افزودنی های رنگ زا در پلاستیک ها

[*mishi* 11,920]

مقدمه ( Introduction ) :

 

رنگ کردن پلاستیک ها در حالت مذاب یکی از مهمترین کارهای انجام شده برای افزودن خواص مناسب و جدید به رزین های پلیمری است ؛ که به تولید کننده این امکان را می دهد که بتواند تولیدات خود را بهتر به فروش برساند . اضافه نمودن مواد رنگی ، نه تنها موجب فروش بیشتر تولیدات رنگ شده می شود ، بلکه باعث به وجود آمدن برخی از خواص دیگر مانند دوام بیشتر در برابر اشعه ی UV ، در محصول تولیدی می شود . علاوه بر این ، رنگ کردن در حالت مذاب معمولاً نیاز به مراحل جداسازی ( Separate ) ، خروج از خط تولید ( off-line ) و رنگ زنی ( painting step ) را ندارد و بدین صورت هزینه ی کلی تولید کاهش می یابد . سابقاً ، سیستم رنگ با زمینه ی پلاستیک آمیخته می شد ، به هرحال ، سیستم رنگ بخش جدایی ناپذیر ماده می شد و امکان داشت که موجب دگرگونی در مهندسی، عملکرد و خواص فرآیندی ماده بشود که این امر در طی تولید و فرمول بندی مواد جدید ، مطلوب نبود . و رنگ زنی صراحتاً به عنوان یک مشکل برای مصرف کننده و همچنین یک عامل منحرف کننده برای کسی که کار فرمولاسیون پلاستیک های جدید را بر عهده داشت ، محسوب می شد . این متخصص کار فرمولاسیون ( کسی که معمولاً در مورد نکات عمیق علم پلیمر آموزش ندیده است ) برای انتخاب یک رنگ مناسب و با قیمت اقتصادی ، انتخاب می شود و این باعث بروز مشکلاتی می شود . در واقع وظیفه ی این متخصص هنگامی که پلیمرها آمیخته شده و تشکیل آلیاژ می دهند ، بحرانی تر می شود . ( در هنگام کار با این پلیمرهای آلیاژی پرکاربرد ، حتی تغییر کوچکی در ترکیب شیمیایی باعث تغییر خواص پلیمر می شود . ) هدف این مقاله ، بالا بردن اطلاعات خواننده در مورد رنگ های مورد نیاز برای ساخت سیستم های مناسب پلیمری است . همچنین ما در مورد انواع اصلی و عمده ی عوامل رنگ زای مناسب برای استفاده در آمیزه های پلیمری پرکاربرد و آلیاژهای پلیمری ، صحبت می کنیم .

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

عوامل رنگ زای ( colorants ) مورد استفاده درپلاستیک ها به دو گروه بسیار گسترده تقسیم می شود که شامل پیگمنت ها ( pigment ) و رنگ ها

( Dyes ) می شوند .

تعریف پیگمنت :

پیگمنت یک عامل رنگ زا است که علاقه ای به حل شدن در زمینه ی پلیمری ندارد . تعریف رنگ : رنگ عامل رنگ زایی است که به صورت حل شده در داخل زمینه ی پلاستیک قرار می گیرد . بنابر تعریفات انجام شده پیگمنت ها مانند یک فاز مجزا در داخل پلاستیک قرار می گیرند و بنابراین در بین پیگمنت و زمینه ی پلاستیکی یک مرز بین فازی وجود دارد که این مساله جای تامل دارد و ممکن است که مشکلات مصرف کننده نیز از همین مرزها ایجاد شده باشد .

پیگمنت های غیر آلی ( Inorganic pigments ) :

پیگمنت های غیرآلی ، نمک های فلزی و اکسیدها هستند . این عوامل رنگ زا می توانند یک لایه از یک جسم پلاستیکی را با رفتار قابل پیش بینی رنگی کنند . اکثر این عوامل رنگ زا دارای ذراتی با ابعاد میانگین بین 0/2 تا 1/0 میکرون هستند . تولید کنندگان ، رنگ های مرغوب را با زدودن ذرات بالاتر از 5 میکرون ، تولید می کنند . این ذرات با ابعاد بالاتر از 5 میکرون باعث آلگومره شدن رنگ می شوند . پیگمنت های غیرآلی به جز چند استثناء ، مواد خام ارزان قیمت هستند که در جدول 1 نشان داده شده اند . به خاطر دوام نسبتاً پایین این رنگ ها ، این پیگمنت ها همیشه بهترین کیفیت را ندارند . تعدادی از خواص خوب که ممکن است درپیگمنت های غیرآلی باشد در زیر آورده شده است : 1 ـ آسانی در تهیه ی پودر این پیگمنت ها ( انرژی نسبتاً کمی برای شکستن ذرات پیگمنت ، پوشش دهی باپلاستیک ها و یکنواخت سازی ذرات آنها مورد نیاز است ) 2 ـ مقاومت گرمایی و مقاومت به هوازدگی خوب 3 ـ کوچک بودن در عین واکنش پذیری قطعاً در این میان استثناهایی وجود دارد که به دلیل اینکه از حد حوصله ی خواننده خارج است ، از آنها می گذریم مثلاً : واکنش پذیری یک مشکل پنهان در هر نوع سیستم پلیمری است . اکسیدهای فلزی ساده : چندین عامل رنگ زای ارزان قیمت که سازگاری خوبی باطیف وسیعی از انواع پلیمرها دارند ، ساختار ساده ای دارند . آنها تنها اکسیدهای فلزی ساده هستند .

تیتانیم دی اکسید ( Titanium Dioxide ) :

تیتانیم دی اکسید که به آن تیتانیا نیز گفته می شود ، گران ترین و پرکاربردترین پیگمنت مولد رنگ سفید است که در جدول 1 آورده شده است . در اکثر کشورها ، تقریباً تمام تیتانیای مورد استفاده از معادن و به وسیله ی « فرآیند کلرید » به دست می آید . اگرچه TiO2 را یک ماده ی خنثی می دانیم ، ولی کریستال های این ماده دارای نقص هستند . و یک اکسیژن از بین 100000 عدد اکسیژن در داخل ساختار وجود ندارد . این عیب باعث می شود که هر ذره بی تیتانا ( با ابعاد بین 0/2 الی 0/3 میکرون ) یک ناحیه ی واکنش پذیر (+) Ti در روی سطح یا نزدیک به سطح خود داشته باشد . در طی « فرآیند کلرید » تعدادی از این نواحی با یون های کلرید پیوند می دهند . که این پیوند میان ( +) Ti و (-) cl می تواند مشکلات موجود را در برخی از آمیزه ها و آلیاژهای پلیمری ، دو برابر کند . یون های تیتانیم می توانند با گستره ی وسیعی از مواد آلی واکنش داده و تیتانات آلی ( organictitanates ) ایجاد کنند که این تیتانات آلی می تواند هر نوع واکنشی را تسریع دهد . برای مثال ، شیمیدان هایی که در زمینه ی پلیمر کار می کنند از تیتانات های آلی برای تسریع واکنش پلیمریزاسیون پلیمرها استفاده می کنند . به علاوه ، یون های کلر ، باعث افزایش تخریب و از هم پاشیدگی پلی کربنات ( PC ) می شوند . از این رو تعدادی از گریدهای تیتانا برای استفاده در آمیزه ها و آلیاژهای محتوی پلی کربنات مناسب نمی باشند . برای به حداقل رساندن واکنش پذیری این پیگمنت مهم ( TiO2 ) ، تولید کننده ها انواع خاصی از پلاستیک ها را تولید کرده اند که این پلاستیک ها با خواص منحصر به فردشان ، نواحی واکنش پذیر را با آلومینا ، سیلیکا و یا سیال سیلیکونی ( Silicone fluid ) پوشش می دهند . تیتانا دارای دو حالت کریستالی روتیل ( rutile ) و آناتاس ( anatase ) است که هر دو حالت کریستالی آن سختی ( در مقیاس موهس ) بالایی دارند و جزء ساینده ها به حساب می آیند . به خاطر سختی بالای این ذرات ، مشکلاتی به وجود می آید مثلاً ذرات پیگمنت این ماده می توانند الیاف شیشه ای را ببرند و به اندازه ی زیادی از استحکام کششی آلیاژها و آمیزه های ترموپلاست تقویت شده با الیاف شیشه بکاهند . قرمز اکسید آهنی مصنوعی ( Synthetic Iron Oxide Reds ) : پیگمنت های قرمز رنگ حاصل از اکسید آهن مصنوعی از لحاظ شیمیایی فرمول Fe2O3 دارند . این پیگمنت ها ، مقدار زیادی از نور تابیده شده به آنها را جذب کرده و حالت کدر مانند دارند ، همچنین این پیگمنت ها نسبتاً ضعیف و دارای حالت چرکین هستند . البته این رنگ یا گستره ی وسیعی از رنگ ها را مهیا می کند . عامل (3+) Fe به عنوان اسید لوییس عمل می کند و حتی غلظت های کم این پیگمنت برای پلی وینیل کلراید ( PVC ) ایجاد مشکل می کند ، و برای آمیزه ها و آلیاژهای پلیمری محتوی PVC مناسب نیست . در غلظت های بالاتر ، این پیگمنت ممکن است بر روی مواد پلی کربناتی ( PC ) نیز تاثیرات مضر بگذارد کرم ( III ) اکسید ( Chrome (III)Oxide ) : کرم ( III ) اکسید یک رنگ تیره ی سبز زیتونی ایجاد می کند که این پیگمنت اگر چه ضعیف است ولی دارای پایداری گرمایی و مقاومت در برابر هوازدگی عالی است . به دلیل اینکه دیگر انواع پیگمنت های سبز رنگ با استحکام بالاتر و حالت تمیزتر ( از لحاظ جلوه ی رنگ ) در دسترس است ، پیگمنت های کرم اکسیدی معمولاً برای کاربردهای بیرونی اختصاص یافته است . پیگمنت های اکسید فلزی مخلوط ( Mixed Metal Oxide Pigments ) : اکسیدهای فلزی مخلوط ( MMO ) یک دسته ی بزرگ از پیگمنت های کلسیته هستند . ( مرحله ی پایانی تهیه ی آنها مربوط به گرم کردن آرام این مواد در دمای 1100 درجه سانتیگراد است ) که ابتدایاً برای سرامیک ها تولید شدند . این مواد مقاومت در برابر هوازدگی عالی و پایداری گرمایی خیلی خوبی دارند . به عنوان یک گروه ، آنها کمترین واکنش پذیری را دارند ؛ برای مثال علاقه ی زیادی به استفاده از این مواد با مواد شامل گروه های وینیل است . ولی این پیگمنت ها ، ثبات رنگی پایینی دارند و بر اساس قاعده ، این پیگمنت ها نیز ساینده ی الیاف شیشه ای هستند . در جدول 1 خواص تعدادی از پیگمنت های متداول اکسید فلزی مخلوط نشان داده شده است . بسیاری از پیگمنت های MMO شامل مقدار قابل توجهی ( تقریباً 10 درصد ) آنتیموان هستند . آنتیموان ماده ای است که به وسیله ی برخی از سازمان های تنظیمی به عنوان یک فلز سنگین شناخته شده است . به خاطر اینکه آنتیموان یک فلز سنگین است ، امروزه نوع بدون آنتیموان از این پیگمنت نیز به وسیله ی برخی از منابع تولیدی ، مهیا شده است ولی قیمت این نوع از پیگمنت ها نسبت به حالت قبلی خود تقریباً 25 ـ 50 درصد بیشتر است . در گذشته ، در ساخت پیگمنت های MMO مشکلاتی ناشی از بدی پراکندگی و یکنواختی وجود داشت که باعث به وجود آمدن ذرات ناخواسته در رنگ می شد اما اخیراً ، تمام تولید کنندگان عمده ی این بخش ، الیاف پلی آمید را به عنوان یک بازار پر منفعت انتخاب کردند و پراکندگی و یکنواختی ذرات را بهبود داده اند و توانسته اند مشکلات ناشی از یکنواختی را بر طرف کنند .

یگمنت های فلز سولفیدی ( Metal Sulfide pigments ) :

این گروه شامل پیگمنت های روی سولفید ( ZnS) و پیگمنت های بر پایه ی کادمیوم می شود . ZnS یک پیگمنت سفید رنگ است که جایگاه ویژه ای در رنگرزی رزین های تقویت شده با شیشه دارد . پیگمنت های کادمیومی یک گروه از پیگمنت های رنگی روشن ( از زرد گرفته تا نارنجی و قرمز ) را تولید می کند . بعضی از خواص پیگمنت های فلز سولفیدی در جدول 1 آورده شده است . روی سولفید سفید ZnS:(Zinc Sulfide white) یک پیگمنت سفید رنگ است که تقریباً دوام رنگ و ماتی آن نصف پیگمنت های تیتانیایی است . دو خاصیت ویژه ی آن عبارت اند از : 1 ـ سختی ( در مقیاس موهس ) این مواد کم است و این باعث می شود که بتوان از این مواد در رزین های تقویت شده با الیاف شیشه استفاده کرد . 2 ـ رفتار جذبی بسیار کمتر در ناحیه ی UV نزدیک ، نسبت به پیگمنت های تیتانایی و به همین دلیل ، این ماده را می توان با تعدادی از رنگهای فلیورسنت استفاده کرد و بهترین خواص فلیورسنتی را دریافت کرد . Zn(+2) ، همانگونه که در بالا گفته شد یک اسید لوییس است ؛ بنابراین اکثر کسانی که وظیفه ی فرمولاسیون رنگ ها را بر عهده دارند ، از استفاده ی ZnS در آمیزه ها و آلیاژهای دارای پلی کربنات جلوگیری می کنند . کادمیوم سولفید و سولفوسلنیدها ( Cadmium sulfides and sulfoselenides ) : CdS کلسیته یک پیگمنت با رنگ نارنجی روشن متمایل به زرد است که ثبات رنگی عالی و پایداری گرمایی بسیارخوبی دارد . این نوع پیگمنت در اتمسفر مرطوب دوام نیاورده و پیگمنت مناسبی برای کاربردهای بیرونی ( فضای آزاد ) نیست . با ترکیب zn,cd ( درصد zn بیش از 12 درصد باشد ) می توان زرد کم رنگ و زرد لیمویی را به دست آورد . جایگزینی تعداد کمی از اتم های گوگرد با سلنیوم ، ناحیه ی رنگ تولیدی توسط این پیگمنت را به ناحیه ی قرمز شیفت می دهد . اگر کل اتم های گوگرد با سلنیوم جایگزین شوند ، باعث به وجود آمدن cdse می شوند که یک پیگمنت خرمایی رنگ مایل به قرمز ( maroon pigment deep )تولید می کند . پیگمنت های پایه کلادمیومی به صورت سنتی و به طور وسیع در رزین های مهندسی مانند پلی آمید ، پلی آمید 6/6 ، پلی کربنات ، پلی استرترموپلاست و آلیاژها و آمیزه هایشان ، استفاده می شود . به هر حال کادمیوم یک فلز سنگین است که این مورد توسط همه ی سازمان های نظارتی تصدیق شده است . ( برای مثال ، cd یکی از 4 فلز سنگین است که در اکثر قوانین دولتی مربوطه ، به آن اشاره شده است ) از این رو ، مواد مهندسی دارای فرمولاسیون بدون cd در حال ساخته شدن هستند و به طور یقین پیگمنت های پایه کادمیومی با پیگمنت های بی خطرتر جایگزین می شوند ولی پروسه ی جایگزینی آنها آهسته است . اگر چه با رعایت مسیله ی خنثایی شیمیایی ، پیگمنت های کادمیوم سولفیدی می توانند با (2+) cu و درطی فرآیند ذوب ، واکنش دهند و مس سولفید مشکی رنگ را تولید کنند . این رنگ مخلوط شده در حالتی که پیگمنت اولیه زرد رنگ باشد ، رنگ سبز و قرمز را شیفت داده و تولید رنگ قهوه ای می کند . یک منبع بالقوه از یون های (2+) cu، مس موجود در تثبیت کننده ی گرمایی برای پلی آمید است .

پیگمنت های الترامارین ( Ultramarine pigments) :

این پیگمنت ها دارای ترکیب شیمیایی سدیم ـ آلومینیوم ـ سولفو ـ سیلیکات ( sodium - aluminum-sulfo-silicates ) هستند . این گروه شامل پیگمنت هایی با ثبات گرمایی و ثبات رنگی بالایی هست ، متاسفانه ، مقاومت شیمیایی این مواد با حمله ی اسید یا باز کاهش می یابد . از این رو این مواد را نمی توان در مکان های بیرونی ( فضاهای روباز ) استفاده کرد . البته یک نوع از این پیگمنت ها ساخته شده است که به وسیله ی یک لایه ی سیلیسی پوشش داده می شود . این لایه موجب محافظت پیگمنت در برابر عوامل شیمیایی می شود . قیمت این نوع از پیگمنت ها اندکی بیشتر از انواع معمولی آن است . یک مشکل طبیعی از رنگ های الترامارین ، سنگ لاجورد ( lapis lazuli ) است . گستره ی رنگی پیگمنت های الترامارین از رنگ آبی نسبتاً تیره تا بنفش و صورتی است . یک مثال خانگی از رنگ آبی سیر که حالتی کاملاً تیره دارد ، بطری های شیر منیزی ( مایع شیری رنگی که هیدورکسید منیزیم است و به عنوان ضد اسید و ملین به کار می رود ) است . گریدهای استانداردی از پیگمنت های الترامارین ( بدون پوشش ) با رزین های پلی استات واکنش می دهند و مشاهده شده است که به واسطه ی این واکنش ها درون زمینه ی رزینی ، توده هایی از این نوع رنگ در پلی کربنات و پلی آمید 6/6 مشاهده شده است . تعدادی از خواص پیگمنت های الترامارین در جدول 1 آمده است . ادامه دارد ......

 

منبع:coloring Technology for plostics /Ronald M.Harrisi Edi

[Masoud Izadi 10]

این جدول 1 کجاس؟