مکانیسم دیسپرس شدن پیگمنت ها در بستر پلیمری (دیسپرس کننده)

دیسپرس کننده یک افزودنی است که پایداری سوسپانسیون پودرها (رنگدانه ها) را در یک محیط مایع افزایش می دهد. مرحله دیسپرس شدن رنگدانه دشوارترین و زمان برترین بخش فرآیند تولید رنگ است. این به دلیل تفاوت کشش سطحی بین مایعات (پلیمرها و حلال ها) و جامدات (رنگدانه ها و فیلرها) است. به طور کلی پیگمنت های رنگی برای بسترهای پلیمر نظیر رنگ، پلاستیک یا مرکب که در آن استفاده می شوند یک سری پیش نیاز دارند: 1) عدم حلالیت در پلیمر. 2) پخش شدن آسان در ماتریس. 3) پایداری مکانیکی_حرارتی تحت پروسه. 4) عدم سمیت. 5) سازگاری با محیط زیست.

فرمولاتورها با اضافه کردن پیگمنت به بستر پلیمری سعی در ایجاد جلوه مطلوب، دادن خواص حرارتی یا رسانایی خاص به قطعه یا فیلم و یا ایجاد خواص نوری یا مکانیکی ویژه دارند که یکی از مراحل موفقیت در این امر پخش شدن پیگمنت، برهمکنش مطلوب با زمینه پلیمری و پایدار شدن می باشد.

دیسپرس کننده چگونه عمل می کند؟

دیسپرس کننده بر روی ذرات جامد (رنگدانه ها یا مواد پرکننده) عمل حل کنندگی دارد و در نتیجه با تعلیق آنها باعث پخش شدن آنها می‌شود. این ادتیو با جلوگیری از نشست یا تجمع به حفظ حالت دیسپرس کمک می‌کنند. به عبارت دیگر افزودن آن موجب جداسازی ذرات و درنتیجه جلوگیری از تشکیل کلوخه می‌شود. علاوه بر این، این فرآیند از ته نشینی ذرات نیز جلوگیری می‌کند. در بیشترمواقع، یک دیسپرس کننده از یک یا چند ماده سورفاکتانت تشکیل شده است. در بعضی موارد این ادتیو با سورفکتانت و یا حتی عامل مرطوب کننده اشتباه گرفته می‌شود.

شکل زیر مکانیزم دیسپرس کننده را نشان می‌دهد.

مولکول‌های دیسپرس کننده باید به شدت در سطح ذرات جذب شوند. این فرآیند جذب اغلب به عنوان لنگر انداختن (anchoring) نامیده می‌شود و گروه‌هایی که به سطح چسبیده‌اند، گروه‌های لنگر نامیده می‌شوند.

جدا از اینکه دیسپرس کننده به شدت در سطح ذرات جامد جذب می‌شود، باید ثبات کلوئیدی ایجاد کند. زمانی گفته می‌شود که دیسپرس کننده از نظر کلوئیدی پایدار است، که از لخته شدن ذرات جدا شده جلوگیری می‌شود زیرا ذرات یکدیگر را دفع می‌کنند.

گروه‌های عملکردی، مانند آمین، آمید، سولفونات، فسفات، برای لنگر انداختن محکم بر سطوح رنگدانه در ساختار پلیمری وجود دارد. گروه‌های لنگرانداز عملکردی آمین در سیستم‌های قطبی کارآمد هستند و از طریق پیوند هیدروژنی، دوقطبی یا برهم‌کنش‌های واندروالس با سطح رنگدانه تعامل دارند. عملکردهای اسیدی یا آمیدی معمولاً به عنوان بخش لنگر برای کاربردهای مختلف آبی ترجیح داده می‌شوند.

کاربردهای دیسپرس کننده

این ادتیوها علاوه بر صنایع رنگ و جوهر کاربردهای دیگری نیز دارند که می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• در اختلاط بتن برای جلوگیری از استفاده از مقدار زیادی آب
• جلوگیری از تشکیل بیوفیلم در صنایع مختلف
• در حفاری روغن برای تجزیه جامدات به ذرات
• تولید روغن موتور خودرو

دو گروه اصلی دیسپرس کننده داریم:

• دیسپرس کننده ها با وزن مولکولی کم
• دیسپرس کننده ها باوزن مولکولی بالا

هر دو نوع این مواد کم و بیش در همه ی چهار مرحله ی دیسپرسیون تاثیرگذار هستند.

دیسپرس کننده های با جرم مولکولی پایین از نظر ساختار شیمیایی به چهار گروه تقسیم می شوند:

• خنثی از نظر الکتریکی
• کاتیونیک
• آنیونیک
• غیر یونی

وزن مولکولی این مواد بین 2000- 1000  گرم بر مول است .

تاثیر دیسپرس کننده  با دو چیز سنجیده می شود ، جذب گروه قطبی آن  به سطح پیگمنت و رفتار  زنجیر غیر قطبی آن در اطراف ذره. مولکول های با فقط یک گروه قطبی ، خود را به سطح  پیگمنت می چسبانند و با زنجیرهای غیر قطبی به سمت رزین گسترش پیدا می کنند. اگر مولکول ها دارای گروه های قطبی بیشتر باشند آنها  به طوری آرایش پیدا می کنند که گروه های قطبی آزاد پیوند هیدروژنی تشکیل داده و در نتیجه با پیگمنت ها یک ساختار فیزیکی تشکیل بدهند. کاربرد اصلی این نوع دیسپرس کننده ها در سیستم های با فیلر بالا مانند پرایمرها و بتونه ها برای روکش های صنعتی و دریایی می باشد.

به طور کلی اضافه کردن افزودنی دیسپرس کننده یک سری مزیت عمومی ایجاد می کند:

• کاهش عیوبی نظیر flooding و floating
• جلوگیری از رسوب پیگمنت ها و فیلر
• افزایش قدرت رنگدهی و پشت پوشی
• ایجاد رنگ های با خلوص بالاتر
• جلوگیری از باز تجمع ذرات
• زمان آسیاب کوتاه تر
• براقیت بالاتر

انواع دیسپرس کننده ها با توجه به ساختار و عملکرد

شرکت های بزرگ تولید کننده دیسپرس کننده ها معمولا طیف وسیعی از دیسپرس کننده شامل کوچک ملکول ها، دیسپرس کننده های الیگومری، پلیمری و ملکول های مهندسی شده را ارائه می دهند. در شکل زیر تقسیم بندی محصولات شرکت BASF را مشاهده می نمایید. چارت آبی مربوط به سیستم های پایه آب و چارت خاکستری برای پوشرنگ های حلال پایه یا 100% جامد می باشد.

1. دیسپرس کننده های کوچک ملکول:

این دیسپرس کننده ها معمولا از خانواده سطح فعال ها بوده و دارای نوع آنیونیک، کاتیونیک، خنثی و غیر یونی می باشند و وزن ملکولی آن ها بین 300 تا 2000 است. انواع پایه آب و پایه حلال این دیسپرس کننده وجود دارد و به علت سازگاری بالا محبوبیت زیادی در صنعت یافته اند.

2. دیسپرس کننده های الیگومری:

این گروه انعطاف پذیر از دیسپرس کننده ها امولسیون کننده های اصلاح شده با اسید چرب هستند (FAME) این گروه شیمی مشابه اسید چرب ها داشته و دارای سر قطبی از نوع آمین نوع 3 هستند. همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود، این دیسپرس کننده شبیه دیسپرس کننده های پلیمری که از یک یا چند لنگرگاه جذب سطح ذره می شوند عملکرد دارند. معمولا چند عاملی می باشند (بیش از یک گروه آمین نوع 3) و وزن ملکولی بین 1000 تا 3000 دارند.

آمین نوع 3 جذب خوبی هم روی پیگمنت های آلی و هم معدنی داشته برای سیستم هایی که رنگدانه پایه آب وارد سیستم پایه حلال می شود عملکرد موثری دارند. این تکنولوژی به فرمولاتورها اجازه می دهد تا خمیرهای با کاربرد عمومی (UNIVERSAL) تولید نمایند که به خصوص برای رنگ های دکوراتیو معمول شده است. این افزودنی سازگاری خمیرهایی که در پروسه رنگ همانندی با سیستم بیس اضافه می شوند را افزایش می دهد.

3. دیسپرس کننده های با وزن ملکولی بالا:

این افزودنی ها پایدارکنندگی بسیار خوبی در سیستم ایجاد می نمایند که به علت تعداد سایتهای زیاد قابل واکنش با سطح پیگمنت می باشد. این پلیمرها می توانند شاخه ای یا خطی بوده و معمولا وزنی مابین 5000 تا 20000 دارند. در شکل زیر لیست این افزودنی ها که تولید شرکت BASF هستند آورده شده است.

4. افزودنی های پایه پلی اکریلیک اسید و کوپلیمر:

در این دسته به عنوان مثال گریدهای Dispex® AA and Dispex® CX دیسپرس کننده های آنیونی از جنس کوپلیمر پلی کربوکسیلیک هستند که دیسپرس کننده های استانداردرنگ های دکوراتیو پایه آب ساختمانی می باشند. توزیع وزن ملکولی باریک این مواد بازده دیسپرس کنندگی را بسیار بالا برده (کاهش قابل توجه مقدار مورد نیاز) و این گریدها برای پیگمنت های معدنی بسیار مطلوب می باشند.

همانطور که در شکل زیر مشاهده می نمایید پلی کربوکسیلیک اسید خود به تنهایی حالت قطبی تر و آبدوست تر داشته، با کوپلیمر کردن خاصیت آب گریزی آن افزایش می یابد.

5. دیسپرس کننده های پلی اکریلاتی:

پلی اکریلات ها گرید ویژه ای از دیسپرس کننده ها با کیفیت بالا برای سیستم های پایه آب و پایه حلال می باشند. عموما وزن ملکولی بالاتری دارند که باعث جدایش موثر بین ذرات می شود. ساختار این پلیمرها خطی با زنجیر اصلی کربن-کربن که گروه های جانبی متنوعی دارد و تفاوت آنها با افزودنی های پلی یورتانی وزن ملکولی بالاتر آن ها می باشد.

دیسپرس کننده های آنیونی معمولا در صنعت رنگ در جاهایی که بخواهیم درصد بالایی از پیگمنت و فیلر را وارد سیستم کنیم معمول هستند. لود بالاتر پیگمنت کمک می کند که آسیاب ریزتری بتوانیم انجام دهیم و جلوه ی بالاتری با استفاده از درصد پایین تر پیگمنت بدست خواهد آمد.

6. دیسپرس کننده پلی یورتانی:

این افزودنی ها یکی از بهترین گزینه ها برای کاهش ویسکوزیته در سیستم های پایه حلال و 100% جامد به خصوص برای خمیر آسیاب می باشد. زنجیر اصلی این ملکول ها شاخه ای بوده و چند گروه لنگر مانند روی ملکول تعبیه شده است.

7. دیسپرس کننده های پلیمری ستاره ای:

افزودنی هایی نظیر Efka PX 47xx  دارای ساختار هسته پوسته طور بود. هسته پلیمری با دانسیته بالایی از گروه های پیگمنت دوست می باشد که به شدت جذب سطح ذره شده و زنجیر های پلیمری پوسته به سمت حلال جهت گیری می کنند و ذره را در محیط پایدار نگه می دارند.

8. کوپلیمرهای بلوکی بر پایه پلیمریزاسیون رادیکال آزاد کنترل شده(CFRP):

این افزودنی ها پلیمرهایی با بلوک های پیگمنت دوست و حلال دوست هستند که در مقایسه با همو پلیمرها عملکرد بسیار بهتری ارائه می دهند. در شکل زیر مقایسه نحوه ی جذب این پلیمر ها با هموپلیمرها آورده شده است.

نقش دیسپرس کننده ها در جلوگیری از رسوب گذاری

به طور کلی ذرات جامد موجود در مایع به دلیل نیروی گرانشی به سمت پایین کشیده می‎شوند. علت این پدیده این است که چگالی بیشتر رنگدانه‎ها و مواد پرکننده بیشتر از چگالی مایعی است که ذرات را احاطه کرده است. فرآیند فرو رفتن ذرات در مایع، که رسوب نامیده می‌شود، می‌تواند مشکلاتی را در حین ذخیره سازی ایجاد کند. در حالت شدید، ذرات می‌توانند در انتهای مخزن به هم متصل شوند. این پدیده، که منجر به تشکیل رسوب سخت می‌شود، ته نشینی نامیده می‌شود.

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 می باشد، زیرا حتی با یک دیسپرس کننده مناسب، مقدار ناکافی می تواند باعث مشکالت پایداری در زمان انبارداری شود که این مشکل خود سبب عیوب ظاهری و ته نشینی، افزایش نامطلوب ویسکوزیته، ایجاد مشکالت 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.