مقدمه
امروزه پلیمرها به جزیی جدانشدنی از زندگی انسان تبدیل شده اند. قابلیت شکل پذیری آن ها، خواص فیزیکی مکانیکی، مقاومت حرارتی، کششی و خواص الکتریکی متنوع همچنین مقاومت های شیمیایی و محیطی بالا این دسته از مواد را یکی از اصلی ترین مواد اولیه تولید وسایل روزمره زندگی بشرساخته است. بیشتر ترکیبات پلیمری بیرنگ، سفید رنگ و یا با ته رنگ بسیار روشن می باشد که این ظاهر برای مصرف کنندگان چندان مطلوب نیست و ار این رو تولید کننده به دنبال رنگ بخشیدن به مواد پلیمری است. علاوه بر مبحث زیبایی شناسی، پلیمرها را برای اهدافی نظیر اطلاع رسانی، امنیت، اهداف زیست محیطی و برندینگ رنگی می کنند. این مقاله مروری بر روش های رنگی کردن پلاستیک ها، مواد اولیه، پروسه تولید و کنترل کیفی پلیمرهای رنگی می باشد.
پلاستیک های رنگی معمولا شامل 3 دسته از مواد می باشند؛ پلیمر، رنگدانه و افزودنی ها. شناخت ویژگی های تک تک این گروه ها و برهمکنش های آن در طی پروسه تولید و پس از تولید کمک شایانی به رسیدن به محصول مطلوب برای کاربرد های مختلف خواهد کرد.
1- مواد اولیه
1-1- پلیمر
پلیمرها بزرگ ملکول هایی هستند که هم به صورت طبیعی و هم به صورت سنتزی موجود می باشند. در تقسیم بندی بر اساس شیمی می توان پلیمرها را به دو دسته آلی و معدنی تقسیم بندی نمود. که در شکل 1 نمایی از این تقسیم بندی را مشاهده می نمایید. که مورد بحث ما در اینجا پلیمر های آلی می باشد. در مورد پلیمر های آلی می توان سه دسته پلیمر های طبیعی، پلیمر های طبیعی بهبود یافته و پلیمرهای مصنوعی را داشت. همانطور که در شکل مشاهده می شود از بین پلیمرهای مصنوعی، ترموپلاست ها موضوع بحث مقاله حاضر می باشد زیرا برای رنگی کردن این دسته معمولا از پروسه مستربچ استفاده می شود.
.png)
شکل1: تقسیم بندی بزرگ ملکول ها
ترموپلاست ها بزرگترین دسته از پلیمرها می باشند که عمدتا از یک زنجیر تقریبا خطی که معمولا شاخه ای نمی باشد تشکیل شده اند. مذاب این پلیمرها را می توان با متد های نظیر قالب گیری تزریقی، دمشی، چرخشی و موارد مشابه پروسه نمود. برای رنگی کردن این مواد معمولا از سه روش مستربچ (پیش ساز گرانولی)، روش مایع یا روش پودری استفاده می شود که روش مستربچ مطلوب ترین روش می باشد.
پلیمرهای ترموپلاستیک طی پروسه ای که پلیمریزاسیون نامیده می شود از اتصال پیش سازهای کوچک ملکول (مونومرها) به یکدیگر تولید می شوند. بسته به اینکه این پروسه با چه متدی و تحت چه شرایطی اتفاق بیفتد از یک مونومر با ساختار شیمیایی مشخص گرید های متفاوتی از پلیمر می تواند بدست آید که خواص متفاوتی را ارائه می دهند.
برای رنگ همانندی یک پلیمر جدید حتما بایستی نمونه ای از آن به همراه اطلاعات فنی پلیمر و خواص نهایی مطلوب در اختیار باشد. که بر اساس این اطلاعات و آزمایش می توان روش مناسب و پروسه مطلوب برای رنگی کردن آن ماده را استخراج نمود. در ادامه، دلایل اهمیت این پروسه برای فرد انجام دهنده رنگ همانندی آورده شده است:
-ته رنگ پلیمر و پشت پوشی آن روی رنگ نهایی تاثیر دارد.
-برخی خواص مانند پشت پوشی مورد انتظار از قطعه بایستی بررسی شود.
-افزودنی های موجود مثلا اپتیکال برایتنر روی فام تاثیر می گذارند.
-ممکن است نوع پروسه کردن متفاوتی که برای این گرید نیاز است موجب تغییر در مواردی نظیر پخش پیگمنت شود ونوع، گرید یا درصد متفاوتی از رنگزا نیاز باشد.
برای تولید مستر بچ معمولا از پلیمری استفاده می شود که جریان پذیری بهتری داشته باشد زیرا افزودن رنگدانه به پلیمر خود باعث بالا رفتن ویسکوزیته شده و پروسه پذیری را دشوار تر می کند.
نکته بسیار مهم دیگر در مورد پلیمر که انتخاب ماده رنگزا را تحت تاثیر قرار می دهد بحث دمای پروسه پذیری پلیمر های مختلف می باشد. همانطور که در شکل 2 مشاهده می نمایید. پلیمرهای مختلف در دماهای متنوعی پروسه می شوند که بایستی با توجه به دما و زمان پروسه شدن پایداری حرارتی ماده رنگزا تست شود.
.png)
شکل 2: دمای پروسه کردن پلاستیک های مختلف
نکته قابل توجه دیگر تاثیر برخی پلیمرها روی خواص ثباتی رنگزای مورد استفاده است. به عنوان مثال در جدول 1 عدد مقاومت نوری Pigment Yellow 180 را در دو حالت خالص و همراه با تیتان (با عمق رنگی استاندارد 1/3 SD) مشاهده می نمایید.
جدول 1 وابستگی مقاومت نوری پیگمنت زرد 180 به نوع بستر پلیمری به ترتیب در حالت فام خالص (pure tone) 1/0 % در پلیمر و فام کاهش یافته 3/1 عمق استاندارد که شامل 1% تیتانیوم دی اکسید و 1/0 درصد ماده رنگزا می باشد.
.png)
1.2- رنگدانه
اصلی ترین وظیفه رنگدانه ها دادن جلوه بصری به نمونه می باشد. اما برخی از رنگدانه ها وظایف دیگری نظیر بهبود خواص مقاومتی مختلف، اصلاح رفتار مکانیکی یا خواص شیمی فیزیکی را نیز برعهده دارند. رنگدانه ها را می توان از دیدگاه نوع قرار گیری در بستر مورد نظر به دودسته مواد دای (dye) و پیگمنت (pigment) تقسیم بندی کرد. پیگمنت ها عملا در محیط مورد استفاده که می تواند پلیمر جامد، مایع، حلال، آب و موارد دیگر باشد حل نمی شوند و شکل کریستالی خود را از دست نمی دهند اما موادرنگزا دای معمولا در محیط ساختار کریستالی خود را از دست داده و به فرم ملکولی حل می شوند. طبقه بندی جامع مربوط به رنگدانه ها را می توان در سری کتابهای مرجع Color Index جستجو کرد.
پیگمنت ها از نظر ساختار شیمی به دو دسته آلی و معدنی تقسیم می شوند. پیگمنت های معدنی مقاومت های جوی خوب، سختی بالاتر، پشت پوشی بیشتر، دانسیته بالاتر و مقاومت حرارتی بالاتری دارند اما از نظر قدرت رنگ دهی و خلوص رنگ معمولا از پیگمنت های آلی ضعیف تر هستند. پیگمنت های معدنی سنتی معمولا بر پایه کادمیوم، سرب، کروم و مولیبدات بودند که به دلایل زیست محیطی مصرف آن ها بسیار محدود شده است. از دیگر سو مواد رنگزای آلی شیدهای بسیار متنوعی داشته خواص مقاومتی شیمیایی و محیطی آن ها بسیار متنوع بوده و عموما مقاومت های حرارتی آن ها بسیار کمتر ازنمونه های معدنی می باشد. اما بایستی در نظر داشت که همین تنوع خواص در پیگمنت های آلی انتخاب گزینه مناسب برای دستیابی به محصول نهایی با کمترین هزینه را پیچیده تر می کند.
رنگدانه ها عموما برای رنگی کردن پلاستیک های آمورف نظیر U-PVC (بدون پلاستیسایزر)، PS، SAN، ABS، PMMA، PC، PEI، PSU و موارد مشابه به کار می رود. بسیاری از رنگدانه های آلی را می توان برای پلی استرهای ترموپلاستیک و برخی از اعضای خانواده پلی آمیدها به کاربرد. دلیل اینکه معمولا این دسته در رنگی کردن نمونه های پلاستیسایز شذه مورد استفاده قرار نمی گیرند تمایل آن ها به مهاجرت می باشد.
رنگدانه ها با برخی افزودنی ها نظیر پایدار کننده ممکن است واکنش دهند یا در کنار روان کننده ها خواصشان ضعیف تر شود. واکنش هایی که بین افزودنی ها و مواد رنگزا اتفاق می افتی می تواند منجر به ایجاد برخی محصولات شود که کاهش عمر قطعه پلیمری را به دنبال خواهد داشت یا ممکن است به شید های ناپایدار، کاهش مقاومت های محیطی و دمایی یا مهاجرت ناخواسته بیانجامد.
• قیمت تمام شده محصول
1.2.2- ویژگی های ماده رنگزا
اندازه ذره:
زمانی که یک پیگمنت در یک بستر پلیمری پخش می شود اندازه ذره که در واقع تعیین کننده سطح ویژه آن پیگمنت می باشد بر رئولوژی سیستم تاثیر بسزایی دارد. در مقایسه یک گرید ثابت، سیستم های با ذرات درشت تر سطح کمتری داشته و راحتتر پخش می شوند، در حالی که سیستم های با سایز ریزتر سخت تر پخش می شوند و فرایند تر شدن سطح برای این پودر ها با دشواری بیشتری همراه است. اندازه ذرات پیگمنت هایی که با آسیاب ریز شده اند به نوع آسیاب بستگی دارد.
به طور عمومی پیگمنت های درشت تر در مقایسه با پیگمنت های ریزتر قدرت پشت پوشی بیشتر و رنگ دهی کمتری دارند.
پخش اندازه ذره:
هرچه توزیع اندازه ذره یکنواخت تر و باریکتر باشد پخش آن در سیستم پلیمری آسان تر بوده و معمولا میزان افزایش ویسکوزیته حاصل از حضور پیگمنت کمتر خواهد بود.
ثبات ابعادی:
بسیاری از پیگمنت های آلی هنگام ورود به مذاب پلیمری در نقش هسته هایی که کریستال ها در اطراف آن شکل می گیرند عمل کرده روی رفتار کریستالیزاسیون پلی اولفین ها را تغییر می دهند. از آنجایی که حجم پلیمر با کریستاله شدن تغییر می کند در برخی موارد مشاهده می شود که کاهش ابعاد (shrinkage) در جهت جریان و عمود بر جهت جریان با هم متفاوت بوده که به این اثر وارپیج (warpage) می گویند که به خصوص در مورد HDPE مشاهده می شود.
پخش پذیری پیگمنت:
در کاربرد های خاص مانند فیلم های نازک، بسته بندی های شفاف، فیبرها، مونو فیلامنت ها، اجسام با دیواره های نازک و اجسام لولادار پخش پیگمنت برای اینکه قطعه عملکرد مورد نظر را داشته باشد. برای این کاربردها بهتر است از رنگ دانه هایی استفاده شود که در سنتز آنها میزان هسته گذاری و رشد کریستال پیش بینی شده و برای پلیمر های مورد نظر طراحی شده باشد. همچنین میزان سهولت پخش پذیری آن ها با استاندارد های صنعتی نظیر EN 13900-5 (the determination of filter pressure value in PP) تعیین شده باشد. تست فیلم نازک پلی اتیلن سبک یا سختی حاصل از پخش در PVC برای تعیین مناسب بودن میزان پخش کمک کننده می باشد.
مقاومت نوری:
مقاومت نوری معمولا به شیمی و ساختار پیگمنت مورد نظر مربوط می باشد و در برخی موارد اندازه ذره و میزان پخش شدن آن نیز اهمیت می یابد. برای تست این فاکتور نمونه پلاستیک رنگی به همراه یک نمونه پشم آبی رنگ در معرض نور یو وی قرار گرفته و با توجه به میزان رنگ پریدگی نمونه پلاستیکی رتبه ای بین 1 تا 8 می گیرد. که 8 بهترین عملکرد و بالاترین ثبات رنگ بوده و 1 بدترین عملکرد می باشد. دستیابی به اعداد مقاومت نوری گزارش شده در کاتالوگ مستلزم ای است که پخش پیگمنت در سیستم به خوبی اتفاق افتاده باشد.
مقاومت آب و هوایی:
در مورد رنگدانه، ساختار ملکولی، غلظت، ثبات در فیلم پلیمری و مقاومت به یو وی مهمترین فاکتورهای تعیین کننده مقاومت آب و هوایی می باشد. محفظه های تست آب و هوایی تشدید شده (weather-o-meter chambers) معمولا شبیه ساز خوبی هستند اما تست در شرایط واقعی اکیدا توصیه می شود.
بلیدینگ (bleeding)
در پلیمرهای حاوی نرم کن برخی پیگمنت های آلی می توانند به سطح دومی که در تماس با قطعه قرار دارد مهاجرت نمایند که به این پدیده بلیدینگ می گویند. مقاومت به بلیدینگ معمولا روی PVC تست شده و قطعه ای که در تماس با قطعه PVC رنگ شده قرار دارد طبق ایزو با معیار خاکستری امتیازی از 1 تا 5 می گیرد. که امتیاز 1 بهترین عملکرد بوده و هیچ رنگی رو قطعه مشاهده نمی شود و 5 بدترین مقاومت به بلیدینگ بوده و مهاجرت بسیار شدید می باشد. در نمونه هایی که بعضی افزودنی های با ماهیت مهاجرت کنندگی نظیر افزودنی های ضد الکتریسیته ساکن وجود دارد پیگمنت می تواند به همراه این افزودنی ها به سطح مهاجرت نماید.
قدرت رنگ دهی نسبی:
این فاکتور وسیله ای برای مقایسه قدرت رنگ دهی دو یا چند پیگمنت می باشد. استاندارد DIN 53235 روش تست را برای اندازه گیری در شید های کاهش یافته یک سوم عمق استاندارد (1/3 SD) را ارائه می نماید. که مقدار بدست آمده از این استاندارد معمولا بر حسب گرم رنگ دهنده به کیلو گرم پلیمر در حالتی که 1 یا 5 درصد تیتانیوم دی اکسید به نمونه اضافه شده باشد را ارائه می نماید. هر چه گرم بدست آمده کمتر، قدرت رنگ دهی بیشتر.
مقاومت حرارتی:
برای سنجش این فاکتور معمولا از قطعات با عمق 1/3 SD استفاده می شود. ساختار مواد رنگزا در دماهای خاصی تغییر رنگ داده و تخریب می شوند. داده مقاومت دمایی معمولا ترکیبی از زمان و دما است. به عنوان مثال 5 دقیقه در 300 درجه. در کنار این فاکتور، فاکتور غلظت حدی وجود دارد که حداقل غلظتی از ماده رنگزا است که در یک دمای خاص در یک پلیمر خاص مقاومت حرارتی دارد.
برهمکنش با افزودنی ها
با وجود اینکه افزودنی ها در مقادیر کم به سیستم افزوده می شوند معمولا برهمکنش قابل توجهی با ماده رنگزا در سیستم دارند که می تواند مطلوب یا نامطلوب باشد. بنابراین توصیه می شود که هنگامی که افزودنی جدیدی به سیستم افزوده می شود مثلا به درخواست مشتری بهتر است عملکرد پیگمنت در قطعه نهایی دوباره مورد سنجش قرار گیرد.
تاثیر فرآیند:
در حین فرایند های صنعتی رنگدانه ممکن است به مدت خاصی در معرض دمای بالایی قرار گیرد که این دمای بالا احتمال آسیب زدن به ساختار رنگدانه را دارد. متاسفانه این آسیب در کنترل های معمول خط قابل تشخیص نبوده اما در قطعه نهایی می تواند منجر به کاهش ثبات نوری گردد. مساله اساسی در این حالت این است که خواص مقاومتی پلاک های تولید شده در آزمایشگاه قابل تعمیم به قطعه صنعتی نمی باشند زیرا در عمل دو قطعه شرایط حرارتی و زمان حرارت دهی متفاوتی را تجربه کرده اند. بنابراین حصول اطمینان در مورد خواص قطعه تنها با تست قطعه واقعی امکان پذیر می باشد.
1.3-افزودنی ها
2- جمع بندی
برای ساخت یک مستربچ مطلوب و در گام اول نیاز است که خواص مقاومتی و ویژگی های مواد اولیه را به خوبی بشناسیم. بایستی توجه نمود که هنگامی که اجزای مستربچ در کنار یکدیگر قرار می گیرند نسبت به هم خنثی نبوده می توانند اثر مطلوب و یا نامطلوب بر روی یکدیگر داشته باشند. بنابراین برای حصول اطمینان از کیفیت مطلوب نیاز است هر ماده ی جدیدی که در سیستم پیشین جایگزین می شود حتما به صورت عملی تست شده و کلیه ویژگی های مورد نظر روی قطعه نهایی از نو تست شوند. از دیگر سو بایستی توجه داشت که پروسه کردن یک قطعه در آزمایشگاه با حالت صنعتی تفاوت داشته و تایید یک ماده در آزمایشگاه به منزله جوابگویی آن برای قطعه واقعی نمی باشد.
مرجع:
A.Muller, Coloring of plastics: fundamentals-colorants-preparation, 2003, ISBN 3-466-22346-0
