ادغام مؤثر پیگمنتهای Pigment جامد در یک سیستم پوشش مایع مانند پوشش های پلی یورتانی (رنگ های خودرویی، صنعتی، محافظتی و دریایی)-کفپوش های پلی یورتان و اپوکسی_رنگ های اپوکسی، فرآیندی چندمرحلهای است که برای دستیابی به عملکرد و کیفیت زیباییشناختی مطلوب حیاتی است. این فرآیند شامل سه مرحله متمایز و متوالی است :
ترشوندگی (Wetting): این مرحله اولیه و حیاتی شامل جابجایی فعال هرگونه هوا و رطوبت جذب شده بر روی سطح ذرات پیگمنت توسط سیستم رزین مایع است. همزمان، مایع به منافذ میکروسکوپی و آگلومراهای پیگمنت نفوذ میکند. ترشوندگی کارآمد زمانی حاصل میشود که کشش سطحی محیط مایع کمتر از انرژی سطحی پیگمنت جامد باشد، که جریان مویرگی را تسهیل کرده و تماس نزدیک بین سطح پیگمنت و حامل مایع را تضمین میکند. عوامل ترکننده تخصصی، که نوعی از دیسپرسکنندهها هستند، به طور فعال کشش سطحی مایع را کاهش میدهند تا فرآیند ترشوندگی اولیه را به طور قابل توجهی تسریع و بهبود بخشند.
آسیاب/جداسازی (De-agglomeration): پس از ترشوندگی مؤثر، انرژی مکانیکی، معمولاً به شکل نیروهای برشی بالا که توسط تجهیزات آسیاب (مانند آسیابهای گلولهای، دیسولورها) تولید میشود، اعمال میگردد. هدف از این مرحله، شکستن فیزیکی آگلومراهای پیگمنت به واحدهای کوچکتر است که در حالت ایدهآل به اندازه ذرات اولیه خود نزدیک میشوند. این جداسازی برای به حداکثر رساندن خواص نوری ذاتی پیگمنت، مانند قدرت رنگدهی و قدرت پوشانندگی، و برای جلوگیری از عیوب قابل مشاهده لایه در پوشش نهایی بسیار مهم است.
تثبیت (Stabilization): بلافاصله پس از فرآیند جداسازی، سطوح تازه و پرانرژی ذرات پیگمنت به شدت مستعد تجمع مجدد یا فلوکولاسیون هستند. این پدیده به دلیل نیروهای جاذبه بین مولکولی، مانند نیروهای واندروالس، رخ میدهد که میتواند باعث تجمع مجدد ذرات شود. عوامل دیسپرسکننده نقش حیاتی خود را در این مرحله با جذب شدن بر روی این سطوح تازه ایفا میکنند. آنها یک سد محافظ ایجاد میکنند که به طور فعال از تجمع مجدد ذرات و تهنشینی آنها جلوگیری میکند و بدین ترتیب، پایداری طولانیمدت و همگنی پراکندگی پیگمنت را در پوشش مایع تضمین میکند.
کدهای صنعتی که دیسپرسینگ ایجنت های صنعتی هستند عبارتند از:
DISPERBYK 108: یک افزودنی ترکننده و دیسپرسکننده فاقد حلال است که برای پوششهای پایه حلال، جوهرهای چاپی و همچنین کنسانترههای رنگدانه طراحی شده است
DISPERBYK 110: افزودنی ترکیبی مرطوبکننده و پخشکننده (wetting & dispersing additive) است
EFKA PU 4046: نقش یک پراکننده پلیمری (polymeric dispersant / dispersing agent) را در سیستمهای پوششی (coatings) آلایندههای مبتنی بر حلال دارد.
BYK 9077: افزودنی تر کننده و دیسپرس کننده بدون حلال است که برای استفاده در پوششهای پایه حلال و بدون حلال، چسبها، پلاستیزولهای PVC، سیستمهای رزینی پخت شونده در دمای محیط، SMC، پولتروژن، و جوهرهای چاپ UV بدون حلال طراحی شده است
Borchi Gen 0451: یک عامل دیسپرسکننده (dispersant) و وتینگ ایجنت (wetting agent) برای رنگدانهها کاربرد دارد
مکانیسم تثبیت
عوامل دیسپرسکننده از تجمع مجدد ذرات پیگمنت عمدتاً از طریق دو مکانیسم اساسی جلوگیری میکنند :
دفع الکترواستاتیک (تثبیت یونی): این مکانیسم به ویژه مؤثر است و عمدتاً در سیستمهای آبی (پایه آب) استفاده میشود. مولکولهای دیسپرسکننده، که معمولاً پلیمرهای آلی هستند، به سطح پیگمنت متصل شده و بار الکتریکی مشابهی (مثلاً آنیونی یا کاتیونی) را به تمام ذرات پراکنده شده منتقل میکنند. این دفع الکترواستاتیک متقابل بین ذرات با بار مشابه، از نزدیک شدن آنها به یکدیگر به اندازهای که منجر به تجمع مجدد شود، جلوگیری میکند. با این حال، اثربخشی دفع الکترواستاتیک میتواند به طور قابل توجهی توسط غلظتهای بالای الکترولیتها (نمکها) در سیستم کاهش یابد، که لایه دوگانه الکتریکی اطراف ذرات را فشرده کرده و بدین ترتیب نیروهای دافعه را کاهش میدهد.
ممانعت فضایی (تثبیت پلیمری): این یک مکانیسم بسیار قوی و چندمنظوره است که در طیف گستردهای از سیستمهای پوشش، از جمله سیستمهای آبی، پایه حلال و 100% جامد، مؤثر است. دیسپرسکنندههای پلیمری، که با زنجیرههای مولکولی بلند خود مشخص میشوند، بر روی سطح پیگمنت جذب میشوند. هنگامی که دو ذره پیگمنت سعی میکنند به یکدیگر نزدیک شوند، این زنجیرههای پلیمری گسترش یافته به صورت فیزیکی تداخل ایجاد میکنند و یک نیروی دافعه ناشی از اثرات اسمزی و آنتروپی ایجاد میکنند. این سد فیزیکی به طور مؤثر ذرات را از هم جدا نگه داشته و از فلوکولاسیون جلوگیری میکند. کارایی ممانعت فضایی به سازگاری و حلالیت دیسپرسکننده در محیط مایع بستگی دارد؛ اگر سازگاری از بین برود (مثلاً به دلیل تغییر حلال یا دما)، زنجیرههای پلیمری میتوانند فرو بریزند و منجر به بیثباتی شوند.
مکانیسمهای پراکندگی و تثبیت پیگمنت
| مرحله پراکندگی | توصیف مرحله | مکانیسم تثبیت کلیدی | نحوه عملکرد | سازگاری با نوع سیستم | مزایا/محدودیتها |
| ترشوندگی | مایع هوا/رطوبت را از سطح پیگمنت جابجا میکند و به منافذ نفوذ میکند. | (عوامل ترکننده) | کاهش کشش سطحی مایع برای تماس بهتر با جامد. | جهانی | بهبود سرعت و کارایی ترشوندگی اولیه. |
| آسیاب/جداسازی | نیروهای برشی مکانیکی آگلومراها را به ذرات کوچکتر میشکنند. | (دیسپرسکنندهها) | کمک به کاهش گرانروی و جلوگیری از تجمع مجدد در حین آسیاب. | جهانی | افزایش کارایی آسیاب، بهبود خواص نوری. |
| تثبیت | جلوگیری از تجمع مجدد ذرات پس از آسیاب و تهنشینی. | دفع الکترواستاتیک | ایجاد بار الکتریکی مشابه بر روی ذرات، منجر به دفع متقابل میشود. | عمدتاً آبی | مؤثر است اما به غلظت نمک حساس است (فشردگی لایه دوگانه). |
| تثبیت | جلوگیری از تجمع مجدد ذرات پس از آسیاب و تهنشینی. | ممانعت فضایی | زنجیرههای پلیمری جذب شده بر روی سطح ذرات، سد فیزیکی ایجاد میکنند. | جهانی (آبی/حلال/100% جامد) | قوی و چندمنظوره، پایداری طولانیمدت، کمتر تحت تأثیر نمک. |
انواع عوامل دیسپرسکننده
عوامل دیسپرسکننده بر اساس وزن مولکولی و ساختار شیمیایی زیربنایی آنها به طور گستردهای دستهبندی میشوند :
دیسپرسکنندههای پلیمری (وزن مولکولی بالا):
اینها معمولاً کوپلیمرهای بلوکی پیچیده (مانند پلیاستر-پلیاتر، پلیاتر-پلیاستر، پلیاورتانهای اصلاحشده، پلیاکریلاتها) هستند که با دقت طراحی شدهاند و دارای “گروههای لنگر” (anchor groups) خاصی هستند که تمایل و جذب قوی به سطح پیگمنت نشان میدهند. همزمان، آنها دارای “زنجیرههای سازگار با حلال” هستند که به محیط مایع پیوسته گسترش مییابند و تثبیت فضایی را فراهم میکنند.
مزایا: دیسپرسکنندههای پلیمری به دلیل نقاط اتصال متعدد خود، لایههای جذب بسیار بادوامی را تشکیل میدهند که منجر به پایداری پراکندگی طولانیمدت برتر میشود. آنها در کاهش گرانروی کنسانترههای پیگمنت (میل بیس)، افزایش قابل توجه قدرت رنگدهی و قدرت پوشانندگی، بهبود براقیت و ترویج جریان و تسطیح بهتر پوشش نهایی بسیار مؤثر هستند. کارایی بالای آنها همچنین به معنای کاهش زمان آسیاب و توانایی گنجاندن مقادیر بیشتری از پیگمنت است.
نمونههای خاص: سری Efka® PX شرکت BASF (برای سیستمهای پایه حلال) و سری Dispex® Ultra PX (برای سیستمهای آبی) نمونههای برجستهای هستند که از فناوری پلیمریزاسیون رادیکال آزاد کنترلشده (CFRP) برای ایجاد کوپلیمرهای بلوکی بسیار کارآمد و با سازگاری گسترده استفاده میکنند. سری Afcona از پلیاورتانهای اصلاحشده نیز به طور گسترده برای پوششهای پایه حلال و بدون حلال استفاده میشود.
دیسپرسکنندههای مبتنی بر سورفکتانت (وزن مولکولی پایین):
اینها عوامل فعال سطحی هستند که با ساختار مولکولی متشکل از یک گروه سر آبدوست (قطبی) و یک گروه دم آبگریز (غیرقطبی) مشخص میشوند.
نمونهها: انواع رایج شامل مشتقات اسید چرب، استرهای فسفات، پلیاکریلاتهای سدیم/اسید پلیاکریلیک، دیاولهای استیلن و لسیتین سویا هستند.
اگرچه برای ترشوندگی اولیه پیگمنت مؤثر هستند، اما وزن مولکولی پایینتر آنها عموماً منجر به تثبیت کمتر قوی و بادوام در مقایسه با دیسپرسکنندههای پلیمری میشود و به طور بالقوه منجر به تجمع مجدد یا تهنشینی در طولانیمدت میگردد.
مزایای پراکندگی مؤثر
افزایش قدرت رنگدهی و قدرت پوشانندگی: پراکندگی بهینه تضمین میکند که هر ذره پیگمنت به طور حداکثری در توسعه رنگ کلی و کدری پوشش مشارکت میکند. این کارایی اغلب امکان استفاده از مقادیر کمتری از پیگمنت را برای دستیابی به نتایج مطلوب فراهم میکند که منجر به کاهش هزینههای مواد میشود.
بهبود براقیت و ظاهر: توزیع یکنواخت ذرات پیگمنت ریز پراکنده شده در ماتریس لایه منجر به یک سطح پوشش صافتر میشود که به نوبه خود منجر به سطوح براقیت بالاتر و ظاهری یکنواختتر و از نظر زیباییشناختی دلپذیرتر میشود.
جریان و تسطیح بهتر: پیگمنتهای به خوبی پراکنده شده به خواص سیال نیوتنیتر در پوشش مایع کمک میکنند. این امر توانایی پوشش را برای پخش شدن یکنواخت بر روی بستر و حذف عیوب سطحی مانند رد قلممو یا رد غلتک بهبود میبخشد و در نتیجه، یک پوشش صافتر و یکنواختتر حاصل میشود.
جلوگیری از تهنشینی و فلوکولاسیون: عوامل دیسپرسکننده به طور فعال ذرات پیگمنت را با جلوگیری از تهنشینی زودرس آنها در کف ظرف در طول نگهداری یا تشکیل تودههای نامطلوب (فلوکولهها) در فاز مایع تثبیت میکنند.
یکپارچگی و دوام کلی لایه: با جلوگیری مؤثر از عیوب ناشی از پراکندگی ضعیف (مانند تجمع، ضخامت ناهمگون لایه)، دیسپرسکنندهها به طور غیرمستقیم اما قابل توجهی به استحکام مکانیکی، مقاومت شیمیایی و دوام طولانیمدت لایه اپوکسی پخت شده کمک میکنند.
عوامل دیسپرسکننده، با وجود اینکه اغلب اجزای “نامرئی” در فرمولاسیون پوشش هستند، محرکهای اساسی هم کیفیت درک شده و هم عملکرد کاربردی محسوب میشوند. آنها به طور مستقیم ویژگیهای زیباییشناختی حیاتی مانند قدرت رنگدهی، وضوح و براقیت را افزایش میدهند، و به طور غیرمستقیم اما قابل توجهی بر خواص عملکردی حیاتی مانند استحکام مکانیکی، مقاومت شیمیایی و دوام کلی با جلوگیری از تشکیل عیوب لایه تأثیر میگذارند. این بدان معناست که سرمایهگذاری استراتژیک در فناوریهای پیشرفته دیسپرسکننده (مانند آنهایی که از CFRP استفاده میکنند، یا انواع آبگریز تخصصی) میتواند بازدهی نامتناسب بالایی از نظر تمایز محصول، رضایت مشتری برتر، و حتی کاهش مصرف مواد (مانلاً نیاز به پیگمنت کمتر برای دستیابی به قدرت رنگدهی مشابه) به همراه داشته باشد. به عبارت دیگر، آنچه مشتری در یک کفپوش مشاهده میکند – رنگ، براقیت، صافی و طول عمر – به طور مستقیم تحت تأثیر عملکرد دیسپرسکننده است. اگر دیسپرسکننده امکان دستیابی به قدرت رنگدهی بالاتر با پیگمنت کمتر را فراهم کند ، مستقیماً بر کارایی هزینه فرمولاسیون تأثیر میگذارد. اگر از تهنشینی جلوگیری کند، ماندگاری و سهولت اعمال را بهبود میبخشد. این مواد شیمیایی “نامرئی” تأثیر بسیار ملموسی بر قابلیت بازاریابی، عملکرد و ساختار هزینه محصول نهایی دارند.
تأثیر سیستمهای حامل در رنگدهندههای از پیش پراکنده شده
انتخاب سیستم حامل در رنگدهندههای از پیش پراکنده شده یک عامل تعیینکننده حیاتی برای عملکرد نهایی سیستمهای اپوکسی با عملکرد بالا است.
سیستمهای حامل واکنشپذیر: این سیستمهای پیشرفته (مانند رزینهای اپوکسی، پلیالها/آمینهای عاملدار شده که به طور خاص با شیمی پوشش مطابقت دارند) به گونهای مهندسی شدهاند که خود حامل به طور شیمیایی واکنش داده و به بخشی جداییناپذیر از شبکه پخت تبدیل شود.
مزایا: آنها به طور کامل اثرات پلاستیککنندگی را از بین میبرند، فرآیند پخت را مختل یا کند نمیکنند و تضمین میکنند که پتانسیل عملکرد کامل رنگدهنده به لایه پخت شده منتقل میشود. این منجر به سختی برتر، مقاومت شیمیایی بهبود یافته و حفظ براقیت بهتر میشود. نمونهها شامل خمیرهای رنگدهنده واکنشپذیر TERACHEM® شرکت Pflaumer و سری بدون حلال Chroma-Chem FLV شرکت Vibrantz هستند.
سیستمهای حامل خنثی: همانطور که قبلاً اشاره شد، این سیستمها میتوانند خواص عملکرد بالای مورد نظر فرمولاسیونهای اپوکسی را با رقیق کردن محتوای واکنشپذیر و باقی ماندن به عنوان پلاستیککنندههای غیرواکنشپذیر در لایه پخت شده به خطر اندازند.
راهکارهایی برای پراکندگی و پایداری بهینه پیگمنت
تکنیکها و تجهیزات اختلاط مناسب:
ضروری است که محصول پیگمنتدار قبل از افزودن فعالکننده (هاردنر) به طور کامل پیشمخلوط شود تا همگنی تضمین گردد.
از یک پدل اختلاط Jiffy با سرعت متوسط تا آهسته برای حداقل 3 دقیقه استفاده شود و به طور خاص از استفاده از پدلهای اختلاط ملات خشک که میتوانند هوای بیش از حد را وارد کنند، خودداری شود.
برای پیگمنتهای قدیمی یا تهنشین شده، گرم کردن ملایم پیگمنت میتواند به کاهش گرانروی آن و تسهیل بازپراکندگی آسانتر کمک کند.
یک تکنیک بسیار مؤثر این است که ابتدا پیگمنت را در بخش کوچکتری از جزء A (جزء رزین) مخلوط کنید، نه در کل سطل. این غلظت بالاتر به میکسر اجازه میدهد تا هر کلوخه سرسخت را به طور مؤثرتری بشکند.
اگر حبابهای هوا پس از اختلاط مشاهده شد، اجازه دهید پوشش مخلوط شده برای مدت کوتاهی قبل از ریختن روی کف بماند تا هوا خارج شود.
تعیین میزان بهینه بارگذاری دیسپرسکننده:
این یک گام حیاتی است که مستقیماً بر کارایی پراکندگی اولیه و پایداری طولانیمدت پوشش تأثیر میگذارد.
روش حداقل گرانروی: یک روش آزمایشگاهی استاندارد شامل تهیه دوغاب پیگمنت (مثلاً 55-60 درصد وزنی برای پیگمنتهای معدنی) و افزودن تدریجی دیسپرسکننده در حالی که به طور مداوم گرانروی دوغاب را پایش میکنیم. بارگذاری بهینه معمولاً در نقطهای شناسایی میشود که گرانروی به کمترین مقدار خود میرسد.
برای تأیید دامنه ایدهآل، توصیه میشود فرمولاسیونهای اضافی با مقدار کمی کمتر (مثلاً 10% کمتر) و کمی بیشتر (مثلاً 10% بیشتر) از مقدار بهینه اولیه تعیین شده تهیه و آزمایش شوند.
یک دستورالعمل کلی برای دیسپرسکنندههای پلیمری حدود 2-2.5 میلیگرم دیسپرسکننده به ازای هر متر مربع از سطح پیگمنت است.
دیسپرسینگ های تجاری موجود در شرکت پلیمر کاوه عبارتند از:
1.DISPERBYK 108: افزودنی ترکننده و دیسپرسکننده فاقد حلال است که برای پوششهای پایه حلال، جوهرهای چاپی و همچنین کنسانترههای رنگدانه طراحی شده است.
2. DISPERBYK 110: افزودنی ترکیبی مرطوبکننده و پخشکننده (wetting & dispersing additive) است
3. EFKA PU 4046: پراکننده پلیمری (polymeric dispersant / dispersing agent) را در سیستمهای پوششی (coatings) آلایندههای مبتنی بر حلال دارد.
4. BYK 9077: افزودنی تر کننده و دیسپرس کننده بدون حلال است که برای استفاده در پوششهای پایه حلال و بدون حلال، چسبها، پلاستیزولهای PVC، سیستمهای رزینی پخت شونده در دمای محیط، SMC، پولتروژن، و جوهرهای چاپ UV بدون حلال طراحی شده است
5. Borchi Gen 0451: دیسپرس کننده غیر یونی با وزن مولکولی بالا است که فاقد APEO (آلکیلفنل اتوکسیلات) و VOC (ترکیبات آلی فرار) میباشد