افزودني هاي رنگ زا در پلاستيک ها (1)

مقدمه ( Introduction ) :

رنگ کردن پلاستيک ها در حالت مذاب يکي از مهمترين کارهاي انجام شده براي افزودن خواص مناسب و جديد به رزين هاي پليمري است ؛ که به توليد کننده اين امکان را مي دهد که بتواند توليدات خود را بهتر به فروش برساند . اضافه نمودن مواد رنگي ، نه تنها موجب فروش بيشتر توليدات رنگ شده مي شود ، بلکه باعث به وجود آمدن برخي از خواص ديگر مانند دوام بيشتر در برابر اشعه ي UV ، در محصول توليدي مي شود . علاوه بر اين ، رنگ کردن در حالت مذاب معمولاً نياز به مراحل جداسازي ( Separate ) ، خروج از خط توليد ( off-line ) و رنگ زني ( painting step ) را ندارد و بدين صورت هزينه ي کلي توليد کاهش مي يابد . سابقاً ، سيستم رنگ با زمينه ي پلاستيک آميخته مي شد ، به هرحال ، سيستم رنگ بخش جدايي ناپذير ماده مي شد و امکان داشت که موجب دگرگوني در مهندسي، عملکرد و خواص فرآيندي ماده بشود که اين امر در طي توليد و فرمول بندي مواد جديد ، مطلوب نبود . و رنگ زني صراحتاً به عنوان يک مشکل براي مصرف کننده و همچنين يک عامل منحرف کننده براي کسي که کار فرمولاسيون پلاستيک هاي جديد را بر عهده داشت ، محسوب مي شد .
اين متخصص کار فرمولاسيون ( کسي که معمولاً در مورد نکات عميق علم پليمر آموزش نديده است ) براي انتخاب يک رنگ مناسب و با قيمت اقتصادي ، انتخاب مي شود و اين باعث بروز مشکلاتي مي شود . در واقع وظيفه ي اين متخصص هنگامي که پليمرها آميخته شده و تشکيل آلياژ مي دهند ، بحراني تر مي شود . ( در هنگام کار با اين پليمرهاي آلياژي پرکاربرد ، حتي تغيير کوچکي در ترکيب شيميايي باعث تغيير خواص پليمر مي شود . )
هدف اين مقاله ، بالا بردن اطلاعات خواننده در مورد رنگ هاي مورد نياز براي ساخت سيستم هاي مناسب پليمري است . همچنين ما در مورد انواع اصلي و عمده ي عوامل رنگ زاي مناسب براي استفاده در آميزه هاي پليمري پرکاربرد و آلياژهاي پليمري ، صحبت مي کنيم .

انواع اصلي عوامل رنگ زا ( The major classes of colorants ) :

عوامل رنگ زاي ( colorants ) مورد استفاده درپلاستيک ها به دو گروه بسيار گسترده تقسيم مي شود که شامل پيگمنت ها ( pigment ) و رنگ ها ( Dyes ) مي شوند .
تعريف پيگمنت : پيگمنت يک عامل رنگ زا است که علاقه اي به حل شدن در زمينه ي پليمري ندارد .
تعريف رنگ : رنگ عامل رنگ زايي است که به صورت حل شده در داخل زمينه ي پلاستيک قرار مي گيرد .
بنابر تعريفات انجام شده پيگمنت ها مانند يک فاز مجزا در داخل پلاستيک قرار مي گيرند و بنابراين در بين پيگمنت و زمينه ي پلاستيکي يک مرز بين فازي وجود دارد که اين مساله جاي تامل دارد و ممکن است که مشکلات مصرف کننده نيز از همين مرزها ايجاد شده باشد .

پيگمنت هاي غير آلي ( Inorganic pigments ) :

پيگمنت هاي غيرآلي ، نمک هاي فلزي و اکسيدها هستند . اين عوامل رنگ زا مي توانند يک لايه از يک جسم پلاستيکي را با رفتار قابل پيش بيني رنگي کنند . اکثر اين عوامل رنگ زا داراي ذراتي با ابعاد ميانگين بين 0/2 تا 1/0 ميکرون هستند . توليد کنندگان ، رنگ هاي مرغوب را با زدودن ذرات بالاتر از 5 ميکرون ، توليد مي کنند . اين ذرات با ابعاد بالاتر از 5 ميکرون باعث آلگومره شدن رنگ مي شوند . پيگمنت هاي غيرآلي به جز چند استثناء ، مواد خام ارزان قيمت هستند که در جدول 1 نشان داده شده اند . به خاطر دوام نسبتاً پايين اين رنگ ها ، اين پيگمنت ها هميشه بهترين کيفيت را ندارند . تعدادي از خواص خوب که ممکن است درپيگمنت هاي غيرآلي باشد در زير آورده شده است :

جدول شماره 1
1 ـ آساني در تهيه ي پودر اين پيگمنت ها ( انرژي نسبتاً کمي براي شکستن ذرات پيگمنت ، پوشش دهي باپلاستيک ها و يکنواخت سازي ذرات آنها مورد نياز است )
2 ـ مقاومت گرمايي و مقاومت به هوازدگي خوب
3 ـ کوچک بودن در عين واکنش پذيري
قطعاً در اين ميان استثناهايي وجود دارد که به دليل اينکه از حد حوصله ي خواننده خارج است ، از آنها مي گذريم مثلاً : واکنش پذيري يک مشکل پنهان در هر نوع سيستم پليمري است .

اکسيدهاي فلزي ساده :

چندين عامل رنگ زاي ارزان قيمت که سازگاري خوبي باطيف وسيعي از انواع پليمرها دارند ، ساختار ساده اي دارند . آنها تنها اکسيدهاي فلزي ساده هستند . براي راحتي ما 4 مثال عمومي و عمده از اين نوع عوامل رنگ زا ، که مورد استفاده قرار مي گيرد را در جدول 1 نشان داده ايم . همچنين تعدادي از خواص اين مواد نيزدر بخش کناري جدول آمده است .

تيتانيم دي اکسيد ( Titanium Dioxide ) :

تيتانيم دي اکسيد که به آن تيتانيا نيز گفته مي شود ، گران ترين و پرکاربردترين پيگمنت مولد رنگ سفيد است که در جدول 1 آورده شده است . در اکثر کشورها ، تقريباً تمام تيتانياي مورد استفاده از معادن و به وسيله ي « فرآيند کلريد » به دست مي آيد . اگرچه TiO2 را يک ماده ي خنثي مي دانيم ، ولي کريستال هاي اين ماده داراي نقص هستند . و يک اکسيژن از بين 100000 عدد اکسيژن در داخل ساختار وجود ندارد . اين عيب باعث مي شود که هر ذره بي تيتانا ( با ابعاد بين 0/2 الي 0/3 ميکرون ) يک ناحيه ي واکنش پذير (+) Ti در روي سطح يا نزديک به سطح خود داشته باشد . در طي « فرآيند کلريد » تعدادي از اين نواحي با يون هاي کلريد پيوند مي دهند . که اين پيوند ميان ( +) Ti و (-) cl مي تواند مشکلات موجود را در برخي از آميزه ها و آلياژهاي پليمري ، دو برابر کند .
يون هاي تيتانيم مي توانند با گستره ي وسيعي از مواد آلي واکنش داده و تيتانات آلي ( organictitanates ) ايجاد کنند که اين تيتانات آلي مي تواند هر نوع واکنشي را تسريع دهد . براي مثال ، شيميدان هايي که در زمينه ي پليمر کار مي کنند از تيتانات هاي آلي براي تسريع واکنش پليمريزاسيون پليمرها استفاده مي کنند . به علاوه ، يون هاي کلر ، باعث افزايش تخريب و از هم پاشيدگي پلي کربنات ( PC ) مي شوند . از اين رو تعدادي از گريدهاي تيتانا براي استفاده در آميزه ها و آلياژهاي محتوي پلي کربنات مناسب نمي باشند . براي به حداقل رساندن واکنش پذيري اين پيگمنت مهم ( TiO2 ) ، توليد کننده ها انواع خاصي از پلاستيک ها را توليد کرده اند که اين پلاستيک ها با خواص منحصر به فردشان ، نواحي واکنش پذير را با آلومينا ، سيليکا و يا سيال سيليکوني ( Silicone fluid ) پوشش مي دهند .
تيتانا داراي دو حالت کريستالي روتيل ( rutile ) و آناتاس ( anatase ) است که هر دو حالت کريستالي آن سختي ( در مقياس موهس ) بالايي دارند و جزء ساينده ها به حساب مي آيند . به خاطر سختي بالاي اين ذرات ، مشکلاتي به وجود مي آيد مثلاً ذرات پيگمنت اين ماده مي توانند الياف شيشه اي را ببرند و به اندازه ي زيادي از استحکام کششي آلياژها و آميزه هاي ترموپلاست تقويت شده با الياف شيشه بکاهند .

قرمز اکسيد آهني مصنوعي ( Synthetic Iron Oxide Reds ) :

پيگمنت هاي قرمز رنگ حاصل از اکسيد آهن مصنوعي از لحاظ شيميايي فرمول Fe2O3 دارند . اين پيگمنت ها ، مقدار زيادي از نور تابيده شده به آنها را جذب کرده و حالت کدر مانند دارند ، همچنين اين پيگمنت ها نسبتاً ضعيف و داراي حالت چرکين هستند . البته اين رنگ يا گستره ي وسيعي از رنگ ها را مهيا مي کند . عامل (3+) Fe به عنوان اسيد لوييس عمل مي کند و حتي غلظت هاي کم اين پيگمنت براي پلي وينيل کلرايد ( PVC ) ايجاد مشکل مي کند ، و براي آميزه ها و آلياژهاي پليمري محتوي PVC مناسب نيست . در غلظت هاي بالاتر ، اين پيگمنت ممکن است بر روي مواد پلي کربناتي ( PC ) نيز تاثيرات مضر بگذارد کرم ( III ) اکسيد ( Chrome (III)Oxide ) :
کرم ( III ) اکسيد يک رنگ تيره ي سبز زيتوني ايجاد مي کند که اين پيگمنت اگر چه ضعيف است ولي داراي پايداري گرمايي و مقاومت در برابر هوازدگي عالي است .
به دليل اينکه ديگر انواع پيگمنت هاي سبز رنگ با استحکام بالاتر و حالت تميزتر ( از لحاظ جلوه ي رنگ ) در دسترس است ، پيگمنت هاي کرم اکسيدي معمولاً براي کاربردهاي بيروني اختصاص يافته است .

پيگمنت هاي اکسيد فلزي مخلوط ( Mixed Metal Oxide Pigments ) :

اکسيدهاي فلزي مخلوط ( MMO ) يک دسته ي بزرگ از پيگمنت هاي کلسيته هستند . ( مرحله ي پاياني تهيه ي آنها مربوط به گرم کردن آرام اين مواد در دماي 1100 درجه سانتيگراد است ) که ابتدائاً براي سراميک ها توليد شدند . اين مواد مقاومت در برابر هوازدگي عالي و پايداري گرمايي خيلي خوبي دارند . به عنوان يک گروه ، آنها کمترين واکنش پذيري را دارند ؛ براي مثال علاقه ي زيادي به استفاده از اين مواد با مواد شامل گروه هاي وينيل است . ولي اين پيگمنت ها ، ثبات رنگي پاييني دارند و بر اساس قاعده ، اين پيگمنت ها نيز ساينده ي الياف شيشه اي هستند . در جدول 1 خواص تعدادي از پيگمنت هاي متداول اکسيد فلزي مخلوط نشان داده شده است .
بسياري از پيگمنت هاي MMO شامل مقدار قابل توجهي ( تقريباً 10 درصد ) آنتيموان هستند . آنتيموان ماده اي است که به وسيله ي برخي از سازمان هاي تنظيمي به عنوان يک فلز سنگين شناخته شده است . به خاطر اينکه آنتيموان يک فلز سنگين است ، امروزه نوع بدون آنتيموان از اين پيگمنت نيز به وسيله ي برخي از منابع توليدي ، مهيا شده است ولي قيمت اين نوع از پيگمنت ها نسبت به حالت قبلي خود تقريباً 25 ـ 50 درصد بيشتر است .
در گذشته ، در ساخت پيگمنت هاي MMO مشکلاتي ناشي از بدي پراکندگي و يکنواختي وجود داشت که باعث به وجود آمدن ذرات ناخواسته در رنگ مي شد اما اخيراً ، تمام توليد کنندگان عمده ي اين بخش ، الياف پلي آميد را به عنوان يک بازار پر منفعت انتخاب کردند و پراکندگي و يکنواختي ذرات را بهبود داده اند و توانسته اند مشکلات ناشي از يکنواختي را بر طرف کنند . در جدول 1 چند ترکيب از فلزات و توليدات رنگي نشان داده شده است .

پيگمنت هاي فلز سولفيدي ( Metal Sulfide pigments ) :

اين گروه شامل پيگمنت هاي روي سولفيد ( ZnS) و پيگمنت هاي بر پايه ي کادميوم مي شود .
ZnS يک پيگمنت سفيد رنگ است که جايگاه ويژه اي در رنگرزي رزين هاي تقويت شده با شيشه دارد . پيگمنت هاي کادميومي يک گروه از پيگمنت هاي رنگي روشن ( از زرد گرفته تا نارنجي و قرمز ) را توليد مي کند . بعضي از خواص پيگمنت هاي فلز سولفيدي در جدول 1 آورده شده است . روي سولفيد سفيد ZnS:(Zinc Sulfide white) يک پيگمنت سفيد رنگ است که تقريباً دوام رنگ و ماتي آن نصف پيگمنت هاي تيتانيايي است . دو خاصيت ويژه ي آن عبارت اند از :
1 ـ سختي ( در مقياس موهس ) اين مواد کم است و اين باعث مي شود که بتوان از اين مواد در رزين هاي تقويت شده با الياف شيشه استفاده کرد .
2 ـ رفتار جذبي بسيار کمتر در ناحيه ي UV نزديک ، نسبت به پيگمنت هاي تيتانايي و به همين دليل ، اين ماده را مي توان با تعدادي از رنگهاي فلئورسنت استفاده کرد و بهترين خواص فلئورسنتي را دريافت کرد .
Zn(+2) ، همانگونه که در بالا گفته شد يک اسيد لوييس است ؛ بنابراين اکثر کساني که وظيفه ي فرمولاسيون رنگ ها را بر عهده دارند ، از استفاده ي ZnS در آميزه ها و آلياژهاي داراي پلي کربنات جلوگيري مي کنند .

کادميوم سولفيد و سولفوسلنيدها ( Cadmium sulfides and sulfoselenides ) :

CdS کلسيته يک پيگمنت با رنگ نارنجي روشن متمايل به زرد است که ثبات رنگي عالي و پايداري گرمايي بسيارخوبي دارد .
اين نوع پيگمنت در اتمسفر مرطوب دوام نياورده و پيگمنت مناسبي براي کاربردهاي بيروني ( فضاي آزاد ) نيست . با ترکيب zn,cd ( درصد zn بيش از 12 درصد باشد ) مي توان زرد کم رنگ و زرد ليمويي را به دست آورد . جايگزيني تعداد کمي از اتم هاي گوگرد با سلنيوم ، ناحيه ي رنگ توليدي توسط اين پيگمنت را به ناحيه ي قرمز شيفت مي دهد . اگر کل اتم هاي گوگرد با سلنيوم جايگزين شوند ، باعث به وجود آمدن cdse مي شوند که يک پيگمنت خرمايي رنگ مايل به قرمز ( maroon pigment deep )توليد مي کند .
پيگمنت هاي پايه کلادميومي به صورت سنتي و به طور وسيع در رزين هاي مهندسي مانند پلي آميد ، پلي آميد 6/6 ، پلي کربنات ، پلي استرترموپلاست و آلياژها و آميزه هايشان ، استفاده مي شود . به هر حال کادميوم يک فلز سنگين است که اين مورد توسط همه ي سازمان هاي نظارتي تصديق شده است . ( براي مثال ، cd يکي از 4 فلز سنگين است که در اکثر قوانين دولتي مربوطه ، به آن اشاره شده است ) از اين رو ، مواد مهندسي داراي فرمولاسيون بدون cd در حال ساخته شدن هستند و به طور يقين پيگمنت هاي پايه کادميومي با پيگمنت هاي بي خطرتر جايگزين مي شوند ولي پروسه ي جايگزيني آنها آهسته است .
اگر چه با رعايت مسئله ي خنثايي شيميايي ، پيگمنت هاي کادميوم سولفيدي مي توانند با (2+) cu و درطي فرآيند ذوب ، واکنش دهند و مس سولفيد مشکي رنگ را توليد کنند . اين رنگ مخلوط شده در حالتي که پيگمنت اوليه زرد رنگ باشد ، رنگ سبز و قرمز را شيفت داده و توليد رنگ قهوه اي مي کند . يک منبع بالقوه از يون هاي (2+) cu، مس موجود در تثبيت کننده ي گرمايي براي پلي آميد است .

پيگمنت هاي الترامارين ( Ultramarine pigments) :

اين پيگمنت ها داراي ترکيب شيميايي سديم ـ آلومينيوم ـ سولفو ـ سيليکات ( sodium - aluminum-sulfo-silicates ) هستند . اين گروه شامل پيگمنت هايي با ثبات گرمايي و ثبات رنگي بالايي هست ، متاسفانه ، مقاومت شيميايي اين مواد با حمله ي اسيد يا باز کاهش مي يابد .
از اين رو اين مواد را نمي توان در مکان هاي بيروني ( فضاهاي روباز ) استفاده کرد . البته يک نوع از اين پيگمنت ها ساخته شده است که به وسيله ي يک لايه ي سيليسي پوشش داده مي شود . اين لايه موجب محافظت پيگمنت در برابر عوامل شيميايي مي شود . قيمت اين نوع از پيگمنت ها اندکي بيشتر از انواع معمولي آن است . يک مشکل طبيعي از رنگ هاي الترامارين ، سنگ لاجورد ( lapis lazuli ) است .
گستره ي رنگي پيگمنت هاي الترامارين از رنگ آبي نسبتاً تيره تا بنفش و صورتي است .
يک مثال خانگي از رنگ آبي سير که حالتي کاملاً تيره دارد ، بطري هاي شير منيزي ( مايع شيري رنگي که هيدورکسيد منيزيم است و به عنوان ضد اسيد و ملين به کار مي رود ) است . گريدهاي استانداردي از پيگمنت هاي الترامارين ( بدون پوشش ) با رزين هاي پلي استات واکنش مي دهند و مشاهده شده است که به واسطه ي اين واکنش ها درون زمينه ي رزيني ، توده هايي از اين نوع رنگ در پلي کربنات و پلي آميد 6/6 مشاهده شده است . تعدادي از خواص پيگمنت هاي الترامارين در جدول 1 آمده است .
ادامه دارد ......
منبع:coloring Technology for plostics /Ronald M.Harrisi Editor.
/س