پیگمنت چیست؟ انواع پیگمنت رنگی و کاربرد

پیگمنت چیست ؟

پیگمنت را بیشتر بشناسیم: معمولا مواد رنگی به دو دسته تقسیم می‌شوند: رنگ‌ها و پیگمنت‌ها. رنگ‌ها را به راحتی می‌توان با استفاده از یک فرچه به روی کار اعمال کرد. اما پیگمنت‌ها (Pigment) باید برای رنگ کردن با موادی ترکیب شوند، این رنگدانه‌ها به هیچ عنوان در آب حل نخواهند شد و تنها باید با حلال مناسب و سازگار خود ترکیب شوند.

پس نتیجه می گیریم که پیگمنت ها با رنگ‌ها فرق دارند. رنگ دانه ها جذب نمی شوند و فقط به صورت سطحی ماده را رنگ میکنند اما مواد رنگی از داخل جسم جذب می شوند.

علاوه بر این موضوع، حالت فیزیکی رنگ‌ دانه‌ها به شکل جامد می باشد پس می‌توانند اشکال و اندازه‌های گوناگونی داشته باشند.

پیگمنت‌ها (Pigments) به عنوان یکی از مواد اساسی در دنیای رنگ و مواد رنگی، نقش حیاتی را در صنایع مختلفی ایفا می‌کنند. این مواد، که اکثر مواقع به صورت پودرهای جامد نامحلول وجود دارند، برای ایجاد رنگ در اجسام یا مواد مختلف استفاده می‌شوند. برخلاف رنگ‌ها (Dyes) که محلول می باشند و می‌توانند به راحتی جذب مواد دیگر بشوند، پیگمنت‌ها جذب نمی‌شوند و تنها به صورت سطحی عمل می‌کنند. این ویژگی باعث می شود از آن‌ها برای کاربردهایی مانند رنگ‌آمیزی صنعتی، هنری و آرایشی استفاده کرد. در این جا، به بررسی علمی پیگمنت‌ها می‌پردازیم مانند تعریف و تاریخچه این مواد تا انواع آن ها، تفاوت‌ها، ویژگی‌ها، کاربردها، مکانیسم عملکرد و جنبه‌های اقتصادی همگی ذکر میشود. تا بتوانیم دیدگاهی جامع و مبتنی بر اصول شیمی و فیزیک را ارایه دهیم و به درک عمیق‌تری از این مواد برسیم.

از دیدگاه علمی، پیگمنت‌ها ذرات رنگی جامدی هستند که نور مرئی را به صورت انتخابی جذب، بازتاب یا منعکس می‌کنند. این فرآیند بر اساس ساختار مولکولی یا کریستالی آن‌ها ایجاد می شود و منجر به مشاهده رنگ های خاص می‌شود. پیگمنت‌ها می‌توانند آلی یعنی بر پایه کربن و یا معدنی یعنی بر پایه عناصر غیرکربنی باشند و هر کدام خواص فیزیکی-شیمیایی منحصربه‌فرد خود را دارند. طبق تعریف های استاندارد در شیمی، پیگمنت‌ها ذرات جامد نامحلول هستند که در محیط‌های مایع یا جامد پخش می‌شوند، در حالی که رنگ‌ها أساسا محلول هستند و با پیوند شیمیایی ترکیب می‌شوند.

کاربرد پیگمنت: رنگرزی انبوه، رویه زدن و دیسپرسیون در هوا

پیگمنت ماده‌ای در فاز مایع است و در زبان یونانی به معنی رنگ کردن و پوشاندن است. اگر بخواهیم به تاریخچه کشف پیگمنت نگاهی بیندازیم باید بگوییم، این ماده برای اولین بار در سال 1856 توسط دانشمندی به نام ویلیام پرکین کشف شد. کم کم و به مرور زمان پیگمنت‌های دیگری چون پیگمنت‌های آلی و معدنی معرفی شدند. امروزه از این پیگمنت‌ها در بخش‌های مختلفی استفاده می‌کنند.

 تفاوت پیگمنت با رنگ‌ (Dye):

مواد رنگی به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: رنگ‌ها و پیگمنت‌ها. رنگ‌ها مواد محلولی میباشند که می‌توانند به راحتی با حلال‌های زیادی مانند آب یا الکل پیوند بزنند و از طریق جذب مولکولی به داخل ماده نفوذ کنند. برای مثال، در رنگرزی پارچه ها، رنگ‌ها با فیبرها پیوند برقرار می کنند و رنگ پایداری تشکیل می دهند. از طرفی، پیگمنت‌ها مواد جامد نامحلولی می باشند که در حلال‌ها به صورت کامل حل نمی‌شوند و تنها پراکنده و پخش می‌گردند. این ذرات بر روی سطح ماده می‌نشینند و رنگ را از طریق بازتاب نور تولید می‌کنند.

از نظر فیزیکی، پیگمنت‌ها می‌توانند اندازه ذرات متنوعی داشته باشند (از نانومتر تا میکرومتر) که این اندازه ها بر شفافیت، پوشش‌دهی و پایداری تأثیر گذار هستند. در هنگام استفاده،ذرات پیگمنت‌ها با بایندرها (مانند رزین‌ها یا روغن‌ها) ترکیب می شوند تا به سطح بچسبند. این تفاوت مهم، کاربردهای آن‌ها را  با یک دیگر متفاوت می‌کند: پیگمنت‌ها برای پوشش‌دهی أنواع سطوح خارجی مناسب‌تر می باشند، در حالی که رنگ‌ها برای رنگرزی داخلی مواد همانند منسوجات ایده‌آل‌ می باشند. مطالعات شیمی نشان می‌دهد که پیگمنت‌ها اغلب پایدارتر از رنگ ها در برابر نور و حرارت هستند، زیرا ساختار کریستالی‌شان کمتر تحت تأثیر قرار می‌گیرد

تاریخچه کشف و بهره برداری پیگمنت‌ها:

تاریخچه استفاده از پیگمنت‌ها به دوران بسیار قدیم بازمی‌گردد. انسان‌های اولیه از برخی از مواد معدنی مانند اخرا (اکسید آهن قرمز) و زغال برای نقاشی در غارها استفاده می‌کردند، که نمونه‌هایی از آن در غارهای لاسکو در فرانسه (متعلق به حدود ۱۷۰۰۰ سال پیش) یافت شده است. در تمدن‌های باستانی مانند مصر و یونان، پیگمنت‌های معدنی مانند لاجورد به عنوان رنگ آبی و ورمیلیون (HgS) به عنوان رنگ قرمز استفاده می شدند.

انقلاب صنعتی در اروپا نقطه عطفی در تاریخچه پیگمنت‌ها بوده است. در سال ۱۸۵۶، شیمی‌دان انگلیسی ویلیام هنری پرکین اولین پیگمنت آلی سنتزی، یعنی ماوین (mauveine) را کشف کرد. این کشف که حاصل شده از مشتقات قطران زغال‌سنگ بود، آغازگر عصر پیگمنت‌های آلی مصنوعی بود. در قرن بیستم، پیشرفت‌های بسیار در زمینه شیمی آلی منجر به تولید پیگمنت‌هایی مانند فتالوسیانین‌ها مانند آبی فتالوسیانین(CuPc)، شد که مقاومت بالایی در برابر نور دارند. پیگمنت‌های معدنی نیز کم کم توسعه پیدا کردند، مانند دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) که در سال ۱۹۱۶ تجاری‌سازی شد و امروزه به عنوان پرمصرف‌ترین پیگمنت سفید شناخته می شود. این تغییرات ، صنایع رنگ، پلاستیک و چاپ را دگرگون ساخت و بر اساس تحقیقات انجمن شیمی آمریکا (ACS)، بازار جهانی پیگمنت‌ها امروزه بیش از ۳۰ میلیارد دلار ارزش دارد.

انواع پیگمنت

پیگمنت‌ها از نظر شیمیایی و کاربردهایشان به دسته‌های مختلفی چون پیگمنت‌های آلی، پیگمنت‌های مصنوعی و پیگمنت‌های طبیعی تقسیم می‌شوند.

1. پیگمنت آلی:

امروز پیگمنت‌های آلی بیش از پیگمنت‌های معدنی در دسترس هستند که در صنایع مختلفی هم می‌توان از آن‌ها استفاده کرد. از مهم‌ترین پیگمنت‌های آلی می‌توان به فتالوسیانین‌ها اشاره کرد که در دو رنگ آبی و سبز عرضه شده، در این میان رنگ آبی آن مقاومت بسیار بالایی در برابر رنگ سبز دارد.
بعضی از دانه‌های پیگمنت آلی ساختار فلزی دارند و روی یک هسته معدنی هیدروکسید آلومینیوم رسوب داده می‌شوند.

این ترکیبات مواد شیمیایی آلی هستند که بر روی هسته آلومینیوم هیدروکسید که یک ترکیب معدنی است، رسوب داده می شود. این پیگمنت ها نسبت به نوع معدنی کاربرد بیشتری دارند و از مهم ترین آن ها می توان به فتالوسیانین ها اشاره کرد که این ترکیب در دو رنگ آبی و سبز وجود دارد. امروزه برخی از این رنگدانه ها ساختار آلی فلزی دارند.

2. پیگمنت طبیعی یا معدنی:

این پیگمنت‌ها بعد از استخراج از لایه‌‌های مختلف زمین خورد شده و به دسته‌های مختلف تقسیم می‌شوند.

استفاده از پیگمنت های معدنی دارای مزایای مربوط به خودش است:

از مزایای استفاده از پیگمنت‌های معدنی می‌توان به رنگ پایدار و مقاوم در برابر حرارت و نور، قابلیت تولید رنگ‌های زنده و شفاف، و قابلیت مخلوط کردن با سایر رنگ‌ها اشاره کرد. همچنین، پیگمنت‌های معدنی معمولاً دارای خلوص بالا هستند و در تولید رنگ‌های روشن و تیره بسیار مؤثر هستند.

باید بدانید  نوع طبیعی آن ها نسبت به نوع مصنوعی قطعا  خواص بهتری را از خود نشان می دهند و مرغوب تر بوده و سایز بلورهای آن مطلوب تر نیز می باشد. همچنین خلوص بالاتری دارند.

با این حال، استفاده از پیگمنت‌های معدنی نیز ممکن است به چالش‌هایی از جمله آسیب به محیط زیست، استفاده از منابع طبیعی برای استخراج و تصفیه پیگمنت‌ها، و تأثیرات سلامتی مرتبط با استفاده از فلزات سنگین (مانند سرب و کادمیوم) منجر شود. برخی از پیگمنت‌های معدنی نیز ممکن است حساسیت و آلرژی در برخی افراد ایجاد کنند.

پیگمنت های معدنی طبیعی که هنوز اهمیت دارند، از خانواده اکسید آهن می‌باشند که عبارتند از: گل اخرا ، گل ماشی (خاک سرخ) ، اخرای زرد ، اکسیدهای آهن قرمز زرد و سیاه. برگرفته از وبسایت یونین پیگمنتس.

پیگمنت آلی و معدنی چه تفاوتی دارد؟

پیگمنت ها،  از دو لحاظ با هم تفاوت دارند یکی از نظر شیمیایی و یکی از نظر کاربرد.

۴ تفاوت آن هارا باهم بخوانیم:

3. پیگمنت‌های مصنوعی:

این دسته از پیگمنت‌ها در اثر فرآیند شیمیایی و حاصل از مواد دیگری ساخته می‌شوند و از لحاظ ظاهری بسیار شبیه به پیگمنت‌های طبیعی هستند اما خواص و کاربردشان بسیار متفاوت است. پیگمنت‌های مصنوعی خلوص بالاتر و دانه‌های درشت‌تری نیز دارند.

 پایداری شیمیایی

قطعا حدس میزنید که رنگ دانه‌های معدنی در جهت تولید مواد آرایشی و بهداشتی مورد استفاده قرار خواهند گرفت، اما آنها به راحتی قابل حل شدن نیستند پس نتیجه میگیریم وکه برای استخراج آنها نیاز به فرآیندهای پیچیده‌تری داریم. همچنین، مواد معدنی ممکن است به طور طبیعی حاوی فلزات سنگین باشند.

ویژگی‌های پیگمنت‌ها:

پیگمنت‌ها ویژگی‌های فیزیکی-شیمیایی منحصربه‌فردی دارند:

• مقاومت حرارتی: معدنی‌ها بالا، آلی‌ها متوسط.
• ساختار کریستالی: منجر به ضریب شکست بالا و پراکندگی نور می‌شود.
•  مقاومت شیمیایی: در برابر اسیدها و بازها پایدار.
• پخش‌شوندگی: قدرت پراکندگی بالا در اقسام محیط‌ها.
• رنگ‌بندی: متنوع، از سفید (TiO₂) تا سیاه (کربن بلک).
• ضریب شکست: برای براقیت و ماتی.

تفاوت پیگمنت‌ها با یکدیگر

1.  برای تهیه رنگ‌های روشن و براق بهتر است از پیگمنت آلی استفاده شود که براقیت بسیار بالایی دارند.
2.  رنگ سیاه و سفید تنها در بخش پیگمنت‌های طبیعی وجود دارد.
3.  در حلال‌های آلی ترکیبات معدنی به هیچ عنوان نفوذ نخواهند کرد.
4.  در برابر حرارت‌های بالای 300 درجه مقاومت ترکیبات آلی به مراتب بیشتر از پیگمنت‌های معدنی است.
5.  پیگمنت‌های آلی در دمای پایین ذوب و تجزیه می‌شوند.

کاربرد پیگمنت رنگی

•  یکی از عمده‌ترین استفاده‌ها از پیگمنت، استفاده در صنعت رنگ و رنگ‌سازی بوده است. پیگمنت از لایه زیرین کار در برابر عوامل مخرب محیطی محافظت می‌کند.
•  قابل استفاده در ساخت و تهیه رنگ‌های روغنی، پلاستیکی، سلولزی و رنگ سوله است.
•  قابل استفاده در بخش رنگرزی و تولید زنگ آهن است.
•  در بخش تهیه و ساخت جوهر چاپ نیز استفاده می‌شود.
•  پوشاننده سطوح فلزی و چوبی به عنوان عایق هم است.

نحوه استفاده از پیگمنت 

پیگمنت برای اعمال شدن به روی کار بادی با رزین اپوکسی ترکیب شود. برای استفاده از پیگمنت در ابتدا باید هاردنر اپوکسی را به اندازه مشخص شده با پیگمنت ترکیب کرد. بهتر است هاردنر با پیگمنت ترکیب شود سپس رزین به آن اضافه شود، تنها دلیل این موضوع روان بودن هادرنر و سنگین بودن رزین در حین هم زدن است.

تنها یک ساعت برای اعمال این رنگ روی سطح مورد نظر وقت دارید، در غیر اینصورت رزین شروع به خشک شدن می‌کند و رنگ را از دست می‌دهید.

هزینه

ترکیب معدنی در برابر مواد ارگانیک از نظر اقتصادی به صرفه‌تر هستند و دلیل آن تولید ماده رنگی می‌باشد. به علاوه، مواد معدنی معمولاً دارای عمر طولانی‌تری هستند و می‌توانند در شرایط سخت‌تری استفاده شوند. این به معنای کاهش هدررفت و افزایش بازدهی است.

پیگمنت رنگی چگونه کار می‌کند؟

به‌طورکلی، پیگمنت‌ها ماده‌های رنگی هستند که قادر به جذب طول موج‌های نور هستند. وقتی نور سفید به این پیگمنت‌ها برخورد می‌کند، پروسه‌های مختلفی رخ می‌دهد که باعث جذب نور سفید می‌شود. برخی ترکیبات آلی دارای سیستم‌های پیوند دوگانه هستند که قادر به جذب نور هستند و ترکیبات معدنی می‌توانند با انتقال الکترون نور را جذب کنند. به عنوان مثال، پیگمنت ورمیلیون می‌تواند نور را جذب کرده و یک الکترون را از آنیون گوگرد به کاتیون فلزی (Hg 2+) انتقال دهد. با جمع‌شدن این الکترون‌ها، رنگ سفید از بین می‌رود و فقط رنگ منحصربه‌فرد باقی می‌ماند.

علاوه بر رنگ‌آمیزی، پیگمنت‌ها دارای خواص دیگری نیز هستند که به ترکیبات دیگر در محصولات مختلف مانند چسب‌ها و پرکننده‌ها وابسته است. همچنین، براساس فرمول ترکیب پیگمنت، رنگ ممکن است متفاوت به نظر برسد. همچنین، سطح پایانی پیگمنت می‌تواند براق، مات و غیره باشد که باعث تغییر در ظاهر نهایی رنگ می‌شود.

پیگمنت‌ها در صنعت رنگ و پوشش بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ترکیبات به دلیل مقاومت حرارتی بالا و مقاومت در برابر خوردگی، در تأسیسات صنعتی و ساختمانی استفاده می‌شوند. این پیگمنت‌ها در دو گروه آلی و معدنی قرار دارند که هر یک ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند و براساس این ویژگی‌ها، کاربردهای مختلفی دارند. این ترکیبات هم به صورت طبیعی و هم مصنوعی وجود دارند.

مکانیسم عملکرد پیگمنت‌ها:

به‌طورکلی، پیگمنت‌ها ماده‌های رنگی هستند که قادر به جذب طول موج‌های نور هستند. وقتی نور سفید به این پیگمنت‌ها برخورد می‌کند، پروسه‌های مختلفی رخ می‌دهد که باعث جذب نور سفید می‌شود. برخی ترکیبات آلی دارای سیستم‌های پیوند دوگانه هستند که قادر به جذب نور هستند و ترکیبات معدنی می‌توانند با انتقال الکترون نور را جذب کنند. به عنوان مثال، پیگمنت ورمیلیون می‌تواند نور را جذب کرده و یک الکترون را از آنیون گوگرد به کاتیون فلزی (Hg 2+) انتقال دهد. با جمع‌شدن این الکترون‌ها، رنگ سفید از بین می‌رود و فقط رنگ منحصربه‌فرد باقی می‌ماند.

جنبه‌های اقتصادی و زیست‌محیطی:

پیگمنت‌های معدنی مقرون به صرفه تر هستند، زیرا از منابع طبیعی به دست می‌آیند و عمر طولانی‌تری دارند. روند کسب و کار در دنیا نشان‌دهنده صرفه‌جویی در هزینه‌های تولید است.اما با این حال، استخراج معدنی می‌تواند آلودگی های زیست محیطی ایجاد کنند و برخی از پیگمنت‌ها مانند آن هایی که حاوی سرب هستندخطرات سلامتی جدی را می توانند ایجاد کنند. پیگمنت‌های آلی، گران‌تر اما ایمن‌تر و در عین حال گزینه‌های پایدارتری هستند.