Farbpigmente. Prof. Dr. T. Jüstel. Prof. Dr. T. Jüstel. Farbpigmente. FH Münster, FB 01. Folie 1
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- Frauke Becker
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1 Folie 1
2 Gliederung 1. Pigmente - Definition und Anwendungsgebiete - Partikelmorphologie - Physikalische Eigenschaften - Synthesemethoden 2. - Weißpigmente - Gelbpigmente - Rotpigmente - Blaupigmente - Grünpigmente Folie 2
3 Definition Anorganische Pigmente (lat: pigmentum = Malerfarbe) bestehen aus Mikro- oder Nanopartikeln, welche in dem Anwendungssystem (Suspensionsmittel) praktisch unlöslich sind Anwendungen Anwendungsgebiet Beispiel 1. Katalytische Pigmente TiO 2 2. Korrosionsschutzpigmente Pb 3 O 4 3. Flammschutzpigmente Mg(OH) 2 4. Magnetische Pigmente Fe 3 O 4 5. CoAl 2 O 4 6. Glanzpigmente TiO 2 auf Mica 7. Lumineszenzpigmente ZnS:Ag 8. Füller SiO 2 9. Haftpigmente Al 2 O 3 Chemische Wirkung Physikalische Effekte Mechanische Wirkung Folie 3
4 Anwendungen der 1. Pigmente Farben Mikropartikuläre Pigmente (streuend) Malerei Anstriche Gefärbte Kunststoffe (Reifen, Plastik...) Farbfilter Nanopartikuläre Pigmente (nicht streuend) Glühlampen Fluoreszenzlampen Kathodenstrahlröhren LCDs Plasmabildschirme LEDs Folie 4
5 Definition Lumineszenzpigmente Lumineszenzpigmente (Leuchtstoffe, Luminophore, Phosphore) sind Materialien, die nach der Aufnahme von Energie elektromagnetische Strahlung (UV/Vis) im nicht-thermischen Gleichgewicht emittieren Funktionsweise Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Y 3 Al 5 O 12 :Ce Probe Anregung Wärme Wärme Emission S A Energietransfer Teilchengröße 1-3 µm Folie 5
6 Partikelmorphologie 0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm 10 mm 100 mm Atome nm-partikel µm-partikel Einkristalle *10 6 ~ Atome/Moleküle Quanten- Quanten- Festkörperchemie Optik chemie größeneffekte und physik LASER-Kristalle, Gläser 40 nm Transparenz Streuung Transparenz Folie 6
7 Physikalische Eigenschaften von n Technisch gewünscht Hohe Sättigung: Hohe Absorptionsstärke Hohes Deckvermögen: Hoher Brechungsindex Hohe Lichtechtheit: (Photo)Chemische Stabilität Konsequenz Erlaubte optische Übergänge VB-LB Übergänge CdS CT-Übergänge CrO 4 2- Intervalenz-Übergänge Fe 2+ /Fe 3+ 3d3d-Übergänge Co 2+ 4f5d-Übergänge Ce 3+ Hohe Dichte Anorganische Materialien Folie 7
8 Physikalische Eigenschaften von n: VB-LB-Übergänge Größe der Bandlücke (Abstand VB-LB) Chemische Zusammensetzung Kation-Anion-WW EN-Differenz, Orbitalüberlappung Strukturtyp und Koordination, z. B. beim TiO 2 : Rutil-Anatas Partikelgröße, z. B. beim CdS > 3.5 ev Zunehmende Teilchengröße 2.4 ev Folie 8
9 Physikalische Eigenschaften von n: VB-LB-Übergänge Effekt des kovalenten Charakters auf die Größe der Bandlücke Zn, Cd, Hg E G = 0.0 ev LB VB Verbotene Zone (Bandlücke E G ) HgS E G = 2.1 ev - CdS E G = 2.4 ev ZnS E G = 3.8 ev schwarz rot gelb weiß Folie 9
10 Physikalische Eigenschaften von n: VB-LB-Übergänge Metalle Halbleiter Isolatoren Bandlücke E g [ev] 6 7 TiO VO Ge Si GaAs CdS ZnS schwarz grau farbig C (Diamant) weiss (farblos) MgO Metalle sind schwarz und undurchsichtig, weil sichtbares Licht jeder Wellenlänge absorbiert wird Halbleiter sind farbig, weil Licht mit bestimmter Farbe bzw. Energie absorbiert wird (die Valenzelektronen werden über die Bandlücke angeregt) In Isolatoren ist die Bandlücke so gross, dass sichtbares Licht die Elektronen nicht anregen kann. Isolatoren sind meist farblos bzw. transparent Folie 10
11 Physikalische Eigenschaften von n: CT-Übergänge Bedingung für CT-Übergänge im sichtbaren Bereich Metalle in niedrigen Oxidationsstufen MLCT Metalle in hohen Oxidationsstufen LMCT Polarisierbare Liganden: S 2-, N 3- > O 2- > F - Beispiele VO 3-4 NbO 3-4 TaO 3-4 Me V (weiß) (weiß) (weiß) Oxidationskraft CrO 4 2- MoO 4 2- WO 4 2- Me VI (gelb-orange) (weiß) (weiß) MnO 4 - TcO 4 - ReO 4 - Me VII (violett) (blassgelb) (weiß) Folie 11
12 Physikalische Eigenschaften von n: Intervalenzübergänge Verbindungen, die Metalle in unterschiedlichen Oxidationsstufen enthalten Oxide Hauptgruppenmetalloxide ÜM-Oxide RE-Oxide Pb 3 O 4 Mn 3 O 4 Pr 6 O 11 (rot) (schwarz) (schwarz) Fe 3 O 4 Tb 4 O 7 (schwarz) (braun) Co 3 O 4 (schwarz) Komplexe Mn II -OH-Mn III Mn III -O-Mn IV Fe II -CN-Fe III Fe III -N-Fe IV Folie 12
13 Physikalische Eigenschaften von n: 3d3d-Übergänge Ion Konfiguration Farben Pigment Strukturtyp Ti 3+ [Ar]3d 1 violett, braun - V 3+ [Ar]3d 2 grün - V 4+ [Ar]3d 1 grün, blau (Zr,V)SiO 4 Zirkon Cr 3+ [Ar]3d 3 grün, gelb Cr 2 O 3 Korund Mn 2+ [Ar]3d 5 hellrosa MnO Kochsalz Mn 3+ [Ar]3d 4 violett Mn 2 O 3 Korund Mn 4+ [Ar]3d 3 rot, braun MnO 2 Rutil Fe 3+ [Ar]3d 5 gelb, braun Fe 2 O 3 Korund Fe 2+ [Ar]3d 6 blau, grün Fe(C 2 O 4 ). 2H 2 O Co 2+ [Ar]3d 7 blau, violett CoAl 2 O 4 Spinel Ni 2+ [Ar]3d 8 grün NiO Kochsalz Cu 2+ [Ar]3d 9 blau, grün CuO Folie 13
14 Physikalische Eigenschaften von n: 4f5d-Übergänge 5.0x10 4 [Xe]5d 1 Beispiel: Ce 3+ Grundzustand [Xe]4f 1 4.0x Angeregter Zustand [Xe]5d 1 Energieabstand Freies Ion cm -1 LaPO 4 :Ce cm -1 YPO 4 :Ce cm -1 Y 3 Al 5 O 12 :Ce cm -1 Zunahme der Aktivator- Ligand-WW Energie [cm -1 ] 3.0x x x10 4 [Xe]4f Folie 14 Ce 3+ 2 F 7/2 2 F 5/2
15 Synthesemethoden Physikalische Methoden (Nanopigmente) - LASER-Ablation - Ionenstrahlverdampfung - Flammenpyrolyse Chemische Methoden (Mikro- und Nanopigmente) - Festkörperchemische Methoden - Präzipitationsmethoden (Fällungsreaktionen) - Precursormethoden - Pechini-Methode Folie 15
16 2. Gelbpigmente Absorption im blauvioletten Spektralbereich Technisch bedeutende Gelbpigmente CdS Cadmiumgelb PbCrO 4 Chromgelb FeO(OH) Lepidokrokit Pb 3 (SbO 4 ) 2 Antimongelb BiVO 4 Bismutvanadat Entwicklungsziele Nicht-toxische Pigmente, z. B. Ta-Zr-Oxynitride Brillante Gelbpigmente hoher Deckkraft Folie 16
17 2. Gelbpigmente Absorption im blauvioletten Spektralbereich Struktur von BiVO 4 Strukturtyp: Clinobisvanit Kristallsystem: monoklin Gitterparameter: α, ß = 90 γ = 90.4 a = pm b = pm c = pm V = Å 3 Z = 4 Folie 17
18 2. Gelbpigmente Absorption im blauvioletten Spektralbereich Synthese von BiVO 4 Bi 3+ + VO 3 (OH) 2- BiVO 4 + H + Die Fällung sollte im sauren bis leicht alkalischen ph-bereich durchgeführt werden! Folie 18
19 2. Blaupigmente Absorption im grünen und roten Spektralbereich Technisch bedeutende Blaupigmente CoAl 2 O 4 Thenard s Blau KFe[Fe(CN) 6 ] Berliner Blau Na 8 Al 6 Si 6 O 24 S 2 Ultramarin Entwicklungsziele Nicht-toxische Pigmente Langzeitstabile Blaupigmente Folie 19
20 2. Blaupigmente Absorption im grünen und roten Spektralbereich Struktur von CoAl 2 O 4 Strukturtyp: Spinel (teilinvers) Kristallsystem: kubisch Gitterparameter: α, ß, γ = 90 a = b = c = pm V = Å 3 Z = 8 Folie 20
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