پیگمنت الترامارین چیست ؟

بازدید: ۴۸

پیگمنت الترامارین چیست ؟

آبی الترامارین ( آبی ماوراء دریا ) نامی است که هنرمندان اروپایی در قرون وسطی به این پیگمنت که از لاجورد (Lapis Lazuli) به دست می آمد، داده اند. لاجورد سنگ قیمتی است که در افغانستان یافت می شود. الترامارین بهترین رنگ آبی در آن زمان بود، اما سرانجام نایاب و بسیار قیمتی شد.

در 1828، J.B. Guimet در فرانسه و C. Gmelin در آلمان مستقلا ً فرایندهای مشابهی را برای ساخت مصنوعی آن به دست آوردند. به زودی مقدار نسبتا ً زیادی از آن تهیه شد و در نتیجه قیمت ها شدیدا ً کاهش یافت و الترامارین به عنوان یک رنگ برای اهداف عمومی انتخاب شد.

الترامارین های مصنوعی رنگدانه های غیر آلی هستند که در سه رنگ عرضه می شوند:

1) آبی مایل به قرمز: C.I. Pigment Blue 29:77007

2) بنفش: C.I. Pigment Violet 15:77007

3) صورتی: C.I. Pigment Red 259:77007

یک نوع سبز الترامارین نیز وجود داشت که امروزه موجود نیست.

نسبت اجزا شیمیایی در محدودۀ خاصی که به پایداری ماده بستگی دارد، تغییر می کند. معمولا ً واحد تکرار شونده یک الترامارین آبی، Na6.9Al5.6Si6.4O2.4S4.2 است. تفاوت انواع بنفش و صورتی با نوع آبی عمدتا ً ناشی از حالت اکسایش گروههای گوگرد است. این امر مقدار کمتر سدیم و گوگرد منعکس می شود.

1-ساختار شیمیایی

الترامارین اساسا ً یک شبکه آلومینوسیلیکاتی سه بعدی با یونهای سدیم محبوس شده و گروههای گوگرد یونی است (نمودار 1). این شبکه دارای ساختار سودالیت (Sodalite) است، که دارای یک سلول واحد مکعبی با ثابت شبکه nm 9/0 است. در الترامارین مصنوعی حاصل از کلسیناسیون خاک چینی، توزیع شبکه ای یون های سیلیس و آلومینیم نامنظم است، که با ساختار منظم الترامارین های طبیعی مغایرت دارد.

در ساده ترین ساختار الترامارین، تعداد یون های سیلیس و آلومینیم برابر است و واحد شبکه پایه Na6AL6Si6O24 است.دو نوع گروه گوگردی S3- و S2- در الترامارین آبی وجود دارد، که هر دو رادیکال های آزاد هستند و با محبوس شدن در شبکه پایدار می شوند. در نوع غالب S3-، فاصله بین سه گوگرد nm2/0 و زاویه بین آن ها 103 درجه است. S3- نور پهنی را در ناحیه سبز- زرد- نارنجی با مرکز nm600 جذب می کند، در حالی که S2- در محدوده بنفش – فرابنفش در nm 380 جذب نور دارد (نمودار 2).

شبکه اصلی (Na+)6(Al3+)6(Si4+)6(O2-)24 از Si12O24 و با جایگزین کردن شش یون سیلیکون با آلومینیم مشتق می شود. هر Al3+ باید همراه با یک Na+ باشد تا بار یونی کل ساختار صفر شود. بنابراین همواره شش موضع از هشت موضع سدیمی با سدیم های لازم برای پایداری شبکه اشغال شده اند و دو موضع باقی مانده با سدیم های همراه گروه های یونی گوگرد اشغال می شوند. یعنی فقط یک یون پلی سوسفید S32- می تواند در شبکه (به شکل Na2S3) وارد شود، حتی اگر اکسایش بعدی به S32- منجر به خارج شدن یکی از یون های سدیم همراه شود. این امر باعث به وجود آمدن یک شبکه الترامارین پایه با فرمول Na7N6Si6O24S3 می شود.

نمودار 1- ساختار اصلی الترامارین استاندارد که مواضع موجود برای گوگرد و سدیم را نشان می دهد

نمودار 2- توزیع بازتابش طیفی الترامارین

برای افزایش مقدارگوگرد و بنابراین افزایش کیفیت رنگ، مقدار آلومینیم شبکه را می توان با وارد کردن فلدسپار که سیلیکون زیادی دارد، کاهش داد. این امر باعث کاهش تعداد یون های سدیم مورد نیاز برای پایدارسازی شبکه می شود و جای بیشتری برای گروه گوگرد باقی میگذارد. یک محصول متداول در این فرمول Na6.9Al5.6Si6.4O24S4.2 است که دارای سایه آبی قرمزتری از نوع ساده تر است.

در الترامارین بنفش (نمودار 3) و صورتی (نمودار 4) ساختار شبکه تغییر می کند، اما کروموفورهای گوگرد باز هم اکسید می شوند و احتمالا ً به S3Cl-، S4 یا S4- تبدیل می شوند.

نمودار 3- توزیع بازتابش طیفی الترامارین بنفش

نمودار 4- توزیع بازتابش طیفی الترامارین صورتی

الترامارین ها زئولیت هستند، اما قطر منافذ شبکه ای آن ها محدود به nm4/0 است. یون های سدیم می توانند جایگزین یون های فلزی دیگر (مانند نقره، پتاسیم، لیتیم و مس) شوند. اگرچه این باعث ایجاد تغییر رنگ قابل توجهی می شود، اما هیچ یک از محصولات حاصل ارزش تجاری ندارند.

2- خواص

رنگ الترامارین پایه دارای یک رنگ آبی متمایل به قرمز روشن غنی است که ته رنگ قرمز-سبز آن با ترتیب تغییر می کند. مشتقات بنفش و صورتی، رنگ های ضعیف تر و غیر اشباع تری دارند (نمودار 2تا 4).

کیفیت رنگ رنگدانه های تجاری با سایش آن ها و بنابراین افزایش قدرت رنگ کنندگی بهبود می یابد. اندازه ذره متوسط معمولا ً از 7/0 تا 5 میکرومترتغییر می کند. نمودار 5 یک تصویر الکترونی از نوع دارای ذرات 1 میکرومتر را نشان می دهد. پیگمنت های ریز شید روشن تر و سبزی بیشتری از انواع درشت دانه دارند، اما هنگامی که با سفید مخلوط شوند، رنگ آن ها روشن تر و اشباع تر می شود.

نمودار 5- تصویر الکترونی الترامارین آبی با اندازه ذره متوسط 10 میکرومتر

الترامارین که دارای ضریب شکست نزدیک به 5/1 (مشابه ضریب شکست محیط های رنگی و پلاستیک) است، باعث ایجاد یک رنگ آبی شفاف در رنگ های براق و پلاستیک های شفاف می شود. اپکی با افزودن مقدار کمی از یک پیگمنت سفید به دست می آید. افزایش رنگدانه سفید، سایه های بی رنگ تر می دهد و افزودن مقدار بسیار کمی الترامارین به سفید، سفیدی و مقبولیت را بهبود می بخشد.

در بسیاری از کاربردها آبی الترامارین تا حدود 400 درجه سانتیگراد، بنفش الترامارین تا 250 درجه سانتیگراد و صورتی الترامارین تا 200 درجه سانتیگراد پایدار است. همه این رنگ ها مقاومت بسیار خوبی در برابر نور دارند، که مقیاس آن (شید کامل و ضعیف شده) در International Blue Wool Scale برابر 7 تا 8 است. بی رنگ شدن که به نور یا گرما ملایم نسبت داده می شود، همواره ناشی از حمله اسیدی است. الترامارین ها با همه اسیدها واکنش می کنند و اگر اسید کافی وجود داشته باشد، پیگمنت کاملا ً به سیلیس، نمک های آلومینیم و سدیم، گوگرد و سولفید هیدروژن تجزیه می شود و رنگ خود را از دست می دهد. آزاد شدن سولفید هیدروژن به وسیله اسیدها آزمایش مناسبی برای تشخیص الترامارین است.

در نوعی از این رنگدانه که در برابر اسید موقت مقاوم است، ذرات پیگمنت با پوششی از سیلیس نفوذناپذیر حفاظت می شوند. انواع آبی و بنفش در شرایط ملایم قلیایی پایدار هستند، اما رنگ نوع صورتی در این شرایط به یک شید بنفش تغییر پیدا می کند.

الترامارین ها در آب و حلالهای آلی نامحلول هستند، لذا رنگ آن ها از درون رنگ ها یا پلیمرها پخش نمی شود یا مهاجرت نمی کند. از آنجایی که الترامارین ها دارای مولکولهای بزرگی هستند، الترامارین های ریزدانه انرژی سطحی زیادی دارند و چسبنده هستند. بنابراین انواع ریزدانه تر که سطح ویژه بیشتری دارند، سخت تر از انواع درشت دانه پخش می شوند و بنابراین سطح برخی از آنها باید اصلاح شود تا انرژی سطحی کاهش و قابلیت پخش شدن آن ها بهبود یابد.

الترامارین ها بر روی سطح خارجی و در سطوح داخلی ساختار زئولیتی خود رطوبت جذب می کنند. رطوبت سطح خارجی (بسته به اندازه ذرات از 1 تا 2%) در 100 تا 105 درجه سانتی گراد خارج می شود، اما 1% رطوبت داخلی برای خروج کامل به دمای 235 درجه سانتیگراد نیاز دارد. ذرات الترامارین سخت هستند و می توانند باعث سایش دستگاههای فرآوری شوند. وزن مخصوص آن g/cm3 35/2 است، اما چگالی بالک پودر بسیار کمتر است و از 5/0 تا g/cm3 9/0 تغییر می کند.

جذب آب نیز با اندازه ذرات (معمولا ً 30 تا 40% وزنی) تغییر می کند. pH آن ها بین 5 تا 9 است. رنگدانه های الترامارین عمدتا ً بدون بو و غیر قابل اشتعال هستند و به احتراق کمک نمی کنند.

3- کاربردها

پایداری و بی خطر بودن پیگمنت های الترامارین دلیل اصلی کاربردهای متنوع آن ها است. این کاربردها عبارتند از پلاستیک ها، رنگها و پوشش های پودری، جوهرهای چاپ، کاغذ و پوشش های کاغذ، لاستیک و الاستومرهای گرما نرم، محصولات لاتکس، شوینده ها، مواد آرایشی و صابون ها، رنگ های هنری، اسباب بازی ها و وسایل آموزشی، چرم، ماژیک های پودری، الیاف مصنوعی، رنگ های تئاتری و مات های آبی، نمک مورد استفاده برای دام و بهبود سفیدی رنگ.

پلاستیکها:

الترامارین آبی را می توان در هر پلیمری به کار برد. حداکثر دمای فرایند الترامارین بنفش 250 درجه سانتیگراد و حداکثر دمای فرایند الترامارین صورتی 200 درجه سانتیگراد است. برای PVC، در صورتی که رنگ به مرور از بین برود باید از نوع مقاوم در برابر اسید استفاده کرد. برای افزایش قدرت پخش شوندگی انواعی از الترامارین وجود دارد که سطح آن ها اصلاح شده است. الترامارین ها باعث انقباض یا خمیدگی در پلی اولفین ها نمی شوند. رنگدانه های الترامارین برای پلاستیک هایی که در تماس با مواد غذایی هستند مجاز هستند.

رنگ ها:

پیگمنت های الترامارین در رنگ های تزئینی، لاک های شفاف، رنگ های صنعتی و پوشش های پودری استفاده می شوند. آن ها برای رنگ هایی که توسط هوا خشک می شوند و در اتمسفر شهری در فضای باز استفاده می شوند، توصیه نمی شود.

جوهرهای چاپ:

پیگمنت های الترامارین را می توان در جوهرهای مختلف چاپ از جمله مهرزنی با فویل داغ استفاده کرد. فلکسوگرافی و گراوور به انواع دارای قدرت بالا نیاز دارند. در لیتوگرافی انواع دافع آب مورد استفاده قرار می گیرد. انواع مختلف آن برای جوهرهای چاپ نوری، چاپ پارچه و مهرزنی با فویل داغ مناسب است.

کاغذ و پوشش های کاغذ:

رنگدانه های الترامارین برای افزایش سفیدی کاغذ و یا برای کاغذهای رنگی استفاده می شوند. آن ها را می توان مستقیما ً در خمیر کاغذ یا پوشش های اعمالی استفاده کرد. هنگامی که این رنگدان ها به خمیر کاغذ اضافه می شوند، اگر از اسید استفاده می شود باید از انواع مقاوم در برابر اسید استفاده کرد. آن ها به ویژه برای تهیه کاغذ رنگی برای بچه ها مناسب هستند.

شوینده ها:

پیگمنت های الترامارین برای افزایش اثر عوامل روشن کننده نوری در سفید کردن پارچه ها به کار می روند آن ها ایجاد لکه نمی کنند و در صورت مکرر بر روی پارچه انباشته نمی شوند.

لوازم آرایشی و صابون ها:

پیگمنت های الترامارین کاربرد زیادی در لوازم آرایشی دارند. الترامارین صورتی برای صابونهای دستشویی توصیه نمی شوند، زیرا رنگ را به سمت بنفش سوق می دهد. فواید آن ها بی خطر بودن کامل و عدم ایجاد لکه است.

رنگ های جوهری:

این کاربرد سنتی الترامارین ها در تمام محیط ها هنوز هم یک کاربرد مهم است. خواص رنگی بی همتا، پایداری و بی خطر بودن از ویژگی این پیگمنت ها است.

اسباب بازیها و اشیاء دیگر برا کودکان:

رنگدانه های الترامارین کاربرد زیادی در پلاستیک ها و پوشش های سطحی اسباب بازی ها، رنگ های کودکان و رنگ های انگشتی، ترکیبات مدل سازی، کاغذ رنگی، مداد شمعی و غیره دارند. این رنگ ها دارای شرایط بر شمرده در بیشتر قوانین و استانداردها می باشند.

4- جنبه های سم شناختی و زیست محیطی

الترامارین ها در هنگام ساخت و استفاده بی خطر هستند. تنها خطر شناخته شده آن ها ایجاد سولفید هیدروژن در هنگام تماس با اسید است. تماس زیاد کارگران در بیش از یک قرن تولید، استفاده وسیع آن برای سفید کردن لباس ها و استفاده از آن در برخی از کشورها برای سفید کردن شکر باعث هیچ تأثیر منفی نشده است.

آزمایش های انجام شده بر روی موش های صحرایی و خانگی نشان می دهد که LD50 آن بیشتر از mg/kg 1000 است. الترامارین باعث تغییرات ژنتیک نمی شود و خارش آور و حساس کننده پوست نیست. هیچ حد استانداردی برای قرار گرفتن در معرض این پیگمنت وجود ندارد. غبار آن با TLV برابر mg/m3 10 آزار دهنده است. این رنگدانه در هیچ استانداردی خطرناک گزارش نشده است.

فرایند تولید آن باعث آزاد شدن 1 تن دی اکسید گوگرد و 3/0 تن سولفوکسیدهای سدیم محلول در آب به ازای هر تن رنگدانه می شود. این مواد باید به نحو مقتضی دفع شوند. اگر نمکهای محلول کاملا ً اکسید شوند، می توان آن ها را بی هیچ خطری در آب های غیر ساکن تخلیه کرد. شاید قوانینی که در آینده ضع شوند، حذف دی اکسید گوگرد از گازها را قبل از وارد شدن به هوا ضروری کنند.

محصولات