افزودنی های ترکننده و پراکنشگر

بسپار/ ایران پلیمر پراکنش بهینه و پایدارسازی ذرات رنگدانه عامل اصلی تعیین ویژگی­ های نهایی لاک­ها، پوشرنگ ­ها و مرکب­های چاپ است. رنگدانه­ ها و پرکننده­ های فرمولاسیون باید دارای اندازه ذرات کوچک بوده، به ­خوبی تر شوند و به بهترین نحو توزیع شوند. تنها در این حالت است که شدت رنگی، براقیت، قدرت پشت­ پوشی، پایداری نوری و مقاومت جوی مطلوبی حاصل می­شود. پراکنش و پایداری ذرات رنگدانه نیازمند زمان و انرژی است و بدون استفاده از افزودنی­های پراکنشگر­ و ترکننده قابل دست­یابی نیست.

چه اتفاقی حین پراکنش رخ می­دهد؟

پراکنش رنگدانه در حین چندین مرحله متوالی که تا بخشی هم­زمان هستند، اتفاق می­افتد: ترشوندگی، پراکنش و پایدارسازی.

ترشوندگی

برای داشتن توزیع خوب ذرات رنگدانه در یک مایع، باید ذرات به خوبی ترشوند. هوای گیرافتاده در پودر رنگدانه بایدکاملا خارج شده و مایع اطراف ذرات رنگدانه را احاطه کند. فرایند ترشوندگی جامد توسط معادله یانگ (Young) بیان می­شود:

[EasyDNNGallery|24659|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

که در این معادله، ϓs انرژی آزاد سطح جامد، ϓsl انرژی بین­سطحی جامد/مایع، ϓl  کشش سطحی مایع و θ زاویه تماس جامد/مایع است.

با ترشوندگی و گسترش خودبه ­خودی، زاویه تماس صفر و در نتیجه cosθ برابر با 1 می­شود. پس خواهیم داشت:

ϓ_s – ϓ_sl = ϓ_l

برای اینکه مایع سطح جامد را تر کند، کشش سطحی مایع باید کم­تر از انرژی آزاد سطح جامد باشد. مایع با کشش­سطحی کم­تر، بهتر از مایع با کشش سطحی بالاتر می­تواند رنگدانه را تر کند. بنابراین، افزودنی­ هایی که ترشوندگی را بهبود می­دهند، باید بتوانند کشش سطحی مایع را کم کنند.

اگرچه افزودنی­های ترکننده و پراکنشگر­ تنها سبب کاهش کشش­ سطحی مایع نمی­شوند. این مواد از آن­جایی که توسط گروه­ های موجود در سطح رنگدانه جذب می­شوند، مرز­های سطح را نیز تغییر می­دهند. بنابراین کشش سطحی دیگر بین رنگدانه و مایع نیست، بلکه بین افزودنی و مایع است.

افزودنی ­های ترکننده و پراکنشگر،­ کشش سطحی مایع و کشش بین­ سطحی رنگدانه و مایع را کم می­کنند.

پراکنش:

پس از ترشدن ذرات رنگدانه توسط محلول رزین در اطرافشان، سطح ذرات توسط یک ماده افزودنی سطح فعال پوشش داده شده است. افزودنی سبب کاهش برهم­ کنش­ های بین ذرات رنگدانه شده و گرانروی پراکنه پایه را کم می­کند. بدین وسیله می­توان از مقدار بیش­تری از رنگدانه استفاده کرد که در امر پراکنش مکانیکی حائز اهمیت است. چنین فرمولاسیون­های بهینه شده­ای برای تجهیزات آسیاب مدرن مانند انحلال­دهنده­ها، آسیاب دانه­ای و آسیاب سه­غلتکی مناسب است.

در فرایند پراکنش، ذرات کلوخه رنگدانه به ذرات اولیه و انبوهه­های کوچک­تر شکسته می­شود. معمولا، انبوهه ­ها شکسته نمی­شوند. ذرات اولیه در انبوهه­ ها با پیوندهای قوی به سطح یکدیگر متصل ­اند به نحوی که جدا کردن آن­ها از هم، غیرممکن است. در صنعت، میزان انبوهه­ها تحت کنترل است. میزان انبوهه­ها بر رنگ رنگدانه اثرگذار است.

در فرایند پراکنش، شکستن کلوخه­ ها و انبوهه­ ها نیازمند انرژی است. کار لازم برابر است با:

dW = ϒ . dA

در این معادله W انرژی بین ­سطحی سطح، ϒ کشش سطحی و A مساحت بین­سطحی است.

این معادله بیان می­کند که میزان انرژی dW لازم است تا در کشش سطحی ϒ، در حین پراکنش (بر اثر شکستن کلوخه­ها) سطح به میزان dA افزایش یابد. هرچه کشش سطحی کم­تر باشد، افزایش مساحت سطح به ازای اعمال انرژی مشخص، بیش­تر خواهد شد. بنابراین، برای ایجاد تغییری مشخص در مساحت سطح در حضور یک افزودنی پراکنشگر­ (یعنی در کشش سطحی کم­تر)، انرژی پراکنش کم­تری مورد نیاز است.

پایدارسازی:

در فرایند پراکنش، کلوخه­ های ذرات رنگدانه به ذرات اولیه و انبوهه­ها کوچک­تر شکسته می­شود (شکل 1a). تشکیل ذرات اولیه منجر به افزایش مساحت مرز ذره و محیط مایع می­شود (شکل 1b). هرچه کشش بین­سطحی بالاتر باشد، جامد تلاش بیش­تری برای کاهش سطح مشترک می­کند. پس ذرات کلوخه شده و تشکیل لخته می­دهند (شکل 1c). لخته­شدن به معنای تشکیل کلوخه در سوسپانسیون است. افزودنی­های پراکنشگر از تشکیل لخته­ها جلوگیری می­کنند.

به منظور پایدارسازی توزیع ذرات، مولکول­های افزودنی باید در سطح رنگدانه جذب شوند. بدین معنا که مولکول­های افزودنی نیازمند گروه­ها و یا بخش­هایی هستند که توانایی برهم­کنش قوی با سطح رنگدانه از طریق پیوندهای یونی، قطبی و هیدروژنی را داشته باشند. بسته به حلال­پایه یا آب­پایه بودن فرمولاسیون، سازوکارهای متفاوتی در این خصوص وجود خواهند داشت.

در پوشش­های آب­پایه، عامل پایدارسازی اصلی، دافعه الکترواستاتیک است. تئوری DLVO، برهم­ کنش­ های درون فرمولاسیون را توضیح می­دهد. در تفسیر پایداری پراکنه­ های آب­پایه، تعامل بین نیروهای جاذبه و دافعه قابل توجه است.

[EasyDNNGallery|24660|Width|400|Height|400|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1. طرح­واره از (a) کلوخه ­ها، (b) پراکنه ­ها، (c) رنگدانه­های لخته­شده

مولکول­های افزودنی جذب شده از طریق پیوندهای یونی و حرکت آزاد کاتیون­ها، لایه دوگانه الکتروشیمیایی را در اطراف ذرات رنگدانه به وجود می­آورد. در این لایه هر ذره رنگدانه در محلولی حاوی یون­های با بار مخالف قرار گرفته که پیوند مستحکمی با ذره دارد.

هر دو نیروهای جاذبه و دافعه وابسته به جدایش بین ذرات هستند. در حضور لایه دو گانه، وجود دافعه سبب پایداری پراکنه می­شود. اگر لایه دوگانه الکتریکی با افزودن الکترولیت از بین برود، نیروهای جاذبه غلبه کرده و پراکنش از بین می­رود. برهم­ کنش­های الکترواستاتیک به صورت کمی، توسط پتانسیل زتا بیان می­شود که بر اساس اندازه­ گیری پتانسیل در لایه برشی یک ذره در حال حرکت در پراکنه است. هنگامی­که پتانسیل زتا به صفر برسد، تمایل ذرات به کلوخه ­شدن افزایش می­یابد.

سامانه­های رنگی حلال­ پایه به صورت الکترواستاتیکی پایدار نمی­شوند. با پایدارسازی فضایی، از کلوخه شدن ذرات جلوگیری می­شود. در این روش از افزودنی­های پلیمری با گروه­ هایی که تمایل به رنگدانه دارند استفاده می­شود. این گروه­ها به سطح رنگدانه متصل شده و در سطح افزودنی نیز جذب شده­اند. بخش پلیمری مسئول سازگاری با سامانه آلی است. این گروه­ ها با تحمیل به حلال نیز می­توانند باعث پایداری ­شوند. اگر ذرات رنگدانه خیلی بهم نزدیک شود، بخش پلیمری نفوذکرده و تحرک را کاهش می­دهد و در نتیجه انتروپی را کم می­کند. بنابراین ذرات رنگدانه با اطراف پلیمر، از یکدیگر دور شده تا این انتروپی از دست رفته را جبران کنند.

به دلیل تقاضای افزودنی­های ترکننده و پراکنشگر­، ترکیب دو اثر الکترواستاتیک و فضایی برای داشتن پراکنه پایدار، پرکاربرد خواهد بود که به آن، پایدارسازی الکترواستریک اطلاق می­شود.

افزودنی­های ترکننده و پراکنشگر­ جدید، از پایدارسازی الکترواستریک برای سامانه­های آب­پایه بهره می­برند. تنها چنین افزودنی­هایی هستند که می­توانند پایداری خوب و طول عمر بالا را به ارمغان بیاورند.