رنگدانه و انواع آن

نگاه کلی

معمولا مواد رنگی را به دو دسته پیگمانها ( رنگدانه‌ها ) و رنگها طبقه‌بندی می‌کنند. رنگدانه با رنگ متفاوت می‌باشد. تفاوت آنها در این است که رنگ بایستی توسط ماده مورد رنگرزی جذب شود در حالیکه رنگدانه فقط سطح جسم را رنگی می‌کند. رنگدانه‌ها در آب نامحلول هستند. اما می‌توان آنها را مانند رنگدانه‌های مورد مصرف در نقاشی ، توسط حلال مناسبی به صورت سوسپانسیون در آورد.

اگر ساختمان شیمیایی رنگدانه را بتوان اندکی تغییر داد بطوری که در آب انحلال پذیر گردد، در اینصورت ممکن است بتوان آن را به عنوان رنگ در رنگرزی مصرف کرد.

تاریخچه

پیدایش پیگمانهای جدید در طول زمان به کندی صورت گرفت. بعد از سنتز اولین رنگ مصنوعی توسط "ویلیام پرکین" در سال 1856 متعاقباً در اوایل قرن بیستم ، پیگمانهای مصنوعی آلی تهیه و به بازار عرضه شدند. این پیگمانها دارای اهمیت خاصی بودند، زیرا علاوه بر موارد استعمال پیگمانهای معدنی ( لاکها ، رنگهای روغنی ، صنعت چاپ و … ) در رنگرزی الیاف و منسوجات هم بکار می‌رفتند. یکی از مهمترین اکتشافات در مورد پیگمانهای آلی ، کشف پیگمانهای فتالوسیانین در سال 1935 توسط شیمیدانهای شرکت رنگرزان اسکاتلند بود.

رنگدانه‌ها

رنگدانه‌ها یا پیگمانها ، مواد جامد تزئینی هستند که در شکل و اندازه‌های مختلف در حلالهای مربوط به حالت معلق تهیه و بکار می‌روند و مشتمل بر مواد سیاه – سفید و رنگی بوده ، موارد استفاده زیادی در رویه زدن ، رنگرزی انبوه و دیسپرسیون در هوا دارند.

انواع رنگدانه‌ها

معمولاً رنگدانه‌ها را براساس انواع شیمیایی به رنگدانه‌های معدنی یا آلی طبقه‌بندی می‌کنند، اما این رنگدانه‌های آلی یا معدنی می‌توانند طبیعی یا سنتزی باشند.

رنگدانه‌های طبیعی و مصنوعی

رنگدانه‌های معدنی طبیعی از پوسته زمین استخراج می‌شوند، خرد شده ، شسته شده ، از لحاظ اندازه درجه‌بندی می‌شوند. غالباً برای این رنگدانه‌های طبیعی ، معادل مصنوعی هم وجود دارد، یعنی رنگدانه از اجزاء دیگری در اثر یک فرآیند شیمیایی ساخته می‌شود. ظاهراً از نظر شیمیایی با نمونه طبیعی یکسان است، ولی اغلب خواص متفاوتی دارد و معمولاً به خاطر شکل بلوری مطلوبتر ، خلوص بیشتر و دانه‌بندی مطلوبتر ، مرغوبتر از نوع طبیعی می باشد.

رنگدانه‌های معدنی طبیعی که هنوز اهمیت دارند، از خانواده اکسید آهن می‌باشند که عبارتند از: گل اخرا ، گل ماشی (خاک سرخ) ، اخرای زرد ، اکسیدهای آهن قرمز زرد و سیاه.

رنگدانه‌های آلی

امروزه رنگدانه‌های آلی به مراتب بیشتر از رنگدانه‌های معدنی می‌باشند. بعضی از جدیدترین رنگدانه‌ها ساختمان آلی فلزی دارند. بیشتر رنگدانه‌های آلی ، مواد شیمیایی آلی هستند که روی یک هسته معدنی هیدروکسید آلومینیوم رسوب داده شده‌اند. از مهمترین رنگدانه‌های آلی می‌توان به گروه فتالوسیانین‌ها اشاره کرد که طیف رنگهای آبی و سبز را در بر می‌گیرند و فتالوسیانین مس ، رنگدانه آبی می‌باشد که به علت خواص مقاومتی خوب در برابر عوامل مختلف ، یک رنگدانه با ارزش به شمار می‌رود.

فتالوسیانین‌ها را از فتالیک و اوره سنتز می‌کنند. رنگدانه‌های آلی ، به صورتی که امروزه در صنعت استفاده می‌شوند، در طبیعت یافت نمی‌شوند و تقریباً همه آنها سنتزی می‌باشند.

عمده‌ترین رنگدانه‌های معدنی

• پیگمانهای سفید
• پیگمانهای قرمز سرنج
• شنگرف
• پیگمانهای زرد و نارنجی CdS
• پیگمانهای آبی
• پیگمانهای لاجورد یا اولترامارین
• پیگمانهای سبز Cr2O3

جدول مقایسه خواص رنگدانه‌های آلی و معدنی

خاصیت	مرجع	دلایل
درخشندگی و روشنی	آلی	جالبترین و روشنترین رنگها را فقط با رنگدانه‌های آلی می‌توان به دست آورد.
رنگهای سفید و سیاه	معدنی	خالص‌ترین رنگدانه سفید ، دی‌اکسید تیتانیوم ، براقترین و سیاهترین آنها کربن می‌باشد. جزء رنگهای معدنی طبقه‌بندی می‌شود. رنگدانه‌های سیاه و سفید آلی وجود ندارد.
غیر نفوذ کننده	معدنی	ترکیبات معدنی حلالیت ناچیزی در حلالهای آلی دارند.
مقاومت نوری	معدنی	پیوندهای ظرفیتی در ترکیبات معدنی در مقابلuv پایدارتر از پیوندهای ظرفیتی ترکیبات آلی هستند.
پایداری حرارتی	معدنی	ترکیبات آلی اندکی در دمای یا بالاتر پایدارهستند اغلب در دماهای پایین تجزیه شده یا ذوب می‌شوند.
عمل ضد خورندگی	معدنی	تمام رنگدانه‌های ضد خورنده معدنی هستند.

کاربرد عمده پیگمانها

موارد استعمال عمده پیگمانها در لاکها ، رنگهای روغنی ، ورنی‌ها ، رنگهای سلولزی ، رنگهای پلاستیکی ، مرکبهای چاپ و رنگرزی کاغذ و تاسیسات آهنی می‌باشد. صنایع پوششی عمده‌ترین موارد استعمال پیگمانها می‌باشد. امروزه پوشش سطح وسایل فلزی و چوبی بناها ، وسایل نقلیه و … اهمیت فراوانی دارد زیرا این وسایل توسط رنگ از عوامل مختلف مثل هوا ، رطوبت و ترکیبات شیمیایی محافظت می‌شوند. در رنگ زدن اشیا به زیباتر شدن آنها کمک می‌کند.

تولید صنعتی رنگدانه سیاه

دوده کربن تنها رنگدانه عمده سیاه می‌باشد. این رنگدانه در صنعت لاستیک سازی و همچنین به عنوان سفت کننده بعضی از قطعات مکانیکی بکار می‌رود. اغلب مرکب‌‌های چاپ بر پایه این رنگدانه تهیه می‌شوند. کربن سیاه بکار رفته در مرکب‌های چاپ باید به صورت دانه‌های ریز باشد. رنگدانه‌های سیاه بکار رفته در پلاستیکها و رنگها و لباسها از جنس کربن سیاه می‌باشند.

 

روشهای سنتز صنعتی رنگدانه سیاه

با توجه به کاربرد وسیع رنگدانه سیاه در صنعت ، امروزه روشهای مختلفی برای تولید آن ابداع شده است و قطر ذرات بدست آمده با توجه به نوع کاربرد متفاوت می‌باشد. سه روش اصلی برای تهیه این رنگدانه وجود دارد که عبارتند از:

فرایند کانالی

در این فرایند ، شعله گاز طبیعی وارد یک کانال آهنی به طول 20 الی 25 سانتیمتر می‌شود. دوده حاصل را از این کانال خارج می‌کنند. قطر ذرات بدست آمده با این روش 10 تا 300 نانومتر می‌باشد.

فرایند دمایی ( Internal black proces )

در این روش گاز طبیعی در دمای 1100 تا 1650 درجه سانتی‌گراد ، به هیدروژن و کربن شکسته می‌شود. قطر ذرات بدست آمده در این روش 140 تا 500 نانومتر است.

فرایند کوره‌ای روغن

در این فرایند از روغنهای آروماتیک استفاده می‌شود. در بعضی موارد هم مشتقات قیر را بکار می‌برند. این فرایند در راکتور فولادی صورت می‌گیرد. باید توجه کرد که دوده بر روی فلزات خاصیت فعال‌کنندگی دارد، بنابراین برای جلوگیری از خوردگی فلزات ، آن را مستقیما روی فلز مصرف نمی‌کنند.

تولید صنعتی رنگدانه سفید

نگاه کلی

رنگدانه‌ها ، مواد غیرمحلول معدنی و آلی هستند که بطور وسیع در پوششهای سطحی بکار می‌روند. این مواد در صنایع مرکب سازی ، پلاستیک ، سرامیک ، لاستیک و کاغذ سازی کاربرد دارد. رنگدانه‌ها بسته به رنگ و خواص ، کاربردهای فراوان دارند. رنگدانه‌های سفید ، یکی از پُر استفاده‌ترین رنگداانه‌ها هستند.

پیگمانهای سفید (رنگدانه‌های سفید)

رنگدانه‌های سفید بجز تیتان ، از قدیمی‌ترین رنگدانه‌های پوششی محسوب می‌شوند که امروزه مصرف تعدادی از آنها تقریبا منسوخ شده است، زیرا نوع جدیدتر و بهتری جانشین آنها شده است که به دی‌اکسید تیتان معروف است. بجز دی‌اکسید تیتان که مهمترین رنگدانه سفید است، رنگدانه‌های سفید سربی هم کم و بیش کاربرد دارند که از جمله آنها می‌توان به کربنات ، سولفات ، اکسید روی ، اکسید روی سربدار ، اکسید آنتیموان لیتوپن را نام برد.

دی‌اکسید تیتانیوم

دی‌اکسید تیتانیوم ، از مهمترین رنگدانه‌های سفید بوده ، به دو شکل بلوری آناتاز و روتایل پایدار وجود دارد. تقریبا تمامی مصرفی در رنگسازی از نوع روتایل است. آناتاز را با حرارت دادن در 700-950 درجه سانتی‌گراد می‌توان به روتایل تبدیل کرد. به صورت وسیع در سطوح خارجی و همچنین در لعابها مصرف می‌شود.

ترکیب رنگ سفید مصرفی درسطوح خارجی
	20%
تالک	60%
میکا	20%

این بهترین فرمولاسیون برای جلوگیری از کج شدن و ترک خوردگی است، ضمنا رنگ دوام بیشتری خواهد داشت.

روش تهیه صنعتی رنگدانه سفید تیتانیوم

برای تهیه رنگدانه دو روش صنعتی مهم وجود دارد.

روش سولفات

فرآیند سولفات ، شامل واکنش بین اسید سولفوریک غلیظ و کانی ایلمنیت است. واکنش بسیار شدید است و بجز محصول اصلی مقدار زیادی ، و بخار آب تولید می‌شود که وقتی وارد جو شوند، موجب آلودگی هوا خواهند شد. بنابراین استفاده از تصفیه کننده در کارخانه‌ها ضروری است. از ضایعات دیگر این روش باز ، تولید اسید سولفوریک مصرف شده بدون برگشت آن به چرخه تولید می‌باشد.

فرایند اصلاح شده سولفات

در فرایند اصلاح شده با استفاده از اسید سولفوریک رقیق سعی شده است که آلوده کننده‌ها به حداقل برسند. واکنش نسبتا آهسته صورت می‌گیرد و مقدار بخار آب و اسید سولفوریک و اسیدهای گوگرد تولید شده کمتر است و اسید مصرفی دوباره به چرخه تولید برمی‌گردد.

واکنشهای انجام گرفته در خط تولید

• واکنش کافی (کانی ایلمنیت) با اسید سولفوریک و تولید این
  
  
• هیدرولیز (که بستگی به کیفیت ، غلظت آن و PH محیط دارد) و تولید ،
  
  
• با حرارت دادن دی‌اکسید تیتانیوم آبدار در 800_1000 درجه سانتی‌گراد ، پیگمان سفید دی‌اکسید تیتانیوم تولید می‌شود.
  
  
• فرایند کلرید ، شامل روتایل (روتایل طبیعی یا سنتزی) و گاز کلرو کک می‌باشد. محصول به دست آمده در این فرایند ، تتراکلرید تیتانیوم است. برای خالص سازی آن را تقطیر کرده و تتراکلرید تیتانیوم خالص را با اکسیژن هوا در شعله‌ای با دمای 1500 درجه سانتی‌گراد اکسید می‌کنند (واکنش سوختن). دراین فرایند دانه‌های بسیار ریز دی‌اکسید تیتانیوم و گاز کلر ایجاد می‌شود. کلر تولید شده دوباره وارد چرخه تولید می‌شود.

کاربرد

تقریبا 50% این رنگدانه در صنعت رنگ سازی و لعاب سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. 23% آن در کاغذ سازی مصرف دارد. کاربرد مهم دیگر آن در صنعت پلاستیک‌سازی است

صنعت رنگ سازی

دید کلی

رنگ در دنیای امروز نقش بسیار مهمی در پرورش ذوق و قرایح بشری و ارضای نیازهای زیبا شناختی وی ایفا می کند. بدین جهت است که احساس رنگ را به تعبیری حس هفتم می‌گویند. انسان در پهنه تولید تزئین خانه‌ها ، پوشاک و حتی نوشابه‌ها در هنر ، نقاشی ، صنایع کشتیرانی و امور ارتباطات محصولات مصرفی در صنایع فضایی و خلاصه در همه شئونات با رنگ سر و کار دارد. بطور کلی ، از رنگ علاوه بر ایجاد زیبایی محیط ، جهت حفاظت اشیا در مقابل عوامل طبیعی و غیره استفاده می‌شود.

تاریخچه

سابقه استفاده از مواد رنگی توسط انسان ، به دوران غارنشینی می‌رسد. اولین کاربرد واقعی و عملی مواد رنگی را می‌توان در ساختن کشتی نوح مربوط دانست که برای جلوگیری از نفوذ آب و پوسیدگی آن ، از مواد رنگی استفاده شده بود. بعدها از مواد رنگی برای حفاظت چوب از پوسیدگی در بناهای چوبی و زمانی که استفاده از وسایل آهنی متداول شد، برای جلوگیری از زنگ زدن آنها استفاده می‌شد .

اجزای تشکیل دهنده رنگ‌ها

هر رنگ اصولا از دو قسمت اصلی تشکیل شده است که عبارتند از:

رنگدانه

ماده رنگی نامحلول در آب است ( خاک رس ناخالص رنگی و پودر برف از سنگهای رنگی به‌عنوان اولین رنگدانه ها مورد استفاده انسان قرار می‌گرفتند ).

محمل رنگها

مایعی است که با رنگدانه مخلوط شده ، کاربرد آنرا آسان می‌کند و در چسبیدن آن ، کمک می‌کند ( از سفیده تخم مرغ ، چسب عسل محلول قند به‌عنوان محمل‌های رنگ استفاده می‌شد). امروزه متداولترین محمل‌های رنگدانه‌ها را آب یا روغن تشکیل می‌دهد. از این‌رو رنگها را به دو دسته رنگ‌های روغنی و رنگ‌های آلی تقسیم می‌کنند.

انواع رنگدانه

اکسیدها

• لیمونیت ( Fe₂O₃.2H₂O ) برای تهیه رنگ قرمز مصرف می‌شود و یکی از قدیمی‌ترین رنگدانه‌هاست.
  
  
• هماتیت ( Fe₂O₃ ) برای تهیه رنگ قرمز روشن بکار می‌رود.
  
  
• دی‌اکسید تیتان ( TiO₂ ) برای تهیه رنگ سفید روشن و بسیار مرغوب که در هوا تیره نمی‌شود، بکار می‌رود. معمولا آن را با سولفات باریم مخلوط می‌کنند.
  
  
• اکسید روی ( ZnO ) که از مهم‌ترین رنگدانه های سفید است و از تجزیه کربنات روی و یا سوزاندن فلز روی در هوا حاصل می‌شود.
  
  
• سرنج ( Pb₂O₃ ) که رنگ سرخ یا قرمز تیره دارد و بیشتر برای پوشانیدن سطح قطعات فولادی به‌منظور حفاظت آنها از زنگ زدن کاربرد دارد.

سولفید روی و لیتوپن

سولفید روی برای تهیه رنگ سفید مات مصرف می‌شود و از مزایای آن ، این است که بر خلاف سفیداب سرب در هوا سیاه نمی‌شود. این رنگدانه معمولا در تجارت بصورت مخلوطی از سولفید روی و سولفات باریم به نام لیتوپن مصرف دارد که رنگ سفید بسیار مرغوب است.

سفیداب سرب

این رنگ دانه عمدتا شامل Pb(OH)₂ , PbCO₃ که از قرن ها پیش شناخته شده بود. قدرت پوشش آنها زیاد است، ولی در هوا به‌علت وجود H₂O به مرور سیاه می‌شود. برای تبدیل مجدد آن به رنگ سفید می‌توان از تاثیر پراکسید هیدروژن بر آن استفاده کرد.

دوده چراغ و زغال استخوان

یکی از اجزای رنگ سیاه و مرکب است و برای تغییر رنگ سفید به میزان دلخواه نیز مصرف می‌شود.

رنگدانه‌های فلزی

• مانند پودر آلومینیم در روغن جلا که از آن برای حفاظت وسایل آهنی و فولادی استفاده می شود
  
  
• برنز آلومینیم ( آلیاژ Al, Cu ) در روغن جلا که از آن ، برای ایجاد رنگ بسیار زیبای طلایی برای دور قابها و ... استفاده می‌شود.

رنگدانه‌های الوان

• رنگدانه‌های آبی: مهم‌ترین این این رنگدانه‌ها ، آبی پروس و آبی نیلی یا لاجورد است. آبی پروس یکی از مهم‌ترین رنگهای آبی است. لاجورد نیز یکی از رنگهای آبی مرغوب است که از حرارت دادن مخلوط کائولین ، کربنات سدیم ، گوگرد و زغال سنگ در غیاب هوا حاصل می‌شود.
  
  
• رنگ دانه های زرد: مهم ترین این رنگدانه‌ها ، کرومات روی و کرومات سرب است. از قطران زغال سنگ نیز رنگدانه‌های الوانی بصورت نمکهای نامحلول فلزات بدست می‌آید که در هیدروکسید آلومینین بصورت ژله می‌بندد. این ژله را پس از خشک کردن به‌صورت پودر با رنگدانه‌هایی نظیر کربنات کلسیم و سیلسس مخلوط می‌کنند و در انواع رنگهای مورد نیاز بکار می‌برند.

رنگ‌های روغنی

در این نوع رنگ‌ها ، رنگدانه را در یک روغن خشک شونده که استر گلیسیرین با اسیدهای چرب ، نظیر اسیدهای اولئیک و یا لینولنیک می‌باشد، حل می‌کنند. این روغن‌‌ها در هوا اکسیده شده ، به ترکیبات سیر شده تبدیل می‌شوند و لایه‌ای سخت مقاوم و محافظ تشکیل می‌دهند که از نفوذ آب در رنگدانه جلوگیری می‌کنند.

رقیق‌کننده

برای رقیق کردن و سهولت کاربرد رنگ بکار می‌رود و معمولا یک حلال هیدروکربنی نظیر ترپنتین است که به روغن تربانتین شهرت دارد.

خشک کننده

یکی از اجزای رنگ‌های روغنی است که در حقیقت نقش کاتالیزور را در تسریع اکسیداسیون و خشک شدن رنگ‌ها را دارد و معمولا مخلوطی از اکسید های سرب ، منگنز و کبالت در ( روغن بزرک ) بصورت استر مصرف می‌شود.

رنگ‌های پلاستیکی

با اضافه کردن رزین‌های سنتزی نظیر رزین حاصل از فنل و فرمالدئید که خاصیت پلاستیکی دارد، در روغن جلا ، رنگ‌های پلاستیکی حاصل می‌شود. این نوع رنگ‌ها به خاطر دوام و قابل شستشو بودن ، اهمیت و کاربردهای زیادی داردن.

رنگ‌های لعابی یا مات

با اضافه کردن رنگ‌هایی نظیر TiO₂ به روغن جلا آن را به صورت مات درآورده ، بعد برای مات کردن هر نوع رنگی بکار می‌رود.

رنگ اتومبیل

این نوع رنگ‌ها ، باید این ویژگی را داشته باشند که به‌سرعت در هوا خشک شوند. برای این منظور ، رنگدانه را در حلالهای آلی بسیار فرار نظیر استات آمیل ، استات اتیل یا استات بوتیل حل می‌کنند. برای رنگ‌های متالیک ( فلزی ) ، از رنگدانه‌های فلزی استفاده می‌شود.

رنگ‌های محلول در آب

این نوع رنگ‌ها از معلق کردن رنگدانه‌ها در آب مخلوط با یک چسب محلول در آب تهیه می‌شوند. از رنگ‌های روغنی ارزانترند و قابل شستشو نمی‌باشند.