معرفی انواع رنگ‌دانه‌های قابل استفاده درپلیمرها

رنگ‌ها مواد پوشش‌دهنده‌ای هستند که نقش تزئین و حفاظت از سطح قطعه را در مقابل عوامل مخرب خارجی به عهده‌دارند. مهم‌ترین ویژگی‌های این گروه عبارت‌اند از بخشیدن رنگ مطلوب ظاهری، پوشانندگی و محافظت از سطوح (فلزی و غیرفلزی) در برابر خوردگی و دوام بیش‌تر ایجاد پایداری حرارتی، کاهش انتقال حرارت و موارد مشابه دیگر.
اصولاً رنگ یک جسم جدا شدن و انعکاس یافتن مقدار معینی از نور خورشید توسط آن شیء است و نه تجلی مستقیم خود جسم.
وقتی نور خورشید به زمین می‌رساند و به اجسام می‌تابد، هر جسمی مطابق با خواص ذاتی خود مقداری از آن نور را جذب کرده و بقیه را منعکس می‌کند، نور منعکس‌شده همان نمایشی از جسم است که به ما می‌رسد و موجب می‌شود که آن را ببینیم در زبان تخصصی به رنگ شیء تحت نور خورشید که توسط بیننده ادراک می‌گردد color گفته می‌شود.
رنگ‌های استفاده‌شده در پلاستیک‌ها پیگمنت‌ها یا دای‌ها هستند. دای‌های ترکیبات آلی هستند که  قابلیت انحلال در پلاستیک‌ها را دارند. این دسته، رنگ‌های درخشان ایجاد کرده، شفاف بوده و پراکنش و فرآیند آن‌ها آسان است. پیگمنت‌ها معمولاً در پلاستیک‌ها نامحلول هستند. قابلیت پراکنش ذرات ریز ( 01/0 تا 1/0 میلی‌متر) در سراسر پلیمر را به همراه دارد. برخلاف دسته اول رنگ‌های مات و نیمه شفاف ایجاد می‌کنند. پیگمنت‌ها می‌توانند آلی یا غیر آلی باشند و در انواع مختلفی موجود است مانند پودرهای خشک، کنسانتره، مایعات و رزین‌های رنگی.

خصوصیات نوری رنگ دهنده‌ها

پیگمنت‌ها و دای‌ها رنگ را با جذب انتخابی نور مرئی با طول‌موج 380 (بنفش) تا 760 (قرمز) نانومتر در پلاستیک ایجاد می‌کنند. رنگ مشاهده‌شده رنگ نوری است که از طریق رنگ دهنده منتقل می‌شود و نور جذب‌شده نیست. رنگ‌های مکمل قرمز-سبز، آبی- نارنجی، بنفش-زرد است. چشم انسان می‌تواند اختلاف رنگ حدود 1 نانومتر را در طول‌موج تشخیص دهد. جذب تمام طول‌موج‌ها باعث تولید رنگ مشکی می‌شود و هیچ جذبی بی‌رنگ به نظر نمی‌رسد. ازآنجاکه دای‌ها محلول هستند، رنگ تنها از طریق جذب نور ایجاد می‌شود و موادی شفاف هستند. پراکنش ذرات پیگمنت در پلیمر می‌تواند نور را منعکس یا پخش کند. اگر ضریب شکست ذرات پیگمنت با  اسفرولایت‌های ریزساختار متفاوت باشد نور منعکس خواهد شد و پراکنش ذرات نور را در تمام جهات پخش خواهد کرد. بازتاب و پخش نور ماتی را در یک پلیمر شفاف ایجاد می‌کند. اگر نور در طول‌موج مشخصی جذب شود پلیمر می‌تواند رنگی و مات باشد و اگر تمام نور بدون این‌که جذبی رخ دهد منعکس شود سفید و مات به نظر می‌رسد. سایه رنگ تحت تأثیر اندازه ذرات پیگمنت قرار می‌گیرد. پیگمنت‌های آبی لاجوردی غیر بازتابنده هستند زیرا ضریب شکست آن‌ها مشابه پلاستیک است.

خصوصیات رنگ دهنده‌ها

پیگمنت‌ها باید جهت تفرق مطلوب نور به‌اندازه کافی پراکنده شوند. لکه‌ها یا رنگ‌آمیزی ناهموار می‌تواند ناشی از پراکندگی ناقص باشد. اگر کلوخه ایجاد شود اثر منفی بر روی خواص مکانیکی نظیر استحکام کششی، مقاومت در برابر ضربه  و خستگی را به دنبال دارد. پیگمنت‌ها باید با پلیمر سازگار باشند؛ سازگاری ضعیف ممکن است دلیل شکست قطعه باشد. برخی از پیگمنت‌ها تا حدی در پلیمر محلول هستند و ممکن است به سطح مهاجرت کنند. پیگمنت‌ها باید با سایر افزودنی‌های موجود در فرمولاسیون سازگار باشند. دمای بالای فرآیند می‌تواند به پیگمنت آسیب برساند و باعث تغییر سایه و از دست دادن رنگ شود. حساسیت حرارتی به دما و مدت‌زمان در معرض قرار گرفتن مربوط است. سیکل زمانی طولانی در قالب‌گیری تزریقی و قالب‌گیری چرخشی می‌تواند اثر نامطلوب‌تری نسبت به اکستروژن با سرعت‌بالا ایجاد کند. برخی از پیگمنت‌ها می‌توانند به‌صورت عوامل هسته زا عمل کنند و سبب تغییر خصوصیات مکانیکی و بهبود وضوح پلیمر شوند.

پیگمنت‌های معدنی

رایج‌ترین پیگمنت‌های غیر آلی شامل اکسیدها، سولفیدها، هیدروکسیدها، کرومات‌ها و سیار ترکیبات مبتنی بر فلزات نظیر کادمیوم، روی، تیتانیوم، سرب و مولیبدینیوم. به‌طورکلی ازنظر حرارتی نسبت به پیگمنت‌های آلی پایدارترند و همچنین مات‌تر و در برابر مهاجرت، مواد شیمیایی و کم‌رنگ شدن مقاوم‌اند. اما می‌توانند سبب سایش تجهیزات فرآیند نظیر مارپیچ دستگاه و پوسته شوند. استفاده از ترکیبات فلزات سنگین نظیر کادمیوم به دلیل سمیت محدودشده است. اکسید تیتانیوم (روتایل) بیشتر استفاده را به‌عنوان پیگمنت سفید دارد. به‌تنهایی و یا در ترکیب با سایر رنگ دهنده‌ها برای کنترل کدری و ایجاد سایه‌های رنگی استفاده می‌شود. دیگر پیگمنت‌های سفید عبارت‌اند از: اکسید روی، سولفید روی و کربنات سرب (سرب سفید). پیگمنت‌ها سیاه، کربن بلک (دوده) بیشترین استفاده را دارد. هنگام ترکیب یا پیگمنت سفید سایه‌ی خاکستری متفاوتی ایجاد می‌کند که به‌اندازه ذرات و قدرت رنگ‌آمیزی دوده بستگی دارد. اکسید آهن Fe3O4 یکی دیگر از پیگمنت‌های سیاه است که ثبات حرارتی و قدرت رنگ‌آمیزی کمتری دارد.

• سایر پیگمنت‌های رنگی، ترکیبات معدنی هستند که رایج‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:
• پیگمنت زرد: کروم، نیکل-کروم-تیتانیوم، اکسیدهای آهن و کرامات‌های سرب
• پیگمنت‌های نارنجی: مولیبدات و کادمیوم
• پیگمنت‌های قهوه‌ای: اکسید آهن یا ترکیب کروم و اکسیدهای آهن
• پیگمنت‌های قرمز: اکسید آهن، سولفید کادمیوم/ سلنید
• یگمنت‌های آبی: لاجوردی (آلومینم سیلیکات با یون سدیم و گروه یونی گوگرد)، مخلوط اکسیدهای فلزی و بر اساس آلومینات کبالت
• رنگدانه سبز: اکسید کروم، مبتی بر کبالت مخلوط شده با اکسیدها

پیگمنت‌های آلی

رنگدانه‌های آلی معمولاً روشن‌تر، قوی‌تر و شفاف‌تر از رنگدانه‌های غیر آلی هستند اما در برابر نور مقاوم نیستند. در بسیاری از ترموپلاستیک‌ها تا حدی محلول هستند و بسیار بیشتر تمایل به مهاجرت به سطح دارند. رنگدانه‌های آزو بزرگ‌ترین گروه پیگمنت‌های آلی هستند آن‌ها حاوی یک یا چند گروه آزو کروموفوریک هستند و رنگ‌ها زرد، نارنجی و قرمز را تشکیل می‌دهند. پیگمنت‌های مونو آزو تنها دارای یک گروه کروموفور هستند و پایداری کمتر حرارتی و نوری از خود نشان داده و تمایل به مهاجرت دارند. آن‌ها معمولاً در پلاستیک‌ها استفاده نمی‌شوند. پیگمنت‌های غیر آزو معمولاً ساختارهای متنوعی دارند چند حلقه‌ای و گاهی اوقات کمپلکسی با فلزات. فتالوسیانین سبز و آبی که بیشتر با همراه با کمپلکس مس به کار می‌روند، دارای پایداری بالا در برابر گرما، نور و مواد شیمیایی هستند. همچنین بسیار شفاف بوده و قدرت رنگ‌آمیزی بالایی ایجاد می‌کند. پیگمنت‌های آلی دیگر کیناکریدون (قرمز، بنفش و نارنجی)، دی اکسازین‌ها (بنفش)، آیزو ایندولین‌ها (زرد، نارنجی، قرمز)، پرولین‌ها و آنترا کینیون‌ها هستند.

پیگمنت‌های جلوه دهنده

برخی از رنگدانه‌ها جلوه‌ای ویژه در پلاستیک‌ها ایجاد می‌کنند مانند صدفی و فسفرسانی. پیگمنت باید به‌خوبی در پلیمر پراکنده شود و در هنگام فرآیند با دقت به کار رود. پیگمنت‌های صدفی درخششی از مروارید و نمایش رنگین‌کمانی (ظاهری چندرنگ) ایجاد می‌کنند.  درخشش به‌وسیله‌ی بازتاب نور توسط صفحات آرایش یافته موازی کمتر از 1 میلی‌متر ایجاد می‌شود. رنگدانه‌های مرواریدی شامل تیتانیوم دی‌اکسید با پوشش میکا، فریک اکسید با پوشش میکا و بیسموت اکسی کلراید است. از ورقه‌های فلز برای ایجاد رنگ نقره‌ای صدفی یا جلوه‌های بنز یا طلا استفاده می‌شود. آلومینوم، مس و آلیاژ مس و روی معمولاً به کار می‌رود. آلومینیوم در دمای 340-310 فرآیند شده و در محدوده 5/0 تا 4 درصد استفاده می‌شود. مس با دمای 120 درجه سانتی گراد مستعد اکسید شدن است و می‌تواند لکه‌دار شود. تغییر رنگ آهسته در فضای باز رخ می‌دهد. پیگمنت‌های فلوروسنت در روز درخشان به نظر می‌رسند؛ نور مرئی و فرابنفش را جذب کرده و سپس نور را در طول‌موج‌های طولانی‌تر ساطع می‌کنند. هنگامی‌که نور بارنگ منعکس‌شده از پلاستیک ترکیب می‌شود تابان به نظر می‌رسد. پیگمنت‌های فسفرسانس نیز نور را در طول‌موج‌های طولانی‌تر از آن‌که جذب‌شده است ساطع می‌کنند اما فقط در تاریکی ظاهر می‌شود. فسفرسانس با اضافه کردن سولفید روی ایجاد می‌شود.

فرم‌های رنگ‌ دهنده‌ها

فرم‌های رنگ دهنده شامل رنگ خشک، رنگ، کنساتره گرانولی شکل، رنگ مایع و رزین‌های رنگی است. تنها رزین رنگی حاوی ماده رنگی پراکنده‌شده در پلیمر است؛ بنابراین سایر اشکال به پراکنش در پلیمر نیاز دارند. رنگ‌های خشک پودرهایی متشکل از یک یا چند پیگمنت یا دای است. رنگ‌های خشک مقرون به‌صرفه‌ترین بوده و وسیع‌ترین رنگ‌ها را شامل می‌شود. همچنین از حداقل فضای انبارداری استفاده می‌شود. عیب‌های جذب آلودگی و گردوغبار است. کنسانتره‌های رنگی دسته‌ای از رنگ‌های پخش‌شده در خانواده‌ای خاص از پلیمرها هست. کنسانتره‌های رنگی حاوی 10 تا 80 درصد رنگ دهنده بوده و  بسته به نوع کاربرد به کار می‌روند. این نوع رایج‌ترین در رنگ‌آمیزی داخلی است و به‌صورت گرانول عرضه‌شده تا جریان پذیری آسان داشته باشد. رنگ دهنده‌های مایع ترکیبی از مایعات غیر فرار، روغن‌های معدنی، مشتقات اسید چرب و سورفکتنت‌ها برای بهبود پراکنش است. ویسکوزیته آن‌ها از سیروپ افرا تا حالت ژل‌مانند است. پراکنش مطلوب غالباً در ترکیب درصد 10 تا 80 درصد به دست می‌آید و خصوصیات پلیمر و رفتار فرآیند را می‌تواند تحت تأثیر قرار دهد.

رنگینه‌ها و رنگ‌دانه‌ها

برای رنگ کردن پلیمرها از 4 روش اساسی استفاده می‌شود. این روش‌ها عبارت‌اند از

• پوشش سطحی (نقاشی)
• رنگرزی سطحی
• واردکردن گروه‌های رنگ دهنده در مولکول پلیمر
• رنگ‌زنی توده‌ای

به دلیل محدودیت در استفاده کلی و مسائل هزینه‌ای در به‌کارگیری روش‌های رنگ‌کردن لاستیک‌ها و پلاستیک‌ها، عمومی‌ترین روش، رنگ‌زنی توده‌ای هست. رنگین کننده‌ها بعضاً به دو گروه دسته‌بندی می‌شوند. رنگ‌های انحلال‌پذیر (رنگینه‌ها) و رنگ‌های انحلال‌پذیر (رنگ‌دانه‌ها) اما بایستی توجه داشت که بسیاری از رنگ‌ها دارای انحلال‌پذیری کم اما محدود می‌باشند.
در انتخاب یک رنگین کننده، هم‌زمان باید به درخشندگی و تیرگی، قدرت پوشش، مقاومت شیمیایی، قیمت، پایداری نوری و حرارتی، روآیی و مهاجرت توجه نمود. برخی از رنگین کننده‌ها علی‌رغم قدرت پوشش کم ولی به دلیل قیمت ارزان‌تر مورداستفاده قرار می‌گیرند. همچنین ممکن است برخی از آن‌ها نسبت به تنش‌های برشی و یا گرمایی حاصل از فرآیند اختلاط مقاوم نباشند و شکسته شده، سبب تغییر رنگ پلیمر گردند که می‌بایست دقت لازم را در انتخاب رنگ و یا شرایط اختلاط صرف نمود. رنگینه‌ها عموماً ترکیبات رنگ دهنده آلی با وزن مولکولی کم هستند که در بدنه پلاستیک حل می‌شوند. این مواد به دلیل تمایل به مهاجرت سطحی و ناپایداری نوری، دارای محدودیت کاربرد در پلاستیک‌ها می‌باشند ولی دارای مزیت شفافیت و درخشندگی خوبی هستند. از رنگین‌ها می‌توان به رنگ‌های آزو، پیرازولون‌ها، کوئینولین‌ها، کینوفتالون‌ها، آنتراکینون‌ها و میگروزین‌ها نام برد که برخی از آن‌ها بسیار سمی هستند و در هنگام استفاده می‌بایست رعایت آیین‌نامه‌های مربوطه نظیر OSHA صورت گیرد. رنگ‌دانه‌ها برخلاف رنگینه‌ها در بستر پلاستیک حل نمی‌شوند و در دو نوع آلی و معدنی در صنایع پلاستیک استفاده می‌شوند. هر دو نوع این رنگ‌دانه‌ها دارای پایداری حرارتی و نوری مناسبی بوده تا حدودی سبب کدری رنگ پلاستیک می‌شوند. سهولت پخش در بستر پلیمر و پدیده مهاجرت رنگ‌دانه‌های معدنی به دلیل ذرات بزرگ‌تر از رنگ‌دانه‌های آلی بیش‌تر است. برخی از این مواد سمی هستند و می‌باید در استفاده از آن‌ها رعایت آیین‌نامه‌های OSHA صورت پذیرد. جدول زیر نام برخی از رنگ‌دانه‌های آلی و معدنی را ارائه می‌دهد. علاوه بر رنگ‌دانه‌های آلی و معدنی از رنگ‌دانه‌هایی که دارای درخشندگی مرواریدی و فلوئور سنت نیز هستند در صنایع پلاستیک استفاده می‌گردد.