پیگمنت های اکسید آهن

پیگمنت های اکسید آهن

اکسیدهای آهن تاکنون مهمترین پیگمنتهای رنگی معدنی، هستند که محدوده رنگی از زرد و قرمز تا قهوه ای و سیاه دارند. این پیگمنت ها عموما ً در رنگ نقاشی، پلاستیک ها و در مواد ساختمانی مانند سیمان بتون استفاده می شوند. هر دو پیگمنت اکسید آهن طبیعی و سنتزی کاربرد تجاری دارند. اکسیدهای آهن جزء ساختارهای اصلی فراوانترین مواد معدنی پوسته زمین است. پیگمنت های طبیعی اکسید آهن، طی فرآیند آسیاب کردن، با خلوص مناسبی ساخته می شوند. اکسیدهای آهن طبیعی، مثلا ً زرد گل اخرا، قرمز هماتیت و خاک رس سوخته مواد مقرون به صرفه ای هستند که بسیاری از ضروریات صنعت رنگ را مهیا می سازند. اکسید آهن میکا پیگمنت طبیعی است که به عنوان پوشش محافظ فلزات استفاده می شود. یک لایه فلس مانند بر روی فیلم ایجاد می کند و سطح براقی را تشکیل می دهد که باعث کاهش اثرات تخریبی تابش ها بر فیلم ومقاوم شدن آن در برابر خوردگی می شود.

پیگمنت های اکسید آهن سنتزی به دلیل خلوص شیمیایی و حالت فیزیکی کنترل شده ای که دارند، مفیدتر از پیگمنت های طبیعی می باشند. از ترکیب اکسید آهن، ساختارهای متنوعی شناخته شده است. اکسیدهای آهن قرمز (پیگمنت قرمز 102 و 101 C.I.) هردو اکسید آهن III بی آب (Fe2O3) در شکل کریستالی آلفا می باشند. پیگمنت های اکسید آهن زرد (پیگمنت ها زرد 42 و 43 C.I.) که اغلب در دسته اکسیدهای آهن III آب دار، دسته بندی شده اند در واقع اکسید هیدروکسیدهای آهن III، FeO(OH) هستند. پیگمنت های اکسید آهن سیاه، مخلوط غیر استوکیومتری از Fe(II)/Fe(III) می باشند، که معمولا ً به صورت Fe3O4 دسته بندی می شوند، اگرچه عموما ً از هر دو حالت اکسایش به مقدار مساوی وجود دارد. پیگمنت های قهوه ای احتمالا ً از مخلوط اکسید آهن II و آهن III و یا مخلوط های Fe2O3 و FeO(OH) تشکیل شده اند. پیگمنت های  اکسید آهن عموما ً پایداری زیاد، کدورت بالا، سمیت کم و قیمت مناسبی دارند. اما، پیگمنت های زرد پایداری کمتری دارند، زیرا در دمای بالا آب از دست می دهند و با تشکیل Fe2O3 قرمزتر می شوند. رنگ پیگمنت های اکسید آهن به دلیل جذب نور ناشی از انتقال بار فلز – لیگاند می باشد اگرچه احتمالا ً انتقالات d-d در میدان کریستالی نیز مؤثر است. ایراد اصلی پیگمنت های اکسید آهن، پایین بودن شدت و براقیت رنگ آنها است.

فرآیندهای تجزیه حرارتی یا ترسیب آبی (مائی)، از مهمترین روشهای سنتز پیگمنت های اکسید آهن می باشند. مثلا ً یک روش مهم برای ساخت a-Fe2O3، تجزیه حرارتی FeSO4.7H2O (کوپراز) در هوا و در دمای بین oC 500-750 می باشد. روش اصلی ساخت زرد a-FeO(OH)، هیدرولیز اکسایشی محلول آهن II، مانند واکنش زیر:

4FeSO4+6H2O+O2→4FeO(OH)+4H2SO4

واکنش از افزایش فلز آهن که با اسید سولفوریک تشکیل شده انجام می شود و تولید مجدد Fe(II) در محلول به طور پیوسته انجام می شود. برای اطمینان از تشکیل کریستال های مورد نظر، یک دانه از a-FeO(OH) اضافه می شود. اگرچه، با انتخاب شرایط مناسب مثلا ً pH و دما و اطمینان از حضور ذرات هسته های مناسب، فرایند ترسیب منجر به تشکیل g-FeO(OH) نارنجی-قهوه ای a-Fe2O3 قرمز یا Fe3O4 سیاه می شود.

به عنوان یکی از مثال های بارز پیگمنت های اکسید ساده می توان به اکسید کروم III، Cr2O3، پیگمنت سبز 17 C.I. اشاره کرد که پیگمنتی سبز، با ته رنگ ضعیف است اما پایداری حرارتی بالا دارد و تا oC 1000 مقاوم است. معمولا ً پیگمنت از اثر کرومات یا دی کرومات ها با عوامل کاهنده ای مانند گوگرد یا کربن تهیه می شوند.

گروهی از پیگمنت های معدنی، مخلوط فازی اکسیدها هستند که اساسا ً برای مصرف در سرامیک ها تهیه می شوند اما در صنعت پلاستیک ها نیز کاربرد بسیار گسترده ای دارند، زیرا از پایداری حرارتی بالایی برخوردار می باشند و ترکیب آنها شدت رنگ و درخشندگی خوبی می دهد. از نظر ساختاری،پیگمنت ها از یک شبکه میزبان و اکسید پایداری مانند روتال (TiO2) و اسپینل (MgAl2O4) و اسپینل معکوس تشکیل شده اند که در برگیرنده یونهای فلزات واسطه ای چون Cr3+، Mn2+، Fe3+، Co2+، Ni2+ می باشند. بدین ترتیب محدوده ای از رنگها پدید می آیند که پایداری بسیار خوب آنها توسط شبکه کریستالی میزبان حفظ می شود. به عنوان یک نمونه تجاری مهم مخلوط پیگمنت های اکسیدی بر مبنای شبکه اسپینل می توان به آبی آلومینات کبالت (پیگمنت آبی 28 C.I.) اشاره نمود که عموما ً با فرمول CoAl2O4 بیان می شوند، اگرچه در عمل درصد کبالت آن کمتر ازآن است که در فرمول بیان شده است.برای تشکیل موفق اکسید مخلوط فازی، یک کاتیون بیگانه با شعاع یونی مناسب، لازم است که با موقعیت شبکه ای آن سازگار باشد اما یکسان بودن ظرفیت یون فلز جایگزین، ضروری نیست. مثلا ً یک یون فلزی با ظرفیت کمتر می تواند در درون شبکه ای قرار گیرد که همزمان یک عنصر با حالت اکسایش بالاتر در شبکه وجود دارد به طوری که مجموع بارهای الکتریکی، همچنان خنثی نگه داشته شود. برای نمونه نیکل آنتیموان تیتانیم زرد (پیگمنت زرد 53 C.I.) عضو مهمی از سری مشتقات روتایل TiO2 است که در برخی قسمت ها یون های Ti4+ با یون های Ni2+ و همزمان با اتم های آنتیموان (V) جایگزین شده است به طوری که نسبت Ni/Sb 1:2 می باشد.

پیگمنت های اکسید مخلوط فازی از واکنش های فاز جامد اجزاء اکسید منفرد در دمای بالا (oC 1000-800) در مقادیر دلخواه تولید می شوند. تهیه NiO، TiO2، Sb2O3 در حضور اکسیژن یا عوامل اکسنده مناسب دیگر می باشد که اکسیداسیون ضروری Sb(III) به Sb(V) در شبکه انجام شود.

پیگمنت های اکسید آهن

محصولات