(واحد تحقیق و توسعه کارخانه بهنو رنگ )
امروزه، رنگ ها و پوشش ها تقریبا تمام جنبه های زندگی بشر را تحت تاثیر قرار داده است. از وسایل و تجهیزات درون خانه تا نمای بیرونی ساختمان ها، تجهیزات، پل ها، خطوط لوله، بناهای تاریخی همگی با انواع رنگ ها و پوشش ها رنگ آمیزی شده اند. رنگ ها و پوشش ها به خودی خود محصولات مفیدی نیستند، اما محصولات دیگر را بهتر، بادوام تر، جذاب تر، ایمن تر و قابل فروش تر می کنند. به طور کلی، رنگ ها و پوشش ها به سه دلیل ایجاد جذابیت برای سطوح و محصولات، محافظت در برابر آسیب های محیط خارجی و ارائه ویژگی خاص به محصولات استفاده می شوند. در راستای توسعه صنعت رنگ و پوشش، مواد خام و اولیه مورد نیاز پوششهای مدرن امروزی نیز جدید و بسیار متنوع هستند. بنابراین آشنایی و شناخت مواد خام پوشش های متنوع امروزی و نقشهای خاص آنها برای اهالی این صنعت بسیار حیاتی است. در اینجا به بررسی مواد رنگزا به عنوان یکی از اجزای اصلی در فرمولاسیون رنگ ها و پوشش ها می پردازیم.
- طبقه بندی رنگدانه ها
مواد رنگزا اصولا به دو دسته رنگدانه ها (Pigments) یا رنگینه ها (Dyes) تقسیم می شوند. بنابراین قبل از ورود به بحث در مورد رنگدانه ها باید آنها را از رنگینه ها تشخیص داد. تفاوت اساسی بین آنها، حلالیت آنها در محیطی است که در آن قرار می گیرند. رنگدانهها و رنگینهها در استانداردهای DIN 55943،ISO 4617 و ISO 4618 تعریف شدهاند. رنگینه به عنوان یک ماده رنگی قابل حل در محیط کاربردی تعریف میشود. اما رنگدانه به مادهای گفته میشود که در محیط کاربردی نامحلول است.
رنگدانه ها مواد رنگزای طبیعی یا سنتزی هستند که معمولا به صورت پودری بوده و عموما در آب و برخی دیگر از حلال های آلی نامحلول هستند. رنگدانه های صنعتی دارای ضریب شکست بالا، معمولاً بیش از 70/1 هستند. این ترکیبات، هنگامی که به طور یکنواخت در رزین پخش می شوند، رنگ و کدورت را به فیلم پوششی می بخشند. امروزه، اهمیت صنعتی رنگدانه ها فراتر از تولید رنگ و جوهر است و به دلیل ویژگی های فیزیکوشیمیایی برجسته، در صنایع مختلفی از جمله پلاستیک، لوازم آرایشی، کاغذ سازی و داروسازی به عنوان ماده رنگ دهنده اصلی کاربرد دارد. صنعت رنگ و پوشش در حال حاضر تقریبا %60 از مصرف جهانی رنگدانه ها را به خود اختصاص داده است. به طور کلی رنگدانه ها در صنعت رنگ و پوشش برای ایجاد ویژگی خاصی مانند رنگ، کدورت، بازدارندگی از خوردگی، خواص مکانیکی و دوام استفاده میشوند.
رنگدانه ها براساس ترکیب و ماهیت شیمیایی به دو دسته رنگدانه های معدنی (Inorganic pigments) و رنگدانه های آلی (Organic pigments) طبقه بندی می شوند.
از رنگدانه های معدنی می توان به اکسیدها (تیتانیوم دی اکسید، اکسید آهن قرمز)، سولفیدها (سولفید روی، سولفید کادمیوم)، کرومات ها (کروم زرد، کروم نارنجی، کرومات روی)، مولیبدات ها (مولیبدات نارنجی، مولیبدات روی)، فسفات ها: فسفات روی، فسفات آلومینیوم)، رنگدانه های فلزی (آلومینیوم، مس، روی)، رنگدانه های غیر فلزی (کربن سیاه) و سایر موارد مانند آبی اولترامارین، بیسموت وانادات، متابورات روی اشاره کرد.
از رنگدانه های آلی می توان به رنگدانه های آزو (قرمز تولوئیدین، زرد آریل آمید، قرمز نفتول، زردهای دی آریلید، نارنجی پیرازولون و …)، رنگدانه های فتالوسیانین (فتالوسیانین آبی و سبز)، رنگدانه های کویناکریدون (PR 122، PV 19)، رنگدانه های آنتراکینون (PY 108، PO 51، PB 60، PR 177)، رنگدانه های پریلن: PR 123، PR 178، PV 29)، رنگدانه های پرینون (PO 43, PR 194) رنگدانه های دی کتوپیرولوپیرول (PR 254, PO 73)، رنگدانه های تیوایندیگو (PR 88، PR 181)، رنگدانه های دی اکسازین (PV 23)، رنگدانه های کینوپتالون (PY 138)، و رنگدانه های تری آریل کربنیوم (PB 61، PB 19) اشاره کرد.
- ویژگی های مهم رنگدانه های تجاری
همه محصولات نامحلول رنگی یا رنگدانه های سنتزی، اصولا رنگدانه های تجاری نیستند. برای اینکه یک رنگدانه قابل استفاده در صنعت رنگ و پوشش باشد باید ویژگی های برجسته ای را از نظر کاربردی نشان دهد. برخی از خواص و ویژگی های مهم رنگدانه ها در زیر به اختصار مورد بحث قرار می گیرند.
- خواص نوری (Optical properties)
اکثر رنگدانه هایی که بخشی از هر فرمولاسیون رنگ هستند برای ارائه جلوه های بصری عمدتاً رنگ (color) و کدورت (opacity) در نظر گرفته شده اند. رنگ با توجه به طول موج قسمت بازتاب شده نور مرئی درک می شود.
- از عوامل موثر بر رنگ یک رنگدانه می توان به خلوص شیمیایی (Chemical purity)، اندازه ذرات (Particle size)، و ساختار کریستالی (Crystal structure) اشاره کرد. ابتدایی ترین روش برای ارزیابی رنگ یک رنگدانه، بررسی بصری فام رنگدانه تحت نور خاص و مقایسه آن با یک نمونه فیزیکی استاندارد است. این روش دارای این محدودیت است که مشاهده رنگ ممکن است از فردی به فرد دیگر یا تحت شرایط مختلف مانند نوع منبع نور و زاویه دید متفاوت باشد. برای غلبه بر محدودیت های روش های بصری از روش اسپکتروفتومتری استفاده می شود که رویکرد علمی تری برای کمی سازی رنگ ایجاد شده است.
- از عوامل مهم و موثر مربوط کدورت رنگدانه، ضریب شکست (Refractive index) و اندازه ذرات (Particle size) آن است. هر چه تفاوت بین ضریب شکست ذرات رنگدانه و محیطی که در آن پخش شده است بیشتر باشد، کدورت بیشتر است. بنابراین با نگاهی به ضریب شکست رنگدانه ها می توان کدورت بالای تیتانیوم دی اکسید و کدورت اکستندرها در یک رزین پوشش داده شده را توضیح داد. یکی دیگر از عوامل موثر بر پدیده پراکندگی، اندازه ذرات رنگدانه است. توانایی ذرات رنگدانه برای پراکندگی نور با کاهش اندازه ذرات تا اندازه بهینه (معمولاً حدود 200 نانومتر) افزایش می یابد. کاهش بیشتر در اندازه ذرات رنگدانه منجر به کاهش پراکندگی می شود.
- مشخصات فیزیکی (Physical properties)
از مشخصات فیزیکی یک رنگدانه می توان به حلالیت (Solubility)، چگالی (Density)، اندازه ذرات (Particle size)، شکل ذرات (Particle shape)، بافت رنگدانه (Texture of pigments) و عدد جذب روغن (Oil absorption value) اشاره کرد.
- حلالیت نامطلوب ترین ویژگی یک رنگدانه است. اگرچه رنگدانه ها بنا به تعریف نامحلول هستند، اما در عمل، بسیاری از رنگدانه ها یک سطح کمی از حلالیت را نشان می دهند که منجر به مشکلات قابل توجهی در سیستم هایی می شود که در آنها گنجانده شده اند. از مشکلات غالب مشاهده شده در پوشش ها در نتیجه حلالیت رنگدانه ها در حلال یا رزین می توان به بلیدینگ (Bleeding)، بلومینگ (Blooming) و تبلور اشاره کرد.
- چگالی میتواند یک شاخص مفید از رنگ و همچنین ویژگیهایی رنگدانه ای باشد که به عنوان سوسپانسیون در رنگ پخش میشود. طبق قانون استوکس، یک ذره رنگدانه با سرعتی متناسب با تفاوت در چگالی رنگدانه و محیط در رنگ ته نشین می شود. بنابراین، رنگهایی که رنگدانههای متراکم (چگال تر) دارند، تهنشینی سریعی در طول ذخیره سازی از خود نشان میدهند. سرعت ته نشینی را می توان با استفاده از یک محیط ویسکوز به عنوان جبران کننده چگالی بالا و یک رنگدانه با اندازه ذرات کم کاهش داد.
- اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات از ویژگیهای بسیار مهم رنگدانهها هستند زیرا آنها بر خواص نوری مختلف رنگ مانند رنگ، قدرت پوشش دهی / کدورت، قدرت رنگدهیو براقیت و همچنین خواص فیزیکی مانند سوسپانسیون ذرات در رنگ و رئولوژی سیستم رنگ تأثیر میگذارند.
- شکل ذرات رنگدانه ها نیز در خواص فیزیکی رنگدانه های تجاری تاثیر می گذارند. اگرچه شکل ذاتی ذرات رنگدانه از شکل کریستالی آن مشخص می شود، اما تا حدی به روش سنتز رنگدانه نیز بستگی دارد. شکل ذرات رنگدانه ها نیز بر روی خواص رنگ ها مانند قوام، جریان، برس پذیری، ته نشینی و خواص مکانیکی لایه های آن ها تاثیر دارد
- اصطلاح بافت به طور کلی به معنای احساس استفاده می شود زمانی که رنگدانه ای بین انگشتان مالیده می شود یعنی زبری یا صافی، و نرمی یا سختی. معنای کلی تر در صنعت رنگدانه و پوشش، سهولت نسبی پخش شدن یک رنگدانه در یک ظرف رنگ است. بیشترین پتانسیل رنگدانه ها در پوشش ها در صورتی قابل تحقق است که آگلومراهای آنها شکسته شده و به صورت ذرات اولیه پراکنده شوند. در فرآیند تولید رنگ، مرحله پخش شدن رنگدانه، انرژی برترین مرحله است و از این رو سهولت پراکندگی رنگدانه یکی از ویژگی های مطلوب رنگدانه ها است.
- عدد جذب روغن به عنوان یک ویژگی مهم برای رنگدانه ها استفاده می شود و برای فرمولاتورهای پوشش بسیار مفید است. عدد جذب روغن به عنوان حداقل مقدار (بر حسب گرم) روغن بذر کتان مورد نیاز برای خیس کردن 100 گرم رنگدانه برای تشکیل یک خمیر منسجم تعریف می شود.
- خواص شیمیایی و عملکردی
خلوص شیمیایی (Chemical purity)، مقاومت در برابر مواد شیمیایی، واکنش پذیری (Reactivity)، مقاومت در برابر تخریب اکسایشی، ثبات نوری و جوی، و پایداری حرارتی (Thermal stability) رنگدانه ها ویژگی های مهمی هستند که در عملکرد رنگدانه های تجاری مهم هستند.
- بیشتر رنگدانه های سنتزی تولید شده توسط صنعت، ترکیبات شیمیایی خالص هستند، اما رنگدانه های معدنی طبیعی مواد معدنی فرآوری شده هستند. ناخالصی های موجود در رنگدانه های طبیعی ممکن است از منبعی به منبع دیگر متفاوت باشد. اگرچه ظاهر فیزیکی و برخی از خواص فیزیکی مشابه هستند، وجود برخی ناخالصی های شیمیایی ممکن است عملکرد پوشش های نهایی را مختل کند. بنابراین، چنین رنگدانههایی باید از نظر خلوص شیمیایی قبل از ترکیب در فرمول پوشش مشخص شوند.
- یکی دیگر از ویژگی های مهم یک رنگدانه بی اثر بودن آن در برابر مواد شیمیایی است که ممکن است با آنها تماس پیدا کند. این مواد شیمیایی ممکن است اجزای رنگ یا سایر موادی باشند که با فیلم یا لایه پوشش تماس دارند. رنگدانه هایی مانند اکسید روی و سرب سفید با اسیدهای آزاد موجود در رنگ ها و پوشش ها واکنش داده و به ترتیب صابون های سرب و روی از اسیدها را تشکیل می دهند. تیتانیوم دی اکسید و بسیاری از رنگدانه های اکستندر دیگر غیرفعال هستند و صابونی را تشکیل نمی دهند.
- پلیمریزاسیون اکسایشی پلیمرهای پایه روغن خشک شونده، رایج ترین مکانیسم تشکیل فیلم است. در دوره اولیه فرایند خشک شدن، رنگدانه به دلیل وجود رادیکال های آزاد، هیدروپراکسیدها و کاتالیزورهای فعال شده در محیطی بسیار اکسید کننده قرار می گیرد. این محیط ممکن است با پرداخت های خشک شدن اجباری که در دمای بالا پخته می شوند، شدیدتر شود. رنگدانه باید نسبت به هر یک از این واکنش ها بی اثر باشد و نباید تغییر سایه یا تغییر شکل کریستالی را نشان دهد.
- ثبات نوری، مقاومت رنگدانه در برابر تغییر رنگ هنگام قرار گرفتن در معرض نور روز است. ثبات نوری در درجه اول توسط شیمی مولکول کنترل می شود، هرچند عوامل دیگری مانند ساختار، نقص، شکل و اندازه ذرات و غلظت رنگدانه ممکن است بر پایداری نوری تأثیر بگذارند. هنگامی که از پوشش های حاوی رنگدانه در شرایط بیرونی استفاده می شود، نور تنها عاملی نیست که بر تخریب فیلم تأثیر می گذارد. مجموعه ای از عوامل دیگر مانند گرما، رطوبت، باران، دود و سایر گازهای صنعتی، تا حدی کم و بیش مسئول عملکرد پوشش هستند. ثبات جوی توانایی یک سیستم رنگدانه- رزین برای تحمل اثر ترکیبی نور خورشید و سایر عوامل فیزیکوشیمیایی محیط بیرونی است.
- پایداری حرارتی یک رنگدانه توانایی آن در تحمل دمای بالا بدون هیچ گونه اثرات نامطلوب مانند تغییر رنگ، ذوب یا خراب شدن است. رنگدانه ها ممکن است در طول فرآیند پوشش، پخت حرارتی پوشش یا در طول عمر پوشش در معرض دمای بالا قرار گیرند. پایداری حرارتی یک رنگدانه باید بالاتر از بالاترین دمایی باشد که ممکن است در هر یک از این مراحل در معرض آن قرار گیرد. دلایل اصلی تغییر رنگ رنگدانه ها در شرایط دمایی بالا، تجزیه حرارتی، برهمکنش شیمیایی با رزین، انحلال در محیط کاربردی یا اصلاح کریستال است.
در پایان ذکر این نکته ضروری است که برای صنعت رنگدانه مانند هر صنعتی، ملاحظات زیست محیطی و سم شناسی نگرانی های اصلی هستند. به طور کلی، رنگدانه ها به دلیل حلالیت کم در مقایسه با سایر مواد شیمیایی خطر کمتری دارند، اگرچه بسیاری از رنگدانه ها دارای اثرات سمی بالقوه هستند. بیشتر رنگدانه های آلی ایمن در نظر گرفته می شوند، اما برخی از رنگدانه های معدنی حاوی فلزات سنگین مانند کروم، سرب، کادمیوم یا آنتیموان به دلیل اثرات سمی خود متوقف می شوند. ملاحظات سم شناسی برای رنگدانه های مورد استفاده در پوشش هایی که با مواد غذایی در تماس هستند یا برای کالاهای مصرفی یا اسباب بازی ها استفاده می شوند بسیار مهم می شوند.
کارخانه بهنو رنگ (BEHNO Paints) تلاش می کند با در نظر گرفتن ملاحظات زیست محیطی و شناخت دقیق خواص مواد اولیه بویژه رنگدانه های استفاده شده در فرمولاسیون رنگ ها و پوشش های خود و تامین آنها از منابع معتبر داخلی و خارجی، محصولات با کیفیت و مطابق با استانداردهای ملی و بین المللی را در اختیار مشتریان خود قرار داد.
