پدیده فلوتینگ و فلودینگ در دیسپرسیون

پدیده فلوتینگ و فلودینگ در دیسپرسیون

Floating(شناوری)

یکی از مشکلات دیسپرسیون رنگهای پیگمنت دار Floating میباشد.در طول فرایند خشک شدن و یا انبارداری با جدا شدن پیگمنت ها و شناوری آنها روی سطح،اثر نا یکنواخت بنارد – سل (وصله – رگه رگه) روی سطح رنگ ایجاد می شود و رنگ لکه لکه به نظر می رسد. امکان وقوع این پدیده در رنگهای با پیگمنت های متنوع و مختلف در سیالات بالاست در حقیقت با خشک شدن رنگ و خروج حلال از آن و تغییرات ویسکوزیته، دانسیته، دما و کشش سطحی بر اثر تبخیر حلال مدار جریانی که باعث تولید بنارد سل می شود (ربطی به اینکه در رنگ پیگمنت هست یا نیست ندارد) ایجاد می گردد.

با خروج حلال از سیستم و کاهش دمای موضعی سطح رنگ، کشش سطحی لایه بالایی فیلم نسبت به لایه های پایین تر تغییر میکند و یک مدار حلقوی حامل مواد رنگی مثل پیگمنت در لایه پوشش ایجاد می شود. در حالت ایده آل باید یک سل هشت وجهی بر اثر خشک شدن یا پخت رنگ مشاهده شود.

با اختلاف پیگمنت ها در اندازه ی ذرات، دانسیته و در نتیجه سرعت صعود متفاوت بر اثر تبخیر حلال، پیگمنت ها از هم جدا می شوند که این پدیده در لبه ها کاملا مشهود است اما با استفاده از ادیتیو مناسب می توان از این عمل جلوگیری کرد.

با بهینه سازی یکی دو مورد از فاکتورهای زیر می توان از Floating جلوگیری کرد یا آن را کاهش داد.

-سیالیت پیگمنت ها

-اندازه ذرات پیگمنت ها

-کنترل جریان فیلم در حال خشک شدن

سیالیت ذرات پیگمنت بستگی به اندازه ذرات، دانسیته، هندسه پیگمنت، خواص فیزیک سطح و درجه فولکولاسیون ذرات بستگی دارد.

علاوه بر موارد اثر گذار بر خواص فلو، باید به توزیع نیروی گرانش نیز توجه نمود. بر طبق قانون استوک، سرعت رسوب ذرات کروی برابر است با:

V = 2D(dpi-dbi) r2g/9h

که :

V: سرعت رسوب

D: فاکتور تناسب

dpi: دانسیته ذرات جامد

dbi: دانسیته محمل مایع

r: شعاع ذرات جامد

g: شتاب جاذبه

h: ویسکوزیته محمل مایع

بر طبق معادله بالا با افزایش ذرات، سرعت رسوب افزایش می یابد و محاسبات نشان می دهد که سرعت رسوب تیتان 1000 برابر کربن بلک می باشد.

از معادله بالا برای ذرات کروی در ابعاد کلوئیدی می توان استفاده کرد.

پیگمنت ها متداول در رنگ همواره تمام شرایط قانون استوک را پوشش نمی دهند. معادله بالا نشان می دهد که اثر شعاع ذرات بیشتر ازشتاب جاذبه است و با افزایش شعاع ذرات، سرعت رسوب تصاعدی بالا می رود.

در پوشش ها مجموعه ای از پیگمنت ها مثلا تیتان با شعاع خیلی بزرگ و پیگمنت های آلی با شعاع خیلی کوچک استفاده می شوند که با تجمع ذرات پیگمنت و افزایش سرعت رسوب جدا سازی سریعتر اتفاق می افتد که بر عکس این حالت نیز امکان وقوع دارد یعنی اینکه با تجمع ذرات کوچک و ایجاد ذرات بزرگتر، زودتر از تیتان رسوب بکنند که مواد دیسپرس کننده با جلوگیری از تجمع پیگمنت ها این امکان را کاهش می دهد.

با تأثیر گذاری مثبت سرعت فلو روی حرکت مواد می توان با افزایش ویسکوزیته و کاهش فلو از  Floating جلوگیری کرده یا آن را کاهش داد که بهترین حالت ایجاد خاصیت شبیه پلاستیکی با استفاده از ادیتیوهای مرتبط (Low shear) می باشد.

تعیین کارایی دیسپرسیون

خواص دیسپرسیون را با روش های مختلف می توان بررسی کرد که اندازه گیری بار سطح و روش های متداول در اینجا بررسی شده اند.

1-اندازه گیری بار سطح

با پایدار سازی ذرات با بارالکترواستاتیک، جلوی رسوب مواد را می توان گرفت که برای اندازه گیری بار از میدان الکتریکی استفاده می شود.

2-نیاز به دیسپرس کننده

درفرایند دیسپرسیون باید مقدار مواد مختلف مثل پیگمنت/پرکننده، حلال/بایندر و ادیتیو بهینه شود زیرا کیفیت نهایی رنگ وابسته به نوع و مقدار دیسپرس کننده می باشد.

روش زیر فرایندی ساده در تعیین مقدار دیسپرس کننده در میل بیس های پایه آب دارای پیگمنت و پرکننده های هیدروفولیک می باشد.

مرحله اول تیتراسیون مقدار آب لازم را نشان می دهد که در ابتدا با قرار گرفتن مقدار مشخصی از پیگمنت یا پرکننده (برابر با مقدار لازم در میل بیس) در معرض رطوبت، تیتراسیون شروع می شود.

نقطه نهایی با ترشدگی کامل و ایجاد حالت خمیری یوجود می آید آنگاه مقدار میلی لیتر آب لازم برای 10 گرم پیگمنت یا پرکننده گزارش میشود.

از این روش برای تعیین مقدار دیسپرس کننده نیز استفاده می شود که مخلوطی از آب، پیگمنت و پرکننده بر طبق تست بالایی تهیه می شود و مرحله به مرحله با تیتراسیون با دیسپرس کننده و اختلاط با اسپاچول و اندازه گیری ویسکوزیته و نقطه گذای در نمودار، منحنی ویسکوزیته تعیین می شود که نقطه حداقل در منحنی نشان دهنده مقدار دیسپرس کننده سیستم می باشد اما در عمل با افزایش سطح پیگمنت بر اثر تجمع زدایی، مقدار کاربردی 50% یا بیشتر از مقدار نظری می شود.

3-پایش فرایند دیسپرسیون

دیسپرسیون پیگمنت در فاز مایع یا در لایه رنگ خشک شده را به روش های مختلف می توان مطالعه کرد. تست اولیه ی کنترل تولید و آزمایشگاه، تعیین اندازه ذرات می باشد که مکانیس ها اندازه گیری همگی بر یک پایه اند.

با کشیدن لایه ای از رنگ روی دستگاه دانه بندی اندازه ذرات درشت تعیین می شود که در این روش فقط اندازه ذرات تعیین شده و توزیع اندازه ذرات نادیده گرفته می شود(ASTM-D1210) و همچنین ممکن است نتایج با بیان های مختلف گزارش شود.

4-درجه دیسپرسیون

درجه دیسپرسیون روی خواص بصری و نوری رنگ مثل پشت پوشی، قدرت رنگی، براقیت، گسترش رنگی و light scattering (پراکنش نور) اثر می گذارد.با استفاده از پیگمنت سفید قدرت کاهش فام پیگمنت رنگی تعیین می شود مثلا نمونه سفید با مقدار کمی (10%) پیگمنت مشکی ترکیب شده و در کنار یکدیگر کشیده و با هم مقایسه می شوند. در پیگمنت های سفید درجه دیسپرسیون با light scattering  و درخشندگی رنگ رابطه مستقیم دارد و با بهبود دیسپرسیون، فام پیگمنت سفید ته آبی می شود.

درجه براقیت روش دیگری برای تعیین درجه دیسپرسیون می باشد که ضریب انکسار، بافت سطح و زاویه تابش نور و عیوب سطحی حتی در حد 0.1m روی براقیت رنگ خشک اثر می گذارد بنابراین اندازه ذرات بسیار مهم است.

تعیین خواص رئولوژیکی روشی مفید در تعیین درجه دیسپرسیون می باشد که البته مشاهده آن بسیار سخت است و فاکتورهای دیگری علاوه بر دیسپرسیون روی آنها اثر می گذارد.

5-درجه فولکولاسیون

درجه فولکولاسیون رابطه مستقیم با براقیت پوشش دارد. هرچه اندازه ذرات بزرگتر باشد براقیت کمتر است تعیین قدرت پوشش (پشت پوشی) روش دیگری در تعیین درجه فولکولاسیون می باشد که با افزایش فولکولاسیون قدرت پوشش کاهش می یابد. البته این قانون در اندازه ذرات بیشتر از 0.3m اعتبار دارد زیرا با کاهش اندازه ذرات (کمتر از طول موج نور مرئی) پوشش کم می شود. برای تعیین قدرت پوشش لایه ای از اعمال رنگ با ضخامت مشخص روی سطح شطرنجی سیاه و سفید و یا از ابزار دیگر مثل گرایندوپک استفاده می شود. تعیین سرعت رسوب مواد در رنگ نیز روشی کیفی در تعیین درجه فولکولاسیون می باشد.

مزیت تمام موارد بالا عدم رقیق سازی سوسپانسیون پیگمنت می باشد.

تست Rub-out روشی برای تعیین درجه فولکولاسیون در فیلم خشک می باشد.

در بسیاری از روش ها مثل منحنی توزیع آماری اندازه ذرات، شمارش Coulter و یا تخمین میکروسکوپی باید رنگ را به مقدار زیادی رقیق نمود.

6- Flooding: تست Rub-out

Flooding عبارتست از تجمع ذرات پیگمنت روی سطح فیلم که باعث تغییر رنگ در سطح فیلم می شود. Flooding وابسته به Floating است که flooding تغییر رنگ یکنواخت و Floating تغییر رنگ موضعی است.

Flooding نتیجه اختلاف سرعت در رسوب تجمعات پیگمنت ها می باشد.

با تست ساده و عملیRub-out،Flooding مشاهده و اندازه گیری می شود.در این تست با برداشتن لایه ای از رنگ خشک و مقایسه با سطح زیرین، اختلاف فام یا همان درجه Flooding اندازه گیری می شود.

Floodingنتیجه مستقیم فولکولاسیون می باشد و اما در ساختارهایی با دیسپرسیون نایکنواخت نیز هم مشاهده می شود.

برای بیان عدد اختلاف بر طبق قانون Munk – Kubella دو حالت وجود دارد:

F = K/S = (1-R) 2/2R

F: قدرت رنگی

K: ضریب

S: ضریب انکسار

R: ضخامت لایه غیر ترانسپرنت

عدد Rub- out:

RN={Fr/Fnr-1} 100

RN: تعداد Rub-out

Fr: قدرت رنگی لایه برداشته شده

Fnr: قدرت رنگی لایه باقی مانده

علامت RN منفی یا مثبت است که علامت مثبت یعنی قدرت رنگی لایه برداشته شده بیشتر از باقی مانده است و علامت منفی نتیجه بر عکس دارد و اگر مقدار برابر صفر باشد یعنی هیچ اختلاف رنگی وجود ندارد.در عمل، این تست معادل وجود تجمع می باشدو وقتی می توان این تست را کنار گذاشت که فولکولاسیون را با روش دیگر بتوان اندازه گیری کرد.

روش عملی دیگر در تعیین فولکولاسیون، اعمال رنگ ساخته شده در زمان های متوالی و مقایسه آنها با هم می باشد مثلا در رنگهای آبی با تجمع پیگمنت ها، فام بسمت رنگ سبز حرکت میکند یعنی با تجمع فام سیستم با توجه به نمودار نعلی شکل به سمت راست شیفت می کند.

خواص بیولوژیکی و سمیت

خواص بیولوژیکی و سمیت بستگی به ساختار محصول دارد و اطلاعات بیان شده برپایه ساختار کلی مواد سطح فعال پلیمری می باشد.

1-مواد سطح فعال

مواد دیسپرس کننده و تر کننده ی هیدروفوب چربی زدا می باشند بنابراین تماس آنها با پوست باعث از بین رفتن چربی پوست و ایجاد حساسیت می کند که به صورت لکه های قرمز رنگ و التهاب خود را نشان می دهد. این مواد در طبقه بندی 36/38 R قرار می گیرند.

حضور مواد دیگر مثل ادیتیوها یا حلال ها ممکن است این طبقه بندی را تغییر دهد.

سمیت مواد سطح فعال مصرفی در رنگ در محدوده  mg mol-1 2000 می باشد که جزء مواد خطرناک نمی باشند.

مشتقات آلکیل فنل روی غدد ترشحی اثر میگذارد.

تخریب شوندگی محیطی این مواد بسیار خوب (90% OECD) است. که گاهی اوقات اجزا روی تخریب شوندگی اثر منفی دارد.

2-پلیمر

پلی آکریلات های مصرفی در رنگهای پایه آب غیر سمی می باشند اما در پلیمرهای پودری باید به ساختار مواد توجه کرد. پلیمر ها مدت زمان طولانی در آب و زمین باقی می مانند مثلا ً ماده ای مثل سدیم پلی آکریلات بعد از گذشت 28 روز 15 تا 30% تخریب می شود.

پدیده فلوتینگ و فلودینگ در دیسپرسیون

 

محصولات