در صنعت پلاستیک، دستیابی به محصول با کیفیت از نظر یکنواختی رنگ در محصول نهایی، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. ایجاد لکه در محصول نهایی به دلیل عدم پراکنش مناسب رنگدانه از جمله مشکلات موجود در این حوزه بوده که تولیدکنندگان با آن روبرو هستند. از جمله دلایل این امر میتواند رنگدانه مصرفی باشد، لذا به دلیل اهمیت این مساله در مقاله حاضر به تفصیل به آن پرداخته میشود.
مقدمه:
رنگدانه های پودری از لحاظ مورفولوژی شامل ذرات اولیه انبوهه و کلوخه هستند. انبوهه ها در اثر تجمیع ذرات اولیه با یکدیگر و تحت تاثیر نیروهای الکترواستاتیک و یا شیمیایی تشکیل میشوند. این در حالی است که کلوخه ها از تجمیع ذرات اولیه و یا انبوهه ها با یکدیگر در اثر نیروهای واندروالسی ایجاد میشوند. کلوخه ها به صورت ضعیف و انبوهه ها به صورت قویتری به هم چسبیده اند، در نتیجه فرایندهای پراکنشی نمیتواند انبوهه ها را بشکند ولی قادر به جداکردن ذرات کلوخه از یکدیگر است.
رنگدانه های پودری حاوی انبوهه هایی هستند که با یکدیگر تجمیع شده و کلوخه هایی را ایجاد میکنند. کلوخه رنگدانه ها در مسیر تولید مستربچ میتوانند منجر به ایجاد مشکلات متعددی شوند که برخی از آنها عبارتند از:
- تنوع در سایه رنگ و شدت رنگ
- گرفتگی سریع صافیها، فیلترها و رشته سازها
- شکستگی در الیاف، تولید الیاف تابیده
- ایجاد ترک در فویل
- اثرات مخرب روی خواص مکانیکی پلیمر
- ایجاد ظاهر خالدار
- تمرکز تنش و در نتیجه ایجاد شکستگی
چنین مشکلاتی را میتوان از طریق آماده سازی رنگدانه قبل از تولید و در نتیجه پراکنش بهتر آن، حل کرد. یکی از مهمترین پیش نیازها برای پراکنش خوب رنگدانه ها جهت افزایش کیفیت محصول نهایی، خیس کردن کامل کلوخه رنگدانه ها میباشد. این ترشوندگی نه تنها در سطح کلوخه ها، بلکه در داخل و خارج آنها نیز باید انجام گیرد. برای این منظور از عوامل پراکنش کننده استفاده میشود.
عوامل پراکنش کننده:
عوامل پراکنش کننده برای دستیابی به توزیع یکنواخت رنگدانه ها یا پرکننده ها در ترکیب بندی مواد برای تولید مستربچ و آمیزه و همچنین جلوگیری از تشکیل کلوخه ها و کاهش آنها، ضروری است.
در واقع در فرایند پراکنش، توزیع رنگدانه در سراسر ماتریس همراه با کاهش اندازه کلوخه ها و ایجاد ذرات اولیه و انبوهه و یا ایجاد کلوخه های کوچکتر صورت میگیرد. هدف از فرایند پراکنش عبارت است:
- شکست کلوخه ها توسط نیروی برشی مکانیک
- تر شدن سطح ذرات رنگدانه
- توزیع ذرات رنگدانه ترشده در سراسر محیط
- پایدارسازی ذرات جامد ترشده و جلوگیری از کلوخش مجدد آنها
سه گروه اصلی که به عنوان عوامل پراکنش کننده استفاده میشوند شامل موارد ذیل است:
- واکس های طبیعی و مصنوعی
- مشتقات اسیدهای آلی، مانند اسیدهای چرب، آمید و یا استر اسیدها
- مشتقات چندپاری، مانند پلی آکریلاتها، بسپارهای فلوئوردار کربنه
در صنعت پلاستیک، به طور گستردهای از واکس ها استفاده میشود. واکس ها، بسپارهایی با وزن مولکولی کم هستند که برای پراکنش رنگدانه و یا سایر مواد افزودنی به کار میروند. یکی از پرمصرفترین واکس ها برای تولید مستربچها، واکس پلی اتیلن است. این موم که به عنوان PE Wax نیز شناخته میشود، پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار کم بوده که متشکل از زنجیره تک پارهای اتیلنی است و دارای مصارف و کاربردهای بسیار متنوعی میباشدPE Wax محصول جانبی در تولید پلی اتیلن بوده و در هر دو شکل HDPE و LDPE موجود است و دارای انواع مختلفی میباشد.
انبوهه ها و کلوخه های رنگدانه در نتیجه نیروهای برشی زیاد به ذرات کوچکتر شکسته میشوند. اگر این فرایند در حضور عوامل پراکنش کننده صورت گیرد، منجر به بهبود عملکرد در کاهش تشکیل انبوهه ها و کلوخه های رنگدانه میگردد. در میان رنگدانه ها، فرایند پراکنش دو رنگدانه دوده و دی اکسید تیتانیم از دیگر رنگدانه ها بسیار مشکل تر است. لذا استفاده از عوامل پراکنش کننده برای تولید مستربچ های آنها در کیفیت محصول بسیار تاثیرگذار باشد.
باید توجه داشت که عامل پراکنش کننده سازگاری خوبی با پلیمر داشته باشد تا تاثیری در کیفیت رنگ محصول نهایی نداشته باشد. به عنوان نمونه، پراکنش کننده مناسب برای مستربچ های رنگی پلی الفینی معمولا واکس پلی اتیلنی با جرم مولکولی کم و یا استئارات روی و غیره است، در حالی که برای مستربچ های رنگی، پلاستیک های مهندسی معمولا از واکس پلی اتیلن قطبی با جرم مولکولی کم مانند واکس اکسیدایز، استئارات منیزیم، استئارات کلسیم و غیره استفاده میشود. از طرف دیگر باید توجه داشت معمولا رطوبت برای پراکنش رنگدانه مضر است. زیرا باعث افزایش احتمال کلوخه شدن میگردد و این مساله باعث میشود که تر کردن رنگدانه در محیطهای غیرقطبی سخت تر شود.
اثر گرانروی
استفاده از مقدار معین از واکس برای بهبود قابل توجه ترشوندگی رنگدانه و توزیع آن توصیه میشود. از سوی دیگر، این مقدار معین باعث کاهش گرانروی مذاب مستربچ و در نتیجه توزیع بهتر رنگدانه و افزایش کارایی رنگ میشود. با کاهش گرانروی در اثر افزودن واکس، زمینه برای افزایش میزان رنگدانه در مستربچ تولیدی بدون هیچگونه اثر منفی فراهم میشود. علاوه بر این، با افزودن موم، گرانروی مذاب مستربچ حاوی واکس پلی اتیلن کاهش یافته و در نتیجه اختلاط در دستگاه آسانتر و میزان تولید افزایش قابل توجهی خواهد یافت. واکس در نتیجه اثر مویینگی وارد فضای میان کلوخه ها میشود، از این رو واکس با گرانروی کمتردر مقایسه با واکس با گرانروی زیادتر مزایای بیشتری دارد.
مزایای استفاده از واکس پلی اتیلن در مستربچ ها
بطور کلی استفاده از افزودنی های پراکنش کننده برای رنگدانه ها و همچنین پرکننده ها دارای مزایایی زیر است :
افزایش شدت رنگ
قابلیت رقیق سازی عالی
شفافیت عالی فیلم
کاهش تشکیل لکه
کاهش میزان انبوهه و کلوخه
کاهش تشکیل مجدد کلوخه در فرایندهای پایین دستی
حمل و نقل آسان
صرفه جویی در هزینه رنگ آمیزی
ثبات زیاد رنگ
سودمندی زیاد
شکست کمتر الیاف
اما مزایای استفاده از واکس پلی اتیلن به طور اختصاصی شامل موارد زیر است :
در پلی الفین ها
ترشوندگی خوب رنگدانه
پراکنش بهتر
کاهش گرانروی
افزایش برونداد
افزایش میزان رنگدانه در مستربچ تولیدی
در پلاستیک های مهندسی بسپارهای استایرنی
بهبود براقیت سطح
بهبود رهاسازی از قالب
کاهش گرانروی
افزایش برونداد
کاهش برش رنگدانه
پراکنش بهتر
باید توجه داشت واکس ها و مشتقات آنها علاوه بر اثر پراکنش کنندگی، میتوانند به عنوان روانکننده Lubricant و عامل رهاساز Release agent نیز استفاده شوند.
نویسندگان: دکتر منیره شکیبا نهاد، دکترمحمود بیات، مهندس امیر شکیبا نهاد(بهسا پلیمر)