Pigmenti: proprietà, caratteristiche

I pigmenti presentano caratteristiche dovute alla  natura chimica ( composizione base, additivi, impurezze) e fisica ( struttura cristallina, colore, indice di rifrazione, forma, dimensione e stato di aggregazione delle particelle, peso specifico).

Tutte queste grandezze per lo più interdipendenti tra loro hanno un influsso determinante sulle prestazioni che il pigmento è in grado di fornire nella sua utilizzazione pratica nei diversi campi di impiego, ossia concorrono a determinare le cosiddette caratteristiche pigmentarie e applicative.

Le  caratteristiche più importanti  dei pigmenti sono:

• • colore
  • potere coprente o opacizzante
  • forza colorante
  • disperdibilità
  • brillantezza
  • resistenza alla luce
  • resistenza al calore e agli agenti chimici
  • assorbimento di veicolo.

Analizziamo le caratteristiche pigmentarie e applicative di maggior interesse.

Colore dei pigmenti

Le sostanze colorate assorbono nella ristretta regione del visibile in cui sono compresi i colori dell’arcobaleno che, nel loro insieme, formano la luce bianca. Nella tabella vengono riportati i colori delle sostanze che assorbono le radiazioni di una data lunghezza d’onda.

Considerando i composti a carattere prevalentemente ionico, che interessano particolarmente il campo dei pigmenti inorganici, si possono distinguere due principali meccanismi che portano all’assorbimento di radiazioni e perciò alla formazione di spettri di assorbimento:

a)      Trasferimento di elettroni dall’anione al catione ( charge tranfer spectra )

b)      Transizione di elettroni da un orbitale d ad un altro avente energia superiore ( d-d: transition spectra)

Nei pigmenti i cui legami sono di tipo covalente l’origine del colore è spiegata dalla teoria delle bande di energia nei solidi con particolare riferimento alla banda di valenza e alla banda di conduzione. Per i pigmenti organici, in particolare, vi è una stretta correlazione tra la struttura molecolare e la disposizione di taluni gruppi detti gruppi cromofori.

Il fenomeno dell’assorbimento della luce è connesso con le vibrazioni degli elettroni nella molecola capaci di rispondere agli stimoli da parte dei raggi luminosi con frequenza di oscillazione specifica. Quando gli elettroni acquistano una maggiore mobilità essi possono venir messi in vibrazione dalla luce di maggiore lunghezza d’onda con conseguente assorbimento nella regione visibile dello spettro.

Potere coprente o opacizzante

Per potere coprente o opacizzante si intende la proprietà dei pigmenti di nascondere alla vista il supporto sul quale il veicolo pigmentato è applicato o di rendere opaco il manufatto. Il potere coprente è direttamente proporzionale all’indice di rifrazione ed è in relazione con la dimensione delle particelle.

Quando queste non raggiungono la lunghezza d’onda della propria luce colorata il potere coprente cala di colpo giungendo fino alla completa trasparenza. Altro fattore influenzante è la forma delle particelle; a parità di tutte le altre caratteristiche la forma sferica dà il massimo potere coprente.

Il potere coprente di un film pigmentato è pertanto un fenomeno ottico che dipende dalla quantità di luce incidente che viene riflessa, rifratta o assorbita dal film stesso.

Su tali parametri si basa il principio di determinazione del potere coprente assoluto cioè della capacità di un film di pittura di nascondere completamente allo sguardo la superficie sottostante. Il grado di copertura, valutato come rapporto di contrasto, R_C, cioè come il rapporto tra la riflettenza di un dato spessore di pittura su un supporto nero R_N e dello stesso su fondo bianco R_B ( R_C= R_N/ R_B).

Teoricamente si dovrebbe avere un grado di copertura totale quando lo spessore è tale che il rapporto raggiunga l’unità. Tenuto conto, tuttavia, del grado di sensibilità dell’occhio umano, in pratica si considera che la completa copertura sia raggiunta a un valore di R_C pari a 0.98.

Indice di rifrazione

L’indice di rifrazione di un pigmento riveste grande importanza in quanto il coefficiente di scattering, S, che è una misura dell’ammontare della luce diffusa, dipende dalla relazione esistente tra l’indice di rifrazione del pigmento e quello del mezzo in cui è disperso. Quanto più grande è questa differenza tanto maggiore è l’opacità.

Quando tale differenza si annulla vi è la trasparenza. La relazione tra la percentuale di luce incidente che è riflessa da un sistema pigmento-veicolo e la differenza esistente tra l’indice di rifrazione del pigmento e del veicolo è espressa dalla formula di Fresnel:

coefficiente di riflessione = (n₁ – n₂)²/ ((n₁ + n₂)²

dove n₁ è l’indice di rifrazione del pigmento e n₂ è l’indice di rifrazione del veicolo.

Forma e dimensioni delle particelle

Un pigmento è costituito da un insieme di particelle la cui forma e dimensioni influiscono in modo sensibile sulle caratteristiche applicative. Normalmente si fa distinzione tra particelle elementari che sono costituite dall’insieme di cristalliti uniti tra loro in modo così compatto da formare una unità a sé stante, dagli agglomerati che sono l’insieme di un numero più o meno grande di particelle elementari unite tra loro per singoli punti o aventi in comune una porzione di area superficiale.

Per quanto riguarda la forma delle particelle si possono dividere in tre grandi classi: sferuliformi, aciculari ( a forma di ago) e laminari. Un altro fattore di grande importanza è la distribuzione granulometrica che evidenzia la frequenza percentuale con cui le particelle si allontanano come dimensione dal valore del diametro medio.

Caratteristiche

Le caratteristiche dei pigmenti che dipendono strettamente dalla forma, dimensione e distribuzione granulometrica delle particelle sono il colore, le caratteristiche reologiche, il potere colorante e il potere coprente.

Dispersione e disperdibilità. Per dispersione si intende il complesso di operazioni con le quali il pigmento è incorporato nel veicolo, mentre la disperdibilità è l’idoneità a fornire la dispersione ed è determinata dal modo e dal tempo in cui un pigmento è disperso in un determinato veicolo.

Colore in massa e diluizione. Per colore o tono in massa si intende il colore della luce riflessa di cui una superficie levigata di una pittura in cui il pigmento è stato disperso a una concentrazione tale da ottenere un sistema allo stato di pasta.

Talvolta è utile esaminare il pigmento anche in taglio per definire meglio le sfumature di colore ( sottotono): in questo caso il pigmento colorato viene mescolato con un bianco, biossido di titanio o ossido di zinco, e il pigmento bianco con il nero (nero fumo).

Forza colorante o decolorante. La forza colorante per un pigmento colorato esprime la misura della capacità del pigmento stesso di colorare una sostanza bianca di norma biossido di titanio o ossido di zinco posta in intimo contatto. Al contrario il potere decolorante è la capacità di un pigmento bianco di schiarire il colore di un pigmento colorato.

Assorbimento d’olio e flow-point. La presa d’olio di un pigmento può essere definita come la minima quantità di olio, normalmente olio di lino di una determinata acidità che è sufficiente a bagnare il prodotto. Il flow-point, invece è la minima quantità di veicolo che rende fluida la pasta

Brillantezza (gloss). E’ una caratteristica applicativa che interessa in modo particolare gli smalti e gli inchiostri in quanto è la proprietà di una superficie di riflettere specularmente la luce incidente con una angolazione pari all’angolo di incidenza in modo da fornire una immagine nitida e luminosa della sorgente luminosa.

Stabilità ai fattori ambientali. Le condizioni ambientali determinano nell’aspetto di un sistema pigmentato alterazioni visive che costituiscono il risultato globale di fattori diversi. I fattori fondamentali sono la temperatura, gli agenti atmosferici, e, in modo particolare la luce. Nella maggior parte dei casi è impossibile studiare le alterazioni fotochimiche da un punto di vista chimico e di solito il meccanismo di queste variazioni ci viene fornito da misure di conduttività elettriche.