlämmung.
Verfahren zur Charakterisierung eines Gemischs, das mindestens eine Lichtstreuungskomponente enthält, wobei das Verfahren den Vergleich der gemäß dem Verfahren von Anspruch 17 berechneten Lichtstreuungseffizienz des Gemischs mit dem gemäß dem Verfahren von Anspruch 23 oder Anspruch 24 berechneten Unterton des Gemischs aufweist.