Arabaların baktıkça değişen renkleri: efekt pigmentleri

Kısa cevap

Metalik ve sedefli boyalar rengini yalnız pigmentin kimyasından değil, boyanın içindeki milyonlarca ince pulun nasıl dizildiğinden alır: pullar yüzeye paralel yattığında ışığı ayna gibi belirli bir yöne gönderir, bu yüzden boya bir açıdan parlak, başka bir açıdan koyu görünür; sedefli pullarda üstelik ince bir oksit katmanındaki girişim, bakış açısına göre rengi de kaydırır. Metalik boyalı bir arabayı tamir etmek bu yüzden zordur: aynı formülle hazırlanmış boya bile, tabancadan geçen boya miktarı, katman kalınlığı ya da kuruma hızı değişince pulları farklı açılarla dizer ve yeni boya bir açıdan eşleşirken başka bir açıdan eskisinden ayrılır.

Pigmentin şekli de renktir

MA-02'den MA-05'e kadar pigmentleri kimyalarıyla tanıdık: hangi atomlar, hangi bağlar, hangi enerji basamakları. Bu ders tanecik şeklinin kendisinin bir renk aracı olduğu bir aileye bakıyor.

Sıradan bir pigment tanecikleri her yöne saçar; boyalı yüzey hangi açıdan bakılırsa bakılsın aynı rengi gösterir. Efekt pigmenti ise küçük aynalardan oluşan bir mozaik gibidir: ışık, pulların yüzeyine göre yansıma açısına doğru toplanır.

Metal pullar

Pfaff'a göre tipik metal efekt pigmentleri, çapı 100 mikrometreye kadar çıkabilen ve kalınlığı 1 mikrometreden az olan ince metal pullardır; en önemlisi alüminyumdur. Alüminyum pigmentler, ortaya çıkış sırasına göre üç türe ayrılır: kenarları düzensiz "mısır gevreği" türü, daha düzgün ve yuvarlak "gümüş dolar" türü ve metalin vakumda buharlaştırılmasıyla üretilen, en yeni ve en ince pullu VMP türü.

Bir metal pul ışığı soğurmaz, yansıtır. Pullar yüzeye paralel yattığında ışık, gelme açısına eşit bir açıyla geri döner. Bu yüzden metalik bir kaput, ışığın yansıdığı yönden bakıldığında parlak ve açık, başka bir açıdan bakıldığında koyu görünür. Sektörde bu farkı anlatan bir kavram vardır.

Sedef: ince katmanda girişim

Sedefli pigmentler başka bir fizikle çalışır. Pfaff'ın anlattığına göre bu pigmentlerin ilk ve hâlâ en önemli türleri, doğal mika pullarının üzerine titanyum dioksit ya da demir oksit kaplanmasıyla yapılır. Öğütülen mika pulları boyutlarına göre ayrılır, suda asılı tutulur ve üzerlerine bir titanyum ya da demir tuzu çözeltisi damlatılır. Pulun üzerinde büyüyen oksit katmanının kalınlığı, eklenen çözeltinin miktarıyla ayarlanır.

Bu sonucu bir hesapla görebiliriz. Mika üzerinde, akrilik bir bağlayıcının içinde duran tek bir titanyum dioksit katmanını ele alalım. Titanyum dioksidin kırılma indisi için MA-05'teki rutil dağılım formülünü, bağlayıcı için 1,49 değerini kullandık, mika için de yaklaşık 1,58 değerini varsaydık ve ince film yansıma formülüyle katmanın yansıttığı ışığın rengini hesapladık.

Tablo iki şeyi gösterir. Birincisi, aynı kimyasal madde yalnız kalınlığı değiştirilerek renksiz bir parıltıdan macentaya ya da yeşile dönüşebilir; bu renk soğurmadan değil girişimden gelir. İkincisi, aynı katman açı değiştikçe başka bir renge kayar. 100 nanometrelik katman dik bakışta mor, eğik bakışta turuncudur.

Bu hesap tek, düzgün bir katmanın idealize edilmiş davranışını verir. Gerçek bir pigmentte katman kalınlığı pulden pule biraz değişir, pullar tam paralel dizilmez ve mikanın alt yüzü de ışık yansıtır. Ama yön doğrudur: girişim renginin açıya duyarlılığı, sedefli boyanın hem güzelliği hem de sorunudur.

Hesabın bir sonucu daha var. Bu katmanlar en güçlü yansıttıkları dalga boyunda bile ışığın ancak dörtte biri ile üçte biri arasını geri gönderir; hesapta en yüksek yansıma yüzde 24 ile 35 arasında kaldı. Geri kalan ışık katmandan geçer. Bu geçen ışığın ne olacağı, katmanın altında ne bulunduğuna bağlıdır ve dersin örneğinde bu soru belirleyici olacak.

Pfaff, sektörün bu davranışı nasıl genişlettiğini de anlatır. Alüminyum pulların üzerine demir oksit katmanları kaplanan pigmentler, metal pulların yüksek örtücülüğünü demir oksidin soğurması ve girişimle gelen güçlü kırmızı, turuncu ve altın tonlarıyla birleştirir. Birkaç yıldır doğal mikanın yerine sentetik mika pulları da alt tabaka olarak kullanılabilmektedir.

Neden tamir etmek zor?

Kartın sorusu şudur: metalik boyalı bir arabayı tamir etmek neden zordur? Cevap, efekt pigmentinin renginin pulların dizilişine bağlı olmasındadır.

Deneyin ayrıntıları, farkın ne kadar ince bir ayardan doğduğunu gösterir. Boyada ortalama 16 mikrometre çapında alüminyum pullar kütlece yüzde 5 oranında bulunuyordu, bağlayıcı bir akrilik-melamin reçinesiydi ve kuru film kalınlığı yaklaşık 38 mikrometreydi. Araştırmacılar iki örnekte sırasıyla 410 ve 310 pulun eğimini tek tek ölçtü. Pulların eğim dağılımını kullanan model, yansıma yönüne yakın açılarda ölçümlerle iyi uyuştu ama bu yönden uzaklaştıkça sapma büyüdü; yazarlar bunu pul eğiminin tek saçılma kaynağı olmamasına, örneğin yüzeyin kendi saçılmasına bağladı.

Bu deney, tamircinin sorununu küçük ölçekte anlatır. Yalnız tabancanın akış ayarını değiştirmek bile bir üretim hattında ret sebebi olabilecek bir fark yaratıyorsa, aynı formülün başka bir tabancayla, başka bir basınç ve akış ayarıyla, başka bir sıcaklıkta ve başka bir kuruma süresiyle uygulanması da pulların dizilişini değiştirebilir. Yeni boya ile eski boya, dik bakışta birbirini tutabilir ama eğik bir açıdan bakıldığında iki panelin açıklıkları birbirinden ayrılır. Sedefli boyalarda buna bir de tablodaki renk kayması eklenir: bir açıda eşleşen iki panel, öbür açıda farklı tonlara kayabilir.

Tek bir açıdan ölçüm yapan bir renk ölçer bu yüzden yetmez. Efekt boyaları birkaç açıdan ölçmek için özel cihaz geometrileri kullanılır; bu geometrilerin ayrıntısı EN-03'ün konusudur. Ölçüm yalnız farkın varlığını ve büyüklüğünü söyler; farkı gidermek için tamircinin uygulama koşullarını yeniden ayarlaması gerekir, yani fabrikada tek seferde yapılan işi başka koşullarda yeniden kurması.

Örnek — tende sedef

Sedefli pigmentler otomobil kadar kozmetikte de kullanılır; Pfaff, pigmentlerin başlıca kullanım alanları arasında otomotiv boyalarının yanında kozmetik formülleri de sayar. Burada ten rengi, girişim renginin ne kadar görüneceğini belirleyen bir değişkene dönüşür.

Girişim katmanı ışığı soğurmaz: yansıtmadığı dalga boylarını geçirir. Geçen ışık altındaki yüzeye ulaşır ve o yüzey onu yansıtırsa katmandan geri çıkar. Yansıyan ve geçen ışıklar birbirini tamamlar; ikisi birleşince renk birbirini sönümlemeye yönelir. Altındaki yüzey koyuysa geçen ışık soğurulur ve yalnız yansıyan girişim rengi görünür.

Bunu hesapladık. 140 nanometrelik yeşil girişim katmanını, açıktan koyuya dizilen dört ten renginin her birini tamamen örten bir tabaka olarak düşündük; ten yansımasını bu dört renkten tahmin edilen spektrumlarla temsil ettik ve katmanın geçirdiği ışığın tende yansıyıp katmandan geri çıkışını da hesaba kattık.

• F1C7A9 gibi açık bir tende katman, tenin rengini CIEDE2000'e göre yalnız 3,1 birim değiştirir ve ortaya çıkan ton, katmanın kendi yeşilinden 110 derece uzaktadır: girişim rengi neredeyse görünmez.
• C68863'te fark 11,7'ye, 8D5524'te 28,8'e çıkar.
• Dört örneğin en koyusu 4A2C1D'de fark 42,6'dır ve ortaya çıkan ton, katmanın kendi renginden yalnız 8 derece uzaktadır: yeşil, olduğu gibi görünür.

Aynı hesabı 100 nanometrelik mor katmanla tekrarladığımızda tablo değişmedi: açık tende fark 5,2 birimde kaldı ve ortaya çıkan ton katmanın renginden yaklaşık 90 derece uzaktı, en koyu tende fark 31,0 birime çıktı ve ton katmanın renginden yalnız 3 derece ayrıldı. Bu sonuç, girişim renginin açıyla kaymasının da koyu tende daha görünür olmasını bekletir; ama bunu ayrıca hesaplamadık ve bir ölçümle sınanması gerekir.

Aynı sedefli ürün açık bir tende hafif bir parıltı, koyu bir tende belirgin bir renk olarak okunur. Bu hesap basit bir modeldir; gerçek bir üründe pullar tende düzensiz dağılır, aralarında boşluk kalır ve deri ışığı içinde saçar. Ama yön fiziğin kendisinden gelir: girişim renkleri koyu bir zemin üzerinde en güçlü görünür. Hangi etkinin istendiği ise bir tercih meselesidir; hesap yalnız aynı ürünün farklı tenlerde neden farklı durduğunu açıklar.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Efekt pigmentleri optik etkisini ince ve düz pullardan alır; metal pullar ışığı ayna gibi yansıtıp boyaya açıya bağlı bir açıklık farkı verir, sedefli pullarda ince oksit katmanındaki girişim renk üretir.
2. Girişim rengi katman kalınlığına ve bakış açısına bağlıdır: hesapta 100 nanometrelik bir titanyum dioksit katmanı dik bakışta mor, eğik bakışta turuncudur.
3. Metalik boyayı tamir etmek zordur, çünkü aynı formül bile farklı uygulama koşullarında pulları farklı dizer; NIST deneyinde yalnız tabancanın akış ayarını değiştirmek, üretim hattının ret sınırlarında gözle görülür bir fark yarattı. Girişim renkleri koyu bir zemin üzerinde en güçlü görünür; aynı sedef koyu tende belirgin bir renk, açık tende hafif bir parıltı verir.

Kendini sına

1. (Kolay) Efekt pigmentlerinin optik etkisi neye dayanır?
2. (Kolay) Sedefli pigmentler nasıl üretilir?
3. (Orta) Metalik boyalı bir arabayı tamir etmek neden zordur?
4. (Orta) Metalik bir kaput neden bir açıdan açık, başka bir açıdan koyu görünür?
5. (Zor) Aynı titanyum dioksit katmanı neden bakış açısına göre farklı renk verir?
6. (Zor) Aynı sedefli katman neden melanince zengin bir tende belirgin bir renk, açık bir tende ise yalnız hafif bir parıltı olarak görünür?

Cevaplar

1. İnce ve düz, hizalanmış pullardan ışığın yönlü yansımasına ya da ince katmanlardaki girişime («Pigmentin şekli de renktir»).
2. Öğütülüp boyutlarına göre ayrılan mika pulları suda asılı tutulur ve üzerlerine titanyum ya da demir tuzu çözeltisi eklenerek bir oksit katmanı büyütülür; katmanın kalınlığı eklenen çözeltinin miktarıyla ayarlanır («Sedef: ince katmanda girişim»).
3. Efekt boyasının görünüşü pulların dizilişine bağlıdır ve diziliş uygulama koşullarıyla değişir; tamirhanede tabanca, akış, kalınlık ve kuruma fabrikadakinden farklıdır. NIST deneyinde aynı formül yalnız farklı akış ayarıyla uygulanınca gözle görülür bir fark çıktı ve fark üretim hattının ret sınırlarındaydı («Neden tamir etmek zor?»).
4. Yüzeye paralel dizilmiş metal pullar ışığı ayna gibi yansıma yönüne toplar; o yönden bakıldığında çok, başka yönlerden az ışık gelir («Metal pullar»).
5. Katmanın üst ve alt yüzeyinden yansıyan dalgaların arasındaki yol farkı açıya bağlıdır; açı değişince güçlenen ve sönen dalga boyları kayar. Hesapta 100 nanometrelik katman dik bakışta mor, 70 derecede turuncu çıkar («Sedef: ince katmanda girişim»).
6. Katman yansıtmadığı dalga boylarını geçirir; açık ten bu tamamlayıcı ışığı geri gönderir ve girişim rengi birbirini sönümler, koyu ten ise onu soğurur ve yalnız girişim rengi kalır. Hesapta fark açık tende 3,1, dört örneğin en koyusunda 42,6 birimdir («Örnek — tende sedef»).

Kaynaklar

• Pfaff, G., «The world of inorganic pigments», ChemTexts 8: 15, 2022.
• Sung, L.-P., Nadal, M. E., McKnight, M. E., Marx, E. ve Laurenti, B., «Optical reflectance of metallic coatings: Effect of aluminum flake orientation», Journal of Coatings Technology 74(9): 55–63, 2002.
• Pfaff, G. ve Reynders, P., «Angle-Dependent Optical Effects Deriving from Submicron Structures of Films and Pigments», Chemical Reviews 99(7): 1963–1982, 1999.
• Devore, J. R., «Refractive indices of rutile and sphalerite», Journal of the Optical Society of America 41: 416–419, 1951.

Sonraki adım

MA-11, pigmentlerin zamanla neden değiştiğine geçiyor: ışığın, yıkamanın ve kimyasalların renk kaybına etkisini, fotodegradasyonu ve ışık haslığı ölçeklerini, müzelerin bazı eserleri neden loş ışıkta sergilediğini ve solmuş tabloların aslında nasıl göründüğünü soruyor. EN-03 ise bu dersin ölçüm sorununu cihaza taşıyor: 45/0 ve küresel geometrileri, parlaklığın ölçüme dahil edilip edilmemesini ve efekt boyalar için kullanılan çok açılı ölçümü anlatıyor.