افزودنی های رنگ زا در پلاستیک ها (2)

پیگمنت های آلی ( organic pigments ) :

پیگمنت های آلی ، گستره ی وسیعی از لحاظ پیچیدگی ساختاری دارند . که ساختار این مواد می تواند به سادگی کربن بلک و یا به پیچیدگی ساختار چهارتایی پیگمنت های فتالوسیانین ( phthalocyanine pigments ) باشد . (شکل1)
استفاده از پیگمنت های آلی در آلیاژها و آمیخته های پلیمری به سرعت در حال افزایش است که این افزایش نتیجه ای از دیدگاه کاهش مصرف فلزات سنگین است .
به طورنمونه ، دوام رنگی پیگمنت های آلی 10 ـ 20 بار بیشتر از رنگ های غیرآلی مورد مقایسه است و این به خاطر این است که رنگ های آلی ذرات کوچکتری نسبت به رنگ های غیرآلی دارند .

( گستره ی اندازه ی ذرات رنگ های آلی در حد 0/05 میکرون است ) به عبارت دیگر ، اندازه ی ذرات کوچکتر قابلیت تولید رنگ های شفاف را فراهم کرده است . و به عبارتی ، این بدین معنی است که پیگمنت های آلی معمولاً مشکلات بسیاری برای پراکنده شدن در جسم دارند . همچنین پیگمنت های آلی از نوع غیرآلیشان گران تر هستند ولی به دلیل توانایی داخلی این پیگمنت های آلی ، آنها در بعضی مواقع از لحاظ اقتصادی به صرفه تر هستند .
به طور عمومی ، تحقیقات انجام گرفته به وسیله ی ما نشان می دهد که جایگزینی پیگمنت های حاوی فلزات سنگین باپیگمنت های آلی منجر به افزایش قیمت رنگ کردن می شود . یکی دیگر از جوانب استفاده از پیگمنت های آلی ، پتانسیل واکنش این مواد با رزین ها است . بسیاری از پیگمنت های آلی دارای 0 = c ( گروه کربونیل ) به عنوان گروه رنگی مولکولی هستند . ( کلاً ساختار مولکول به صورتی است که باعث جذب نور در ناحیه ی مرئی می شود ) رزین های پلی آمید عوامل کاهنده ی ضعیفی هستند که می توانند گروه های کربونیل را به گروه های هیدروکسیل تبدیل کنند . این واکنش در اغلب موارد باعث تخریب گروه رنگی مولکول و از بین رفتن کامل رنگ می شود . از این رو نگرانی در انتخاب پیگمنت های آلی هنگامی که می خواهیم آلیاژها و آمیزه های پایه پلی آمیدی را رنگ کنیم وجود دارد .

کربن بلک ( carbonblack ) :

پیگمنت های کربن بلک معمولاً با یکی از دو روش تولیدی به دست می آیند . بیشتر کربن بلک مورد استفاده ، به وسیله ی کاهش نفت خام به کربن و درطی فرآیند کوره ای در دمای بالا به دست می آید . از آنجا که مقدار کمی از هیدروکربن های آروماتیک چند هسته ای سرطان زا در محصول که بن تولیدی به وسیله ی کوره و به صورت محصول فرعی به وجود می آید . بنابراین از این دوده ی کوره برای تولیداتش که به صورت مستقیم با مواد غذایی در ارتباطند ، استفاده نمی شود . فرآیند تولید کربن بلک از گاز طبیعی که در دمای پایین تری اتفاق می افتد ، موجب تولید پیگمنت هایی می شود که سالم تر بوده و توانسته اند از اداره ی کل غذا و داروی آمریکا ( FDA ) مجوز بگیرد . این پیگمنت های تولیدی را channel black می نامند که قیمت بسیار بالایی نیز دارد . گستره ی شدت کربن بلک از گریدهای با ثبات پایین ( انواع کاربردی با ابعاد 0/06 میکرون ) تا گریدهای با ثبات بالا ( با ابعاد کمتر از 0/015 میکرون است .
که این ماده دارای گریدهای رسانا نیز هست . چندین گرید از کربن بلک با اندازه ی ذرات تقریباً 0/02 میکرون وجود دارد . که تنها با افزودن 2pph از این ماده به هر نوع ماده ی پلاستیکی ، خواص مقاومتی در برابر هوازدگی پلاستیک در حد عالی بهبود می یابد . خواص کربن بلک به صورت خلاصه در جدول 2 آمده است . ( Table2.organic pigments )

جدول شماره 2

پیگمنت های فتالوسیانین ( phthalocyanine pigments ) :

نیازمندیهای یک فرد فرموله کننده در ناحیه ی آبی ـ سبز درطیف رنگی ، به وسیله ی پیگمنت های فتالوسیانین به خوبی برآورده می شود . این پیگمنت ها همچنین یکی از بهترین پیگمنت ها از لحاظ قیمت برای کاربردهای صنعتی است . به عنوان یک گروه ، این پیگمنت ها که به صورت موفقیت آمیز در یک آزمایشگاه تحقیقاتی ICI ، تولید شد ، خواص مشترک زیر را دارند :
1 ـ قیمت پایین
2ـ دوام بالا
3 ـ تمیزی و درخشندگی
4 ـ ثبات نوری عالی
5 ـ خواص مقاومتی خوب تا عالی در برابر هوازدگی
6 ـ شفافیت
7 ـ داشتن گواهینامه برای استفاده در محصولاتی که به صورت مستقیم با مواد غذایی در ارتباطند ( به جز استثناء )
تعدادی دیگر ازخواص این پیگمنت ها در جدول 2 آمده است :
ساختاری که در شکل (1) مشاهده می کنید . ترکیب مادر پیگمنت های فتالوسیانین است . سیستم حلقه ی غیرقابل تغییر ( بدون اتم های هالوژن ) موجب ایجاد پیگمنت های آبی رنگ می شود که دارای 2 حالت کریستالی است . این دو حالت کریستالی آلفا ( قرمز تیره ) و فرم بتا(B) نام دارد . پیگمنت های تجاری عموماً دارای چند جانشینی کلر ( cl ) هستند ، که این جانشینی ها موجب ایجاد پایداری گرمایی اضافه می کنند . کلردار شدن سیستم حلقه ، باعث به وجود آمدن پیگمنت های سبز مایل به آبی می شود . در آزمایشات انجام شده بر روی این پیگمنت ها ، فهمیده شد که این نوع رنگ بیشترین پایداری گرمایی را در بین پیگمنت های آلی ( و حتی کربن بلک ) دارد . جایگزینی تعدادی از جانشینی های کلر با اتم های برم ( Br ) موجب ایجاد رنگ سبز تیره ی مایل به زرد می شود . مشکلات عمده که در رابطه با استفاده از پیگمنت های فتالوسیانین در آمیزه های پلیمری و آلیاژهایشان ایجاد می شوند عبارت اند از :
1 ـ رنگ های آبی فتالو ( Phthalo blues ) درپلی استیرن به صورت اندکی حل می شوند و این امر باعث بروز مشکلاتی در هنگام کنترل فرایند رنگرزی مواد با پایه ی استیرن می شود .
2 ـ همه ی پیگمنت های فتالو ( phthalo pigments ) ممکن است به عنوان هسته زا در رزین های کریستالی عمل کنند و این مساله باعث ایجاد شرنیکج ( shrin kage ) و وارپیچ ( war page ) کنترل نشده در قطعه می شود . و باید از این مواد با دقت فراوانی در مواد کریستالی استفاده شود .
( توجه : پیگمنت های سبز فتالو بیشترین تاثیر را ایجاد می کنند ) .

پیگمنت های کویناکرایدون ( Quinacridone pigment ) :

این نوع پیگمنت ها اولین بار در سال 1958 به صورت تجاری در آمدند . پیگمنت های QA ( کونیا کرایدون ) به سرعت در صنعت پوشش دهی ( Coating industry ) به عنوان جایگزینی برای پیگمنت های دارای فلزات سنگین ، استفاده شد . علت استفاده از این پیگمنت ها خواصی چون دوام بالا ، ثبات نوری خوب ، خواص هوازدگی و قیمت معمولی است . در شکل 2 ساختارهای سه نمونه از متداول ترین نوع از پیگمنت های مورد استفاده در صنعت پلاستیک نشان داده شده است . برخی از خواص این پیگمنت ها در جدول 2 آمده است این پیگمنت ها در گستره ی رنگهای قرمز و بنفش قرار دارند .

پیگمنت بنفش 19 ( pigment violet ) حالت پلی مورفیک ( چند ریختی ) دارد و می تواند به صورتی ساخته شود که رنگ آبی تیره ( در نوع کریستالی بتا ) تولید کند . ( که در واقع این رنگ آبی مانند رنگ بنفش تیره ی مایل به قرمز است ) . این پیگمنت همچنین در صورتی که در حالت کریستالی گاهاً ساخته شود ، می تواند رنگ زرد تیره تولید کند . ( که در واقع این رنگ زرد تیره مانند رنگ قرمز کم رنگ است ) با تنظیم اندازه ی ذرات پیگمنت های QA ، تولید کنندگان می توانند گستره ی رنگ های قرمز تا بنفش تیره را تولید کنند .
پیگمنت دی کلره ی QA ( Pigment red 202 ) ، یک نوع پیگمنت قرمز روشن است که به نظر می رسد کاربرد وسیعی در رزین های مهندسی و آمیزه های شان دارد .
این پیگمنت بالاترین پایداری گرمایی ( بالاتر از 550 فارنهایت ) را دارد و کمترین تمایل به حل شدن درطی پروسه ی ذوب کردن را دارد . البته اشکال این پیگمنت این است که هنوز مشخص نشده که آیا می توان از این پیگمنت در مصارفی که با غذا در ارتباط است ، استفاده کرد یا نه ؟
دیگر انواع پیگمنت های QA مخصوصاً پیگمنت بنفش 19 در مواد با پایه ی پلی استیرن حل می شوند و نتیجه ی این انحلال ، ایجاد رگه های فلئورسنت در داخل قطعه می شود .
مشاهدات ما بر این نکته دلالت دارد که این خاصیت درپلی اتیلن کرفتالات ( PET ) نیز رخ می دهد . پیگمنت های QA باپلی آمید نیز واکنش می دهند ، که این واکنش موجب کاهش عوامل رنگ زا و کم شدن شدت رنگ می گردد . بنابراین این پیگمنت ها برای آلیاژها و آمیزه های پایه پلی آمیدی ( PA ) مناسب نمی باشند .

پیگمنت های پریلن ( Perylene pigments ) :

این پیگمنت ها دارای حلقه ی ساختاری هستند که در شکل (3) نشان داده شده است .

پیگمنت های پریلن گروهی را تشکیل می دهند که اعضای آن دوام نوری و گرمایی بالایی دارند . این پیگمنت ها ، رنگی در ناحیه ی قرمز از طیف ایجاد می کنند . به طور کلی این پیگمنت ها با سختی بیشتر و هزینه ی بیشتری نسبت به رنگ های قرمز و بنفش QA یکنواخت و پایدار می شوند . در چندین دهه ی گذشته ، پرلین ها ، به طور وسیع در پوشش های خودرو مورد استفاده قرار گرفته اند و در نتیجه این رنگ ها به طور روز افزون در قطعات پلاستیکی اتومبیل ها استفاده می شوند . به دلیل پایداری گرمایی بیشتر ، پرلین ها را می توان درطیف وسیع تری از آمیزه ها و آلیاژهای پلیمری ، نسبت به پیگمنت های QA به کار برد . به هر حال مانند پیگمنت های QA ، این رنگ ها نیز برای مواد پوشش دهنده ی رزین های پلی آمید توصیه نشده است .

دیگر پیگمنت های آلی پر کاربرد ( Other high performance organic pigments ) :

در جدول 2 لیستی از دیگر رنگ های آلی پرکاربرد آورده شده است که به صورت موفقیت آمیز در آمیزه ها و آلیاژهای پلاستیکی استفاده می شوند . از این گروه پیگمنت های تراکمی ثابت شده ( disazo condensation pigments ) ، بیشتر مورد توجه هستند که علت آن اجازه ی استفاده از این پیگمنت ها در کاربردهایی است ، که با مواد غذایی در ارتباط هستند . البته بنابر گزارشات رسیده این نوع پیگمنت ها موفقیت خاصی در رنگرزی پلی آمید 6/6 نداشته اند .

رنگ ها ( Dyes ) :

به دلیل اینکه رنگ ها ( Dyes ) در داخل زمینه ی رزین و در طی فرآیند ذوب حل می شوند ، مشکلی از لحاظ مساله ی یکنواختی و پخش شدگی نداریم . به عنوان یک قانون ! رنگ ها محدودیت حل شدن زیادی در رزین های پلی اولفین ( polyolefin resins ) دارند . پس باید از استفاده ی آنها در آمیزه ها و آلیاژهای حاوی پلی اولفین اجتناب کرد . تعدادی از خصوصیات مشترک رنگ های پر کاربرد به صورت زیر است :
1 ـ شفافیت
2 ـ دوام رنگی عالی
3 ـ سهولت در یکنواخت سازی
4 ـ ثبات نوری عالی در رنگ های شفاف
به عبارت دیگر ، رنگ های پرکاربرد گران هستند ، ثبات رنگی خوبی دارند و عموماً تنها در هنگامی ثبات رنگی ضعیفی دارند که رنگ مورد استفاده حالت مات داشته باشد . به علاوه ، رنگ ها می توانند باعث بروز اثرات نامطلوب بر روی مواد پلاستیکی شوند که این اثرات شامل موارد زیر است :
1 ـ رنگ ها می توانند مانند نرم کننده عمل کرده و خواص گرمایی پلاستیک را کاهش دهند .
2 ـ رنگ ها ممکن است با مواد پلاستیکی واکنش دهند . برای مثال بعضی از گریدهای رنگ حلال زرد 163 ( Dyes solvent Yellow 163 ) ، دارای یون های کلر مازاد هستند .
که بر اساس همین نمی توان از این نوع رنگ در پلی کربنات استفاده کرد .
( یون های کلر واکنش تخریبی پلی کربنات را افزایش می دهند ) .
دو گروه عمده از رنگ های مورد استفاده در رنگرزی مذاب مواد پلیمری عبارت اند از :
1 ـ آنتراکینون ها ( Anthraquinones )
2 ـ پرینون ها ( Periones )
این دو گروه عمده رنگ ها ، یک گستره ی کامل از رنگ های زرد تا بنفش را ارائه می دهند همچنین این رنگ ها برای رنگ آمیزی آلیاژها و آمیزه های پلی آمیدی نیز مناسب هستند .

آنتراکینون ها ( Anthraquinone Dyes ) :

رنگ های آنتراکینونی بر اساس ساختاری ایجاد شده اند که در شکل (4) دیده می شود . خواص کلیدی و مهم این گروه در جدول 3 آورده شده است . اکثر رنگ های آنتراکینونی ، پایداری گرمایی کافی برای استفاده شدن در پلی کربنات و پلی استرترموپلاست را دارند . به هرحال ، همانگونه که در جدول 3 بیان شده است ، تعداد کمی از این رنگ ها برای رزین های پلی آمیدی و آلیاژها و آمیزه هایش مناسب هستند . حتی در مورد این رنگها نیز باید احتیاط های لازم را انجام داد . این مشاهده شده است که مواد پلی آمیدی که با رنگ آنتراکینونی قرمز ، رنگ شده اند ، پس از گذشت زمان به صورت آهسته تغییر رنگ داده اند و آبی رنگ شده اند.یک فرضیه ی احتمالی برای این تغییر رنگ این است که ماده ی پلی آمیدی رطوبت را به خود جذب کرده و رطوبت عامل تغییر رنگ شده است .

جدول شماره 3
رنگ های پرینونی ( Prinone Dyes ) :
شکل 5 نشان دهنده ی ساختار سولونت ارانژ 60 ( solvent orange60 ) است . این رنگ از جمله رنگ های پرنیونی است . خواص 3 نوع مهم از رنگ های پرنیونی در جدول 3 آورده شده است . رنگ های S060,SR135 ، استفاده ی زیادی در رزین های مهندسی دارند ، که از هر دوی این رنگ ها در عدسی های مورد استفاده در صنعت اتومبیل سازی ، استفاده می شود . از SR135 برای رنگ کردن چراغ قرمز عقب ( tail-light-red) اتومبیل ها ( هر دو نوع اکریلیکی و پلی کربناتی ) استفاده می شود .

از رنگ نارنجی SO در چراغ های کهربایی پارکینگ ها ( Parking light amber ) استفاده می شود . که هر دوی این رنگ ها به خاطر پایداری گرماییشان ، کاربردهایی متنوعی در آلیاژهای مهندسی و آمیزه ها به دست آورده اند .
SR135 باپ لی آمید واکنش می دهد و برای کاربردهایی که دارای نایلون 6 یا 6/6 هستند توصیه نمی شود . به تازگی ، همچنین تولید کننده ها ترجیح داده اند که از SR179 استفاده کنند . SR179 ، یک پرنیون باپایداری گرمایی ممتاز است و دوام بهتری نسبت به SR135 دارد . این رنگ رفتار بسیار خوبی در پلی آمید 6 و پلی آمید 6/6 ( حتی در زیر فشارهای برشی ناشی از قالب گیری تزریقی ) دارد .

رنگ های فلئورسنت ( Fluoresent Dyes ) :

عوامل رنگ زای فلئور سنت انرژی ناحیه ی UV نزدیک را به طول موج نورمرئی تبدیل می کند . در واقع این رنگ ها ، نور UV نزدیک را گرفته و به طول موج نورمرئی تبدیل می کنند که نتیجه ی آن این است که اجسام رنگ شده با این رنگ ها نور بیشتری نسبت به نور دریافتی از خود ساتع می کنند . این به نظر می رسد که این مواد به واسطه ی نور تابیده شده درطی روز به آنها ، می درخشد . رنگ های فلئورسنت به صورت وسیع در صنعت بسته بندی و برای جلب توجه مصرف کننده ، استفاده می شوند . اکثر رنگ های فلئورسنت ( از لحاظ وزنی ) برای تولید پیگمنت های فلئورسنت استفاده می شوند ، که این پیگمنت ها نیز با مقدار 5 ـ 2 درصد در یک حاصل الیگومر حل می شوند . سپس این حامل ها نیز باپلی اولفین هایی مانند HDPE ( برای بطری ها ) و PPRO ( برای درپوش ها ) همساز می شوند . تعدادی از گریدهای این پیگمنت ها ، پایداری کافی برای همراه شدن با آلیاژها و آمیزه هایی که برپایه ی رزین های اولفینی یا استیرنی هستند ، را دارند .
به هرحال یک زیر گروه کوچک از این رنگ ها ، پایداری مورد نیاز برای رزین های مهندسی و آلیاژها و آمیزه هایشان را دارند . از طرف دیگر ، کسی نمی تواند از پایداری گرمایی به تنهایی به عنوان یک راهنما برای انتخاب رنگ فلئور سنت مناسب با یک ماده ، استفاده کند ؛ در واقع واکنش پذیری شیمیایی وضعیت را متفاوت می کند . برای مثال SO63 برای پلی آمیدها مناسب نیست . ساختار سولونت گرین 5 ( SOLVENT GREEN 5 ) که یک زرد کم رنگ است ، درشکل 6 نشان داده شده است .

همچنین خواص سه نوع متداول از رنگ های فلئورسنت پرکاربرد در جدول 3 آمده است . همه ی رنگ های فلئورسنت برای کاربردهای با گرمای بالا مناسبند و همگی دارای ثبات رنگ هستند و تولید رنگ های پر رنگ و سیر می کنند . همه ی این رنگ ها قیمت بسیار سرسام آوری دارند . این گستره ی قیمتی بین 75 الی 125 دلار بر واحد پوند ، متغیر است .
برخی از انواع خاص این رنگها که دارای درخشندگی شگفت آوری هستند ، قیمت تقریبی 3000 دلار بر واحد پوند دارند . با توجه به قیمت بالای رنگ های فلئورسنت ، چه چیز باعث می شود که یک تولید کننده از این رنگ ها برای رنگرزی محصولات پلاستیکی ، استفاده کند ؟!
در جواب این سوال باید گفت که در اغلب موارد ، موادی که رنگ می شوند ، بسیار مات هستند و حالت کدری ذاتی در آنها به وجود می آید . و در اغلب موارد نیز تنها وسیله ای که به واسطه ی آن این خواص ذاتی بهبود می یابد و رنگ ایجاد شده تمیز و درخشنده می شود ، استفاده از رنگ های فلئورسنت در آنهاست .
* استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع « راسخون » بلامانع می باشد .
منبع: Coloring Technology for plastics / RonaldM.Harris,Editor