دیسپرس کننده ها در رنگ های آب پایه

پروسه پراکنش (دیسپرسیون): یکی از مهم‎ترین اجزای رنگ پیگمنت‎ها هستند، چه کاربرد دکوراتیو داشته باشند و چه کاربرد حفاظتی، پیگمنت ها و پرکننده‎ها محصولات پودری هستند که شامل کلوخه‎هایی از ذرات تکی هستند. برای توسعه ویژگی‎های آن‎ها در فیلم خشک، آن‎ها باید در فضای مایع دیسپرس شوند و سپس پایدار شوند تا به اندازه ذرات مناسب دست یابیم. تولیدکنندگان پرکننده و پیگمنت‎ها معمولا اصلاحاتی را جهت اطمینان دیسپرسیون قابل قبول آن‎ها انجام می‎دهند، اما اغلب این اصلاح کافی نیست.

در رنگ‎های آب پایه، رزین امولسیونی که به عنوان محمل استفاده می‎شود، در زیر نیروهای تنش پایدار نیست. بنابراین نمی توان آنها را در مرحله پیش اختلاط و grinding استفاده کرد. این مساله نیاز به یک افزودنی اضافی را ایجاد می کند.(دیسپرس کننده در مرحله Grinding). مرحله دیسپرسیون (پراکنش) پیگمنت ها سخت ترین مرحله می باشد. این مرحله بیشترین زمان و هزینه را مصرف می کند. پروسه پراکنش شامل سه مرحله مختلف می‎شود:

1. باز کردن کلوخه‎ها و پودرهای متراکم شده: برای جداکردن کلوخه ها به ذرات اولیه، که همیشه در فیلرها و پیگمنت‎ها وجود دارد، باید آنها را جدا کرد و به صورت ذرات جدا از هم درآورد. این مرحله با اعمال انرژی مکانیکی انجام می‎شود. در عمل این کار با دستگاه‎های mixer و با سرعت بسیار بالا قابل انجام است.
2. خیس کردن سطح پیگمنت: در این مرحله تماس بین فاز مایع و فاز جامد انجام می‎شود و با هوای جذب شده بر روی سطح ذرات جامد جایگزین می‎شود.
3. پایداری پراکنه (دیسپرسیون): ذرات پیگمنت‎ها باید در بهینه ترین حالت دیسپرسیون در طی فرآیند تولید، انبارداری و اجرا و حتی در حین خشک شدن رنگ قرار گیرند. این قابلیت ابتدایی یک افزودنی دیسپرس کننده است. روند پایداری از پدیده لختگی کنترل نشده یا دوباره کلوخه شدن در طی فرآیند اجرا و انبارداری جلوگیری می‎کند.

گاهی مصرف دیسپرس کننده کافی نیست و یک افزودنی خیس کننده برای بهبود خیس شوندگی استفاده می‎شود. افزودنی خیس کننده عمل خیس کنندگی را انجام می‎دهد و افزودنی دیسپرس کننده پایداری پراکنه را بهبود می‎دهد. خیس کنننده‎ها و پخش کننده‎ها شامل گروه‎هایی هستند که وابستگی خاصی به پیگمنت‎ها دارد و قابلیت قرارگیری به صورت انتخابی بر روی سطح آنها را دارند. بعد از اینکه یک پراکنه اولیه خوب به دست آمد، از پایداری رنگ مایع راحت تر می‎توان اطمینان حاصل کرد.

در نهایت برای رسیدن به حداکثر پایداری در مرحله انبارداری، علاوه بر دیسپرس کننده و یا خیس کننده، انواع مختلفی از غلظت‎دهنده‎ها نیز اغلب استفاده می‎شود.

عیوب پراکنه (دیسپرسیون)

پرکننده ها و پیگمنت‎هایی که خوب پخش نشده باشند، اثرات نامطلوبی در رنگ ایجاد می‎کنند، از جمله:

• لخته شدن: ناپایدار شدن سیستم به دلیل افزایش کنترل نشده ویسکوزیته
• شناور شدن و پدیده رسوب که بر روی ظاهر رنگ و فام آن اثر می‎گذارد.
• عدم توانایی در توسعه و تکرار پذیری فام (Color development and color reproduction) بخاطر عدم وجود یکنواختی آن و روشن‎تر شدن فام رنگ از فام دلخواه
• ایرادات در اجرا، که وابسته به ویژگی‎های فیزیکی فیلم رنگ می‎باشند. برای مثال عیوب مرتبط با براقیت، عملکرد نامناسب پوشش
• عیوب ظاهری به دلیل تجمع ذرات (نقطه نقطه شدن فیلم رنگ)

مکانیزم پایداری پراکنه (دیسپرسیون): افزودنی‎های دیسپرس کننده (پخش کننده) بر روی سطح پرکننده و پیگمنت جذب می شوند. آنها از تجمع مجدد و لخته شدن غیرقابل کنترل با مکانیزم های مختلفی جلوگیری می‎کنند. این مکانیزم‎ها می‎توانند به صورت جداگانه عمل می‎کنند. (معمولا یک مکانیزم بر بقیه مقدم است.) یا با ترکیب روش‎ها عمل می‎کنند. این مکانیزم‎ها به شرح ذیل می‎باشد:

• • دفع الکترواستاتیک: دافعه الکترواستاتیک سیستم اصلی و پایه‎ای پایداری در سیستم‎های آبدوست پایه‎آبی می‎باشد. تمام ذرات پیگمنت بار الکتریکی مشابه دارند. بنابراین یکدیگر را دفع می‎کنند. پایداری و پایدارسازی سیستم بوسیله دافعه الکترواستاتیکی با مقدار محدودی از دیسپرس کننده قابل دستیابی است. درجه پایداری به دست آمده به ضخامت دو لایه تشکیل شده وابسته است و همچنین مقدار زیادی متاثر از حضور الکترولیت می‎باشد. دیسپرس کننده‎هایی که برای پایداری بوسیله دافعه الکترواستاتیک استفاده می‎شوند، پلی‎الکترولیت هستند. (محصولاتی با شارژ الکتریکی بالا) و اغلب اوقات پلی آنیون ها. این محصولات ویژگی‎های سطحی ندارند. (بر روی کشش سطحی اثری ندارند.) بنابراین، در بعضی موارد نیاز است با یک خیس کننده ترکیب شوند تا پایداری قابل قبولی به دست بیاید.

در سیستم های پایه آبی که معمولا فیلرها و پیگمنت های آبدوست استفاده می شود، معمولا در فاز قطبی به خوبی خیس می‎شوند و نیاز به surfactant های اضافی مانند خیس‎کننده برای کاهش کشش سطحی در فصل مشترک نیست. مصرف خیس کننده‎ها در مواردی ضرورت دارد که از خمیر پیگمنت، پیگمنت ها و ذرات آبگریز (پیگمنت-های آلی) استفاده می‎شود.

• • ممانعت فضایی: این مکانیزم متداول ترین مورد در پایداری سیستم های آبگریز (پیگمنت های آلی) رنگ های پایه حلال و سیستم های با رزین های قابل انحلال در آب می باشد. در این موارد افزودنی‎هایی با ویژگی سطح فعال معمولا استفاده می‎شود. بنابراین این افزودنی‎ها مانند خیس کننده‎ها عمل می کنند. این افزودنی‎ها با داشتن شاخه‎های متعدد که کشش به پیگمنت‎ها را دارند مشخص می‎شوند. این شاخه‎ها وظیفه جذب شدن بر روی سطح پیگمنت ها را بر عهده دارند. زمانی که بر روی سطح پیگمنت‎ها پخش می‎شوند از نزدیک شدن ذرات پیگمنت به هم جلوگیری می‎کنند. این حرکت سبب پایداری پراکنه می‎شود و از لخته شدن و تجمع مجدد جلوگیری می‎کند.

پایداری به روش ممانعت فضایی نیازمند مقادیر زیادی دیسپرس کننده نسبت به حالت‎های قبلی می‎باشد.(در مواردی معادل پیگمنت نیاز به دیسپرس‎کننده می‎باشد.) این روش پایدار سازی از حضور یک حلال کمکی نیز تاثیر می‎پذیرد. در صورت استفاده از پیگمنت‎های آلی که معمولا آبگریز (غیرقطبی) هستند و پرکننده‎های آبگریز (با اندازه ذرات کوچک) پدیده مهاجرت این پیگمنت ها و پرکننده به سطح (floating) رخ می‎دهد که بر روی براقیت و فام رنگ تاثیر گذار است. این پدیده‎ها به خاطر این موضوع رخ می‎دهند که مقادیر اضافی دیسپرس کننده سبب پروسه جذب دوباره شده که این باعث وارونگی با ر سطحی می‎شود. برای جلوگیری از این پدیده، در این موارد دیسپرس کننده‎ها معمولا در ترکیب با خیس کننده‎ها (که معمولا ماهیت غیر یونی دارند) استفاده می‎شود که باعث پایداری با کمک نیروی دافعه الکترواستاتیکی و همچنین ممانعت فضایی می‎شود.

در بخش ذیل به انواع دیسپرس کننده‎های مورد مصرف در رنگ‎های آب پایه می‎پردازیم:

• انواع دیسپرس کننده: دیسپرس کننده هایی که معمولا در رنگ‎ها استفاده می‎شوند به صورت زیر طبقه بندی می‎شوند:
  • دیسپرس کننده با ملکول‎های ساده
  • دیسپرس کننده‎های پلیمری
• دیسپرس کننده با ملکول‎های ساده: این گروه عمدتا شامل تقسیم بندی زیر می‎شوند:
  • آمین ها مانند AMP  ( 2 -آمینو – 2 – متیل – 1 – پروپانول)
  • اسیدها مانند سیتریک اسید
  • سیلیکات‎ها مانند سدیم و پتاسیم متاسیلیکات‎ها
  • مشتقات فسفاته

از تمام موارد ذکر شده مشتقات فسفاته متداول تر هستند.

پلی فسفات ها: آن ها معمولا نمک های سدیم و پتاسیم پیروفسفات ها، تری پلی فسفات ها و هگزامتافسفات ها هستند. این‎ها ترکیبات فعال در غلظت‎های پایین هستند. مزیت اصلی این محصولات قیمت و درصد مصرف پایین آن‎هاست. عیب عمده آن‎ها نیز این است که به خاطر ساختار نمکی آن‎ها، بعدتر امکان تشکیل کریستال در فیلم رنگ وجود دارد. در مدت زمان انبارداری طولانی ممکن است به مونوفسفات‎ها تغییر یابند و اثر پایدارکنندگی شان را از دست بدهند.

دیسپرس کننده های پلیمری: سه نوع دیسپرس کننده پلیمری اصلی وجود دارد:

• مشتقات پلی اسیدی (پلی اکریلات‎ها و پلی متااکریلات‎ها)
• پلیمرهای آبدوست
• پلیمرهای آبگریز

در تصویر زیر مقایسه انواع مختلف دیسپرس کننده ها را می‎توانید مشاهده کنید.

• • پلی اکریلات ها: نمک‎های پتاسیم، سدیم و آمونیوم پلی کربوکسیلیک اسیدها و پلی اسیدها معمولا استفاده می‎شوند. مشتقات پلی اکریلیک اسیدها (پلی اکریلات‎ها و پلی متااکریلات‎ها) متداول تر هستند. جرم ملکولی آن‎ها معملا بین 1000 تا 10000 در مقایسه با پلی فسفات‎ها هستند. این محصولات عملکرد بهتری در پایداری و همچنین توسعه فام (color development) و افت براقیت (عدم تاثیر بر براقیت) دارند، میزان مصرف آن‎ها خیلی بیشتر است.

اگرچه دیسپرس کننده های پلیمری، دیسپرسیون اولیه خوبی تولید نمی کنند، اما برای نگهداری و پایداری کیفیت دیسپرسیون در مراحل مختلف از تولید تا خشک شدن فیلم رنگ بهترین هستند. پلی اکریلات ها معمولا قیمت مناسب دارند اما تاثیرگذار ترین در تولید اولیه یک دیسپرسیون خوب هستند. اما برای رنگ های با براقیت بالا مناسب نیستند. مصرف آن‎ها محدود به رنگ‎ها مات تا نیمه براق می‎باشد.

پلی اکریلات‎ها سازگاری محدودی با غلظت دهنده های پلی یورتانی دارند. برای افزایش غلظت در حضور این دیسپرس کننده‎ها و غلظت دهنده‎های پلی یورتانی باید بتوانند با سطح آبگریز آنها تجمع کنند.

• • کوپلیمرهای اسیدی و کومونومرهای آبدوست: این محصولات از پلی اسیدها کم اثرتر هستند، اما براقیت بیشتری ایجاد می کنند و سازگاری خوبی با غلظت دهنده‎های تجمعی دارند. این نوع بیشترین مصرف را برای رنگ‎های آب پایه با براقیت بالا دارند.
  • کومونومرهای آبگریز: این محصولات اثرگذاری کمتری از پلی اسیدها دارند، اما براقیت بالایی می دهند. بخاطر طبیعت آبگریز کومونومرها ویژگی های مشابه مواد فعال سطحی (Surfactant) ها دارند و رنگدهی بهتر پیگمنت‎های آلی با این دیسپرس کننده ها به دست می‎آید.

این محصولات بهترین انتخاب برای فرموله شدن در کنار غلظت‎دهنده های تجمعی و پلی یورتانی هستند زیرا که خصلت آب گریزی کومونومرها به راحتی ایجاد تجمع و هم پوشانی می‎کند. بخاطر طبیعت سطح فعال بودنشان نیز تولید کف بیشتری نسبت به پلی اسیدهای یا دیسپرس کننده‎های بر پایه کوپلیمرهای آبگریز دارند. اگر چه این موضوع در مرحله دانه بندی و آماده سازی مهم است اما اثر کمی بر روی رنگ نهایی در مقایسه با Surfactant هایی که در اکثر رنگ‎ها موجود است دارد.

در رنگ‎های ساختمانی، اگر چه بیشتر از محصولات آنیونیک استفاده می‎شود، اما در مواردی مانند دیسپرسیون با فام آبی، زرد، قرمزريال سبز، سیاه دودی و پرکننده آبگریز می‎توان مخلوط با محصولات غیر یونی استفاده کرد. این محصولات معمولا جرم ملکولی کم تا متوسط دارند. در رنگ‎های دکوراتیو معمول، استفاده از دیسرپس کننده‎های پلیمری در کنار یک پلی فسفات بسیار ترکیب رایجی می‎باشد.

خیس کننده برای سیستم‎های آبی: همانطور که توضیح داده شده، دیسپرس کننده در سیستم های آبی، یک فعال سطحی نیست. بنابراین در مواردی که، اجزای آبگریز (مانند پیگمنت های آلی، خمیر رنگ) وجود دارد، از خیس‎کننده، در کنار دیسپرس کننده باید استفاده شود تا بهتر در سیستم قرار گیرند و هم چنین رنگ دهی آنها بهبود یابد. بر اساس ساختار شیمیایی‎شان، خیس کننده ها می توانند:

• غیر یونی (ترکیبات اتوکسیله)
• یونی (الکیل بنزن سولفونات‎ها، استرهای فسفریک)
• کاتیونیک (آمینواسیدهای چرب، ترکیباتی با آمونیوم نوع چهارم)

انتخاب دیسپرس کننده: به دلیل طیف وسیع و مختلف پیگمنت‎ها و پرکننده ها، شناختن بهترین دیسپرس کننده و بهینه ترین میزان مصرف باید بصورت جداگانه مطالعه و بررسی شود. میزان مصرف دیسپرس کننده یک موضوع بسیار مهم می‎باشد، زیرا حتی با یک دیسپرس کننده مناسب، مقدار ناکافی می تواند باعث مشکلات پایداری در زمان انبارداری شود که این مشکل خود سبب عیوب ظاهری و ته نشینی، افزایش نامطلوب ویسکوزیته، ایجاد مشکلات غیرقابل کنترل در اجرا مانند افت براقیت و عدم دستیابی به فام مورد نظر شود.

از طرف دیگر، مقادیر اضافی دیسپرس کننده می تواند منجر به تغییرات ویژگی هایی از رنگ شود و منجر به تولید کف و حباب‎های بسیار ریز شود که از بین بردن آنها بسیار مشکل است و یا باعث کاهش خواص شستشویی شود. در مجموع انتخاب دیسپرس کننده به رنگ بستگی دارد.

روش اندازه گیری میزان موثر دیسپرس کننده: زمانی که یک دیسپرس کننده برای ترکیب پیگمنت خاصی تست شده است، مقادیر موردنیاز ان باید به صورت آزمایشگاهی و تجربی تست شود. از آنجا که مقادیر مورد نیاز را نمی توان با اضافه کردن مقدار دیسپرس کننده مورد نیاز برای هر پیگمنت تست کرد، یک روش کاربردی برای اندازه گیری دیسپرس کننده مورد نیاز به شرح زیر می‎باشد:

1. یک همزن برای آماده‎سازی سوسپانسیون با مقادیر مناسب آب و مخلوط پیگمنت و فیلر استفاده شود.
2. دیسپرس کننده کم کم به این سوسپانسیون اضافه می‎شود.
3. بعد از هربار افزودن، ویسکوزیته اندازه گیری می‎شود.
4. کمترین ویسکوزیته معادل کمترین میزان مصرف برای دیسپرس کننده است.