افزودني هاي رنگ زا در پلاستيک ها (2)
افزودني هاي رنگ زا در پلاستيک ها (2)

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع :راسخون



پيگمنت هاي آلي ( organic pigments ) :

پيگمنت هاي آلي ، گستره ي وسيعي از لحاظ پيچيدگي ساختاري دارند . که ساختار اين مواد مي تواند به سادگي کربن بلک و يا به پيچيدگي ساختار چهارتايي پيگمنت هاي فتالوسيانين ( phthalocyanine pigments ) باشد . (شکل1)
استفاده از پيگمنت هاي آلي در آلياژها و آميخته هاي پليمري به سرعت در حال افزايش است که اين افزايش نتيجه اي از ديدگاه کاهش مصرف فلزات سنگين است .
به طورنمونه ، دوام رنگي پيگمنت هاي آلي 10 ـ 20 بار بيشتر از رنگ هاي غيرآلي مورد مقايسه است و اين به خاطر اين است که رنگ هاي آلي ذرات کوچکتري نسبت به رنگ هاي غيرآلي دارند .

( گستره ي اندازه ي ذرات رنگ هاي آلي در حد 0/05 ميکرون است ) به عبارت ديگر ، اندازه ي ذرات کوچکتر قابليت توليد رنگ هاي شفاف را فراهم کرده است . و به عبارتي ، اين بدين معني است که پيگمنت هاي آلي معمولاً مشکلات بسياري براي پراکنده شدن در جسم دارند . همچنين پيگمنت هاي آلي از نوع غيرآليشان گران تر هستند ولي به دليل توانايي داخلي اين پيگمنت هاي آلي ، آنها در بعضي مواقع از لحاظ اقتصادي به صرفه تر هستند .
به طور عمومي ، تحقيقات انجام گرفته به وسيله ي ما نشان مي دهد که جايگزيني پيگمنت هاي حاوي فلزات سنگين باپيگمنت هاي آلي منجر به افزايش قيمت رنگ کردن مي شود . يکي ديگر از جوانب استفاده از پيگمنت هاي آلي ، پتانسيل واکنش اين مواد با رزين ها است . بسياري از پيگمنت هاي آلي داراي 0 = c ( گروه کربونيل ) به عنوان گروه رنگي مولکولي هستند . ( کلاً ساختار مولکول به صورتي است که باعث جذب نور در ناحيه ي مرئي مي شود ) رزين هاي پلي آميد عوامل کاهنده ي ضعيفي هستند که مي توانند گروه هاي کربونيل را به گروه هاي هيدروکسيل تبديل کنند . اين واکنش در اغلب موارد باعث تخريب گروه رنگي مولکول و از بين رفتن کامل رنگ مي شود . از اين رو نگراني در انتخاب پيگمنت هاي آلي هنگامي که مي خواهيم آلياژها و آميزه هاي پايه پلي آميدي را رنگ کنيم وجود دارد .

کربن بلک ( carbonblack ) :

پيگمنت هاي کربن بلک معمولاً با يکي از دو روش توليدي به دست مي آيند . بيشتر کربن بلک مورد استفاده ، به وسيله ي کاهش نفت خام به کربن و درطي فرآيند کوره اي در دماي بالا به دست مي آيد . از آنجا که مقدار کمي از هيدروکربن هاي آروماتيک چند هسته اي سرطان زا در محصول که بن توليدي به وسيله ي کوره و به صورت محصول فرعي به وجود مي آيد . بنابراين از اين دوده ي کوره براي توليداتش که به صورت مستقيم با مواد غذايي در ارتباطند ، استفاده نمي شود . فرآيند توليد کربن بلک از گاز طبيعي که در دماي پايين تري اتفاق مي افتد ، موجب توليد پيگمنت هايي مي شود که سالم تر بوده و توانسته اند از اداره ي کل غذا و داروي آمريکا ( FDA ) مجوز بگيرد . اين پيگمنت هاي توليدي را channel black مي نامند که قيمت بسيار بالايي نيز دارد . گستره ي شدت کربن بلک از گريدهاي با ثبات پايين ( انواع کاربردي با ابعاد 0/06 ميکرون ) تا گريدهاي با ثبات بالا ( با ابعاد کمتر از 0/015 ميکرون است .
که اين ماده داراي گريدهاي رسانا نيز هست . چندين گريد از کربن بلک با اندازه ي ذرات تقريباً 0/02 ميکرون وجود دارد . که تنها با افزودن 2pph از اين ماده به هر نوع ماده ي پلاستيکي ، خواص مقاومتي در برابر هوازدگي پلاستيک در حد عالي بهبود مي يابد . خواص کربن بلک به صورت خلاصه در جدول 2 آمده است . ( Table2.organic pigments )

جدول شماره 2

پيگمنت هاي فتالوسيانين ( phthalocyanine pigments ) :

نيازمنديهاي يک فرد فرموله کننده در ناحيه ي آبي ـ سبز درطيف رنگي ، به وسيله ي پيگمنت هاي فتالوسيانين به خوبي برآورده مي شود . اين پيگمنت ها همچنين يکي از بهترين پيگمنت ها از لحاظ قيمت براي کاربردهاي صنعتي است . به عنوان يک گروه ، اين پيگمنت ها که به صورت موفقيت آميز در يک آزمايشگاه تحقيقاتي ICI ، توليد شد ، خواص مشترک زير را دارند :
1 ـ قيمت پايين
2ـ دوام بالا
3 ـ تميزي و درخشندگي
4 ـ ثبات نوري عالي
5 ـ خواص مقاومتي خوب تا عالي در برابر هوازدگي
6 ـ شفافيت
7 ـ داشتن گواهينامه براي استفاده در محصولاتي که به صورت مستقيم با مواد غذايي در ارتباطند ( به جز استثناء )
تعدادي ديگر ازخواص اين پيگمنت ها در جدول 2 آمده است :
ساختاري که در شکل (1) مشاهده مي کنيد . ترکيب مادر پيگمنت هاي فتالوسيانين است . سيستم حلقه ي غيرقابل تغيير ( بدون اتم هاي هالوژن ) موجب ايجاد پيگمنت هاي آبي رنگ مي شود که داراي 2 حالت کريستالي است . اين دو حالت کريستالي آلفا ( قرمز تيره ) و فرم بتا(B) نام دارد . پيگمنت هاي تجاري عموماً داراي چند جانشيني کلر ( cl ) هستند ، که اين جانشيني ها موجب ايجاد پايداري گرمايي اضافه مي کنند . کلردار شدن سيستم حلقه ، باعث به وجود آمدن پيگمنت هاي سبز مايل به آبي مي شود . در آزمايشات انجام شده بر روي اين پيگمنت ها ، فهميده شد که اين نوع رنگ بيشترين پايداري گرمايي را در بين پيگمنت هاي آلي ( و حتي کربن بلک ) دارد . جايگزيني تعدادي از جانشيني هاي کلر با اتم هاي برم ( Br ) موجب ايجاد رنگ سبز تيره ي مايل به زرد مي شود . مشکلات عمده که در رابطه با استفاده از پيگمنت هاي فتالوسيانين در آميزه هاي پليمري و آلياژهايشان ايجاد مي شوند عبارت اند از :
1 ـ رنگ هاي آبي فتالو ( Phthalo blues ) درپلي استيرن به صورت اندکي حل مي شوند و اين امر باعث بروز مشکلاتي در هنگام کنترل فرايند رنگرزي مواد با پايه ي استيرن مي شود .
2 ـ همه ي پيگمنت هاي فتالو ( phthalo pigments ) ممکن است به عنوان هسته زا در رزين هاي کريستالي عمل کنند و اين مساله باعث ايجاد شرنيکج ( shrin kage ) و وارپيچ ( war page ) کنترل نشده در قطعه مي شود . و بايد از اين مواد با دقت فراواني در مواد کريستالي استفاده شود .
( توجه : پيگمنت هاي سبز فتالو بيشترين تاثير را ايجاد مي کنند ) .

پيگمنت هاي کويناکرايدون ( Quinacridone pigment ) :

اين نوع پيگمنت ها اولين بار در سال 1958 به صورت تجاري در آمدند . پيگمنت هاي QA ( کونيا کرايدون ) به سرعت در صنعت پوشش دهي ( Coating industry ) به عنوان جايگزيني براي پيگمنت هاي داراي فلزات سنگين ، استفاده شد . علت استفاده از اين پيگمنت ها خواصي چون دوام بالا ، ثبات نوري خوب ، خواص هوازدگي و قيمت معمولي است . در شکل 2 ساختارهاي سه نمونه از متداول ترين نوع از پيگمنت هاي مورد استفاده در صنعت پلاستيک نشان داده شده است . برخي از خواص اين پيگمنت ها در جدول 2 آمده است اين پيگمنت ها در گستره ي رنگهاي قرمز و بنفش قرار دارند .

 

پيگمنت بنفش 19 ( pigment violet ) حالت پلي مورفيک ( چند ريختي ) دارد و مي تواند به صورتي ساخته شود که رنگ آبي تيره ( در نوع کريستالي بتا ) توليد کند . ( که در واقع اين رنگ آبي مانند رنگ بنفش تيره ي مايل به قرمز است ) . اين پيگمنت همچنين در صورتي که در حالت کريستالي گاهاً ساخته شود ، مي تواند رنگ زرد تيره توليد کند . ( که در واقع اين رنگ زرد تيره مانند رنگ قرمز کم رنگ است ) با تنظيم اندازه ي ذرات پيگمنت هاي QA ، توليد کنندگان مي توانند گستره ي رنگ هاي قرمز تا بنفش تيره را توليد کنند .
پيگمنت دي کلره ي QA ( Pigment red 202 ) ، يک نوع پيگمنت قرمز روشن است که به نظر مي رسد کاربرد وسيعي در رزين هاي مهندسي و آميزه هاي شان دارد .
اين پيگمنت بالاترين پايداري گرمايي ( بالاتر از 550 فارنهايت ) را دارد و کمترين تمايل به حل شدن درطي پروسه ي ذوب کردن را دارد . البته اشکال اين پيگمنت اين است که هنوز مشخص نشده که آيا مي توان از اين پيگمنت در مصارفي که با غذا در ارتباط است ، استفاده کرد يا نه ؟
ديگر انواع پيگمنت هاي QA مخصوصاً پيگمنت بنفش 19 در مواد با پايه ي پلي استيرن حل مي شوند و نتيجه ي اين انحلال ، ايجاد رگه هاي فلئورسنت در داخل قطعه مي شود .
مشاهدات ما بر اين نکته دلالت دارد که اين خاصيت درپلي اتيلن کرفتالات ( PET ) نيز رخ مي دهد . پيگمنت هاي QA باپلي آميد نيز واکنش مي دهند ، که اين واکنش موجب کاهش عوامل رنگ زا و کم شدن شدت رنگ مي گردد . بنابراين اين پيگمنت ها براي آلياژها و آميزه هاي پايه پلي آميدي ( PA ) مناسب نمي باشند .

پيگمنت هاي پريلن ( Perylene pigments ) :

اين پيگمنت ها داراي حلقه ي ساختاري هستند که در شکل (3) نشان داده شده است .

 

پيگمنت هاي پريلن گروهي را تشکيل مي دهند که اعضاي آن دوام نوري و گرمايي بالايي دارند . اين پيگمنت ها ، رنگي در ناحيه ي قرمز از طيف ايجاد مي کنند . به طور کلي اين پيگمنت ها با سختي بيشتر و هزينه ي بيشتري نسبت به رنگ هاي قرمز و بنفش QA يکنواخت و پايدار مي شوند . در چندين دهه ي گذشته ، پرلين ها ، به طور وسيع در پوشش هاي خودرو مورد استفاده قرار گرفته اند و در نتيجه اين رنگ ها به طور روز افزون در قطعات پلاستيکي اتومبيل ها استفاده مي شوند . به دليل پايداري گرمايي بيشتر ، پرلين ها را مي توان درطيف وسيع تري از آميزه ها و آلياژهاي پليمري ، نسبت به پيگمنت هاي QA به کار برد . به هر حال مانند پيگمنت هاي QA ، اين رنگ ها نيز براي مواد پوشش دهنده ي رزين هاي پلي آميد توصيه نشده است .

ديگر پيگمنت هاي آلي پر کاربرد ( Other high performance organic pigments ) :

در جدول 2 ليستي از ديگر رنگ هاي آلي پرکاربرد آورده شده است که به صورت موفقيت آميز در آميزه ها و آلياژهاي پلاستيکي استفاده مي شوند . از اين گروه پيگمنت هاي تراکمي ثابت شده ( disazo condensation pigments ) ، بيشتر مورد توجه هستند که علت آن اجازه ي استفاده از اين پيگمنت ها در کاربردهايي است ، که با مواد غذايي در ارتباط هستند . البته بنابر گزارشات رسيده اين نوع پيگمنت ها موفقيت خاصي در رنگرزي پلي آميد 6/6 نداشته اند .

رنگ ها ( Dyes ) :

به دليل اينکه رنگ ها ( Dyes ) در داخل زمينه ي رزين و در طي فرآيند ذوب حل مي شوند ، مشکلي از لحاظ مساله ي يکنواختي و پخش شدگي نداريم . به عنوان يک قانون ! رنگ ها محدوديت حل شدن زيادي در رزين هاي پلي اولفين ( polyolefin resins ) دارند . پس بايد از استفاده ي آنها در آميزه ها و آلياژهاي حاوي پلي اولفين اجتناب کرد . تعدادي از خصوصيات مشترک رنگ هاي پر کاربرد به صورت زير است :
1 ـ شفافيت
2 ـ دوام رنگي عالي
3 ـ سهولت در يکنواخت سازي
4 ـ ثبات نوري عالي در رنگ هاي شفاف
به عبارت ديگر ، رنگ هاي پرکاربرد گران هستند ، ثبات رنگي خوبي دارند و عموماً تنها در هنگامي ثبات رنگي ضعيفي دارند که رنگ مورد استفاده حالت مات داشته باشد . به علاوه ، رنگ ها مي توانند باعث بروز اثرات نامطلوب بر روي مواد پلاستيکي شوند که اين اثرات شامل موارد زير است :
1 ـ رنگ ها مي توانند مانند نرم کننده عمل کرده و خواص گرمايي پلاستيک را کاهش دهند .
2 ـ رنگ ها ممکن است با مواد پلاستيکي واکنش دهند . براي مثال بعضي از گريدهاي رنگ حلال زرد 163 ( Dyes solvent Yellow 163 ) ، داراي يون هاي کلر مازاد هستند .
که بر اساس همين نمي توان از اين نوع رنگ در پلي کربنات استفاده کرد .
( يون هاي کلر واکنش تخريبي پلي کربنات را افزايش مي دهند ) .
دو گروه عمده از رنگ هاي مورد استفاده در رنگرزي مذاب مواد پليمري عبارت اند از :
1 ـ آنتراکينون ها ( Anthraquinones )
2 ـ پرينون ها ( Periones )
اين دو گروه عمده رنگ ها ، يک گستره ي کامل از رنگ هاي زرد تا بنفش را ارائه مي دهند همچنين اين رنگ ها براي رنگ آميزي آلياژها و آميزه هاي پلي آميدي نيز مناسب هستند .

آنتراکينون ها ( Anthraquinone Dyes ) :

 

رنگ هاي آنتراکينوني بر اساس ساختاري ايجاد شده اند که در شکل (4) ديده مي شود . خواص کليدي و مهم اين گروه در جدول 3 آورده شده است . اکثر رنگ هاي آنتراکينوني ، پايداري گرمايي کافي براي استفاده شدن در پلي کربنات و پلي استرترموپلاست را دارند . به هرحال ، همانگونه که در جدول 3 بيان شده است ، تعداد کمي از اين رنگ ها براي رزين هاي پلي آميدي و آلياژها و آميزه هايش مناسب هستند . حتي در مورد اين رنگها نيز بايد احتياط هاي لازم را انجام داد . اين مشاهده شده است که مواد پلي آميدي که با رنگ آنتراکينوني قرمز ، رنگ شده اند ، پس از گذشت زمان به صورت آهسته تغيير رنگ داده اند و آبي رنگ شده اند.يک فرضيه ي احتمالي براي اين تغيير رنگ اين است که ماده ي پلي آميدي رطوبت را به خود جذب کرده و رطوبت عامل تغيير رنگ شده است .

 

جدول شماره 3
رنگ هاي پرينوني ( Prinone Dyes ) :
شکل 5 نشان دهنده ي ساختار سولونت ارانژ 60 ( solvent orange60 ) است . اين رنگ از جمله رنگ هاي پرنيوني است . خواص 3 نوع مهم از رنگ هاي پرنيوني در جدول 3 آورده شده است . رنگ هاي S060,SR135 ، استفاده ي زيادي در رزين هاي مهندسي دارند ، که از هر دوي اين رنگ ها در عدسي هاي مورد استفاده در صنعت اتومبيل سازي ، استفاده مي شود . از SR135 براي رنگ کردن چراغ قرمز عقب ( tail-light-red) اتومبيل ها ( هر دو نوع اکريليکي و پلي کربناتي ) استفاده مي شود .

 

از رنگ نارنجي SO در چراغ هاي کهربايي پارکينگ ها ( Parking light amber ) استفاده مي شود . که هر دوي اين رنگ ها به خاطر پايداري گرماييشان ، کاربردهايي متنوعي در آلياژهاي مهندسي و آميزه ها به دست آورده اند .
SR135 باپ لي آميد واکنش مي دهد و براي کاربردهايي که داراي نايلون 6 يا 6/6 هستند توصيه نمي شود . به تازگي ، همچنين توليد کننده ها ترجيح داده اند که از SR179 استفاده کنند . SR179 ، يک پرنيون باپايداري گرمايي ممتاز است و دوام بهتري نسبت به SR135 دارد . اين رنگ رفتار بسيار خوبي در پلي آميد 6 و پلي آميد 6/6 ( حتي در زير فشارهاي برشي ناشي از قالب گيري تزريقي ) دارد .

رنگ هاي فلئورسنت ( Fluoresent Dyes ) :

عوامل رنگ زاي فلئور سنت انرژي ناحيه ي UV نزديک را به طول موج نورمرئي تبديل مي کند . در واقع اين رنگ ها ، نور UV نزديک را گرفته و به طول موج نورمرئي تبديل مي کنند که نتيجه ي آن اين است که اجسام رنگ شده با اين رنگ ها نور بيشتري نسبت به نور دريافتي از خود ساتع مي کنند . اين به نظر مي رسد که اين مواد به واسطه ي نور تابيده شده درطي روز به آنها ، مي درخشد . رنگ هاي فلئورسنت به صورت وسيع در صنعت بسته بندي و براي جلب توجه مصرف کننده ، استفاده مي شوند . اکثر رنگ هاي فلئورسنت ( از لحاظ وزني ) براي توليد پيگمنت هاي فلئورسنت استفاده مي شوند ، که اين پيگمنت ها نيز با مقدار 5 ـ 2 درصد در يک حاصل اليگومر حل مي شوند . سپس اين حامل ها نيز باپلي اولفين هايي مانند HDPE ( براي بطري ها ) و PPRO ( براي درپوش ها ) همساز مي شوند . تعدادي از گريدهاي اين پيگمنت ها ، پايداري کافي براي همراه شدن با آلياژها و آميزه هايي که برپايه ي رزين هاي اولفيني يا استيرني هستند ، را دارند .
به هرحال يک زير گروه کوچک از اين رنگ ها ، پايداري مورد نياز براي رزين هاي مهندسي و آلياژها و آميزه هايشان را دارند . از طرف ديگر ، کسي نمي تواند از پايداري گرمايي به تنهايي به عنوان يک راهنما براي انتخاب رنگ فلئور سنت مناسب با يک ماده ، استفاده کند ؛ در واقع واکنش پذيري شيميايي وضعيت را متفاوت مي کند . براي مثال SO63 براي پلي آميدها مناسب نيست . ساختار سولونت گرين 5 ( SOLVENT GREEN 5 ) که يک زرد کم رنگ است ، درشکل 6 نشان داده شده است .

 

همچنين خواص سه نوع متداول از رنگ هاي فلئورسنت پرکاربرد در جدول 3 آمده است . همه ي رنگ هاي فلئورسنت براي کاربردهاي با گرماي بالا مناسبند و همگي داراي ثبات رنگ هستند و توليد رنگ هاي پر رنگ و سير مي کنند . همه ي اين رنگ ها قيمت بسيار سرسام آوري دارند . اين گستره ي قيمتي بين 75 الي 125 دلار بر واحد پوند ، متغير است .
برخي از انواع خاص اين رنگها که داراي درخشندگي شگفت آوري هستند ، قيمت تقريبي 3000 دلار بر واحد پوند دارند . با توجه به قيمت بالاي رنگ هاي فلئورسنت ، چه چيز باعث مي شود که يک توليد کننده از اين رنگ ها براي رنگرزي محصولات پلاستيکي ، استفاده کند ؟!
در جواب اين سوال بايد گفت که در اغلب موارد ، موادي که رنگ مي شوند ، بسيار مات هستند و حالت کدري ذاتي در آنها به وجود مي آيد . و در اغلب موارد نيز تنها وسيله اي که به واسطه ي آن اين خواص ذاتي بهبود مي يابد و رنگ ايجاد شده تميز و درخشنده مي شود ، استفاده از رنگ هاي فلئورسنت در آنهاست .
* استفاده از مطالب اين مقاله با ذکر منبع « راسخون » بلامانع مي باشد .
منبع: Coloring Technology for plastics / RonaldM.Harris,Editor