انتخاب فیلر برای رنگ و پوشش

فیلرها یا پرکننده‌ها ذرات جامدی هستند که در سیستم رنگ‌ها و پوشش‌ها استفاده می‌شوند تا منجر به بهبود خواص و هزینه‌های پایین‌تر گردنند. از این رو، چندین جنبه وجود دارد که باید هنگام انتخاب آن برای پوشش‌ها در نظر گرفته شود، زیرا خواص کلیدی سیستم توسط خواص ذرات جامد استفاده شده در سیستم کنترل می‌شود. این خواص عبارتند از:

• سهولت در تولید
• رفتار عملکردی
• خواص فیلم حاصل
• پایداری ذخیره سازی

اکنون چند ویژگی مهم سیستم‌ها را مورد بحث قرار می‌دهیم تا درک کنیم که چگونه تحت تأثیر فیلر های مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیستم‌های رنگ و پوشش به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• رنگ‌ها، سیستم مایع هستند
• پوشش‌ها، سیستم‌هایی هستند که لایه‌ای را روی یک بستر تشکیل داده‌اند و خود به دو دسته‌ی  پرایمرها، (لایه هایی هستند که مستقیماً روی بستر اعمال می‌شوند)
• روکش‌ها، (در تماس مستقیم با محیط اطراف هستند.) تقسیم می‌شوند.

انتخاب فیلر برای رنگ‌‌ها

فیلرها نقش بسزایی در خواص کلیدی رنگ‌ها دارند. تأثیر آنها در طول تولید، ذخیره سازی و کاربرد مهم است. در اینجا عوامل اصلی تحت تأثیر فیلر آورده شده است:

 pH رنگ

 pH رنگ‌های مبتنی بر آب، به عنوان مثال با توجه به پایداری کلوئیدی مهم است. برخی از فیلرها می‌توانند pH را به شدت تحت تأثیر قرار دهند در حالی که برخی دیگر تنها تأثیر جزئی بر pH دارند. ترکیب سطح و همچنین پایداری شیمیایی ذرات فیلر، بر تأثیر ذرات بر pH حاکم است.

تأثیر سرعت ته نشینی در انتخاب فیلرها

سرعت ته نشینی در رنگ‌ها عمدتاً توسط موارد زیر کنترل می‌شود:

• ویسکوزیته
• تراکم
• اندازه ذرات جامد

ذرات بزرگ با چگالی بالا سریعتر از ذرات کوچک با چگالی کم فرو می‌روند. هنگام در نظر گرفتن اندازه ذرات اولیه فیلرها، اغلب قطر متوسط ​​ذرات تک تک ذرات اولیه داده می‌شود که d-50 نامیده می‌شود.

پایداری رنگ‌ها

انواع مختلف پایداری ذرات جامد در سیستم‌های مایع مهم است:

• ته نشینی
• انحلال
• پایداری شیمیایی
• لخته سازی
  • چسباندن خود به خود ذرات جامد جدا شده در سیستم های مایع است. این فرآیند نامطلوب می‌تواند در طول تولید، ذخیره سازی، کاربرد و تشکیل فیلم اتفاق بیفتد. از لخته شدن می‌توان با ترتیب دادن نیروهای دافعه بین ذرات با جذب مواد افزودنی خاص، به نام پراکنده کننده، بر روی سطح ذرات جامد جلوگیری کرد. شکل زیر را ببینید.

اینکه آیا ماده پراکنده قادر به جذب روی سطح ذرات فیلر خواهد بود یا نه، توسط موارد زیر تعیین می‌شود:

ترکیب شیمیایی و مورفولوژی مولکول های پخش کننده، و ترکیب سطحی ذرات جامد

بیشتر فیلر ها آبدوست هستند، به این معنی که گروه‌های قطبی در سطح ذرات آنها وجود دارند. یک استثناء تالک است که یک فیلر با سطح نسبتاً آبگریز است. ذرات آبدوست به راحتی تثبیت می‌شوند زیرا مولکول‌های پخش کننده می‌توانند به شدت بر روی گروه‌های قطبی موجود در سطح ذرات آبدوست جذب شوند.

انحلال و همچنین واکنش‌های شیمیایی احتمالی فیلر، عمدتاً در طول ذخیره سازی صورت می‌گیرد و به ترکیب شیمیایی فیلر بستگی دارد. انتخاب فیلر‌هایی که مقاومت شیمیایی در برابر محیط مایع دارند مهم است: فیلر‌ها باید از استحکام کافی برخوردار باشند.

برخی از فیلرها بی اثر نیستند، به این معنی که ذرات جامد می‌توانند، برای مثال، توسط مواد شیمیایی خاص، حلال ها، اسید، قلیایی یا اشعه ماوراء بنفش مورد حمله قرار گیرند.

برای مثال کربنات کلسیم (CaCO₃)، فیلری است که به آرامی در محیط اسیدی حل می شود. این بدان معناست که هنگام استفاده از کربنات کلسیم در سیستم‌های مبتنی بر آب با pH پایین یا زمانی که سیستم روی یک بستر اسیدی اعمال می‌شود باید مراقب بود.

تأثیر سایش تجهیزات

تجهیزات ممکن است هم در حین تولید و هم در هنگام استفاده از رنگ آسیب ببینند. فیلرهایی که هم سختی بالا دارند و هم لبه های تیز (شکل) می‌توانند به دلیل سایش به تجهیزات آسیب بزنند.

سختی یک فیلر نشان می دهد که آسیب مکانیکی به جامد چقدر آسان یا دشوار است. برای رنگدانه ها و فیلرها از مقیاس مو (Moh)  برای تعیین کمیت سختی استفاده می‌شود. سخت ترین ماده معدنی که الماس است، دارای سختی مو ۱۰ است، در حالی که تالک که یک فیلر نرم است، دارای سختی مو ۱ است. فیلر‌های سخت مانند کوارتز می‌توانند به تجهیزات تولید ساییده شوند، به‌ویژه زمانی که ذرات دارای لبه‌های تیز باشند.

تأثیر ویسکوزیته

ویسکوزیته سیستم‌های مایع بسته به اندازه، شکل و ترکیب سطحی ذرات فیلر تحت تأثیر آن قرار می‌گیرد. ذرات دارای اشکال نامنظم، ویسکوزیته یک سیستم را افزایش می‌دهند. ذرات کوچک یا متخلخلی که مقادیر زیادی از مواد رزین را جذب می‌کنند باعث ویسکوزیته بالا می‌شوند.

انتخاب فیلر برای پرایمرها

پرایمر یک لایه پوششی است که در تماس مستقیم با بستر است. بیایید در مورد چگونگی تأثیر فیلرها بر خواص اصلی پرایمرها بحث کنیم:

تأثیر بر ویژگی‌های سد

نفوذپذیری یک پوشش به توانایی مولکول‌های کوچک برای انتشار در پوشش اشاره دارد. از آنجایی که بیشتر ذرات فیلر جامدات بسته هستند، مولکول‌های کوچک نمی‌توانند از ذرات آنها عبور کنند: مولکول‌ها باید در اطراف ذرات حرکت کنند. گفته می‌شود پوششی که نفوذپذیری پایینی نسبت به مولکول‌های کوچک دارد، دارای خواص بازدارندگی خوبی است. چند عامل بر نفوذپذیری یک فیلم حاکم است:

• جذب سیستم رزین بر روی ذرات جامد. زمانی که جذب ضعیف باشد یا وجود نداشته باشد، مولکول‌های کوچک می‌توانند در امتداد ذرات فیلر منتشر شوند.
• شکل ذرات: فیلر پلاکتی شکل، مانند تالک یا میکا، به عنوان “کاشی های سقف” عمل می‌کنند و در هنگام تشکیل فیلم، نفوذپذیری را کاهش می‌دهند.

تأثیر بر ثبات شیمیایی پوشش های پرایمر

مقاومت شیمیایی یک فیلر توسط ترکیب شیمیایی آن کنترل می‌شود. اکثر فیلر ها مقاومت (= پایداری) خوبی در برابر مواد شیمیایی و حلال‌ها دارند. یک استثناء کربنات کلسیم  است که مقاومت ضعیفی در برابر اسیدها دارد. فیلر هایی با ثبات شیمیایی بالا باید در پرایمرهای فلزی استفاده شوند.

تأثیر بر مقاومت در برابر خوردگی

فیلر‌هایی که شکل پلاکتی دارند می‌توانند با تشکیل سدی مقاومت در برابر خوردگی را بهبود بخشند، بنابراین انتشار مولکول‌هایی را که می‌توانند خوردگی را بدتر کنند، مانند اکسیژن، نمک و اسیدها، به تأخیر می‌اندازند.

همچنین فیلر هایی که pH بالایی دارند، به دلیل بازی بودن، می‌توانند خوردگی را به تعویق بیاندازند، زیرا خوردگی در محیط‌های اسیدی سریعتر است. فیلرهای اصلی مانند دولومیت و فلدسپات اغلب در پرایمرهای ضد خوردگی استفاده می‌شوند زیرا خوردگی فلز در pH بالا کندتر پیش می‌رود. این تأثیر مفید فیلرهای اساسی بر مقاومت در برابر خوردگی، غیرفعال شدن نامیده می‌شود.

تأثیر بر درخشندگی

پرایمرها ترجیحاً دارای براقیت کم هستند که به این معنی است که سطح پرایمر ناهموار است. سطح ناهموار پرایمر چسبندگی لایه بین پوششی و پرایمر را بهبود می‌بخشد. فیلرهای دارای ارزش جذب روغن بالا و سطح ویژه بالا به طور مؤثری براقیت پوشش‌ها را کاهش می‌دهند.

ارزش جذب روغن یک فیلر به عنوان مقدار روغن، بر حسب گرم، مورد نیاز برای درست کردن یک خمیر روان از ۱۰۰ گرم فیلر پودری تعریف می‌شود. برای ذرات غیر متخلخل، مقدار جذب روغن مستقیماً با سطح ویژه ماده مرتبط است. ارزش جذب روغن مواد جامد مورد استفاده در یک سیستم مایع با توجه به خواص کلیدی سیستم حاصل مهم است.

به عنوان مثال، ذرات جامد با ارزش جذب روغن بالا، افزایش ویسکوزیته قوی‌تری را در سیستم مایع نسبت به جامدات با ارزش جذب روغن پایین ایجاد می‌کنند.

و فیلرهایی با ارزش جذب روغن پایین باید در سیستم هایی استفاده شود که ویسکوزیته پایینی داشته باشند، به عنوان مثال، سیستم های بدون حلال یا سیستم‌های با مواد جامد بالا.

مقدار جذب روغن توسط خواص کلیدی ذرات فیلر کنترل می‌شود:

ذرات کوچکتر نسبت به ذرات بزرگتر ارزش جذب روغن بیشتری دارند

ذرات کروی و صاف و دارای سطح بسته (غیر متخلخل) ارزش جذب روغن پایینی دارند.

ذرات با شکل نامنظم ارزش جذب روغن بالایی دارند، به خصوص زمانی که ذرات متخلخل باشند.

سطح ویژه یک فیلر توسط اندازه ذرات، شکل ذرات و مورفولوژی سطح ذرات کنترل می‌شود: فیلر های متشکل از ذرات کروی بزرگ با سطح صاف و بسته (غیر متخلخل) دارای سطح ویژه کمی هستند.

تأثیر غلظت حجم رنگدانه (Pigment Volume Concentration-PVC)

PVC به عنوان درصد حجمی ذرات جامد، رنگدانه ها و فیلرها، سیستم‌هایی که یک لایه تشکیل داده‌اند، تعریف می‌شود. این بدان معناست که PVC یک سیستم باید بدون اجزای فرار مانند آب و/یا حلال‌ها محاسبه شود.

فرمولاسیون اغلب در قسمت‌های وزنی اجزا داده می‌شود. از آنجایی که PVC تقریباً درصد حجمی است، تمام وزن اجزا باید با استفاده از چگالی هر یک از اجزا به حجم منتقل شوند. یک فیلر با چگالی بالا تأثیر کمی بر PVC یک سیستم خواهد داشت.

تأثیر بر سنباده پذیری پوشش‌های پرایمر

پرایمرها اغلب قبل از اعمال پوشش رویی سمباده می‌شوند. با استفاده از فیلرهایی با سختی مو کم (به سایش تجهیزات)، مانند تالک، در پرایمر می‌توان سمباده پذیری خوبی داشت.

انتخاب فیلر برای روکش‌ها

روکش لایه‌ای است که در تماس مستقیم با محیط اطراف است. بیایید در مورد چگونگی تأثیر فیلرها بر خواص کلیدی پوشش‌های رویی بحث کنیم:

مقاومت در برابر سایش و خراش در روکش‌ها

مقاومت در برابر آسیب‌های مکانیکی مانند سایش یا خراش یک پوشش را می‌توان با استفاده از فیلر‌هایی با سختی مو بالا بهبود بخشید. فیلرهای سخت، مانند کوارتز و فلدسپات، مقاومت پوشش‌ها را در برابر مشکلات مکانیکی مانند سایش و خراش بهبود می‌بخشند.

ویژگی‌های مانع / نفوذپذیری

خواص سد کننده پوشش رویی را می‌توان با استفاده از فیلرهایی با شکل پلاکتی بهبود بخشید.

مقاومت شیمیایی پوشش رویی

مقاومت شیمیایی یک لایه رویی تحت تأثیر ترکیب شیمیایی فیلر‌های مورد استفاده قرار می‌گیرد و در صورت استفاده از فیلر‌هایی که پایداری شیمیایی کافی ندارند، کاهش می‌یابد.

اثر براق و مات

فیلرهایی که ارزش جذب روغن بالایی دارند و سطح ویژه بالایی دارند، به طور موثری براقیت یک پوشش را کاهش می‌دهند.

چسبندگی بین پوشش

چسبندگی بین پوشش به چسبندگی لایه رویی پرایمر اشاره دارد. فیلرهای خاص، با داشتن شکل پلاکتی، می‌توانند چسبندگی بین پوشش را بهبود بخشند.

استحکام مکانیکی

ذرات فیلر که شکل پلاکتی دارند می‌توانند استحکام مکانیکی پوشش بالایی را بهبود بخشند زیرا پلاکت‌ها انسجام یک لایه را بهبود می‌بخشند.

غلظت حجم رنگدانه

چگالی خاصیت فیلر بر PVC پوشش بالایی تأثیر می‌گذارد، فیلر با چگالی بالا تأثیر کمی بر PVC یک سیستم خواهد داشت.

مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش

ذرات جامد، مانند فیلرها، می‌تواند بر مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش پوشش بالایی تاثیر داشته باشد. این عامل به ترکیب شیمیایی ذرات بستگی دارد. بیشتر فیلرها نسبت به اشعه UV در نور خورشید حساس نیستند. به طور کلی، مقاومت پوشش‌ها در برابر اشعه ماوراء بنفش تحت تأثیر انتخاب فیلر‌های مورد استفاده در سیستم قرار نمی‌گیرد. یک استثنا میکا است که می‌تواند اشعه ماوراء بنفش را جذب کند، بنابراین می‌تواند مقاومت پوشش بالایی در برابر اشعه ماوراء بنفش را بهبود بخشد.

گردآوری، ترجمه و تالیف: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر – اعظم مواساتی

منابع:

• https://coatings.specialchem.com/selection-guide/fillers-selection-for-paints-coatings
• https://feltmagnet.com/painting/Fillers-and-Pigment-Extenders-for-Paints