Пигменты: история, свойства и применение цвета.

Введение

Цветные материалы

Пигмент – это порошок, используемый для придания цвета или изменения визуального вида. Пигменты полностью или почти нерастворимы и химически инертны в воде или другой среде; в отличие от них, красители – это цветные вещества, которые растворяются или переходят в раствор на каком-либо этапе их применения. Красители часто являются органическими соединениями, в то время как пигменты часто неорганическими. Пигменты, представляющие доисторическую и историческую ценность, включают охру, древесный уголь и лазурит.

Экономическое воздействие

В 2006 году в мире было продано около 7,4 миллиона тонн неорганических, органических и специальных пигментов. Согласно отчету Bloomberg Businessweek за апрель 2018 года, общая стоимость мировой пигментной индустрии оценивается в 30 миллиардов долларов. При этом стоимость диоксида титана, используемого для усиления белизны многих продуктов, составила 13,2 миллиарда долларов в год, а стоимость цвета Ferrari red – 300 миллионов долларов в год.

Физические принципы

Как и все материалы, цвет пигментов возникает из-за того, что они поглощают лишь определенные длины волн видимого света. Связывающие свойства материала определяют длину волны и эффективность поглощения света. Свет других длин волн отражается или рассеивается. Спектр отраженного света определяет цвет, который мы видим. Восприятие цвета пигментов чувствительно к источнику света. Солнечный свет имеет высокую цветовую температуру и достаточно равномерный спектр. Солнечный свет считается стандартом для белого света. Искусственные источники света менее равномерны. Цветовые пространства, используемые для цифрового представления цветов, должны указывать источник света, для которого они предназначены. Лабораторные измерения цвета, если не указано иное, подразумевают, что измерение было выполнено при освещении источником D65, или "Дневной свет 6500 К", который приблизительно соответствует цветовой температуре солнечного света. Другие характеристики цвета, такие как насыщенность или светлота, могут определяться другими веществами, присутствующими вместе с пигментами. Связующие вещества и наполнители могут влиять на цвет.

История

Минералы использовались в качестве красителей с доисторических времен. Ранние люди использовали краски в эстетических целях, таких как украшение тела. В пещере близ Лусаки (Замбия) обнаружены пигменты и оборудование для их перетирания, возраст которых, по оценкам, составляет от 350 000 до 400 000 лет. Охра железного оксида была первым цветом краски. Любимый синий пигмент получали из лазурита. Пигменты на основе минералов и глин часто носят название города или региона, где они были первоначально добыты. Сырая и жжёная сиена происходили из Сиены (Италия), а сырая и жжёная умбра – из Умбрии. Эти пигменты были одними из самых простых в синтезе, и химики создали современные цвета, основанные на оригинальных. Они были более стабильными, чем цвета, добываемые из исходных рудных тел, но названия мест сохранились. Также в многочисленных пещерных рисунках эпохи палеолита и неолита встречаются красная охра (безводный Fe2O3) и гидратированная жёлтая охра (Fe2O3·H2O). Уголь, или углеродный чёрный, также использовался в качестве чёрного пигмента с доисторических времен. Египетский синий (синий фритт), силикат кальция и меди CaCuSi4O10, получали путём нагрева смеси кварцевого песка, извести, флюса и источника меди, такого как малахит. Он был изобретён ещё в предодинастический период Египта, а к IV династии его использование стало широко распространённым. Это был эталонный синий пигмент римской античности; следы его технологии исчезли в Средние века, пока он не был вновь открыт в контексте египетской кампании и раскопок в Помпеях и Геркулануме. К более поздним досовременным синтетическим пигментам относятся белый свинец (основной карбонат свинца, (PbCO3)2Pb(OH)2), вермильон, вердигрис и лимонник. Вермильон, сульфид ртути, изначально получали путём измельчения порошка натурального киновари. Начиная с XVII века, его также синтезировали из элементов. Его ценили старые мастера, такие как Тициан. Индийский жёлтый когда-то производили, собирая мочу крупного рогатого скота, питавшегося исключительно листьями манго. Голландские и фламандские художники XVII и XVIII веков предпочитали его за его люминесцентные свойства и часто использовали для изображения солнечного света. Поскольку листья манго не обеспечивают достаточного питания для скота, практика производства индийского жёлтого в конечном итоге была признана негуманной. К началу XIX века к синтетическим и металлическим синим пигментам добавились французский ультрамарин – синтетическая форма лазурита. Ультрамарин производили путём обработки алюмосиликата серой. Также были представлены различные оттенки кобальтового синего и церулеума. В начале XX века был разработан фталоцианиновый синий – синтетический металлоорганический пигмент. В то же время королевский синий, другое название, ранее данное оттенкам, полученным из лазурита, стал обозначать гораздо более светлый и яркий цвет и обычно смешивается из фталоцианинового синего и диоксида титана или недорогих синтетических синих красителей. Открытие в 1856 году маувеина, первого анилинового красителя, стало предвестником разработки сотен синтетических красителей и пигментов, таких как азо- и диазосоединения. Эти красители положили начало расцвету органической химии, включая систематическую разработку красителей. Развитие органической химии снизило зависимость от неорганических пигментов.

Minerals have been used as colorants since prehistoric times. Early humans used paint for aesthetic purposes such as body decoration. Pigments and paint grinding equipment believed to be between 350,000 and 400,000 years old have been reported in a cave at Twin Rivers, near Lusaka, Zambia. Ochre, iron oxide, was the first color of paint. A favored blue pigment was derived from lapis lazuli. Pigments based on minerals and clays often bear the name of the city or region where they were originally mined. Raw sienna and burnt sienna came from Siena, Italy, while raw umber and burnt umber came from Umbria. These pigments were among the easiest to synthesize, and chemists created modern colors based on the originals. These were more consistent than colors mined from the original ore bodies, but the place names remained. Also found in many Paleolithic and Neolithic cave paintings are Red Ochre, anhydrous Fe2O3, and the hydrated Yellow Ochre (Fe2O3. H2O). Charcoal—or carbon black—has also been used as a black pigment since prehistoric times. Egyptian blue (blue frit), calcium copper silicate CaCuSi4O10, made by heating a mixture of quartz sand, lime, a flux and a copper source, such as malachite. Already invented in the Predynastic Period of Egypt, its use became widespread by the 4th Dynasty. It was the blue pigment par excellence of Roman antiquity; its art technological traces vanished in the course of the Middle Ages until its rediscovery in the context of the Egyptian campaign and the excavations in Pompeii and Herculaneum. Later premodern synthetic pigments include white lead (basic lead carbonate, (PbCO3)2Pb(OH)2), vermilion, verdigris, and lead tin yellow. Vermilion, a mercury sulfide, was originally made by grinding a powder of natural cinnabar. From the 17th century on, it was also synthesized from the elements. It was favored by old masters such as Titian. Indian yellow was once produced by collecting the urine of cattle that had been fed only mango leaves. Dutch and Flemish painters of the 17th and 18th centuries favored it for its luminescent qualities, and often used it to represent sunlight. Since mango leaves are nutritionally inadequate for cattle, the practice of harvesting Indian yellow was eventually declared to be inhumane. By the early 19th century, synthetic and metallic blue pigments included French ultramarine, a synthetic form of lapis lazuli. Ultramarine was manufactured by treating aluminium silicate with sulfur. Various forms of cobalt blue and Cerulean blue were also introduced. In the early 20th century, Phthalo Blue, a synthetic metallo organic pigment was prepared. At the same time, Royal Blue, another name once given to tints produced from lapis lazuli, has evolved to signify a much lighter and brighter color, and is usually mixed from Phthalo Blue and titanium dioxide, or from inexpensive synthetic blue dyes. The discovery in 1856 of mauveine, the first aniline dyes, was a forerunner for the development of hundreds of synthetic dyes and pigments like azo and diazo compounds. These dyes ushered in the flourishing of organic chemistry, including systematic designs of colorants. The development of organic chemistry diminished the dependence on inorganic pigments.

Производственные и промышленные стандарты

До появления синтетических пигментов и совершенствования технологий извлечения минеральных пигментов, партии цветов часто были непостоянными. С развитием современной цветовой промышленности производители и специалисты сотрудничают для создания международных стандартов идентификации, производства, измерения и тестирования цветов. Впервые опубликованная в 1905 году, цветовая система Манселла стала основой для ряда цветовых моделей, предоставляя объективные методы измерения цвета. Система Манселла описывает цвет в трех измерениях: тон, светлота и насыщенность (цветовая чистота), где насыщенность – это различие от серого при заданном тоне и светлоте. К середине XX века стали доступны стандартизированные методы химического анализа пигментов, что стало частью международного движения по созданию таких стандартов в промышленности. Международная организация по стандартизации (ISO) разрабатывает технические стандарты для производства пигментов и красителей. Стандарты ISO определяют различные промышленные и химические свойства, а также методы их определения. Основные стандарты ISO, применимые ко всем пигментам, следующие: ISO 787 – общие методы испытаний пигментов и наполнителей; ISO 8780 – методы диспергирования для оценки дисперсных характеристик. Другие стандарты ISO относятся к конкретным классам или категориям пигментов, основанным на их химическом составе, таким как ультрамариновые пигменты, диоксид титана, пигменты оксида железа и т.д. Многие производители красок, чернил, текстиля, пластмасс и красителей добровольно приняли Международный индекс цветов (CII) в качестве стандарта для идентификации пигментов, используемых при производстве определенных цветов. Впервые опубликованный в 1925 году, а теперь совместно публикуемый в сети Обществом красителей и колористов (Великобритания) и Американской ассоциацией химиков-технологов текстильной промышленности (США), этот индекс признан на международном уровне как авторитетный справочник по красящим веществам. Он охватывает более 27 000 продуктов под более чем 13 000 обобщенными названиями цветового индекса. В схеме CII каждый пигмент имеет обобщенный индексный номер, который химически идентифицирует его, независимо от фирменных и исторических названий. Например, фталоцианиновый синий BN известен под различными обобщенными и коммерческими названиями с момента его открытия в 1930-х годах. В большей части Европы фталоцианиновый синий более известен как Helio Blue или под коммерческим названием, таким как Winsor Blue. Американский производитель красок Grumbacher зарегистрировал альтернативное написание (Thanos Blue) в качестве товарного знака. Colour Index International разрешает все эти противоречивые исторические, обобщенные и коммерческие названия, чтобы производители и потребители могли идентифицировать пигмент (или краситель), используемый в конкретном цветном продукте. В CII все фталоцианиновые синие пигменты обозначаются обобщенным цветовым индексом PB15 или PB16, что является сокращением от pigment blue 15 и pigment blue 16; эти два номера отражают незначительные различия в молекулярной структуре, которые приводят к немного более зеленоватому или красноватому оттенку синего.

Before the development of synthetic pigments, and the refinement of techniques for extracting mineral pigments, batches of color were often inconsistent. With the development of a modern color industry, manufacturers and professionals have cooperated to create international standards for identifying, producing, measuring, and testing colors. First published in 1905, the Munsell color system became the foundation for a series of color models, providing objective methods for the measurement of color. The Munsell system describes a color in three dimensions, hue, value (lightness), and chroma (color purity), where chroma is the difference from gray at a given hue and value. By the middle 20th century, standardized methods for pigment chemistry were available, part of an international movement to create such standards in industry. The International Organization for Standardization (ISO) develops technical standards for the manufacture of pigments and dyes. ISO standards define various industrial and chemical properties, and how to test for them. The principal ISO standards that relate to all pigments are as follows:
ISO 787 General methods of test for pigments and extenders. ISO 8780 Methods of dispersion for assessment of dispersion characteristics. Other ISO standards pertain to particular classes or categories of pigments, based on their chemical composition, such as ultramarine pigments, titanium dioxide, iron oxide pigments, and so forth. Many manufacturers of paints, inks, textiles, plastics, and colors have voluntarily adopted the Colour Index International (CII) as a standard for identifying the pigments that they use in manufacturing particular colors. First published in 1925—and now published jointly on the web by the Society of Dyers and Colourists (United Kingdom) and the American Association of Textile Chemists and Colorists (US)—this index is recognized internationally as the authoritative reference on colorants. It encompasses more than 27,000 products under more than 13,000 generic color index names. In the CII schema, each pigment has a generic index number that identifies it chemically, regardless of proprietary and historic names. For example, Phthalocyanine Blue BN has been known by a variety of generic and proprietary names since its discovery in the 1930s. In much of Europe, phthalocyanine blue is better known as Helio Blue, or by a proprietary name such as Winsor Blue. An American paint manufacturer, Grumbacher, registered an alternate spelling (Thanos Blue) as a trademark. Colour Index International resolves all these conflicting historic, generic, and proprietary names so that manufacturers and consumers can identify the pigment (or dye) used in a particular color product. In the CII, all phthalocyanine blue pigments are designated by a generic color index number as either PB15 or PB16, short for pigment blue 15 and pigment blue 16; these two numbers reflect slight variations in molecular structure, which produce a slightly more greenish or reddish blue.

Образцы

Для точной передачи цветов используются эталоны. Типы эталонов определяются материалом, на котором они воспроизводятся, то есть печатью, компьютерами, пластиком и текстилем. Как правило, материал, обеспечивающий наиболее широкую цветовую гамму, широко применяется в различных областях.

Печатные образцы

Справочные стандарты представлены печатными выкрасами цветовых оттенков. PANTONE, RAL, Munsell и другие широко используемые стандарты обеспечивают единообразие цветопередачи в различных областях, включая полиграфию, пластмассы и текстильную промышленность.

Образцы из пластмассы

Компании, производящие концентрированные красители и пигменты для пластмасс, предлагают пластиковые образцы в виде литых под давлением цветных чипсов. Эти чипсы предоставляются дизайнеру или заказчику для выбора и определения цвета для их конкретных изделий из пластика. Пластиковые образцы доступны с различными специальными эффектами, такими как перламутровый, металлизированный, флуоресцентный, искрящийся, мозаичный и другие. Однако эти эффекты сложно воспроизвести на других носителях, например, в печати или на экране компьютера. Пластиковые образцы были созданы с использованием 3D-моделирования, включающего различные специальные эффекты.

Биологические пигменты

В биологии пигмент – это любое окрашенное вещество в клетках растений или животных. Многие биологические структуры, такие как кожа, глаза, мех и волосы, содержат пигменты (например, меланин). Окраска кожи животных часто обусловлена специализированными клетками, называемыми хроматофорами, которые животные, такие как осьминог и хамелеон, могут контролировать для изменения цвета. Многие состояния влияют на уровень или природу пигментов в клетках растений, животных, некоторых протистов или грибов. Например, при албинизме нарушается уровень выработки меланина у животных. Пигментация в организмах выполняет множество биологических функций, включая камуфляж, мимикрию, апозематизм (предупреждающую окраску), половой отбор и другие формы сигнализации, фотосинтез (у растений) и основные физиологические функции, такие как защита от солнечных ожогов. Цвет пигмента отличается от структурного цвета тем, что цвет пигмента остается неизменным при любом угле обзора, в то время как структурный цвет является результатом селективного отражения или переливчатости, обычно из-за многослойных структур. Например, крылья бабочек обычно демонстрируют структурный цвет, хотя многие бабочки также имеют клетки, содержащие пигмент.