رنگ در کامپاندهای پلاستیکی

یکی از الزامات صنعت پلاستیک، رنگ کردن قطعات تولیدی است. این موضوع گاهی آنقدر اهمیت پیدا می‌کند که می‌توان گفت رنگ قطعات به اندازه خود آن‌ها مهم است. مانند رنگ‌های مخملی موسوم به soft touch که نقش تعیین کننده‌ای در جلوه و انتخاب محصول توسط مشتری دارند. به طور کلی چهار روش برای تولید قطعات پلیمری رنگی وجود دارد:

1- پلیمر خودرنگ؛ که روشی بسیار آسان برای تولید قطعات رنگی فراهم می‌کند و مشکلات اختلاط و پخش ندارد. اما مشکل بزرگتری که ایجاد می‌کند آن است که برای هر رنگی، کامپاند مخصوص باید خریداری یا تهیه شود که مشکلات هزینه‌ای، حداقل سفارش و … ایجاد می‌نماید.

2- پودر رنگ؛ معمولا رنگ‌دانه‌های مختلف به شکل پودر وجود دارند و نسبتا ارزان هستند ولی بدون تجهیزات مناسب، استفاده از آن‌ها مشکلاتی در سلامتی و آلودگی محیط، کیفیت پخش در پلیمر و تداخل رنگی ایجاد می‌کنند.

3- رنگ‌های مایع؛ تشکیل شده از رنگ‌دانه پخش شده در یک مایع مناسب هستند و کاربردی آسان‌تر از رنگ‌های پودری دارند. این نوع رنگ‌ها که در نسبت‌های 1 به 100 نیز می‌توانند استفاده شوند، آسان‌تر از تجهیزات پاک می‌شوند و محیط را نیز آلوده نمی‌کنند. مشکل مهم کاربرد آن‌ها این است که برای کاربرد نیاز به پمپ‌های خاص دارند و ممکن است مایع حامل رنگ، با برخی پلیمرها ناسازگار باشد.

4- رنگ‌تغلیظ شده یا مستربچ؛ عمده رنگ مصرفی در صنعت پلاستیک را تشکیل می‌دهند و شامل یک پلیمر حامل، حجم بالایی از پیگمنت یا دای و افزودنی‌های لازم هستند. این رنگ‌ها معمولا به شکل ساچمه یا گرانول هستند و به دو شکل عرضه می‌شوند: مستربچ‌های خاص، که رنگ و پلیمری که قرار است در آن توزیع شود به لحاظ شیمی با هم مشابهند و مستربچ‌های عمومی که برای محدوده‌ای از پلیمرها قابل استفاده‌اند. از آن‌جایی که عمده قطعات پلیمری رنگی با این روش تهیه می‌شوند، مباحث بعدی این مقاله، به مستربچ اختصاص پیدا می‌کند.

فرمولاسیون مستربچ از چهار جزء اصلی تشکیل شده اند: رنگ‌دانه به شکل پیگمنت یا دای، پلیمر حامل (Carrier)، پخش کننده و مواد افزودنی. به منظور سازگاری بهتر و نداشتن تاثیر منفی در محصول نهایی، بهتر است از همان خانواده پلیمر محصول، پلیمر حامل انتخاب شود. مثلا در پلی الفین‌ها، از PE برای PP استفاده می‌شود. در حالت ایده‌آل، ویسکوریته پلیمر حامل باید به اندازه کافی زیاد باشد، تا پس از افزودن رنگ به آن، ویسکوزیته برابر یا بیشتر از پلیمر پایه باشد. این امر باعث تسهیل و بهبود پراکنش مستربچ در پلیمر پایه در حین فرآیند می‌شود. به منظور بهبود پراکندگی یکنواخت رنگ‌دانه‌ها و جلوگیری از کلوخه‌ای شدن از موادی به نام پخش کننده استفاده می‌شود که معمولا واکس‌های پلی اتیلن با جرم مولکولی کم، استئارات و مانند آن هستند. همچنین در مستربچ‌ها گاهی از برخی افزودنی‌ها استفاده می‌شود که عبارتند از: کمک فرآیندها، پایدار کننده UV، آنتی استاتیک‌ها، آنتی اسلیپ، آنتی بلاک، روان کننده‌ها، پرکننده‌ها، تاخیرانداز شعله، تقویت کننده‌ها، و عامل‌های فعال کننده و هسته زا.

انواع رنگ‌ها:

رنگ‌ها در اشکال و اندازه ذرات مختلف، با طیف وسیعی از خصوصیات مانند نقطه ذوب و پایداری حرارتی وجود دارند. از طرف دیگر؛ نسبت به سایر افزودنی‌ها، هزینه آن‌ها برای کنترل قیمت بسیارمهم است. در حالت کلی؛ رنگ‌ها به دو دسته رنگ‌دانه (Pigment) و دای (Dye) تقسیم بندی می‌شوند. رنگ‌دانه‌ها در پلیمر حامل نامحلول است و دای محلول. پیگمنت‌ها و دای‌ها می‌توانند خواص مهم فیزیکی و مکانیکی پلیمر پایه را تحت تاثیر قرار بدهند. همچنین رنگ‌دانه‌های افزوده شده ممکن است در حین فرآیند، با سایر افزودنی‌ها هم افزایی یا تداخل ایجاد کنند. به عنوان مثال، در اکثر فرمولاسیون‌ها  از پایدارکننده استفاده می‌شود و رنگ‌های خاص می‌توانند با آن پایدارکننده‌ها تداخل داشته باشند. افزون بر این؛ در آمیزه‌های پلیمری، رنگ‌ها اغلب بر پایداری حرارتی و UV اثر می‌گذارند. خواص مکانیکی به ویژه استحکام ضربه هم می‌تواند بر اساس فرمول رنگ استفاده شده تغییر یابد. برای مثال استحکام ضربه بسیاری از محصولات می‌تواند به شدت با افزودن TiO₂ تحت تاثیر قرار بگیرد. اگر پلیمر حامل برای فرآیند نیاز به دمای بالایی داشته باشد، رنگ هم باید در آن دما پایدار باشد.

رنگ‌دانه‌ها آلی و معدنی هستند. نمونه‌هایی از رنگ‌دانه‌های معدنی عبارتند از اولترامارین، دی اکسید تیتانیوم، اکسیدهای آهن، کبالت آبی و اکسید روم. در حالی‌که گروه‌های رایج آلی را می‌توان به فتالوسیانین، آزو، چند حلقه‌ای‌ و دوده اشاره کرد. رنگ‌دانه‌ها در پلیمر نامحلول هستند. بنابراین از کلوخه‌ای شدن رنگ‌ها باید جلوگیری کرد و اندازه ذرات را کاهش داد. کنترل اندازه به منظور پخش رنگ، کاهش مقدار خوراک دهی و به حداقل رساندن تاثیرمنفی بر خواص حایز اهمیت است. انتخاب رنگ‌دانه مناسب و بیشترین پخش و توزیع رنگ‌دانه از چالش‌های بزرگ در کامپاندها است. کار با رنگ‌دانه‌های معدنی هم چالش‌های مشابه کار با ذرات کوچک پرکننده و تقویت کننده‌هایی نظیر کربنات کلسیم، تالک، سولفات باریم یا میکا را دارد. هنگام استفاده از رنگ‌‌دانه‌ها، فرض بر این است که پایداری حرارتی کافی است و توزیع و پراکندگی خوب در کامپاند از چالش‌های اصلی و غالب است. اگر اندازه ذرات کوچک نشوند، رنگ‌دانه به طور کامل آزاد نمی‌شود و به همین جهت نیاز به رنگ‌دانه بیشتری است. که این امر علاوه بر افزایش هزینه، تاثیر منفی بر خواص دارد. برای مثال؛ رنگ‌دانه بنفش معدنی ضعیف است و پراکندگی آن دشوار. بنابراین مقدار افزودن آن‌ها زیاد است. در مقابل رنگ‌دانه‌های شب‌تاب (luminescent) اغلب به حداقل نیروی برشی نیاز دارند تا از تجزیه ذرات نسبتاً بزرگتر مورد نیاز برای به دست آوردن این اثر ویژه جلوگیری شود.

دای‌ها معمولا برای قطعات شفاف استفاده می‌شوند و بر اساس نام عمومی شاخص رنگ و شماره ساختارشان طبقه بندی می‌شوند. این رنگ‌دانه‌ها معمولا در مقادیر کم برای رنگ‌دهی استفاده می‌شوند و از آنجایی که اکثرا در مواد شفاف استفاده می‌شوند، سیستم فرمولاسیون آن‌ها بسیار ساده است. مانند سایر رنگ‌دانه‌ها، دای‌ها باید با استفاده از دمای فرآیندی موردنیاز، با پلیمر مناسب و سایر افزودنی‌ها انتخاب شوند. جدول زیر مقایسه‌ای از رنگ‌دانه‌های آلی و معدنی و دای‌ها آورده شده است.

انواع رنگ	مقدار افزودنی	رفتار در ماتریس پلیمری	اثر رنگ‌دهی	چالش‌ها
رنگ‌دانه معدنی	زیاد	نامحلول	مات	پراکندگی
رنگ‌دانه آلی	متوسط	نامحلول	مات، شفاف	پراکندگی، پایداری حرارتی، هزینه
دای	کم	محلول	شفاف	سازگاری، پایداری حرارتی­

روش تهیه (کامپاند کردن) مستربچ یا رنگ‌‌های تغلیظ شده:

همه فرآیندهای کامپاند کردن، پارامترهای اساسی و مشترک دارند:

• پراکنش در اختلاط: کاهش کلوخه‌ها و اندازه ذرات به ریزترین اندازه
• توزیع اختلاط: رسیدن به درجه بالایی از همگنی در ماتریس پلیمری
• کنترل حرارتی، اطمینان از پروفایل دما-زمان پارامترهای ریولوژیکی و پایداری سیستم پلیمر- افزودنی.

کنترل حرارتی، یعنی اطمینان از اینکه پروفیل دما-زمان در محدوده خواص رئولوژیکی و پایداری سیستم افزودنی-پلیمر قرار دارد. گاهی اوقات، اختلاط با شدت کم یا با شدت بالا به تنهایی می تواند محصولی مناسب برای استفاده توسط سازنده تولید کند. نمونه‌ای از این موضوع، آلیاژ پلی وینیل کلرید (PVC) است که برای کاربردهای مختلف اکستروژن با حجم زیاد استفاده می‌شود. با این حال، اغلب، برای به دست آوردن خاصیت فیزیکی مورد نظر، یک فرآیند ترکیبی مورد نیاز است. پنج فرآیند ترکیبی اولیه مورد استفاده در صنعت برای کنترل پارامترهای فوق عبارتند از: اکستروژن تک پیچ (SSE)، اکستروژن دو مارپیچ (TSE)، میکسرهای پیوسته، میکسرهای پیمانه‌ای و نیدرها. جدول 2 جنبه های کلیدی هر فرآیند را خلاصه می کند. در کل می‌توان گفت روشی را باید انتخاب کرد که از رنگ‌ نهایی محصول اطمینان حاصل شود.

Typical Upper Temperature limit (°C)	Distributive Mixing	Dispersive Mixing	Typical Feed	Procsee
315-345	Good	Poor	Flood	Single-Screw Extrusion
315-345	Excellent	Excellent	Starve	Twin-Screw Extrusion
230-260	Excellent	Excellent	Not applicable	Batch Mixer
230-275	Excellent	Excellent	Starve	Continuous mixer
245-275 (Oil) 315-345 (electric)	Excellent	Good	Starve	Kneader