آشنایی با اصول کلی پیگمنت ها

بازدید: ۴۲۲۳

رنگدانه ها (پیگمنت ها)

نگاه کلی

معمولا مواد رنگی را به دو دسته پیگمانها ( رنگدانه‌ها ) و رنگها طبقه‌بندی می‌کنند. رنگدانه بارنگ متفاوت می‌باشد. تفاوت آنها در این است که رنگ بایستی توسط ماده مورد رنگرزی جذبشود در حالیکه رنگدانه فقط سطح جسم را رنگی می‌کند. رنگدانه‌ها در آب نامحلول هستند. اما می‌توان آنها را مانند رنگدانه‌های مورد مصرف در نقاشی ، توسط حلال مناسبی به صورت سوسپانسیون در آورد.

اگر ساختمان شیمیایی رنگدانه را بتوان اندکی تغییر داد بطوری که در آب انحلال پذیر گردد، در اینصورت ممکن است بتوان آن را به عنوان رنگ در رنگرزی مصرف کرد.

تاریخچه

پیدایش پیگمانهای جدید در طول زمان به کندی صورت گرفت. بعد از سنتز اولین رنگ مصنوعی توسط “ویلیام پرکین” در سال 1856 متعاقباً در اوایل قرن بیستم ، پیگمانهای مصنوعی آلی تهیه و به بازار عرضه شدند. این پیگمانها دارای اهمیت خاصی بودند، زیرا علاوه بر موارد استعمال پیگمانهای معدنی ( لاکها ، رنگهای روغنی ، صنعت چاپ و … ) در رنگرزی الیاف و منسوجات هم بکار می‌رفتند. یکی از مهمترین اکتشافات در مورد پیگمانهای آلی ، کشف پیگمانهای فتالوسیانین در سال 1935 توسط یمیدانهای شرکت رنگرزان اسکاتلند بود.

 

 

رنگدانه‌ها (پیگمنت ها)

رنگدانه‌ها یا پیگمانها ، مواد جامد تزئینی هستند که در شکل و اندازه‌های مختلف در حلالهای مربوط به حالت معلق تهیه و بکار می‌روند و مشتمل بر مواد سیاه – سفید و رنگی بوده ، موارد استفاده زیادی در رویه زدن ، رنگرزی انبوه و دیسپرسیون در هوا دارند.

 

انواع رنگدانه‌ها

معمولاً رنگدانه‌ها را براساس انواع شیمیایی به رنگدانه‌های معدنی یا آلی طبقه‌بندی می‌کنند، اما این رنگدانه‌های آلی یا معدنی می‌توانند طبیعی یا سنتزی باشند.

رنگدانه‌های طبیعی و مصنوعی

رنگدانه‌های معدنی طبیعی از پوسته زمین استخراج می‌شوند، خرد شده ، شسته شده ، از لحاظ اندازه درجه‌بندی می‌شوند. غالباً برای این رنگدانه‌های طبیعی ، معادل مصنوعی هم وجود دارد، یعنی رنگدانه از اجزاء دیگری در اثر یک فرآیند 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 ، مرغوبتر از نوع طبیعی می باشد.

رنگدانه‌های معدنی طبیعی که هنوز اهمیت دارند، از خانواده اکسید آهن می‌باشند که عبارتند از: گل اخرا ، گل ماشی (خاک سرخ) ، اخرای زرد ، اکسیدهای آهن قرمز زرد و سیاه.

رنگدانه‌های آلی

امروزه رنگدانه‌های آلی به مراتب بیشتر از رنگدانه‌های معدنی می‌باشند. بعضی از جدیدترین رنگدانه‌ها ساختمان آلی فلزی دارند. بیشتر رنگدانه‌های آلی ، مواد شیمیایی آلی هستند که روی یک هسته معدنی هیدروکسید آلومینیوم 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 می‌باشد که به علت 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 می‌باشند.

عمده‌ترین رنگدانه‌های معدنی

  •  پیگمانهای سفید
  •  پیگمانهای قرمز سرنج
  •  شنگرف
  •  پیگمانهای زرد و نارنجی
  •  پیگمانهای آبی
  •  پیگمانهای لاجورد یا اولترامارین
  •  پیگمانهای سبز

 

 

جدول مقایسه خواص رنگدانه‌های آلی و معدنی 


خاصیت

مرجع

دلایل

درخشندگی و روشنی

آلی

جالبترین و روشنترین رنگها را فقط با رنگدانه‌های آلی می‌توان به دست آورد.

رنگهای سفید و سیاه

معدنی

خالص‌ترین رنگدانه سفید ، دی‌اکسید تیتانیوم ، براقترین و سیاهترین آنها کربن می‌باشد. جزءرنگهای معدنی طبقه‌بندی می‌شود. رنگدانه‌های سیاه و سفید آلی وجود ندارد.

غیر نفوذ کننده

معدنی

ترکیبات معدنی حلالیت ناچیزی در حلالهای آلیدارند.

مقاومت نوری

معدنی

پیوندهای ظرفیتی در ترکیبات معدنی در مقابلuvپایدارتر از پیوندهای ظرفیتی ترکیبات آلی هستند.

پایداری حرارتی

معدنی

ترکیبات آلی اندکی در دمای یا بالاتر پایدارهستند اغلب در دماهای پایین تجزیه شده یا ذوب می‌شوند.

عمل ضد خورندگی

معدنی

تمام رنگدانه‌های ضد خورنده معدنی هستند.


 

کاربرد عمده پیگمنت ها

موارد استعمال عمده پیگمانها در لاکها ، رنگهای روغنی ، ورنی‌ها ، رنگهای سلولزی ، رنگهای پلاستیکی ، مرکبهای چاپ و رنگرزی کاغذ وتاسیسات آهنی می‌باشد. صنایع پوششی عمده‌ترین موارد استعمال پیگمانها می‌باشد. 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. در رنگ زدن اشیا به زیباتر شدن آنها کمک می‌کند.

ویژگیهای عمومی رنگدانه ها

رنگدانه ها ذرات جامدی هستند که افزودن آنها به رنگ نه تنها موجب پوشش دار شدن و رنگی شدن آن می شود، بلکه ویژگیهای معینی نیز به رنگ می دهند. از این ویژگیها می توان به محافظت سطح مانند مقاومت در برابر هوازدگی و خوردگی و خواص محوری مانند تقویت لایه، ایجاد سختی مناسب، باز دارندگی اشتعال و سایر خواص اشاره کرد. برای انتخاب درست رنگدانه مناسب باید خواص و ویژگیهای آن را شناخت. در این مقاله سعی شده ات تا این خواص به اختصار شرح داده شود و به دسته بندی رنگدانه ها به طور کلی اشاره گردد.

رنگدانه ها ذرات جامدی هستند که برای دستیابی به ویژگیهای معینی در رنگ پراکنده می شوند. رنگدانه ها اغلب برای تعیین فام رنگها، مرکب های چاپ و پلاستیکها بکار می روند. آنها در ابعاد گسترده تری به سطح مختلف مانند کاغذ، منسوجات، لاستیک، شیشه ، سرامیک و مواد ساختمانی مانند سیمان و بتن و از این قبیل سطوح اعمال می شوند. معمولاً رنگدانه ها به منظور دستیابی به ویژگیهای زیر به پوششها اضافه می شوند:
ایجاد رنگ،

پوشاندن رنگ قبلی،

بهبود استحکام و چسبندگی لایه رنگ،

بهبود دوام و خواص در مقابل هوازدگی،

افزایش حفاظت در برابر خوردگی، کاهش براقیت، اصلاح خواص پخش شوندگی و کاربرد رنگ. انواع رنگدانه ها در اغلب کتب و مراجع موجود دسته بندی رنگها بر مبنای نوع شیمیایی آنها انجام می شود. ولی در اینجا می توان گفت که تمام رنگدانه ها در دو گروه زیر خلاصه می شوند: طبیعی یا سنتزی آلی یا غیر آلی رنگدانه های طبیعی و سنتزی امروزه، متاسفانه کمتر رنگدانه آلی طبیعی در صنعت رنگ بکار می رود. بسیاری از رنگدانه های غیر آلی هنوز از زمین به دست می آیند و پس از خرد شدن و شستشو با توجه به اندازه ذرات آنها دانه بندی می شوند. اغلب برای آنها ماده سنتزی معادلی و جود دارد. بدین معنی که رنگدانه ای به کمک فرایند شیمیایی از سایر اجزا ساخته می شود که از نظر شیمیایی با نوع طبیعی آن یکسان است. اما،اغلب از نظر خواص متفاوت است. از مهمترین رنگدانه های طبیعی اکسیدهای آهن قرمز، زرد و سیاه را می توان نام برد. رنگدانه های آلی و غیر آلی
امروز رنگدانه های آلی نسبت به نوع غیر آلی آن از فراوانی زیادی برخوردارند. برخی از رنگدانه های جدید دارای هر دو عناصر فلزی و ساختار آلی هستند. افزودن بر این، بسیاری از رنگدانه های آلی از ترکیبات آلی تشکیل یافته اند که روی یک مغزه (
Core) غیر آلی( مثل آلومینیم هیدروکسید) رسوب می کنند. این رنگدانه ها لاک نامیده می شوند.

رنگدانه های آلی یا آلی – فلزی دارای بهترین استاندارد کارایی در بیشتر موارد استفاده هستند. رنگدانه های فتالوسیانین (مونسترال) کینا کریدون( سینکراسپا) پرپیلن و پرنیودی اکسازین و رنگدانه های آزو با جرم مولکولی زیاد مثالهایی از این نو رنگدانه ها هستند.

ویژگیهای رنگدانه ها برای انتخاب درست رنگدانه و رسیدن به رنگ مطلوب باید خواص و ویژگیهای آن را مد نظر داشت. برخی از این خواص عبارت است از :

قدرت رنگ کنندگی (tinting strength)

ثبات نوری (light fastness)

رنگ پس دهی (bleeding)

قدرت پوشانندگی (hiding power)

ضریب شکست نوری

اندازه و شکل ذرات

چگالی

واکنش پذیری شیمیایی

پایداری گرمایی

در ادامه مطلب به شرح مختصر هر یک از موارد بالا می پردازیم.

قدرت رنگ کنندگی (tinting strength)

قدرت رنگ کنندگی اغلب رنگها دارای رنگدانه سفیدانه که به کمک رنگدانه های رنگی می توان به ته رنگ یا سایه ملایم مورد نظر دست یافت. اگر برای دستیابی به نام فام مورد نظر مقدار زیادی رنگدانه بکار رود، اصطلاحاً گفته می شود که قدرت رنگ کنندگی آن رنگ کم است که بر عکس آن نیز صادق است. قدرت رنگ کنندگی رنگدانه های مختلف با یکدیگر متفاوت و عموماً با کاهش اندازه ذرات افزایش می یابد.قدرت رنگ کنندگی رنگدانه مستقل از قدرت پوشش دهی آن است. از این رو، مقایسه سایه رنگها در ضخامتی از لایه انجام می شود که سطح کاملاً پوشیده باشد. رنگدانه های شفاف از قدرت رنگ کنندگی زیادی برخوردارند.

ثبات نوری

داشتن رنگ خوب در ابتدای کاربرد آن کافی نیست، فام رنگ باید در طول مدت کاربری لایه رنگ دوام داشته باشد. بسیاری از رنگدانه ها در معرض نور، کم رنگ یا تیره رنگ می شود و فام رنگ آنها به طور محسوسی تغییر می کند.این امر، به دلیل تابش های فرابنفش است که در نور خورشید وجود دارد و از انرژی لازم برای شکستن پیوندهای شیمیایی رنگدانه ها و در نتیجه تغییر مولکولهای آنها برخوردار است. تغییر در ساختار شیمیایی، یعنی تغییر در توانایی جذب نور در ناحیه طیف مرئی است، که همراه با از دست دادن رنگ یا فام رنگ است. به عبارتی، اگر رنگدانه بتواند تابش های فرابنفش را بدون شکستن پیوند جذب کند، از محمل محافظت خواهد کرد و این انرژی بدون آسیب رساندن به آن به شکل گرما آزاد می شود. در این حالت، رنگدانه دارای پایداری رنگی زیادی خواهد بود. ثبات نوری یک رنگدانه به عواملی از جمله ساختار شیمیایی، درجه خلوص و شرایط فیزیکی آن بستگی دارد.

رنگ پس دهی

رنگ پس دهی اصطلاحی است که برای توصیف تغییر رنگ یا بدرنگی بکار می رود. هنگامی رنگ سفید اعمال شده روی زمینه قرمز به صورتی باز گردد که حلال رنگ سفید بعضی از رنگدانه های قرمز پوشش زیرین را حل کند و آن را به لایه سفید بالایی انتقال دهد و اغلب گروه قرمزهای آلی مستعد این کار هستند. این عمل را رنگ پس دهی(bleeding) گویند.

قدرت پوشانندگی

در حالت کلی رنگ جدید اعمال شده باید قابلیت محو کردن رنگ قبلی را داشته باشد. اما، در هر حال ضخامت کل رنگ اعمال شده نباید بیش از مقداری باشد که برای حفاظت از سطح و ایجاد ظاهری صاف و همواره مورد نیاز است. چنین ضخامت هایی کم بوده و معمولاً بین 25 تا 100 میکرون است. برای محو کردن رنگ قبلی، رنگدانه های مورد استفاده باید از عبور نور از لایه رویی به لایه قبلی و بازتاب آن به چشم بیننده جلوگیری کنند. رنگدانه های این عمل را با جذب و تفرق نور انجام می هند. قدرت پوشانندگی یک رنگدانه عبارت است از : مساحت پوشش یافته بر حسب متر مربع بر کیلوگرم رنگدانه پراکنده شده در رنگ است که پس از اعمال، رنگ قبلی را محو کند.

قدرت پوشانندگی یک رنگدانه به طول موج، مقدار کل نوری که رنگدانه جذب می کند، ضریب شکست و اندازه و شکل ذرات آن بستگی دارد.

ضریب شکست پرتوهای نور پس از بازتابش از روی لایه رنگ به چشم باز می گردند. شکست، پراش و بازتاب پرتوهای نور به وسیله ذرات شفافی انجام می گیرد که ضریب شکستی متفاوت با لایه رنگی که در آن قرا ر دارند، داشته باشد. رنگدانه های سفید به شکل کلوخه های بزرگ شفاف هستند. اما، رنگدانه های سفید پودری ضریب شکست زیادی دارند (7/2-2) این ضریب شکست بزرگتر از ضریب شکست سایر اجزای تشکیل دهنده های لایه است(76-74) رنگدانه های تیتانیم دیوکسید(Tio2) قدرت پوشانندگی مناسبی دارند. زیرا ضریب شکست این رنگدانه ها بیشتر از ضریب شکست تشکیل دهنده های لایه رنگ است و اندازه ذرات بهینه ای دارند. رنگدانه یارها به شکل توده شفاف پودری سفید هستند.اما این رنگدانه ها به رنگ خاصیت رنگی نمی دهند. زیرا، ضریب شکست آنها متفاوت با ضریب شکست تشکیل دهنده های لایه است.

اندازه و شکل ذرات قطر ایده آل برای پراکندگی نور در فصل مشترک تقریباً برابر با طول موج نور تابیده به ذره است. قطر بهینه ذره تقریباً برابر طول موج نور در هواست که حدوداً 2/0 تا 4/0 میکرومتر است. ذرات ریزتر از این اندازه قدرت پراکندگی نور را از دست می دهند.در بالاتر از مقدار یاد شده در وزن معینی از رنگدانه تعداد فصول مشترک کاهش می یابد و قدرت پوشانندگی رنگدانه شفاف کم می شود. قطر ذرات رنگدانه ها از 1/0 میکرومتر (برای دوده) تا حدود 50 میکرومتر (برای برخی رنگدانه یارها) تغییر می کند. هیچ رنگدانه ای وجود ندارد که اندازه ذرات کاملاً یکسانی داشته باشد. به جای یک اندازه مشخص مخلوطی از ذرات با قطر متوسط را در نظر می گیریم.

مهمترین بخش یک ذره رنگدانه سطح آن است. مساحت سطح با مقدار جذب روغن مشخص می شود.میزان جذب روغن یک رنگدانه عبارت از حداقل وزن روغن بزرگ خام بر حسب گرم که برای تبدیل 100 گرم رنگدانه به خمیر لازم است. روغن به آهستگی به رنگدانه اضافه می شود. افزایش بیشتر روغن موجب پر شدن فضای میان ذرات شده و مخلوط به یک خمیر تبدیل می شود. زیرا، ذرات می توانند آزادانه روی یکدیگر بلغزند و این در نتیجه عمل روان سازی روغن است. رنگدانه ها از نظر مقدار جذب روغن برای تبدیل به خمیر قابل استفاده با یکدیگر متفاوتند. گروههای شیمیایی که در سطح رنگدانه هستند با گروههای شیمیایی روغن در تماس قرار می گیرند. گروههای موجود در سطح تعیین کننده آن است که آیا جاذبه ای میان رنگدانه با مولکولهای روغن وجود دارد( به عبارتی آیا رنگدانه به راحتی تر می شود) و آیا بین رنگدانه و بخشی از روغن جاذبه ویژه ای به وجود آمده است. مورد اخیر ممکن است مطلوب نباشد زیرا مولکولهایی که به سطح می چسبند آزادانه حرکت نمی کننند و قادر به اعمال اثر خود در روغن نیستند. اگر این مولکولها مربوط به افزودنی رنگ باشند باید از آن افزودنی مقادیر کمی استفاده شود.

رنگدانه ای با مساحت سطح بسیار زیاد می تواند افزودنی را به طور کامل جذب کند و به طور غیر موثری آن را پس دهد. اگر گروههای موجود در سطح رنگدانه یکدیگر را به شدت بربایند، ذرات رنگدانه به خوشه ای شدن، مقاومت در برابر تر شدن و پراکنش تمایل نشان می دهند و ساختار بسیار سستی از آنها در رنگ ایجاد می شود که بر خواص کاربردی رنگ اثر می گذارد.این پدیده لخته شدن نامیده می شود. اگر ماهیت شیمیایی رنگدانه شناخته شده نباشد، قاعده کلی این است که هر چه مساحت سطح بزرگتر باشد، سطح رنگدانه فعال تر است. ذرات رنگدانه ممکن است کروی، معکبی، گره ای (شکل بی قاعده تصادفی)، سوزنی یا میله مانند یا لایه ای (صفحه ای) باشند. از آنجا که شکل ذره روی فشردگی رنگدانه اثر می گذارد، بنابراین، روی قدرت پوشش دهی رنگدانه اثر می گذارد. ذرات میله ای شکل شبیه تیر آهن در بتن موجب تقویت لایه ها می شود.از آنجا که سطوح زبر چسبندگی پوشش بعدی را آسان می کند، استفاده از این نوع رنگدانه در لایه زیری مفید است. ذرات صفحه ای تمایل دارند شبیه کاشی های سقف با یکدیگر همپوشانی کنند. این عمل نفوذ آب به داخل لایه را بسیار مشکل می کند، آلومینیم و میکا چنین شکلی دارند.

چگالی
چگالی هر ماده عبارت از وزن آن بر حسب گرم تقسیم بر حجم خالص ماده بر حسب میلی لیتر است( به استثنای حجم اشغال شده در بین ذرات رنگدانه به وسیله هوا) . این مقدار برای تیتانیم دیوکسید سفید برابر 1/4 و برای اکسید سرب سفید6/6 است. یک رنگدانه گران قیمت در صورت کم بودن چگالی آن ممکن است از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. رنگدانه یارها ارزان هستند و غالباً چگالی کمی دارند. این امر بکارگیری آنها را به مقدار زیاد توجیه می کند. هر چند قدرت پوشانندگی رنگدانه رنگی به اندازه کافی قوی باشد.

واکنش پذیری شیمیایی

واکنش پذیری شیمیایی موجب می شود برخی رنگدانه ها برای اهداف مورد نظر مناسب نباشد. مثلاً اکسید روی آمفوتر است و نباید با رزینهای دارای مقدار زیادی گروههای اسیدی به عنوان یک رنگدانه سفید استفاده شود. از آنجا که روی دو ظرفیتی است تمایل به ایجاد پیوند عرضی با رزین دارد که منجر به افزایش گرانروی به هنگام انبار کردن می شود. در این حالت گفته می شود رنگ لخته ای شده و غیر قابل استفاده شده است. به عبارت دیگر، بعضی رنگدانه ها ویژه به شما می آیند، زیرا واکنش پذیرند. بهترین مثال از این نوع رنگدانه های ضد خوردگی هستند.

 

محصولات