有序的彩虹色

Werner Rudolf Cramer, free consultant, Frank J. Maile, Carl Schlenk

因?yàn)楦缮骖伭想S角異色的特征，它不僅單純吸收或反射光線，還能使光波疊加，與其他顏料相比，能提供更廣泛的光學(xué)效果。本文討論了影響干涉顏料外觀的各種因素，并研究了衍射顏料的用途。

干涉顏料是光學(xué)效果最復(fù)雜的顏料。與吸收部分入射光的著色顏料及反射光線的金屬顏料不同，干涉顏料因反射光和折射光的光波疊加，導(dǎo)致最終光波的增強(qiáng)或削弱。顏料結(jié)構(gòu)、使用方式和照明情況等多種因素共同影響最佳效果。

采用濕法化學(xué)工藝制造而成的顏料，一般有一個(gè)片狀載體材料，如天然云母、氧化鋁或氧化硅等。這些載體顆粒上包覆有高折射指數(shù)的金屬氧化物，例如二氧化鈦或氧化鐵。根據(jù)氧化物包覆層的厚度不同，顏色會(huì)變化，從白色、黃色、紅色或藍(lán)色到綠色。產(chǎn)生這種非常見(jiàn)變色的原因是最大層厚或最小層厚移動(dòng)到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)區(qū)。以黃色為例，最小層厚從紫外光區(qū)域偏移到可見(jiàn)光區(qū)域，這時(shí)白色變?yōu)辄S色。如果二氧化鈦的包覆層厚度進(jìn)一步增加，那么最小層厚會(huì)進(jìn)一步偏移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)上，從而變?yōu)榧t色。在最小層厚位于紫外光區(qū)域時(shí)，最大層厚移動(dòng)至可見(jiàn)光區(qū)域，同時(shí)長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大層厚移動(dòng)至不可見(jiàn)的紅外光區(qū)域。

隨包覆層厚度增大，顏色從藍(lán)色變?yōu)榫G色。這種顏料的色彩順序在化學(xué)上是相同的，只是顏料包覆層厚不同。

取向、角度和基材效果

自80年代中期以來(lái)，干涉顏料就已應(yīng)用于汽車涂料中。從那時(shí)起，人們對(duì)顏料色彩和效果的定量研究產(chǎn)生了愈來(lái)愈濃厚的興趣。這種顏料用在底色漆中，然后再涂一層罩光清漆。底色漆膜厚10～15 μm，干涉顏料的長(zhǎng)度范圍5～100 μm，厚度約為0.05 μm。基于這種尺寸，在涂膜中顏料一定是以片狀形式與涂層基本平行的方式存在。在底色漆干燥過(guò)程中，采用助劑增強(qiáng)其這種取向性。因此，必須研究與測(cè)量角度有關(guān)的顏料取向理論計(jì)算值。

在電子顯微鏡下，檢測(cè)到的取向模式是相對(duì)平行的取向;在光學(xué)顯微鏡下，入射光角度的變化表明所觀察到的顏色大都由顏料類型造成的，而不是由于顏料的不同取向引起的。大多數(shù)干涉顏料都是透明的，這就是背景色或環(huán)境色也起著重要作用的原因。由于入射光分可分解成為反射色和互補(bǔ)透射色，在白色背景上能夠清楚地觀察到這種變化。

當(dāng)測(cè)量接近光澤角時(shí)，可檢測(cè)到反射色并且將透射色從光澤度中移除。這種透射色在顏料的背面產(chǎn)生，通過(guò)白色背景進(jìn)行反射。當(dāng)入射角為45°時(shí)，在逆鏡向反射角處測(cè)量角度差異效果，那么能測(cè)到反射色的逆鏡向反射角范圍可高達(dá)20°。在20°到30°逆鏡向反射角之間有一個(gè)所謂的轉(zhuǎn)變區(qū)。

當(dāng)逆鏡向反射角較大時(shí)，可測(cè)到由白色背景反射的互補(bǔ)透射色。黑色背景吸收透射色。彩色基材和著色混合顏料都顯示了相同模式(圖1)。

干涉顏料外觀的測(cè)量

光學(xué)定律的3種特性均適用于干涉顏料。一方面，當(dāng)入射角為鈍角時(shí)，最大反射值向較短波長(zhǎng)移動(dòng)，這也是干涉顏料的重要特征和關(guān)鍵屬性。

當(dāng)對(duì)顏料的光學(xué)特性進(jìn)行技術(shù)測(cè)量時(shí)，光線的入射角從銳角變?yōu)殁g角或反之亦然，每一個(gè)光澤角的逆鏡向反射角保持不變時(shí)，這一結(jié)果對(duì)單一顏料而言，代表了典型的干涉顏料。經(jīng)證明，逆鏡向反射角為15°是尤為有用的。在接近光澤的逆鏡向反射角進(jìn)行測(cè)量，通常會(huì)得到風(fēng)險(xiǎn)很大，難以相信的測(cè)量結(jié)果，特別是測(cè)量清漆樣品時(shí)。第二種特性在反射曲線中得到表征，不僅向更短的波長(zhǎng)移動(dòng)，而且隨著入射角變大，最大值大幅提高。這種特性的結(jié)果是：在a*b*色空間圖中的干涉曲線隨著入射角逐漸變大，顏色呈逆時(shí)針變化。因此，紅色干涉顏料的顏色從藍(lán)紅相轉(zhuǎn)變?yōu)辄S紅相，綠色從黃綠相轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)綠相。第三種特性是與入射角不變時(shí)的測(cè)量有關(guān)：一般將入射角設(shè)為45°，但其他角度也是有可能，例如65°。由于所有干涉顏料的在接近光澤角處均可呈現(xiàn)反射色，并可測(cè)量，即使是與著色顏料配制的混合物中也可觀察到并可測(cè)得。

因此，即使將相應(yīng)顏料與綠色或紅色顏料混合，藍(lán)色反射色仍可保留。從根本上說(shuō)，光學(xué)效果是取決于與幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的顏色和/或亮度的變化。對(duì)于干涉顏料而言，反射色始終應(yīng)在靠近光澤角附近進(jìn)行測(cè)量。

添加其他類型的顏料如何影響外觀

顏料混合物的整體顏色外觀由于其所含顏料不同，受到的影響也不同。這種情況適用于著色顏料、鋁顏料和干涉顏料。著色顏料在所有的幾何角度都會(huì)影響整體顏色效果，鋁顏料在接近光澤角處會(huì)影響整體顏色效果，而干涉顏料主要是在逆鏡向反射角達(dá)25°處影響整體顏色效果。因此，由于干涉顏料在接近光澤角處反射，所以干涉顏料的顏色會(huì)受到著色顏料的影響。入射角恒定，但在與光澤角呈差異的角度進(jìn)行測(cè)量，這并不僅限于45°入射光。原則上，45°只是更適于表征顏色而已。

這些測(cè)量的組合，就會(huì)得到所謂的逆鏡面反射線;在恒定的差異角進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果值加合起來(lái)就形成干涉曲線。此外，由于可能有多條連接線存在，標(biāo)明逆鏡向反射角值顯得很有必要。在逆鏡向反射角等于或大于30°時(shí)，使用透明干涉顏料在白色背景上測(cè)量透射色。

集彩虹所有色彩于一身的顏料

除已知的干涉顏料(采用濕法化學(xué)工藝或高真空制備而得)外，還有一些特殊種類的干涉顏料。其光響應(yīng)相當(dāng)于在衍射光柵上的反射。入射光以光譜波段分段，從藍(lán)紫色到藍(lán)色、綠色、黃色，再到紅色。

與一般干涉顏料(隨入射角的變化，產(chǎn)生顏色梯度)不同，在多色顏料中總會(huì)明顯出現(xiàn)完整的彩虹。可對(duì)其色彩進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量-與測(cè)量?jī)x器相比，肉眼更能獲得更廣泛的觀察和測(cè)量范圍，可以看到完整的彩虹。

根據(jù)入射角不同，在逆鏡向反射角20°～30°間可見(jiàn)彩虹。當(dāng)入射角較大65°時(shí)，彩虹開始出現(xiàn)在約45°逆鏡向反射角處，一直至約75°。當(dāng)入射角變成更陡的45°時(shí)，彩虹區(qū)位移到35°～65°之間。這些是一級(jí)色帶的范圍。二級(jí)色帶也在這個(gè)范圍;雖然是可測(cè)量的，但幾乎看不見(jiàn)。

從反射曲線可清楚看出，隨著相對(duì)于光澤角的逆鏡向反射角不斷增大，反射及反射最大值從UV區(qū)向可見(jiàn)光區(qū)偏移。隨著逆鏡向反射角進(jìn)一步加大，逐漸遠(yuǎn)離可見(jiàn)光譜范圍，向紅外區(qū)域移動(dòng)，同時(shí)二級(jí)色帶的最大值從UV區(qū)向可見(jiàn)光區(qū)域移動(dòng)(見(jiàn)圖2和圖 3)。

這種干涉規(guī)律，即隨著入射角變平緩，反射向更短波長(zhǎng)區(qū)域移動(dòng)，同樣適用于這些顏料。假設(shè)逆鏡向反射角為55°時(shí)，如果不同入射角的反射具有這種恒定的差異角，這種最大值隨著入射角變平緩而向較短波長(zhǎng)的移動(dòng)清晰可見(jiàn)。因此，在這些顏料中，光學(xué)反射定律均適用于衍射光柵和干涉現(xiàn)象。

改變效應(yīng)顏料的外觀

干涉顏料具有典型的反射色彩，顏色梯度漸變或大或小。通常可在用著色顏料和鋁粉顏料混合的汽車色彩中發(fā)現(xiàn)。例如，為了營(yíng)造出藍(lán)色的色彩效果，可將白色干涉顏料與藍(lán)色著色顏料混合。除白色干涉顏料外，還可使用藍(lán)色或綠色干涉顏料，有無(wú)限種結(jié)合的可能性。

在多色彩顏料的情況下，這種組合是完全不同的：著色顏料和鋁粉顏料的混合顏料會(huì)影響彩虹效果。多色彩顏料底色本質(zhì)上是在銀白色和銀灰色之間。彩虹效果主要發(fā)生在這些中性顏料身上。著色顏料混合物會(huì)部分甚至完全抑制彩虹顏色，從而原則上作一些初步審定則是必要的。

> 完整的彩虹色僅單獨(dú)出現(xiàn)于多色彩顏料中或與最少量混合物一同存在時(shí)。為了保留彩虹色，組合的可能性有限。黑色的混合物是最理想的，這是由于在這種情況下，彩虹色彩不會(huì)被影響。并且由于更明顯的對(duì)比，彩虹效果更明顯。當(dāng)采用此類顏料時(shí)，通常可看到整個(gè)彩虹色;不存在僅顯示一半或四分之一彩虹色的顏料。在這種情況下，必須采用與其它顏料的混合顏料來(lái)控制效果(圖4)。

> 彩虹在逆鏡向反射角約35°～45°范圍內(nèi)開始出現(xiàn)彩虹色，根據(jù)種類的不同，干涉顏料顯示其反射色逆鏡向反射角約為 25°。兩種色彩范圍可通過(guò)兩種顏料混合獲得。

> 從上述多色彩顏料的噴漆圖可看出，在觀察角的任意一側(cè)都可檢測(cè)到兩道彩虹帶之間出現(xiàn)一個(gè)間隙。可加入干涉顏料填補(bǔ)這個(gè)間隙。此類混合物可用多種方式制成，干涉顏料的選定顏色也可能影響彩虹色(見(jiàn)圖5、圖6和圖7)。

> 彩色顏料混合物在整個(gè)入射角和觀測(cè)角范圍內(nèi)會(huì)影響色彩效果。彩色顏料的色調(diào)會(huì)變，彩虹色受到影響，總體上可能不再能被識(shí)別出來(lái)。

> 與干涉顏料的色彩相同，彩虹色只有在一個(gè)較窄的觀察角范圍內(nèi)才明顯。盡管在接近光澤角附近彩虹色的濃度較低，但彩色顏料產(chǎn)生更強(qiáng)的總體色彩效果。所以，它們通常對(duì)彩虹色有強(qiáng)烈的影響，這種情況只有加入深色顏料時(shí)才能明顯呈現(xiàn)彩虹色。

混合不同類型顏料的詳細(xì)實(shí)例

實(shí)例為一種稱為這種稱為MultiFlect彩虹類混合顏料(藍(lán)顏料與藍(lán)色干涉顏料)相混合，呈現(xiàn)顏料各自對(duì)彩虹色的影響：在逆鏡向反射角為15°，接近光澤角時(shí)(這種情況下，入射角45°)，彩虹顏料在綠色區(qū)域內(nèi)反射稍弱一些;偏離光澤角時(shí)(這種情況下，逆鏡向反射角為50°)，可看到彩虹帶的綠色。通過(guò)添加藍(lán)色顏料，45°逆鏡向反射角的反射曲線向更高值移動(dòng)，出現(xiàn)在藍(lán)色光譜范圍內(nèi);在接近光澤角時(shí)，逆鏡向反射角為15°時(shí)，反射曲線在藍(lán)色和紅色范圍內(nèi)略有增加。在含有藍(lán)色干涉顏料混合物中的區(qū)別甚至更為明顯。

接近光澤的反射會(huì)影響所產(chǎn)生的反射曲線，在逆鏡向反射角為15°時(shí)為最大值。可以這么說(shuō)，這種顏料的反射在特殊效應(yīng)顏料的彩虹反射區(qū)之間移動(dòng)。這種光學(xué)行為也可通過(guò)肉眼觀察到：在光澤角的左右兩側(cè)均可看到彩虹區(qū)。在兩個(gè)彩虹區(qū)之間可看到藍(lán)色干涉色。其他干涉顏料也具有同樣的效果，它們反射色與彩虹色對(duì)比多少更明顯一些。繪制a*b*值表明：添加藍(lán)顏料后，彩虹向藍(lán)色區(qū)域偏移。添加藍(lán)色干涉顏料，使得彩虹帶在藍(lán)色區(qū)域發(fā)生伸展。不同彩色顏料和干涉顏料的試驗(yàn)表明它們具有相同的顏色響應(yīng)。

最有地效利用多色彩顏料

與所有效應(yīng)顏料一樣，若要制成有用和有效的色彩，使用多色彩顏料時(shí)需要對(duì)入射角和觀察角的幾何位置進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)。盡管這些顏料僅呈現(xiàn)了一道彩虹，但混合干涉顏料尤其可實(shí)現(xiàn)具有兩種類型顏料的光學(xué)特性效果。

此外，可使用彩色顏料，其在整個(gè)幾何位置中對(duì)整體色彩具有至關(guān)重要的影響。從多色彩顏料開始，可采用不同方法造出各種效果的色料。當(dāng)然，這種類型顏料的使用是受限的，特別在汽車行業(yè)，但是，在許多特殊系列產(chǎn)品中更具吸引力。對(duì)這種機(jī)理進(jìn)行研發(fā)的困難在于：大多數(shù)分光光度計(jì)的測(cè)量幾何結(jié)構(gòu)只能部分記錄彩虹的幾何位置。

參考文獻(xiàn)

[1] Maile F.J., Martins A.C., A new Generation of Aluminum-based Pigments,Paper 137, ABRAFATI Coatings Congress, São Paulo, Brazil, Oct. 2015.

[2] Maile F.J., Pfaff G., Reynders P., Prog. Org. Coat., 2005, Vol. 54 pp150–163.

[3] Loewen E.G., Popov E., Diffraction Gratings and Applications, Marcel Dek- ker, Inc. N.Y., Basel, 1997.

[4] Cramer W.R., Visual & instrumental geometries in colour matching, CCJ, 2012, No. 7.

[5] Cramer W.R., Reflections on the right angle, ECJ, 2012, No. 4.