معرفی رنگدانه های سیاه معدنی

قسمت عمده رنگدانه های سیاه مصرفی در صنعت جدید رنگ را دوده بی شکل تشکیل می دهد که به صورت نسبتا ً خالص و یا به صورت مخلوط با مواد آلی دیگر (دوده استخوانیا دوده حیوانی) می باشد. رنگدانه های سیاه دیگری که به طور عمده مصرف می شوند گرافیت و اکسید های سیاه آهن می باشند.

کربن بلک

این رنگدانه ها از گازها و مایعات نفتی به دست می آیند که بر حسب نوع روش تولید به دوده کانالی یا کوره ای دسته بندی می شوند.

طرز تهیه کربن بلک ها

فرایند دوده کانالی

اساس این روش احتراق ناقص گازهای هیدروکربنی در محفظه های خاصی که برای این منظور طراحی شده اند، می باشد. دود حاصل از احتراق ناقص گازهای هیدروکربنی از درون کانالهای آهنی عبور داده می شود. ذرات دوده موجود در دود حاصل از احتراق ناقص بر روی جداره کانال می نشیند که سپس توسط تراش دهنده های مکانیکی از جداره کانال جدا می شوند. دوده به دست آمده را از درون توریهای پارچه ای بسیار ریز عبور می دهند تا اگر احیانا ً سنگ ریزه هایی از جداره کانال جدا شده و همراه با دوده می باشند از آن جدا شوند.

کیفیت دوده بدت آمده را میتوان با شکل شعله، فاصله دوده از سطح کانال، میزان هوا و کیفیت گاز مصرفی کنترل کرد.

دوده ای که به این ترتیب بدست می آید به خاطر هوا و محصولات فرعی گازی شکل حاصل از احتراق ناقص که در درون ذرات آن محبوس شده اند، نرم و کرکی مانند می باشند.بنابراین باید آن را تحت فشار قرار داد تا هوا و گازهای محبوس شده در آن خارج شوند، یا با روش های خشک و تر آن را به صورت ذرات گلوله ای شکل در آورد.

راندمان فرایند کانالی بسیار پایین است و جلوگیری از ورود دود و گاز حاصل از احتراق به درون اتمسفر هوا بسیار مشکل می باشد. با توجه به این دلایل و در نظر گرفتن این حقیقت که در فرایند کوره ای اصلاحات قابل توجهی نیست به روش کانالی انجام گرفته است، دوده های کوره ای در چندین مورد در حال جانشین شدن به جای دوده های کانالی می باشند.

فرایند دوده گازی

اساس این روش مشابه روش کانالی می باشد، اما، از دو نظر با یکدیگر تفاوت دارند:

الف- دوده های حاصل از احتراق ناقص محصول نفتی به درون استوانه های سرد شده هدایت می شوند و پس از نشستن ذرات دوده بر روی جدار استوانه ها توسط تراش دهنده های مکانیکی آن را جدا می کنند.

ب- در این روش به جای گازهای هیدروکربنی از روغن استفاده می کنند. این عمل موجب می شود که روش دوده گازی نسبت به روش کانالی انعطاف پذیری بیشتری داشته باشد. عملیات بعدی برای آماده سازی دوده مانند عملیات روش کانالی است.

فرایند کوره ای

انواع قدیمی دوده های کوره ای را از احتراق ناقص گازها در درون کوره های نسوز تهیه می کردند. در این کوره ها تنها یک مشعل بزرگ تعبیه شده یود و محصولات عمل را که حاوی دوده بودند با آب سریعا ً سرد کرده و سپس به درون صافیهای کیسه ای یا رسوب دهنده های الکتریکی می فرستادند. دوده ای که به این ترتیب به دست می آمد تنها در صنعت لاستیک سازی مورد مصرف اشت.

در روش های جدید نیز از همین نوع کوره استفاده می شود، اما به جای گاز، روغن می سوزانند (اگرچه گاهی اوقات هم مخلوط این دو را به کار می برند) و با تغییر دادن شرایط عمل طیف وسیعی از انواع دوده ها را تهیه می کنند که علاوه بر صنعت لاستیک سازی در رنگ سازی و ساخت مرکب های چاپ نیز مورد استفاده دارند. در حال حاضر بیشترین دوده مصرفی با روش کوره ای تولید می شود.

دوده های اکسید شده بر روی سطح ذرات خود حاصل گروه های کربوکسیل و گروه های دیگری می باشند که موجب اصلاحاتی در بعضی از خصوصیات دوده می گردند. این اصلاحات بخصوص در روانی و سیالیت و سهولت پخش دوده بسیار قابل توجه است.

در سایر روش های تولید دوده به جای احتراق ناقص بیشتر از تجزیه ی حرارتی استفاده می شود. این روش ها عبارتند از تجزیۀ حرارتی، تجزیۀ توسط قوس الکتریکی و دودۀ استیلنی، اما در تمامی این روشها راندمان عمل در مقایسه با روشهای کوره ای و کانالی بسیار پایین است.

خواص انواع کربن بلک ها

خصوصیات فیزیکی انواع کربن بلک های مصرفی در صنایع رنگ سازی و مرکب سازی در جدول زیر خلاصه شده است.

جدول- خصوصیات فیزیکی انواع کربن بلک های مصرفی در صنایع رنگ و مرکب

دوده ها بر اساس شدت سیاهی، که توسط واحدی به نام نیگرومتر بیان می شود، طبقه بندی می گردد. هر قدر عدد مربوط به شدت سیاهی کوچکتر باشد نشانه این است که شدت سیاهی آن دوده بالاتر است و برعکس. شدت سیاهی با کاهش اندازه ذرات افزایش می یابد. دوده ای که اندازه ذرات آن بین 20 الی 30 میلی میکرومتر است در صنایع لاستیک سازی مصرف دارد. کربن بلک یک ماده جاذب رطوبت است، و اگر در هوای مرطوب قرار گیرد می تواند تا 15% وزن خودش رطوبت را جذب کند، در نتیجه در محیط های آلی (روغنی و غیر قطبی) با سختی بسیار پخش می شود. البته دوده های اکسید شده از این نظر مستثنی هستند.

انواع کربن بلک، به خاطر این که تقریبا ً تمام نور تابیده شده به خودشان را جذب می کنند و همچنین به خاطر ذرات بسیار ریزشان، قدرت پوشانندگی بیار بالایی دارند، برای مثال، در یک رنگ هوا خشک که با قلم مو استعمال می شود، عموما ً وجود 25 الی 35 گرم دوده در یک لیتر رنگ کافی است تا یک فیلم کاملا ً پوشش دهنده ای را ایجاد نماید.

کربن بلک وقتی که در رنگ به کار می رود، تمایل دارد که سایر مواد موجود در فاز مایع رنگ را به خود جذب کند. بنابراین، یک رنگ هوا خشک سیاه که در آن کربن بلک به کار رفته است، به خاطر جذب بخشی از فلزات خشک کن توسط کربن بلک، در خلال انبار کردن به تدریج خصوصیات خشک شدن خود را از دست می دهد (مگر آن که رنگ حاوی یک مادۀ افزودنی مثلا ً نواکت (Nuact) باشد تا از این عمل جلوگیری کند). البته اگر چنین رنگی را مجددا ً آسیاب کنیم دوباره خواص خشک شوندگی خود را تا اندازه ای بدست می آورد. رنگ های هوا خشک سیاه که با دوده ساخته شده اند در صورتی که به مدت طولانی در انبار نگهداری شوند، افزایش گرانروی از خود نشان می دهند و این مسئله به خاطر جذب مولکولهای کوچکتر رزین یا رزینهای مصرفی در رنگ توسط کربن بلک می باشد.

ریز بودن اندازه ذرات کربن بلک ها همراه با افزایش قدرت همرنگی آن می باشد، اما بسیاری از دوده ها، زمانی که با رنگدانه های سفید مخلوط می شوند یک رنگ خاکستری متمایل به قهوه ای ایجاد می کنند. اگر دودۀ چراغ را با رنگدانه سفید مخلوط کنند رنگ آبی تر و روشن تری بدست می آید و عموما ً این نوع دوده برای چنین کاری ترجیح داده می شود. بعضی از دوده های جدید تر نیز در نتیجۀ مخلوط شدن با رنگدانۀ سفید یک رنگ خاکستی مایل به آبی ایجاد می کنند.

کاربرد کربن بلک ها

کربن بلک در سیستم های رایج رنگ و در مرکبها به کار می روند. اما، باید توجه داشت که در بعضی از سیستم های رنگ که توسط مواد شیمیایی سخت می شوند، دودۀ مصرفی در واکنش سخت شدن شرکت نکند.

کربن بلک به چندین شکل فیزیکی مختلف (کرکی، متراکم، گلوله ای) و همچنین به صورت پخش شده در چیپس (در نیترات سلولز حاوی نرم کننده)، در نرم کننده ها، و در همرنگ کننده ها، برای آلی و آبی، به بازار عرضه می شوند.

طرز شناسایی کربن بلک

کربن بلک در مقابل تمام حلال ها و اسیدها (به استثنای اسید نیتریک غلیظ که می تواند موجب انجام اکسیداسیون شدید شود) و قلیاها بی اثر هستند. این رنگدانه ها در اثر احتراق می سوزند، و هیچگونه خاکستری به جای نمی گذارند. این دوده ها از نقطه نظر شدت رنگ بیشتر، با دودۀ چراغ فرق دارند.

دودۀ چراغ یا دودۀ گیاهی

منشأ واژه «دودۀ گیاهی» به احتراق ناقص روغن های گیاهی باز می گردد. این دوده در دو نوع دودۀ گیاهی و دودۀ چراغ به بازار عرضه می شده است، اما امروزه این دو واژه فقط برای یک محصول به کار گرفته می شود.

طرز تهیه دودۀ چراغ

روشهای امروزی تهیه دودۀ چراغ شامل احتراق ناقص محصولات نفتی مایع در یک دیگ چدنی می باشد که در بالای آن یک دود کش تعبیه شده است. دودۀ چراغ بدست آمده را از طریق ایجاد گردباد و به کمک صافیها جمع آوری می کنند. با تغییر شرایط احتراق می توان اندازه ذرات دوده را تغییر داد.

خواص و کاربردهای دودۀ چراغ

دودۀ چراغ دارای خصوصیات فیزیکی زیر می باشد:

این دوده زبرتر، تیره تر و خاکستری تر از کربن بلک است. زمانی که با رنگدانه های سفید مخلوط می شود رنگهای خاکستری مایل به آبی روشن ایجاد می کند و بیشتر از آن که به عنوان یک رنگدانه در ساخت رنگها به کار رود به عنوان یک رنگدانۀ همرنگ کننده مصرف می شود.

دودۀ چراغ در مقابل نور، فازهای مایع رنگ، مواد شیمیایی ( به استثنای اسید نیتریک غلیظ که می تواند موجب اکسیداسیون شدید شود) و دماهایی که اغلب سیستمهای رنگ می توانند تحمل کنند، مقاوم است. این رنگدانه می تواند تا بیش از 2 درصد مادۀ روغنی به همرا داشته باشد و در نتیجه پخش کردن آن درآب مشکل است اما در محیط های آلی تقریبا ً به سادگی پخش می شود.

دودۀ چراغ به عنوان همرنگ کننده در رنگها به کار می رود. این رنگدانه همچنین در لاستیک سازی و ساخت مرکبها کاربرد دارد.

طرز شناسایی دودۀ چراغ

رنگ خاکستری و تیرۀ دودۀ چراغ آن را از کربن بلک متمایز می سازد. این رنگدانه به سادگی با آب مرطوب نمی شود، در اثر احتراق می سوزد و خکستر چندانی از خود باقی نمی گذارد.

دودۀ استخوان

این رنگدانه از تکلیس استخوانهای بدون چربی و باقی مانده اجساد حیوانات تهیه می شود. کیفیت رنگدانه بدست آمده با میزان کربن موجود در آن ارزیابی می شود و بسته به نوع استخوانهای مصرفی و شرایط تکلیس تغییرات قابل توجهی در کیفیت آن مشاهده می شود.

خواص و کاربردهای دودۀ استخوانی

میزان کربن موجود در دودۀ استخوان می تواند از 5 الی 20 درصد متغییر باشد و بقیه آن را بیشتر فسفات کلسیم و به میزان ناچیزی کربنات کلسیم تشکیل می دهد. وزن مخصوص آن از 6/2 تا 8/2 و جذب روغن آن از 30 تا 40 می باشد. رنگ و قدرت همرنگ کنندگی دودۀ استخوان متغییر است و به میزان کربن موجود در آن بستگی دارد. این رنگدانه آسانتر از دوده های کربن با روغن ها و آب مخلوط می شود اما از نظر خواص جذب کنندگی شبیه کربن بلک عمل می کند. بنابراین اگر این رنگدانه در رنگ مصرف شود تمایل به جذب خشک کن ها از فاز مایع رنگ دارد. گاهی اوقات به منظور جذب مواد رنگی موجود در آب از آن استفاده می شود (مثلا ً به عنوان بی رنگ کننده در بعضی از صنایع شیمیایی، از جمله صنعت قند، برای تبدیل شکر سرخ به شکر سفید). دودۀ استخوان در آستریهای سیاه رنگ ارزان قیمت به عنوان پر کننده استفاده می شود.

طرز شناسایی دودۀ استخوان

در اثر احتراق کربن موجود در آن می سوزد و یک خاکستر سید رنگ یا صورتی کمرنگ به جای می گذارد. خاکستر حاصل در اسید کلریدریک یا اسید نیتریک قابل حل است و محلولی به دست می دهد که حاوی یونهای کلسیم و فسفات می باشد.از این محلول می توان برای شناسایی یونهای کلسیم و فسفات استفاده کرد.