جهت خرید دیسپرس کننده اینجا کلیک کنید

مواد افزودنی تر کننده و دیسپرس کننده

دیسپرس کننده چیست؟

دیسپرس کننده پیگمنت چیست؟

دیسپرس کننده رنگ چیست؟

پخش یکنواخت ذرات جامد رنگدانه در محلول رزین و در کل محمل، گام مهمی در تولید پوششهای دارای رنگدانه می باشد. فرآیند پخش شدن می تواند به سه مرحله مختلف تقسیم شود: خیس شدن، خرد شدن (رسیدن به دانه بندی مطلوب) و پایدار شدن. شکل یکسان رنگدانه ها در محمل، مهترین مرحله فرآیند تولید پوشش های حاوی رنگدانه می باشد.(شکل1)

شکل 1- دیسپرسیون و فلوکلاسیون

ابتدا باید ذرات رنگدانه توده ای شکل (آگلومرآت) توسط محمل تر گردد. در طی این مرحله، هوا که بر روی سطح رنگدانه و در مکانهای میانی کنار آگلومرآتها قرار دارد، توسط محلول رزین جابجا می شود و جای خود را به رزین می دهد. این فرآیند می تواند توسط مواد افزودنی تر کننده که ساختمان قطبی و یا غیر قطبی سطحی دارند به صورت یونی یا غیریونی باشد.

در طی مرحله آسیاب کردن، انرژی مکانیکی صرف شکستن توده ها (آگلومرآت ها) به ذرات کوچکتر می شود و در حالت ایده آل به ذرات اولیه تبدیل می شوند.رنگدانهای دیسپرس شده در این مرحله باید به صورت پایدار درآیند، در غیر این صورت ممکن است دوباره توده ای را تشکیل دهند. پایدار سازی توسط مواد دیسپرس کننده که روی سطح ذرات رنگدانه جذب شده و ذرات را به وسیله شارژ الکتریکی از یکدیگر جدا نگه می دارند، صورت میگیرد.بنابراین دیسپرس کننده ها مانع تجمع دوباره رنگدانه ها می شوند. پایداری بر اساس دفع شارژ الکترواستاتیکی(شکلA-2) و یا بدلیل ممانعت فضای بر اساس ساختمان های مولکولی که از سطح رنگدانه بداخل محمل میروند(شکل B-2) ایجاد می شود. اولین مکانیزم متداول جدا سازی ذرات، در سیستم های امولسیونی پایه آبی و بعد رنگهای پایه حلالی مشاهده شد. در پوششهای محتوی رزین های پایه آبی هر دو مکانیزم کاملا ً مهم هستند.(شکل 2)

شکل 2- پایداری رنگدانه ها در محمل

شکل 2-C

رزین می تواند بخودی خود پتانسیل تر کنندگی و پایدار سازی را داشته باشد. گرچه رزینهای طبیعی این خواص ویژه را ندارند. رزین ها برای داشتن خواص مکانیکی خوب و یا پایداری خوب در شرایط آب و هوای مختلف توسعه یافته اند و مواد افزودنی بیشتر برای بهبود خواص تر کنندگی در این رزین ها استفاده می شوند.

جذب خوب مواد افزودنی بر روی سطح رنگدانه ها، برای پایداری مؤثر لازم است. ممکن است در یک سیستم مشکلاتی با بعضی از رنگدانه های آلی بخاطر سطح وسیع غیر قطبی که دارند بوجود آید. به همین دلیل اخیرا ً گروه جدیدی از مواد افزودنی پخش کننده پلیمری معرفی گردیده اند که می توانند مانند رنگدانه های سخت توسط خاصیت ساختمان ماکرومولکولی و تعداد زیادی گروههای جاذب رنگدانه، پایدار شوند. (شکل 2-C) مواد افزودنی تر کننده و پخش کننده ضد توده ای شدن، در رنگدانه ها بسیار مؤثر هستند. آنها می توانند ویسکوزیته رنگ را کاهش دهند، بنابراین سطوح رنگدانه را بیشتر تثبیت می کنند. در سیستمهای پایه حلالی مانند سیستم های پایه آبی، مواد افزودنی به سطوح رنگدانه برای تشکیل دیسپرسیون پایدار حمله می کنند. حلال نیز ممکن است که هوای روی سطح رنگدانه را جابجا کند، اما این موضوع در یک دیسپرسیون پایدار امکان پذیر نیست. برای پایداری ثابت و دائم، مواد افزودنی تر کننده و پخش کننده باید شامل گروههایی با تمایل زیاد برای خیس کردن سطح رنگدانه باشند که نتوانند با حلال جابجا شوند. مواد افزودنی می توانند شامل باند های گروههای اسیدی، که مربوط به مواد معدنی (رنگدانه ها و یا پرکننده ها) در میان نیروهای با قطبیت زیاد هستند، باشند، البته باندهای گروههای اسیدی آنیونی و یا کاتیونی مربوط به خود مواد افزودنی است بطوریکه مواد افزودنی با گروه عاملی آمینی روی سطح رنگدانه آلی می چسبند. این مواد از یک سر، به رنگدانه وصل می باشند و بطور موضعی موثر هستند، بطوریکه جدایی یک گروه متصل (از یک سر) از سطح رنگدانه سبب جابجا شدن مولکول مواد افزودنی از سطح رنگدانه نمی شود. یک مولکول ماده افزودنی ممکن است شامل چندین گروه متصل، در نزدیکی هم باشد.(شکل 3) مواد مؤثر در سیستمهای پایه حلالی عبارتند از:

*اسیدها که معمولا ً گروههای زیادی برای ساختار آبگریزی دارند.

*نمک ها حاوی یک کربوکسیلیک یا اسید پلی کربوکسیلیک بوده که با آمین های با زنجیره طولانی خنثی می گردند.

*ترکیبات پلیمری غیر یونی با تعداد زیادی گروههای آمین متصل و زنجیره های کناری بلند و قابل حل.

شکل 3- دیسپرسیون رنگدانه در پلی ال پایه آبی

تر شوندگی و پخش شوندگی

ترشوندگی خوب یا ضعیف یک قطره مایع بوسیله زاویه تماس که روی سطح قرار گرفته است بیان می شود.(شکل 4)

شکل 4- سه زاویه تماس قطره

ترشوندگی خوب زمانی اتفاق خواهد افتادکه زاویه تماس با سطح به حداقل مقدار خود برسد و از فرمول زیر محاسبه گردد:

cos ᶱ ≈(Y_s - Y_s1) /Y₁             ᶱ =زاویه تماس

در فرمول بالا، Y_s انرژی زمینه، Y₁ انرژی مایع و Y_s1 انرژی داخلی بین مایع (پوشش) و سطح می باشد. انرژی دمای مخصوص، اختلاف بین یک مولکول در فاز مایع یا فاز جامد و در یک سطح مثلا ً هوا است.

وقتی که زاویه تماس بزرگتر از صفر باشد تر شوندگی کامل نمی باشد و آن هنگامی است که ضخامت فیلم کم باشد. ضخامت بالای فیلم می تواند منجر به یک لایه پوشش یکنواخت شود.

(A) cos ᶱ ≈ Y_s / Y₁

(B) S ≈ Y_s - Y₁

ممکن است تصور شود که یک پوشش ایده آل با در نظر گرفتن سطحی کهبر آن اعمال شده است، یک زاویه تتا برابر با صفر را دارد. فرآیندهای مایع با یک ضریب گسترده S، باید برای خواص رشوندگی سطح وجود داشته باشند.

S= (Y_s - Y_S1) / Y₁

ارزش به دست آمده برای Y_s1 اغلب، نادیده گرفته می شود

فرمولهای (B) و (A) با فرمولهای ریاضی ساده شده اند.

*(Y_s) یک زمینه با انرژی سطحی بالا که براحتی پوشش داده می شود.

*(Y₁) یک مایع با انرژی سطحی پایین تر که براحتی تر می شود

* تر شوندگی خوب موضعی هنگامی ست که مایع، انرژی سطحی پایین تری نسبت به سطح داشته باشد. (Y₁< Y_s)

مواد افزودنی دیسپرس در پوششهای پایه حلال

مکانیزم پایداری رنگدانه ها در پوششهای پایه حلالی، با مکانیزم پایداری رنگدانه ها در پوششهای پایه آبی متفاوت است. مواد افزودنی دیسپرس کننده برای اینگونه سیستم ها، باید در ساختار شیمیایی خود حاوی گروههایی باشند که رنگدانه را جذب (affinic) و یا دفع (anchor) نمایند. این مواد باید دارای یک جذب قوی بر روی سطوح رنگدانه ها باشند، علاوه بر این گروههای جذب شده، مولکول ماده افزودنی، یک و یا چند زنجیر هیدروکربنی دارد که بیرون از سطح رنگدانه در احاطه محلول رزین قرار گرفته و فعالیت شیمیایی را کاهش میدهند (steric hindrance) .(شکل 5)

شکل 5- رنگدانه ای جدا شده با توجه به پایداری توسط مواد افزودنی بر اساس ممانعت فضایی

به دلیل این خاصیت، رنگدانه ها نمی توانند لخته شوند، زیرا به علت وجود مولکولهای با ساختار خطی مواد افزودنی بر روی خود، آنها فواصل مشخصی  را از هم پیدا می کنند. این مواد افزودنی با داشتن ساختار شیمیایی قطبی و آبدوست گروه دافع، و داشتن ساختار غیر قطبی و آبگریز زنجیرهای کربنی، نه تنها باعث کاهش فعالیت شیمیایی می شوند، بلکه از مواد افزودنی خیس کننده نیز به شمار میروند.

مواد افزودنی پخش کننده و تر کننده، بر اساس ساختار شیمیایی خود، به مواد آنیونیک، کاتیونیک یا خنثی طبقه بندی می شوند. طبقه بندی دیگر آنها از روی خاصیت پخش کنندگی و یا کنترل لخته شدن می باشد (با توجه به نوع ساختار شیمیایی ماده افزودنی).

مواد افزودنی دیسپرس کننده در پوششهای آبی

در سیستم های پایه آبی مکانیزم پایدارسازی دیسپرس کننده بر اساس دفع الکترواستاتیکی می باشد. مواد افزودنی پخش کننده می توانند نقش پلی الکترولیت را داشته باشند و این زمانی حاصل میشود که آنها جذب سطح رنگدانه شوند و شارژ الکتریکی خود را به داخل رنگدانه انتقال دهند که نهایتا ً تمامی ذات رنگدانه همان شارژ الکتریکی را دارا می شوند. در این حالت تجمع (فلوکه شدن) بطور زیاد کاهش میابد. در پوششهای پایه آبی دو ماده افزودنی برای ترکردن و پخش کردن لازم است. یک ماده افزودنی تر کننده که کشش که کشش سطحی بین رنگدانه و محلول رزین را کاهش می دهد و دیگری ماده افزودنی دیسپرس کننده که دیسپرسیون رنگدانه را بر اساس دفع الکترواستاتیکی پایدار میسازد. ترکیب دو محلول حالت اپتیم را ایجاد می نماید.

پایداری رنگدانه ها را می توان برای دو سیستم پایه حلالی و پایه آبی به صورت زیر نشان داد (شکل 6)

شکل 6- مکانیزیم مواد ترکننده و پخش کننده

طبقه بندی مواد افزودنی تر کننده و پخش کننده

مواد افزودنی نه تنها موجب پراکندگی و پایداری ذرات رنگدانه شده بلکه باعث کنترل توده ای شدن رنگدانه نیز می شوند.(باتوجه به نوع ساختار شیمیایی مواد افزودنی)

مکانیزم های مختلف زیر تا کنون مطرح شده اند:

مواد افزودنی برای جلوگیری از توده ای شدن

مواد افزودنی کنترل توده ای شدن دقیقا ً همان ساختاری را که در بحث قبل توضیح داده شد، دارا می باشند، بعضی از گروههای جذب شده بر روی سطح رنگدانه ها با یکدیگر یک پیوند نسبی ایجاد می کنند و بعضی دیگر، ساختار زنجیره ای غیر فعال محیط را تأمین می کنند که این کار بدون واکنش شیمیایی در دمای محیط انجام میگیرد (ممانعت فضایی). هنگامی که مواد افزودنی جلوگیری کننده از توده ای شدن، روی سطح رنگدانه جذب می شوند امکان تجمع و توده ای شدن مجدد آنها از بین رفته و آنها پایدار می مانند. اگر مواد افزودنی جاذب رنگدانه، در انتهای چندین زنجیرمشابه قرار گیرند، میتوانند مانند پلی، بین دو ذره رنگدانه فعال باشند.

مواد افزودنی کنترل توده ای شدن در تمامی فرآیندهای دیسپرسیون بویژه در لایه نهایی که در آن شفافیت بالا و خاصیت رنگ دهی بیشتر رنگدانه ها مد نظر است، استفاده میشوند. این مواد همچنین باعث تقویت خاصیت جریان نیوتنی سیستم رنگ می شود، مواد افزودنی  کنترل توده ای، ممکن اس براقیت پوشش را کاهش میدهند، اما به خاطر ساختار شیمیایی که دارند یر روی خواص رئولوژیکی مایع که بیشتر تیکسوتروپ است تأثیر میگذارند و از ته نشین شدن مواد جامد رنگ جلوگیری می کند. اگر رسوب کمی ایجاد شود می توان مجددا ً آن را با هم زدن معمولی به حالت یکنواخت در آورد زیرا مواد افزودنی بین ذرات رسوب شده وجود دارد. مواد افزودنی کنترل توده ای شدن اغلب در ترکیب با مواد افزودنی رئووژیکی مانند بنتونیت ها یا سیلیکاتهای کلوئیدی که اثرلیز شوندگی بدون مقاومت را دارد، بکار برده می شوند.

مواد افزودنی پلیمری

جذب مواد افزودنی بر روی سطح رنگدانه، در اثر گذاری آن بسیار مهم است و به مشخصات سطح رنگدانه بستگی دارد. سطح بسیاری از رنگدانه های غیر آلی دارای جذب بالای مواد افزودنی به آنها می باشند. بسیاری از رنگدانه های آلی، به دلیل دارا بودن سطح غیر قطبی، انعی برای چسبیدن بهتر مواد افزودنی به آنها می باشند. به علاوه رنگدانه های آلی سطح ویژه بزرگی دارند، در نتیجه برای پایداری این نوع از رنگدانه ها، استفاده از پایدار کننده های مرسوم، در بسیاری از موارد کافی نیست. گروه جدیدی از مواد افزودنی، مواد افزودنی خیس کننده و پخش کننده پلیمری kipper dipersants می باشند و در مقایسه   با مواد افزودنی شناخته شده الیگومری، دارای وزن مولکولی بالا و تعداد عوامل زیادی در مولکول هستند که قادر می باشند به سطح رنگدانه ها بچسبند و مانع توده ای شدن آنها شوند.(شکل 7) علاوه بر این، مواد افزودنی پلیمری به خاطر حلقه ها و دنباله های زنجیری موجود خود باعث ممانعت فضایی شده و موجب کاهش فعالیت شیمیایی می شوند.

شکل 7- فلوکلاسیون کنترل شده

برای پایداری خوب رنگدانه ها، مواد افزودنی نباید دارای زنجیره حلقوی باشند یعنی ساختار های ماده افزودنی متصل شده به رنگدانه باید خطی باشد و این زمانی اتفاق خواهد افتاد که ماده افزودنی پلیمری سازگاری خوب با محملی که آن را احاطه کرده است داشته باشد.

بخاطر سطح وسیع رنگدانه های آلی، مواد افزودنی زیادی لازم است تا تمام سطح رنگدانه را بپوشاند اما به خاطر حالت صمغی این گونه مواد افزودنی، معمولا ً تأثیر منفی بر روی خواص پوششها نمی گذارند.

عامل جدا شدن عمودی و عمقی رنگدانه ها Flooding – Floating

مواد افزودنی ضد Flooding  و Floating مانع جدا شدن عمقی و سطحی رنگدانه ها با دانسیته های مختلف از یکدیگر و خواص سطحی فیلم می شوند. این مشکلات در رنگ و جلای سطح فیلم می تواند منجر به ایجاد لکه شود. این پدیده ها هنگامی که در فرمولاسیون رنگ، رنگدانه های مختلف وجود داشته باشند رخ می دهند. این نقایص بعد از اعمال رنگ، هنگامی که فیلم هنوز تر است، با جدا شدن رنگدانه از یکدیگر ظاهر شده به نحوی که فقط یک نوع از رنگدانه ها روی سطح فیلم باقی  می ماند.(شکل 8)

شکل 8- اثرات flooding / floating

در نتیجه پخش نا یکنواخت رنگدانه های رنگ Floating یا جدا شدن عمودی ایجاد می شوند، که نتیجه آن ایجاد رگه ها و نواحی مختلف روی سطح فیلم می باشد. Flooding یا جدا شدن عمقی، یک تغییر یکنواخت رنگ در زمانی که فیلم رنگ هنوز تر است، می باشد. این نقیصه در تست rub – out| مشهود خواهد بود. (مالش فیلم تقریبا ً خشک).

عواملی که باعث پدیده Floating و Flooding می شوند عبارتند از:

-جاری شدن رنگ های خیس در طی فرآیند خشک شدن فیلم

-اختلاف در جابجایی و حرکت رنگدانه های مختلف

-تجمع یکی از رنگدانه ها در مخلوط

بدلیل تبخیر ناقص حلالهای رنگ بعد از اعمال، شکلهای جریان گردابی، که ناشی از اختلاف دما، چسبندگی سطح ، کشش سطحی و دانسیته می باشد بوجود می آید. تبخیر حلال در سطح فیلم ویسکوزیته را افزایش می دهد و دمای سطح را پایین می آورد. وزن مخصوص و کشش سطحی مواد بر روی سطح افزایش یافته و لایه خیس رنگ تبدیل به فیلم خشک می شود.

لایه زیرین فیلم که غنی از حلال است و چسبندگی کمتری به سطح دارد از میان لایه بالای فیلم رنگ (که درصد حلال کمتری دارد) خارج شده و روی سطح گسترده می شود بگونه ای که فیلم رنگ سعی می کند تا به تعادل بین سطح زیرین و سطح بالایی برسد. این نتایج در روشهای گردابی متمرکز شده مطابق با جریان هلموهولز (Helmohohz) توزیع یافته و به شکل ی هگزانون (شش وجهی) بی قاعده که به عنوان – سل بنارد – شناخته شده است، بدست می آید. این نکته در وسط سل و حفره های رنگ در گوشه های سل می باشد.(شکل 9)

شکل 9- سل بنارد

رنگدانه ها در رزین ها یا رنگها در این جریان آشفته درگیر هستند و به همین دلیل جابجا نمی شوند. حرکتهای مختلف رنگدانه های گوناگون باعث جدایی و جاری شدن میگردند. جریانهای گردابی در جلاهای شفاف هم مثل سیستم های دارای رنگدانه رخ می دهد. روان شدن مختلف رنگدانه های گوناگون که عمداً به اندازه، شکل، درجه توده ای شدن، بار الکتریکی و دانسیته بستگی دارد، به جدا شدن رنگدانه ها و در نهایت Floating منجر می شود.

به دو روش می توان از Floating و Flooding جلوگیری کرد. روش اول کنترل توده ای شدن رنگدانه های مختلف است. رنگدانه های گوناگون در توده ها اسیر شده و شانس جدا شدن آنها کمتر می شود اما به خاطر تشکیل توده ها ممکن است براقیت رنگ کاهش یافته و بنابراین، این پدیده در سیستمهایی که کیفیت بالای رنگ و براقیت زیاد مورد نظراست، قابل قبول نمی باشد، در این گونه موارد از مواد افزودنی پلیمری، بدلیل بر هم کنش قوی مولکولهای ماده افزودنی جذب شده با مولکولهای رزین احاطه کننده آنها که روی روانی رنگدانه ها تأثیر نسبتا ً زیادی می گذارند، استفاده می شود.

در روش دوم با مواد افزودنی پلیمری، رنگدانه های غیر آلی، به خوبی رنگدانه های آلی، خاصیت دیسپرس کنندگی پیدا می کنند و در مدت مشابه، روانی رنگدانه های مختلف تعدیل می شون، تا جائیکه Flooding و Floating دیگر اتفاق نمی افتد. در این روش مواد افزودنی می توانند در پوششهای پایه حلالی، روی بارهای الکتریکی ذرات رنگدانه تأثیر بگذارند، بنابراین با کنترل بارهای الکتریکی پایداری سیستم بالا می رود.

بهتر است Anti Flooding و Anti Floating با رزین یا حلال قبل از افزودن رنگدانه ها مخلوط شود تا کیفیت و تأثیر مطلوب تری فراهم سازند.