Дифракция света и размер частицы

Эффект дифракции света - еще один фактор, влияющий на степень, с которой пигмент рассеивает свет, схематично показан на рис. 3. Здесь луч света, проходящий вблизи частицы, изгибается. Данное явление связано со способностью частицы пигмента рассеивать свет в смежной с ней области в несколько раз сильнее, чем в пределах поперечного сечения самой частицы. Для максимально эффективного рассеивания света необходимо, чтобы диаметр частицы пигмента был немного меньше половины длины волны рассеиваемого света. Поскольку человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому свету (с длиной волны около 0,55 мкм), то средний диаметр частиц, промышленно выпускаемых для пластиков пигментов Ti0₂,составляет 0,2 - 0,3 мкм.

Рассеяние света, вызываемое дифракцией, зависит от взаимного расположения частиц пигмента и среднего их размера. Если частицы слишком большие по размеру или близко расположены друг от друга, то дифракция незначительна. Если частицы слишком малы по размеру, то лучи света не "почувствуют" их.

Размер частицы и рассеивающая способность

Кривые на рис. 4, полученные на основании теоретических расчетов для очень разбавленных систем, показывают относительную рассеивающую способность рутильной модификации Ti0₂ для синего, зеленого и красного спектров света в зависимости от размера частиц Ti0₂. При размере частиц около 0,2 мкм наблюдается максимальное рассеяние света для всех длин волн. С увеличением размера частиц до 0,25 - 0,30 мкм рассеяние синего начинает быстро уменьшаться, в то время как рассеяние зеленого и красного света остается практически на том же уровне. При диаметре частицы 0,15 мкм, что соответствует максимальному рассеянию синего света, наблюдается резкое падение рассеяния в красном и синем диапазонах спектра. Так что, по мере того как пигмент Ti0₂ начинает приобретать голубой оттенок, он начинает частично терять свою способность рассеивать свет.

Рис.4 Зависимость относительной рассеивающей способности рутила от размера его частиц
 

Размер частицы и его влияние на цвет продукта

В светопрозрачном белом полимере, который пигментирован до полной укрывистости, изменение размера частиц Ti0₂ не оказывает никакого эффекта на цвет продукта, поскольку весь свет, падающий на его поверхность, полностью отражается. Представленное на рис. 5 поперечное сечение подобной белой непрозрачной пленки демонстрирует подобный случай. Синий свет, имеющий самые короткие длину волны и путь рассеяния, и красный свет, имеющий самые длинные длину волны и путь, полностью отражаются; при этом визуальный эффект такой же, как если бы весь свет прошел путь одинаковой длины.

В прозрачной белой пленке размер частицы пигмента влияет на цвет как поглощенного, так и отраженного света. Рассмотрим цвет поглощенного света: по мере уменьшения размера частиц все большая часть синего света отражается, и все большая часть желтого цвета пропускается. С учетом этой закономерности, если требуется передать синий свет, то предпочтительней выбирать диоксид титана с уменьшенным размером частиц пигмента.

Если к полимеру, содержащему диоксид титана, добавить абсорбирующий пигмент типа углеродной сажи или цветной пигмент, то с наибольшей вероятностью будет поглощен красный свет, имеющий самую большую длину волны. Уменьшение размера частиц Ti0₂ в этом случае приводит к снижению рассеяния красного света и усилению синего цвета. Таким образом, в непрозрачном полимере, содержащем некоторое количество светопоглощающего вещества в виде окрашенного пигмента, уменьшение размера частиц Ti0₂ приводит к усилению синевы, что наблюдается в отраженном свете. Подобное явление характерно для светорассеивающих пигментов и именуется "оттенком".