有序的彩虹色

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

因為干涉顏料隨角異色的特征，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。

干涉顏料是光學效果最復雜的顏料。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，導致最終光波的增強或削弱。顏料結構、使用方式和照明情況等多種因素共同影響最佳效果。

采用濕法化學工藝制造而成的顏料，一般有一個片狀載體材料，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的金屬氧化物，例如二氧化鈦或氧化鐵。根據氧化物包覆層的厚度不同，顏色會變化，從白色、黃色、紅色或藍色到綠色。產生這種非常見變色的原因是最大層厚或最小層厚移動到更長的波長區。以黃色為例，最小層厚從紫外光區域偏移到可見光區域，這時白色變為黃色。如果二氧化鈦的包覆層厚度進一步增加，那么最小層厚會進一步偏移到更長的波長上，從而變為紅色。在最小層厚位于紫外光區域時，最大層厚移動至可見光區域，同時長波長范圍內的最大層厚移動至不可見的紅外光區域。

隨包覆層厚度增大，顏色從藍色變為綠色。這種顏料的色彩順序在化學上是相同的，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，干涉顏料就已應用于汽車涂料中。從那時起，人們對顏料色彩和效果的定量研究產生了愈來愈濃厚的興趣。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，干涉顏料的長度范圍5～100 μm，厚度約為0.05 μm?；谶@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。在底色漆干燥過程中，采用助劑增強其這種取向性。因此，必須研究與測量角度有關的顏料取向理論計算值。

在電子顯微鏡下，檢測到的取向模式是相對平行的取向;在光學顯微鏡下，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。大多數干涉顏料都是透明的，這就是背景色或環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透射色，在白色背景上能夠清楚地觀察到這種變化。

當測量接近光澤角時，可檢測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生，通過白色背景進行反射。當入射角為45°時，在逆鏡向反射角處測量角度差異效果，那么能測到反射色的逆鏡向反射角范圍可高達20°。在20°到30°逆鏡向反射角之間有一個所謂的轉變區。

當逆鏡向反射角較大時，可測到由白色背景反射的互補透射色。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)。

干涉顏料外觀的測量

光學定律的3種特性均適用于干涉顏料。一方面，當入射角為鈍角時，最大反射值向較短波長移動，這也是干涉顏料的重要特征和關鍵屬性。

當對顏料的光學特性進行技術測量時，光線的入射角從銳角變為鈍角或反之亦然，每一個光澤角的逆鏡向反射角保持不變時，這一結果對單一顏料而言，代表了典型的干涉顏料。經證明，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行測量，通常會得到風險很大，難以相信的測量結果，特別是測量清漆樣品時。第二種特性在反射曲線中得到表征，不僅向更短的波長移動，而且隨著入射角變大，最大值大幅提高。這種特性的結果是：在a*b*色空間圖中的干涉曲線隨著入射角逐漸變大，顏色呈逆時針變化。因此，紅色干涉顏料的顏色從藍紅相轉變為黃紅相，綠色從黃綠相轉變為藍綠相。第三種特性是與入射角不變時的測量有關：一般將入射角設為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反射色，并可測量，即使是與著色顏料配制的混合物中也可觀察到并可測得。

因此，即使將相應顏料與綠色或紅色顏料混合，藍色反射色仍可保留。從根本上說，光學效果是取決于與幾何結構有關的顏色和/或亮度的變化。對于干涉顏料而言，反射色始終應在靠近光澤角附近進行測量。

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影響整體顏色效果，鋁顏料在接近光澤角處會影響整體顏色效果，而干涉顏料主要是在逆鏡向反射角達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行測量，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。

這些測量的組合，就會得到所謂的逆鏡面反射線;在恒定的差異角進行測量的結果值加合起來就形成干涉曲線。此外，由于可能有多條連接線存在，標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，使用透明干涉顏料在白色背景上測量透射色。

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。其光響應相當于在衍射光柵上的反射。入射光以光譜波段分段，從藍紫色到藍色、綠色、黃色，再到紅色。

與一般干涉顏料(隨入射角的變化，產生顏色梯度)不同，在多色顏料中總會明顯出現完整的彩虹?？蓪ζ渖蔬M行單獨測量-與測量儀器相比，肉眼更能獲得更廣泛的觀察和測量范圍，可以看到完整的彩虹。

根據入射角不同，在逆鏡向反射角20°～30°間可見彩虹。當入射角較大65°時，彩虹開始出現在約45°逆鏡向反射角處，一直至約75°。當入射角變成更陡的45°時，彩虹區位移到35°～65°之間。這些是一級色帶的范圍。二級色帶也在這個范圍;雖然是可測量的，但幾乎看不見。

從反射曲線可清楚看出，隨著相對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區向可見光區偏移。隨著逆鏡向反射角進一步加大，逐漸遠離可見光譜范圍，向紅外區域移動，同時二級色帶的最大值從UV區向可見光區域移動(見圖2和圖 3)。

這種干涉規律，即隨著入射角變平緩，反射向更短波長區域移動，同樣適用于這些顏料。假設逆鏡向反射角為55°時，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的移動清晰可見。因此，在這些顏料中，光學反射定律均適用于衍射光柵和干涉現象。

改變效應顏料的外觀

干涉顏料具有典型的反射色彩，顏色梯度漸變或大或小。通?？稍谟弥伭虾弯X粉顏料混合的汽車色彩中發現。例如，為了營造出藍色的色彩效果，可將白色干涉顏料與藍色著色顏料混合。除白色干涉顏料外，還可使用藍色或綠色干涉顏料，有無限種結合的可能性。

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影響彩虹效果。多色彩顏料底色本質上是在銀白色和銀灰色之間。彩虹效果主要發生在這些中性顏料身上。著色顏料混合物會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出現于多色彩顏料中或與最少量混合物一同存在時。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，彩虹色彩不會被影響。并且由于更明顯的對比，彩虹效果更明顯。當采用此類顏料時，通常可看到整個彩虹色;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控制效果(圖4)。

> 彩虹在逆鏡向反射角約35°～45°范圍內開始出現彩虹色，根據種類的不同，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都可檢測到兩道彩虹帶之間出現一個間隙?？杉尤敫缮骖伭咸钛a這個間隙。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(見圖5、圖6和圖7)。

> 彩色顏料混合物在整個入射角和觀測角范圍內會影響色彩效果。彩色顏料的色調會變，彩虹色受到影響，總體上可能不再能被識別出來。

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

混合不同類型顏料的詳細實例

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

接近光澤的反射會影響所產生的反射曲線，在逆鏡向反射角為15°時為最大值?？梢赃@么說，這種顏料的反射在特殊效應顏料的彩虹反射區之間移動。這種光學行為也可通過肉眼觀察到：在光澤角的左右兩側均可看到彩虹區。在兩個彩虹區之間可看到藍色干涉色。其他干涉顏料也具有同樣的效果，它們反射色與彩虹色對比多少更明顯一些。繪制a*b*值表明：添加藍顏料后，彩虹向藍色區域偏移。添加藍色干涉顏料，使得彩虹帶在藍色區域發生伸展。不同彩色顏料和干涉顏料的試驗表明它們具有相同的顏色響應。

最有地效利用多色彩顏料

與所有效應顏料一樣，若要制成有用和有效的色彩，使用多色彩顏料時需要對入射角和觀察角的幾何位置進行大量實驗。盡管這些顏料僅呈現了一道彩虹，但混合干涉顏料尤其可實現具有兩種類型顏料的光學特性效果。

此外，可使用彩色顏料，其在整個幾何位置中對整體色彩具有至關重要的影響。從多色彩顏料開始，可采用不同方法造出各種效果的色料。當然，這種類型顏料的使用是受限的，特別在汽車行業，但是，在許多特殊系列產品中更具吸引力。對這種機理進行研發的困難在于：大多數分光光度計的測量幾何結構只能部分記錄彩虹的幾何位置。

參考文獻

[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.