Za właściwe wybarwienie produktu odpowiada stopień dyspersji użytego pigmentu lub mieszaniny pigmentów. Istotnym czynnikiem wpływającym na ten proces jest struktura chemiczna i ukształtowanie przestrzenne środka barwiącego. Modyfikując rozkład cząsteczkowy możemy poprawić siłę barwienia pigmentu, szczególnie w redukcji z bielą oraz poprawić transparentność lub siłę krycia. Dyspersję można poprawić za pomocą procesów: desaglomeracji, zwilżania, dystrybucji czy stabilizacji.

Barwienie tworzyw wydawałoby się procesem mało skomplikowanym. Do tworzywa bazowego dodajemy koncentratu barwiącego i otrzymujemy kolorowy detal. Jakie jest nasze zdziwienie, kiedy element wykazuje na swojej powierzchni nierównomierne wybarwienie, smugi, a w przypadku folii grudki nierozprowadzonego pigmentu. Okazuje się, że rzecz z pozoru prosta może być bardzo skomplikowana. Za prawidłowe wybarwienie tworzywa odpowiada stopień dyspersji pigmentu lub przy bardziej skomplikowanych recepturach dyspersja kompozycji pigmentów.

Dyspersja również bezpośrednio wpływa na koszty barwienia. Konsekwencją słabej dyspersji mogą być problemy związane z wyglądem zewnętrznym barwionego detalu. Można spodziewać się smug, wypaczeń detalu, słabego połysku, niskiej głębi koloru, niewystarczającego krycia lub słabej transparentności. Często, w wyniku niewłaściwej dyspersji w foliach pojawiają się tzw. „rybie oczy”. W przypadku barwienia włókien niewystarczająca dyspersja pigmentu może byś przyczyną problemów z wytrzymałością materiału. Jak widać problem dyspersji pigmentu w tworzywie jest bardzo ważny, zarówno dla producentów koncentratów barwiących jak i dla przetwórców tworzyw sztucznych.

Rola pigmentów w procesie dyspersji

Pigmenty są ciałami stałymi o bardzo zróżnicowanej strukturze chemicznej i przestrzennej. Typ krystalizacji, rozkład wielkości cząsteczek „partical size distribution” i struktura powierzchni w bardzo istotny sposób wpływają na własności aplikacyjne pigmentu. Większość komercyjnych pigmentów ma rozkład wielkości cząsteczek poniżej 1μ, czasem mniej niż 0,3-0,5μ. Świeżo wyprodukowany pigment składający się z kryształów o różnej strukturze krystalicznej, zawiera tzw. cząstki podstawowe „primary particles”. Mogą mieć one bardzo różne kształty sześcianu, igły, równoległoboku.

Cząstki podstawowe mogą rosnąć na jednej powierzchni, tworząc strukturę agregatów. Całkowita powierzchnia takiego tworu jest mniejsza niż suma powierzchni indywidualnych cząstek podstawowych. Agregaty nie ulegają zniszczeniu podczas procesu dyspergowania pigmentu. Agregaty i cząstki podstawowe mogą poprzez oddziaływania fizyczne ulegać zbiciu w nieregularne struktury nazywane aglomeratami. Aglomeraty w przeciwieństwie do agregatów mogą ulec zniszczeniu w procesie dyspergowania. Na rys. 1 przedstawiono różnice pomiędzy powyższymi strukturami. Często dyspersją określa się stopień rozdrobnienia formy aglomeratu pigmentu do postaci agregatów lub cząstek podstawowych.

Dlaczego struktura pigmentu jest tak ważna?

Wydajna dyspersja pigmentu daje nam optymalną siłę barwienia, czystość barwy. Idealnym przypadkiem jest sytuacja, kiedy mamy doczynienia z cząstkami pierwotnymi. Dają one bowiem największą siłę barwienia i czystość barwy. Im większe aglomeraty tym gorszy kolor i więcej problemów z przetwórstwem. Dlatego też należy przekształcić aglomeraty w agregaty i jeśli to możliwe w cząstki pierwotne. Dyspergowalność pigmentu jest również bezpośrednio związana z rozkładem wielkości cząstek.

Sterownie tymi wielkościami daje nam możliwość bezpośredniego wpływu na własności aplikacyjne pigmentu. Zmieniając rozkład cząsteczkowy możemy poprawić siłę barwienia pigmentu, szczególnie w redukcji z bielą, poprawić transparentność lub siłę krycia. Na rys. 2 przedstawiono zależność pomiędzy wielkością cząstek a siłą koloru i własnościami kryjącymi pigmentu. Bardzo często, w przypadku pigmentów dających wybarwienie transparentne, musimy zastosować większe siły ścinające niż w przypadku pigmentów kryjących. Mimo takich możliwości należy pamiętać, że zdolność danego pigmentu do dyspersji w tworzywie zależy od wielu wskaźników:

- struktury chemicznej, rozkładu wielkości cząsteczek, kształtu cząsteczki, preparacji i produkcji pigmentu w postaci proszku (szczególnie w zakresie suszenia i mielenia),
- natury chemicznej i fizycznej nośnika polimerowego pigmentu, który charakteryzuje się określonymi parametrami polarności czy lepkości,
- własności dodatków występujących w mieszaninie, np. plastyfikatorów.

Desaglomeracja

Jest to rozbicie dużych cząstek na mniejsze. Można taki efekt uzyskać kilkoma metodami. Mielenie na sucho pigmentu w młynach kulowych powoduje mechaniczne rozbicie aglomeratów na mniejsze cząstki. Wykorzystana jest tu również energia kinetyczna procesu na styku powierzchni metal-pigment. Dodatkowo pigment wprowadzany do nośnika polimerowego ulega również działaniu sił ścinających, co wzmacnia proces rozbicia aglomeratów. Istnieje jednak pewne niebezpieczeństwo, że siły działające na aglomeraty mogą również niszczyć agregaty i cząstki pierwotne.

To zaś może spowodować pogorszenie własności pigmentu. Dlatego tak istotne jest, aby nie stosować zbyt dużego momentu obrotowego ślimaka w procesie wytłaczania koncentratów barwiących, szczególnie dotyczy to wysoko przetworzonych pigmentów o bardzo dobrej dyspersji, takich jak PR 254, PY 95 i PY 93.

Zwilżanie

Powierzchnia pigmentu jest zwilżana przez specjalne substancje. Może do tego dochodzić poprzez otaczanie cząsteczek pigmentu cząsteczkami cieczy lub też poprzez nasączanie. Interreakcja pomiędzy powierzchnią pigmentu a jego otoczeniem stało się podstawą do prowadzenia prac rozwojowych nad produkcją łatwodyspergowalnch środków barwiących.

Dystrybucja

Polega na rozkładzie, już zwilżonych, cząstek w otaczającym środowisku.

Stabilizacja

Jest to stan, w którym zapobiegamy ponownej aglomeracji cząstek. Wyżej wymienione procesy są przeprowadzane przez producentów pigmentów celem dostarczenia produktu o jak najlepszej jakości. Oczywiście jakość idzie w parze z ceną pigmentu. Wysoko przetworzone produkty o doskonałej dyspersji muszą być drogie.

Można z łatwością dokonać porównania jakości pigmentów na przykładzie ftalocjanin. Pigmenty PB 15:1 i PB 15:3 z samej swojej natury mają bardzo złą dyspersję, ale jakże różnią się produkty firm dbających o jakość swoich produktów w porównaniu z tanimi produktami indyjskimi. Przetwórcy tworzyw i producenci koncentratów barwiących mogą w ograniczonym stopniu poprawiać dyspersje pigmentów na poziomie własnych procesów. Bardzo często są tu wykorzystywane woski jako środki poprawiające dystrybucje cząstek. Mimo to należy zwracać baczną uwagę na dane zawarte w specyfikacji produktu. Niejednokrotnie pigment, który doskonale nadaje się do wtrysku lub rozdmuchu, jest całkowicie nieodpowiedni dla włókien lub cienkich folii. Szczególnie dotyczy to PB 29, PB 15:1, PB 15:3, PG 7, PR 48:3.

Problem dyspersji zawsze będzie towarzyszył procesowi barwienia, ale szybki rozwój technologii powlekania powierzchni oraz suszenia pigmentów daje nam możliwość optymalizacji skali zjawiska.

LITERATURA:

1. W. Herbst, Industrial organic pigments, 1995
2. M. Sandri, Pigments with new physical properties, materiały konferencyjne Masterbach 2000
3. C. Jones, Can controling pigmnet physics, materiały konferencyjne Masterbach 2000
4. Improved dispersion and processing organic pigments in plastics, Ciba web seminar