رنگدانهها یا پیگمنت‌ها
فاکتورهای کیفیت در مستربچ
09/07/2019
تالک در صنایع رنگ و پوشش
09/07/2019
رنگدانهها یا پیگمنت‌ها
واژه پیگمنت از واژه لاتین pigmentum گرفته شده و به معنای «رنگ نقاشی» است. پیگمنت بر اساس استاندارد آلمانی DIN EN 971-1 1996-09 عبارت است از: یک ماده رنگ‌دهنده که به‌صورت پودر یا ورقه‌ای بوده و بر خلاف مواد رنگ‌زا در محیط عمل نامحلول است. رنگدانهها ترکیباتی هستند سفید یا غیرسفید، غیرمحلول، بلوری‌شکل و با اندازه ذرات مشخص با ساختار شیمیایی مختلف که در رنگ‌ها و پوشش‌ها به‌واسطه قدرت پوشش‌دهی و ایجاد فام مورد استفاده قرار می‌گیرند (Din 55944, 55943). رنگدانهها به گروه‌های آلی، غیرآلی، فلزی و صدفی تقسیم می‌شوند. ساختار شیمیایی آن‌ها کاملا با هم متفاوتند. در ترکیب مولکولی رنگدانههای آلی اتصالات کربن ـ کربن (C-C) وجود دارد؛ درصورتی‌که در ترکیب رنگدانههای غیرآلی به غیر از بعضی از استثناها، مانند سیانید آبی آهن، کربن وجود ندارد. آن‌ها به‌صورت املاح فلزی یا اکسیدهای فلزی غیرمحلولند.
رنگدانهها مواد جامد تزئینی هستند که در شکل و اندازه‌های مختلف در حلال‌های مربوط به حالت معلق تهیه و به‌کار می‌روند و مشتمل بر مواد سیاه، سفید و رنگی بوده، موارد استفاده زیادی در رویه زدن، رنگرزی انبوه و دیسپرسیون در هوا دارند. پیگمنت در صنعت رنگ‌سازی نقش مهمی از قبیل ایجاد رنگ، پوشش، براقیت، سختی، مقاومت، حفاظت، و افزایش چسبندگی را ایفا می‌کند. موارد استعمال عمده پیگمان‌ها در لاک‌ها، رنگهای روغنی، ورنی‌ها، رنگهای سلولزی ، رنگهای پلاستیکی، مرکب‌های چاپ و رنگرزی کاغذ و تاسیسات آهنی است. عمده‌ترین موارد استعمال پیگمنت‌ها در صنایع پوششی است. امروزه پوشش سطح وسایل فلزی و چوبی بناها، وسایل نقلیه و … اهمیت فراوانی دارد زیرا این وسایل توسط رنگ از عوامل مختلف مثل هوا، رطوبت و ترکیبات شیمیایی محافظت می‌شوند و همچنین در رنگ زدن اشیا به زیباتر شدن آن‌ها کمک می‌کند.
انواع پیگمنت‌ها
پیگمنت‌ها در دو نوع کلی معدنی و آلی دسته‌بندی می‌شوند. در ذیل به شرح مختصری از هر کدام از این دو دسته خواهیم پرداخت.
1. معدنی
رنگدانههای معدنی طبیعی از پوسته زمین استخراج می‌شوند، خرد و شسته شده و از لحاظ اندازه درجه‌بندی می‌شوند. غالباً برای این رنگدانههای طبیعی، معادل مصنوعی هم وجود دارد، یعنی رنگ‌دانه از اجزاء دیگری در اثر یک فرایند شیمیایی ساخته میشود. ظاهراً از نظر شیمیایی با نمونه طبیعی یکسان است، ولی اغلب خواص متفاوتی دارد و معمولاً به خاطر شکل بلوری مطلوب‌تر، خلوص بیشتر و دانه‌بندی مطلوب‌تر و به‌طورکلی مرغوبتر از نوع طبیعیند.
2. آلی
امروزه رنگدانههای آلی به مراتب بیشتر از رنگدانههای معدنی هستند. بعضی از جدیدترین رنگدانهها ساختمان آلی فلزی دارند. بیشتر رنگدانههای آلی، مواد شیمیایی آلی هستند که روی یک هسته معدنی هیدروکسیدآلومینیوم رسوب داده شده‌اند. از مهم‌ترین رنگدانههای آلی میتوان به گروه فتالوسیانین‌ها اشاره کرد که طیف رنگهای آبی و سبز را در بر می‌گیرند و فتالوسیانین مس، رنگ‌دانه آبی است که به دلیل خواص مقاومتی خوب در برابر عوامل مختلف، یک رنگ‌دانه با ارزش به شمار میرود . فتالوسیانین‌ها را از فتالیک و اوره سنتز میکنند. رنگدانههای آلی، به صورتی که امروزه در صنعت استفاده می‌شوند، در طبیعت یافت نمی‌شوند و تقریباً همه آن‌ها سنتزی هستند.
و نیز پیگمنت‌های غیرپوششی یا اکستندر مثل کربنات کلسیم، باریت و تالک و … هم وجود دارد. پیگمنت سفید پیگمنت معدنی طبیعی است. پیگمنت رنگی معدنی مثل اکسید زرد آهن، اکسید قرمز آهن، اکسید سیاه آهن، پیگمنت رنگی معدنی مصنوعی مثل کرم سبز و سرب قرمز، اکسید مس، پیگمنت‌های فلزی معدنی مصنوعی مثل پودر آلومینوم برنز و روی.
تفاوت پیگمنت آلی و معدنی در خواص زیر است :
یک فیلم براق و جذاب در فام‌های گوناگون با پیگمنت آلی به‌دست می‌آید تا با پیگمنت معدنی. خالص‌ترین پیگمنت سفید دی‌اکسید‌تیتانیوم و سیاه‌ترین پیگمنت سیاه، کربن‌بلک است که هر دو جزء پیگمنت‌های معدنی هستند و بدین ترتیب پیگمنت آلی به صورت سیاه و سفید موجود نیست.
تعداد بسیار کمی از پیگمنت‌های آلی در بالاتر از 300 درجه سانتیگراد پایدارند و ممکن است متلاشی یا ذوب گردند؛ درحالی‌که پیگمنت معدنی در دماهای بالا پایدار هستند.
برخی از مهم‌ترین ویژگی‌هایی که در انتخاب یک پیگمنت مورد توجه قرار می‌گیرند، عبارتند از:
- فام
- ثبات نوری
- پایداری جوی
- ثبات در مقابل حلال‌ها
- ثبات در رنگ‌آمیزی مجدد
- مقاومت در مقابل اسیدها و بازها
- مقاومت در مقابل SO2
- مقاومت در مقابل آهک
- مقاومت در مقابل سیمان
- جذب روغن
- چگالی
- چگالی توده‌ای
- چگالی توده‌ای متراکم
- قدرت پوشانندگی
- ثبات حرارتی
- pH
- سطح ویژه
- متوسط دانه‌بندی ذرات
- ارقام فام‌شناسی
- قابلیت دیسپرس‌شدن
- مصارف
پیگمنت‌های سفید
پیگمنت‌های سفید، مواد معدنی بر پایه فلزات سرب، روی و تیتانیوم هستند و زمانی کاملا سفید به نظر خواهند رسید که تمامی طول موج‌های قابل‌دید، تابش بر خود را منعکس نمایند. از میان پیگمنت‌های سفید فقط کربنات بازی سرب و اکسید روی هستند که خصلت واکنش‌پذیری با اسیدهای موجود در بعضی از رزینها را دارند و بقیه رنگدانههای سفید بی‌اثرند.
فیلم حاصل از پیگمنت سفید به غیر از اکسید روی مصرفی بر سطوح بیرونی در درازمدت حالت زردی (yellowing) به خود می‌گیرند. بنابراین استفاده از حدود 10 درصد اکسید روی همراه دیگر پیگمنت‌های سفید به علت جذب اشعه نور خورشید نه تنها زرد گرایی فیلم را به کلی از بین خواهد برد بلکه از فاسدشدن فیلم نیز جلوگیری می‌کند. از کربنات بازی سرب به‌عنوان استابلایزر استفاده میشود.
اکسید روی
از اکسید روی جهت جهت کنترل کپک‌زدگی، زردی، ساییدگی، گچ و خاک شوندگی فیلم استفاده میکنند. مصرف بیش از اندازه آن در ساخت یک رنگ مقاومت فیلم حاصل را در برابر آب کاهش می‌دهد و ثانیا در هوای رطوبتی و آغشته بهSO2 به سولفات روی تبدیل میشود که این امر نه تنها باعث جوش‌زدگی فیلم میشود بلکه رنگ رویه بعدی را به‌صورت لایه‌ای از خود جدا خواهد کرد. اکسید روی بر اثر گرما به رنگ زرد در می‌آید.
لیتوپن
مخلوط 29% سولفید روی و 71%سولفات باریم است. در مقابل نور خورشید حساسیت دارد و به رنگ سیاه تبدیل میشود. این مسئله را میتوان با افزایش حدود 15% نمک کبالت برطرف نمود. لیتوپن به همراه TiO2 علاوه بر ارزانی اثرات جانبی مفید دیگری از قبیل برس خوری بهتر، یکنواختی بهتر و براقیت عالی بر جای می‌گذارد.
اکسید آنتی‌موان
امروزه از آن بیشتر در ساخت رنگهای نسوز و یا تاخیرانداز حرارت استفاده میکنند.
دی اکسید تیتانیوم
در دو نوع روتایل و آناتاز موجود است. نوع روتایل 20 الی 30 درصد قدرت پوشش بیشتری از نوع آناتاز دارد. نوع آناتاز با این که سفیدتر است اما جهت ساخت مصارف بیرونی به‌علت میل به گچی‌شدن توصیه نمی‌شود. برای شناسایی مقداری از آن را با اسید سولفوریک مرطوب نموده سپس چند قطره پراکسیدهیدروژن اضافه کرده ایجاد رنگ نارنجی یا زرد مایل به نارنجی می‌کند.
استفاده هم‌زمان از پیگمنت‌های مختلف
استفاده هم‌زمان از پیگمنت‌های مختلف حتی برای تولید رنگ در پاره‌ای از موارد مجاز نیست. به‌عنوان مثال پیگمنت‌های حاوی فلز کادمیم مانند سولفید کادمیم (زردرنگ) یا سولفوسلنیدکادمیم (قرمزرنگ) را هیچ گاه نباید با آبی میلوری (آبی آهن) به صورت هم‌زمان مورد استفاده قرار داد؛ زیرا بر خلاف انتظار از ترکیب رنگهای زرد و آبی مذکور نه فام سبز بلکه فام قهوه‌ای حاصل میشود. (برگرفته از کتاب پیگمنت‌ها و مواد پرکننده نوشته مهندس حمید رقمی)
همچنین پیگمنت‌های حاوی سرب را هیچ‌گاه نباید همراه با پیگمنت‌های سولفیدی مانند سولفید کادمیم، سولفید روی و لیتوپن مورد استفاده قرار داد؛ زیرا به‌عنوان نمونه از ترکیب سرب و سولفید روی، سولفید سرب حاصل میشود که سیاه‌رنگ است. (برگرفته از کتاب پیگمنت‌ها و مواد پرکننده نوشته مهندس حمید رقمی)
انواع اکستندرها
پیگمنت‌های سفید معدنی هستند که به دلیل داشتن ضریب شکست بسیار پایین فاقد هرگونه پوششی بوده و به دلیل پایین آوردن قیمت، حفظ ماتی و جلوگیری از تهنشینی و تنظیم ویسکوزیته مورد استفاده قرار می‌گیرند. اکستندر(فیلر)هایی که قدرت جذب روغن بیشتری دارند ممکن است به جهت افزایش ویسکوزیته در رنگ مورد استفاده قرار گیرند مثل کربنات‌ها، سیلیکات‌ها و سولفات‌ها.
کربنات کلسیم (گچ سفید🙁
از آنجاییکه این فیلر اندکی بازی است، نباید با رزین‌های اسیدی و پیگمنت‌های رنگی از قبیل کرم سبز و مولیبیدات نارنجی که به بازها حساسیت دارند به کار رود.
سولفات باریم (باریت)(بلنک فیکس(
سولفات باریم چگالی بالا و جذب روغن کمی دارد و بنابراین در رنگ سریع تهنشین شده و جهت جلوگیری از تهنشینی آن باید از مواد ضد تهنشینی مثل استئارات آلومینیوم استفاده نمود. نوع طبیعی آن به باریت معروف است. ازآن‌جایی‌که جذب روغن کمی دارد خاصیت پرکنندگی خوبی داشته جهت افزایش پیگمنت به بایندر در رنگهای مات و نیمه‌مات ترافیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بدون این‌که باعث افزایش ویسکوزیته گردد. باریت باعث حفظ براقیت و افزایش قابلیت سمباده‌خوری و افزایش مقاومت رنگ در برابر مواد شیمیایی میشود. نوع مصنوعی یا رسوبی آن به بلنک فیکس معروف است. یون باریم این فیلر در رزین‌های وینیلی عمل تثبیت‌کنندگی را ایفا می‌کند.
تالک (سیلیکات منیزیم(
بیشتر در رنگهای رویه مصرف دارد و در مقابل اسید و باز خنثی است و در رزینها به‌سادگی خیس شده نیازی به آسیاب نیست. از این فیلر برای افزایش قابلیت سمباده‌خوری و همچنین یک عامل مات‌کننده استفاده میشود. ذرات آن سوزنی‌شکل و به آسانی تهنشین و زود هم پخش می‌شوند. ازآن‌جایی‌که سختی و چسبندگی خوبی به فیلم می‌دهد در رنگهای ترافیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از آن در رنگهای سفید که با ساچمه‌های استیلی پرمیل می‌شوند مناسب نبوده زیرا بعلت مقاومت در برابر سایش باعث تیرگی رنگ سفید می‌شوند.
سیلیکات آلومینوم (کائولین یا خاک چینی(
به علت خصلت میل به رطوبت‌پذیری با آب در ساخت رنگهای امولسیونی و پلاستیک جهت ایجاد برس خوری و یکنواختی و افزایش مقاومت در مقابل آب و از لحاظ شیمیایی نیز خنثی هستند.در رنگ پلاستیک کائولین قابلیت پخشی در مدت انبار بودنو کنترل خوردگی قوطی و مقداری خاصیت پوششی دارد.که میتوان 10 الی 20 از حجم پیگمنت سفید رنگهای پلاستیک و اکرلیک و یا حتی آلکید رابا سیلیکات جایگزین کرد و جهت جلوگیری از حالت جدایی رزین پلی وینیل استات و پیگمنت ها در دراز مدت در رنگهای پلاستیک بکار میرود و گاهی از آن بعنوان ماده ضد سایش استفاده میکنند.
سیلیکات مضاعف آلومینوم و پتاسیم(میکا(
به رنگ طوسی و مغز پسته ای بوده در رنگهای پلاستیک باعث چسبندگی و برس خوری بهتر و در رنگهای روغنی باعث کنترل گچ و خاک شوندگی میشود. رل اصلی میکا در اصل بر اثر میکس باعث سهولت پخش سریعتر پیگمنت تهنشین شده در هنگام مصرف میشود. همچنین از آن میتوان در صورت خراب نکردن حالت لیفینگ جهت کاهش قیمت رنگهای آلومینیومی نوع لیفینگ استفاده نمود. اما در مقابل رنگی که حرارت و آتش مد نظر باشدحضور میکا واقعا لازم و کارش بسیار مفید است.
سیلیس یا سیلیک
در رنگهای ترافیک و اپوکسی کف و مقاوم در مقابل سایش مصرف میشود.
سیلیس طبیعی
بعلت بد پخش شدن مصرف کم دارد و جذب روغن بسیار کم داردو در ساخت پولیشها ورنگهای مصرفی بر کف منازل و عرشه کشتیها (بعلت مقاومت سایشی استفاده میگردد(
• نوع دیاتومه
قدرت جذب روغن زیاد بهمین خاطر در رنگهای مات و نیمه مات مصرف میگردد.در رنگهای پلاستیک و عایق حرارت نیز استفاده میگردد. بخاطر نوع شکل جهت مصرف در رنگهای مقاوم در مقابل آب و مواد شیمیایی مناسب نبوده و بعکس جهت ساخت رنگهای نفوذ پذیری و نشری مناسبند و از ایجاد کراکینگ در فیلم نیز جلوگیری بعمل می آورند.
• سلیس طبیعی
غیر قابل حل درآب و مقاوم در مقابل بسیاری از مواد شیمیایی میباشد. قدرت مات کنندگی و قدرت جذب روغن بالایی دارد و در رنگهای پلی استر غیر اشباع مانع از شره شدن رنگ میگردد از این فیلر در لاک ها و وارنیش ها ی مات مخصوص چوب و ترکیبات پولیش کننده استفاده فراوان می گردد.
پنبه نسوز (آزبست(
این فیلر سیلیکات های معدنی هستندکه ترکیب آنان از سیلیکات های منیزیم ساده گرفته تا کمپلکسهای سیلیسی منیزیم و آهن و سدیم متغیر است .که بصورت الیافهای پشمی با قدرت جذب روغن بسیار زیاد بیشتر در رنگهای عایق حرارتی و رنگهای آسفالت پشت بام ها مصرف میگردد.
استئارات آلومینوم
بعنوان یک ماده روان سازنده و پخش کننده مصرف میگردد واز آنجاییکه تمایل زیادی به ژل‌کردن رزینها دارد و باید به مقدار کم مصرف شود. مقدار مصرفی آن حدود 25% کل وزن پیگمنت مصرفی نتایج رضایت مندی دارددر ساختمان بتونه ها از حالت بلیدینگ و جدا شدن رزین از پیگمنت جلوگیری بعمل می آورد. از دیگر خواص آن دفع آب و افزایش ویسکوزیته و ضد تهنشینی خصوصا در بتونه ها می باشد و از آن بعنوان ضد کف در حفاری چاه ها نفتی نیز استفاده می شود.
سیلیکات کلسیم
قدرت جذب روغن متوسط از آن میتوان بعنوان بافر در ساخت رنگهای لاتکس استفاده نمود باعث افزایش پوشش در بیشتر رنگهای محلول در آب میگردد. از نوع مصنوعی ان می توان بعنوان یک ماده مات کننده نیز استفاده کرد.
اساس فیزیکی
پیگمنت‌ها رنگی را ایجاد میکنند که خودشان نیز به همان رنگ هستند چرا که آن‌ها به‌صورت انتخابی طول موج‌های معینی از نور مرئی را جذب و منعکس میکنند. ترکیب طیف کامل نور مرئی با طول موجی متغیر از ۳۷۵ یا ۴۰۰ نانومتر الی ۷۶۰ یا ۷۸۰ نانومتر، با نور سفید تقریباً برابری می‌کند. وقتی که این نور با یک پیگمنت برخورد می‌کند، قسمت‌هایی از طیف توسط پیوندهای شیمیایی سیستم‌های کونژوگه و دیگر اجزای پیگمنت جذب میشود. برخی دیگر از طول موج‌ها یا قسمت‌هایی از طیف، منعکس و یا پخش میشود. بیشتر پیگمنت‌ها، کمپلکس انتقال بار محسوب می‌شوند. مثل کامپاندهای فلز واسطه با باند جذب وسیعی که بیشتر رنگهای نور سفید تابشی را کسر میکنند. طیف جدید منعکس‌شده ظاهر یک رنگ را به وجود می‌آورد. پیگمنت‌ها بر خلاف مواد فلورسنت یا فسفورسنت، می‌توانند فقط طول‌موج‌ها را از نور منبع کسر نموده و هرگز مورد دیگری به آن اضافه نکنند.
ظاهر پیگمنت‌ها نزدیک به رنگ نور منبع است. نور خورشید از دمای رنگ بالا و یک طیف نسبتاً یک‌دستی برخوردار بوده و معیار استانداردی برای نور سفید محسوب میشود. منابع نور مصنوعی تمایل زیادی برای دست‌یابی به پیک عالی در برخی قسمت‌های طیف خود و همچنین شیاری عمیق دارند. با مشاهده این شرایط، پیگمنت‌ها در رنگهای متفاوتی ظاهر می‌شوند.
فضاهای رنگی که برای نمایش رنگ‌ها از حیث عدد مورد استفاده قرار می‌گیرد باید منبع نوری خود را تعیین کنند. درسنجش مدل رنگ ال ای بی، فرض بر این است که اندازه‌گیری‌ها زیر منبع نوری D65 یا “روشنی روز ۶۵۰۰ کلوین “انجام شده است که تقریباً همان دمای رنگ نور خورشید است، مگر آن‌که خلاف آن قید شود.
دیگر ویژگی‌های یک رنگ همچون اشباع بودن یا سبکی آن، ممکن است توسط دیگر مواد همراه با پیگمنت، تخمین زده شود. رنگ‌پایه و فیلرهایی که به مواد شیمیایی پیگمنت‌ها افزوده میشود نیز الگوهای بازتاب و جذب خاص خود را دارند که می‌توانند بر طیف نهایی تأثیرگذار باشند. به همین ترتیب، در مخلوط‌های پیگمنت/رنگ‌پایه، امکان برخورد مولکول‌های پیگمنت با اشعه‌های مجزای نوری وجود ندارد و ممکن است به همان صورت که وجود دارند، منعکس گردند. این اشعه‌های پراکنده نور منبع با یک رنگ کمتراشباع‌شده، سهیم می‌شوند. پیگمنت خالص به نور سفید خیلی کوچک اجازه فرار را داده و بدین ترتیب یک رنگ بسیار اشباع‌شده تولید می‌کند. مقدار کمی از پیگمنت با مقدار زیادی از رنگ‌پایه سفید مخلوط میشود، ولی به دلیل فرار مقدار زیادی نور سفید، نتیجه حاصله، اشباع‌نشده و رنگ‌پریده میشود.
تعداد زیادی از طول موج‌ها (رنگ‌ها) با یک پیگمنت برخورد میکنند. این پیگمنت نور قرمز و سبز را به خود جذب کرده ولی نور آبی را منعکس می‌کند و سبب ایجاد رنگ آبی میشود. نور خورشید با پیگمنت ” آبی بنیادی” Rosco R80 برخورد می‌کند. محصول طیف منبع و طیف بازتاب پیگمنت، نهایتاً به طیف نهایی و ظاهر آبی منجر میشود.
منابع:
- کثیریها محمود، مفاهیم کاربردی در فناوری رنگ و پوشش، چاپ اول، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، سال 1397.
- رقمی حمید، پیگمنت‌ها و مواد پرکننده، چاپ اول، سال 1396.
