Sistema ternario innovativo (ZTS) a base di pigmenti ultrasottili ad effetto. Realizzazione e caratterizzazione delle tonalità della lega dell’oro

Frank J. Maile – SCHLENK  Jiri Filip – SIGHTEX

Realizzazione delle tonalità della lega dell’oro con i pigmenti ad effetto
Vari pigmenti ad effetto come i madreperlacei e i metallici realizzati con leghe d’oro o di rame-zinco vengono usati da molto tempo per decorare le superfici in una vasta gamma di applicazioni, sebbene esistano differenze nella formazione del colore. Le tinte degli elementi metallici e loro leghe possono essere spiegate con la teoria della banda di frequenza mentre la formazione dei colori di interferenza nei pigmenti madreperlacei ha luogo con strati di basso spessore con indice di rifrazione maggiore che si depositano su substrati semitrasparenti con morfologia simile a piccole scaglie[3]. Inoltre, rispetto alla fisica delle leghe di oro-argento-rame e relative superfici degli oggetti, le proprietà della particella come la propagazione ai lati del pigmento e l’orientamento della particella devono essere analizzate con attenzione quando vengono trattati i pigmenti ad effetto nelle applicazioni di rivestimenti, di stampa e plastica, al fine di ottenere sugli oggetti le tonalità del colore oro, dal momento che questi aspetti influiscono in modo considerevole sulle proprietà estetiche finali[4].

Tutti i pigmenti utilizzati nell’innovativo sistema ternario (ZTS), presentato in questo articolo, si basano sulla tecnologia ultrasottile, al centro della quale c’è la struttura del pigmento. Il nucleo del pigmento è un substrato di alluminio, monolitico e ultrasottile con granulometria tipica di 21 μm (D50) e spessore inferiore a 30 nm, da cui deriva un rapporto dimensionale unico (rapporto fra massima e minima dimensione), prerequisito di un buon flop. Questo substrato di alluminio viene prima rivestito con un ossido di metallo a basso indice di rifrazione e poi con ossido di ferro per ottenere il colore d’interferenza desiderato. Se è vero che gli strati di silice e di ossido di ferro possono essere depositati con spessori precisi durante il processo di sintesi del pigmento, i substrati di alluminio convenzionali non possono essere prodotti con distribuzione molto stretta dello spessore.
D’altra parte, con la nuova tecnologia UTP (Ultra-Thin Pigment), lo spessore dei substrati di alluminio è trascurabile in relazione allo spessore globale del pigmento, e le variazioni di spessore del substrato non giocano un ruolo importante; quindi, i pigmenti hanno tutti lo stesso spessore[1].

Il sistema ternario ZTS
Il sistema ZTS è partito dall’idea di sfruttare le straordinarie proprietà ottiche dei pigmenti ad effetto basate su UTP per dar luogo a un sistema misto, ma l’ispirazione è nata dal ben noto sistema ternario Au-Ag-Cu[2], che rappresenta la base delle leghe più comunemente usate attualmente in campo odontoiatrico e della gioielleria artigianale.
Variando la composizione del sistema Au-Ag-Cu, è possibile ottenere una varietà di tinte e di tonalità, come mostrato dal diagramma della fase ternaria di figura 1. Nella figura si osserva che l’aggiunta del rame dà alla lega una sfumatura rossastra, mentre l’aggiunta dell’argento rende la lega verdastra. Quanto detto è coerente con la teoria della banda di frequenza perché l’aggiunta dell’argento causa un incremento del gap energetico che gli elettroni devono colmare per raggiungere lo stato energetico superiore al livello Fermi[5].

Utilizzando lo schema ternario Au-Ag-Cu, sono stati sintetizzati tre pigmenti con la tecnologia del pigmento ultrafine (UTP). Le proprietà ottiche dei tre pigmenti angolari basati sulla tecnologia UTP, utilizzata in ZTS (YY-YS-OO) sono già stati discussi in altri articoli (1) e in questo si passano in rassegna i vantaggi principali offerti dal pigmento. Lo spessore del substrato di alluminio è stato ridotto a un minimo e il peso percentuale dell’alluminio nel pigmento è in ogni pigmento inferiore al 15%. Anche per questo motivo, il pigmento può essere gestito come polvere essiccata e, come confermato dall’Istituto Federale Tedesco per l’analisi dei Materiali, non è né infiammabile né causa l’esplosione della polvere. I pigmenti metallici di interferenza possono essere quindi comercializzati come polveri senza dover utilizzare etichette che segnalino la presenza di solventi o di merci pericolose. Di conseguenza, a parte i vantaggi riferiti alla sicurezza, gli utilizzatori possono trarre beneficio dalla possibilità di utilizzare il prodotto 100% in polvere, che a sua volta consente di dosare e di formulare in modo più accurato e facile i rivestimenti a base acquosa e i rivestimenti sensibili con alto contenuto solido.

Ne consegue che le proprietà dei pigmenti ad effetto basati sulla tecnologia UTP, colorimetriche e fisiche rappresentano le condizioni iniziali perfette per una tecnologia di miscelazione. Ciò anche perché i pigmenti possono essere trattati in varie applicazioni, fra cui i rivestimenti in polvere, a base acquosa e solvente, gli inchiostri da stampa e le applicazioni della plastica in cui sviluppare le loro proprietà coloristiche.
La miscela delle tre tipologie UTP YY-YS-OO è semplice perché le proprietà fisiche delle particelle sono simili e l’applicazione finale arreca, fra l’altro, il vantaggio dell’assenza di segregazione (ad esempio nelle applicazioni di miscela secca che forniscono rivestimenti in polvere ad alto potere coloristico) e le proprietà di marcatura laser intrinseche che danno marcature non percettibili al tatto e che possono essere trasferite a tutte le applicazioni, come rappresentato nelle Figure 2 e 3.
Dal momento che, come detto sopra, la distribuzione è semplice, le sfumature dorate desiderate in ZTS possono essere pigmentate oppure elaborate accuratamente.
In Figura 2 è rappresentato il nuovo sistema ternario (YY-YS-OO) costituito dai pigmenti UTP, dove i metalli semipreziosi oro, argento e rame (Au-Ag-Cu) sono stati sostituiti agli angoli dai rispettivi pigmenti ad effetto. In questo caso, il sistema ZTS è costituito da una base acquosa per automotive ed è stata applicata a spuzzo ad aria compressa con l’ausilio di una pistola HVLP e un robot di spruzzatura in piccole forme a velocità ABS per visualizzare meglio il colore e il flop. Per definire i campioni usati e la loro designazione in questa relazione, da questo momento ci si riferirà ai Coating ZTS (ZTS CO).

Come detto sopra, i pigmenti UTP possono essere utilizzati in molte altre applicazioni, questo è il motivo per cui si è deciso di presentarli non solo per applicazioni a base acquosa, ma anche per applicazioni di rivestimenti in polvere, di stampa serigrafica e di plastiche, di cui si vedono i risultati in Figura 4. Senza elencare i parametri tecnici esatti di applicazione, questi campioni sono denominati ZTS PC (rivestimenti in polvere), ZTS PR (stampa serigrafica), ZTS P (stampo ad iniezione di plastica), come verranno definiti in seguito in questo articolo.
In base alle figure presentate, si comprende che la tecnica ZTS funziona in modo eccellente nelle singole applicazioni. Si deve notare, tuttavia, che le sfumature di colore nelle posizioni degli ZTS rispettivi per un’applicazione non devono essere comparate fra loro sul livello colorimetrico. Anche se la composizione percentuale è identica passando da un’applicazione all’altra, in una posizione in ZTS, vi sono altri aspetti che contribuiscono al fatto che le sfumature realizzate differiscono in quanto a colore e grado colorimetrico. Gli ZTS rispettivi devono quindi essere considerati come punto di partenza e supporto alla formulazione per l’elaborazione delle sfumature dorate simili al sistema ternario Leuser (Au-Ag-Cu), in cui può essere stabilita la sfumatura desiderata e poi, durante l’applicazione, dove questa sfumatura può essere realizzata miscelando i rispettivi componenti puri iniziali (YY-YS-OO).

Viene poi preso in considerazione il grado di pigmentazione finale, a seconda della rispettiva applicazione e del sistema del cliente. In un secondo momento il cliente può passare alla regolazione fine della sfumatura dorata desiderata e al know-how della protezione dal punto di vista della formulazione, dal momento che la composizione finale è nota soltanto a lui.

Valutazione della tinta
Nonostante tutto, indipendentemente dalle differenze note fra le applicazioni studiate, si è rivelato necessario caratterizzare e confrontare i singoli campioni ZTS (PC, CO, P, PR) delle Figure 2 e 3, come qui di seguito riportato. Ad esempio, è stata selezionata da ZTS una tonalità cromatica contenente tutti e tre i pigmenti UTP, con il 50% di OO e il 25% ciascuno di YY e YS. Questa tonalità cromatica è stata prodotta in varie applicazioni come rappresentato nelle Figure 2 e 3. Per comprendere meglio e caratterizzare lo ZTS della singola applicazione, è stato utilizzato un nuovo dispositivo, che permette di caratterizzare sia l’aspetto che la forma visibile dei dati misurati.

Introduzione a un nuovo dispositivo di misura
SIGHTTEX Q[7] è un nuovo dispositivo per comprendere la forma dei materiali, risultato di decenni di ricerca accademica[8] e anni di sviluppo tecnico. Consiste di 5 fotocamere RGB ad alta risoluzione d’uso industriale, montate in piano ad angoli di 15°, 30°, 45°, 60° e 75° e di 28 punti luce LED montati in piano con incrementi di 3° fra 0° e 81°. Le fotocamere e le luci permettono regolazioni indipendenti di qualsiasi angolo azimutale (fuori asse) da 0-360° con ripetibilità di 0,1°. Lo strumento può catturare la forma del materiale con una risoluzione fino a 1500 DPI, che corrisponde a una dimensione pixel di 17 m (59 pixel/mm). Questa configurazione fornisce un’ampia variazione delle geometrie che possono essere catturate, offrendo allo strumento una grande versatilità. Il dispositivo è utilizzato come scanner piano standard con il campione di materiale che viene posizionato su un’apertura di 40 mm nella parte superiore dello strumento, come mostrato in Figura 4. Grazie a questa configurazione, è possibile analizzare solo le parti quasi piane degli oggetti non piani.
Il dispositivo può catturare i dati di visualizzazione in diverse modalità specifiche del materiale, permettendo anche la visione interattiva e l’illuminazione su una geometria definita dall’utilizzatore. è possibile ottenere anche dati dettagliati statistici e strutturali per il controllo della qualità e altre applicazioni. Il software di supporto fornisce l’analisi del colore, della riflettanza e della struttura. Gli strumenti specifici del rivestimento permettono l’analisi della brillantezza, della luminosità e della granulosità, il confronto delle strutture e delle statistiche per le geometrie in piano. Il misuratore della distribuzione granulometrica stima l’inclinazione della particella e le distribuzioni anisotropiche. Il dispositivo fotometrico dà la stima. La versatilità del dispositivo fornisce dati delle suddette analisi da raccogliere in un’unica scansione che impiega dai 2 ai 40 minuti, riducendo il bisogno di ampie manipolazioni su differenti piattaforme di analisi.

 

Confronto fra ZTS per applicazioni differenti
In primo luogo, tutti i campioni delle 15 tonalità cromatiche ZTS sono stati catturati per quattro differenti applicazioni (PC, PR, CO, P) poi raccolti e visualizzati su una forma a bolla, come si osserva in Figura 5. Dal momento che i dati raccolti includono anche la risposta dei rivestimenti sottoposti a diverse illuminazioni e geometrie di visione, è possibile mostrare uno ‘strato virtuale’ letteralmente su qualsiasi oggetto in forma 3D.
L’analisi del colore dei campioni acquisiti nello spazio colore CIE Lab ha rivelato, come previsto, differenze significative nella luminanza e nella risposta cromatica fra i metodi di applicazione testati come indicato in Figura 6 per la geometria quasi speculare di 45°/30° (45°/15°). Quando si confrontano i valori di luminanza, si osservano valori superiori per la Stampa ZTS e Rivestimenti ZTS. Lo stesso comportamento è stato osservato in riferimento alla scala colore, dove ZTS Stampa e ZTS Rivestimenti mostrano valori molto più alti, in particolare nel canale b*.
Mentre l’analisi di colore, brillantezza, luminosità e granulosità è diventato lo standard industriale, lo strumento consente anche di caratterizzare l’orientamento della particella, che per motivi di spazio, qui non è presentata.
Per concludere, si può dire che la combinazione di entrambe queste innovazioni arreca un vantaggio al cliente perché, da una parte, il nuovo sistema ternario (ZTS) costituito dai tre pigmenti di base (YY-YS-OO) consente di formulare velocemente le tonalità del colore oro per una vasta serie di applicazioni, e, dall’altra, il nuovo strumento di misura consente la rapida e completa caratterizzazione delle superfici prodotte, quindi l’esperienza ha dimostrato che i processi di laboratorio sono semplificati, tali da permettere un risparmio dei costi.

“L’articolo originale è stato pubblicato in ECJ 12/2022”.

Ringraziamenti
Gli autori ringraziano Dr. Adalbert Huber (Schlenk Metallic Pigments GmbH) e Dr. Radomir Vavra (SightTex s.r.o).

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