Substancje barwiące, używane do produkcji pigmentów, to cząstki stałe- organiczne i nieorganiczne, których właściwości wynikają z budowy chemicznej, rozmiarów, zdolności do rozpraszania lub absorbowania światła widzialnego itd.. Nie są one rozpuszczalne, dzięki czemu nie wchodzą w reakcje chemiczne z diluentem.
Podstawą do zrozumienia tematu często poruszanego przez linergistki jest poznanie podstaw kwalifikacji i definicji związków organicznych i nieorganicznych.
Związki organiczne posiadają bazowy szkielet węglowy, w którym węgiel ma wartościowość IV. Zaliczamy do nich m.in. węglowodory, aldehydy, kwasy karboksylowe, węglowodory aromatyczne (przykłady). (Do wyjątków, w których węgiel występuje na IV stopniu utlenienia zaliczamy m.in. następujące związki, będące nieorganicznymi: CO2- dwutlenek węgla, CS2-disiarczek węgla, SeC2- diselenek węgla, H2CO3- kwas węglowy IV i jego sole (węglany, wodorowęglany). Zatem związki organiczne NIE są z definicji substancjami naturalnie występującymi tylko w organizmach żywych oraz ich syntetycznymi pochodnymi. Mogą i najczęściej są syntetyzowane chemicznie.
Związki organiczne mogą też zawierać oprócz węgla praktycznie wszystkie pozostałe pierwiastki chemiczne. Najczęściej są to wodór, tlen i azot.
Związki nieorganiczne to wszystkie związki chemiczne niebędące związkami organicznymi, tj. takie, które nie zawierają atomów węgla (z wyjątkami wymienionymi wyżej). Ich pozyskiwanie odbywać się może również w wyniku technologicznych procesów chemicznych.
Przynależność cząstek barwiących do danej grupy związków można sprawdzić poprzez analizę tzw. indeksu kolorów z ang. Colour Index w skrócie C.I. Każda cząstka barwiąca używana do produkcji pigmentu ma przyporządkowany sobie numer C.I. Jeśli dany numer zawiera się w konkretnym przedziale liczbowym, oznacza to iż dana substancja jest organiczna lub nie.
- 11000-19999 – związki organiczne zawierające grupy monoazowe,
- 20000-39999 – związki organiczne, zawierające grupy diazowe,
- 40000-74999 – związki organiczne, zawierające m.in. grupy akrydynowe, tiazolowe, indaminowe, indofenolowe, azynowe, oxyazynowe, aminoketonowe,
- 75000-76999 – naturalnie występujące barwniki,
- 77000-77999 – pigmenty nieorganiczne
I tak np. fakt, iż związki organiczne zbudowane są z atomów węgla nie jest jednoznaczny z klasyfikacją cząstki barwiącej Carbon Black, C.I. 77266 potocznie nazywana węglem do tej grupy. Budowa chemiczna bazująca na połączeniach pomiędzy atomami węgla, a atomami innych pierwiastków, takich jak wodór, tlen, czy azot- to jedno. Natomiast cząstka substancji barwiącej nazwana Carbon Black, znajdująca się w przedziale należącym do związków nieorganicznych, (77000-77999)- to zupełnie inny „węgiel”, a raczej grupa substancji różniących się od siebie w zależności od sposobu ich otrzymywania.
Mimo, iż określenie wielkości cząsteczek substancji barwiącej jest możliwe (w przypadku kształtów kulistych możemy zdefiniować ich średnicę, natomiast bardziej skomplikowanych przestrzennie cząsteczek- 3 wymiary przestrzeni XYZ na osi), to nie występują one zazwyczaj w formie pojedynczej. W zależności od wielu czynników mogą mieć większą bądź mniejszą tendencję do agregacji, czyli „zlepiania się”. Występują one w postaci mieszaniny cząstek podstawowych, agregatów i aglomeratów.
Najmniejsze jednostki, występujące w formie niezwiązanej z innymi, to cząstki podstawowe. Mogą przylegać do siebie i grupować się, tworząc kolejno: agregaty i aglomeraty. Średni rozmiar cząsteczek podstawowych to ok. 10 do 100nm, agregatów: 50 do 500nm, a aglomeratów: powyżej 500 nm. Agregaty są klastrami złożonymi z cząstek pierwszorzędowych. Różnią się między sobą rozmiarem, kształtem, objętością i strukturą. Rozmiar agregatów wpływa na kolor i siłę krycia ale także na zapotrzebowania ilościowe rozpuszczalnika, w którym cząstki barwiące są rozproszone w pigmencie (gęstość pigmentu).
Wraz ze spadkiem odległości pomiędzy dwiema cząsteczkami podstawowymi lub ich agregatami, siła ich wzajemnego odpychania maleje stąd tendencja do przyciągania. Dzieje się tak do momentu osiągnięcia maksimum energii potencjalnej (w odpowiedniej odległości), po przekroczeniu której energia odpychania zaczyna rosnąć. Odległość, przy której następuje zwrot tendencji w energii przyciągania nazywa się studnią potencjałów. Jeśli agregaty znajdą się w stosunku do siebie w takiej właśnie odległości, przechodzą w aglomeraty. Mniejsze cząsteczki, tj. np. Carbon Black, obdarzone są większą energią powierzchniową, dlatego prawdopodobieństwo ich agregacji jest wysokie.
Rozmieszczenie wielkościowe cząsteczek barwiących (pierwszorzędowe: agregaty: aglomeraty) warunkuje właściwości pigmentu, m.in. jego:
- homogeniczność,
- stopień krycia,
- stabilność,
- współczynnik absorpcji światła (od którego zależy intensywność koloru),
- biodostępność (przenikanie pigmentu w odpowiednie warstwy podczas zabiegu)
Statystycznie średnia wielkość pojedynczych cząsteczek PODSTAWOWYCH wygląda następująco: Carbon Black (0,01-0,08 mikrometra) < Dwutlenek Tytanu (biel tytanowa)(0,22-0,24 mikrometra) < związki organiczne (0,01-1mikrometra) < pozostałe związki nieorganiczne (0,1-5mikrometrów)
Istotne przy analizowaniu właściwości cząsteczek jest określenie powierzchni ich obszaru. Powierzchnia obszaru cząsteczki pigmentu jest całkowitą powierzchnią stałą cząstek zawartą w 1 jego gramie. Im mniejsza cząsteczka pigmentu, tym większy jest jej obszar powierzchni, co oznacza więcej przestrzeni dla światła (fotonów), a co za tym idzie, większa siła barwiąca- wystarczy cienka warstwa dla uzyskania intensywnej barwy.
Z obszarem powierzchni cząstek pigmentu związane jest także zapotrzebowanie na ilość diluentu. Większe cząsteczki mają mniejszy obszar powierzchni, przez co wymagają mniejszej ilości rozpuszczalnika, niż małe cząsteczki (dlatego m.in. pigmenty bazujące na wielkocząsteczkowych zw. nieorganicznych mogą być gęstsze)
Rozmiar cząsteczki pigmentu wpływa na rozpraszanie i absorpcję światła, przez co warunkuje intensywność i krycie pigmentu. Zjawisko rozpraszania i absorpcji światła są w odmienny sposób zależny od wielkości cząsteczek. Optymalnie rozproszenie światła widzialnego wywołuje taka cząsteczka, której średnica jest mniejsza o ok. połowę od średniej długości fali światła widzialnego (gdzie dla przypomnienia zakres długości fal promieniowania EM odpowiadający światłu widzialnemu, to ok. 400 do 700nm, a przy obliczeniu przyjęto wartość 550nm jako reprezentatywną długość fali tego światła).
Na przykładzie cząsteczki bieli tytanowej (TiO2, C.I. 77891): Może ona występować w dwóch formach- o średnicy ok. 280nm (mocno kryjący, optymalna rozproszenie światła, słaba absorpcja) i 10nm- określany w skrócie mianem „nano” (bardziej transparentny, małe rozproszenie światła, wysoka absorpcja). Większa zdolność do absorpcji, a mniejsza do rozpraszania światła widzialnego, a co za tym idzie mniejsza siła kryjąca, a większa transparentność, idzie w parze ze zmniejszeniem rozmiaru cząsteczki.
Na siłę kryjącą pigmentu ma również wpływ współczynnik załamania światła- bezwymiarowa liczba (RI- z ang. Refractive index) opisująca jak szybko światło (fotny) „przechodzi” przez dany materiał. Współczynnik ten jest stosunkiem prędkości światła w próżni (C) i danym ośrodku (V) (konkretny materiał złożony z cząstek barwiących) RI=C/V Im większy współczynnik, tym prędkość światła w danym ośrodku jest mniejsza (zależność odwrotnie proporcjonalna).
Rozproszenie światła (refrakcja) rośnie wraz ze wzrostem różnicy współczynników refrakcji stykających się materiałów (w przypadku pigmentów PMU- cząstka barwiąca/diluent). Im ta różnica jest większa, tym pigment jest bardziej kryjący.
Przykład dwóch substancji: biel tytanowa (RI= 2,76) w diluencie, którego RI wynosi 1,44- duża różnica pomiędzy wartościami RI- duże rozproszenie światła, duża siła kryjąca ftalocyjaniana (związek organiczny) (RI=1,4) w diluencie, którego RI wynosi 1,44- mała różnica pomiędzy wartościami RI- małe rozproszenie światła. Słaba siła kryjąca, duża transparentność