معرفی رنگدانه ها برای صنایع مستربچ

مستربچ‌ قلب زنجیره رنگ‌آمیزی و عملکرد در صنایع پلاستیک است. هرچند انتخاب پلیمر حامل، نوع اکسترودر و سطح کیفی فرایند اهمیت بسیاری دارد، اما «رنگدانه» است که تیر خلاص را به کیفیت یا افت کیفیت می‌زند: پایداری رنگ در برابر نور و حرارت، قدرت رنگ‌دهی، مهاجرت، پراکنش (دیسپرس) و حتی خواص نهایی قطعه، مستقیماً به انتخاب و مهندسی رنگدانه برمی‌گردد.

در این راهنمای جامع، از مبانی فنی انتخاب پیگمنت تا نکات فرمولاسیون، کنترل کیفیت، ایمنی مقرراتی و ترندهای روز بازار را پوشش می‌دهیم تا برای تولیدکنندگان مستربچ، واحدهای تحقیق و توسعه (R&D) و مدیران کیفیت، یک مرجع عملیاتی فراهم شود.

رنگدانه چیست و چرا برای مستربچ اهمیت دارد؟

رنگدانه (Pigment) ذره‌ای نامحلول در فاز پلیمری است که با جذب/پراکندگی نور، رنگ ایجاد می‌کند. بر خلاف رنگ‌های محلول (Dye)، پیگمنت‌ها در پلیمر حل نمی‌شوند و به‌صورت ذرات بسیار ریز در ماتریس پخش می‌گردند؛ بنابراین رفتار نوری و پایداری آن‌ها به اندازه ذره، شکل، پوشش سطحی و تعامل با پلیمر بستگی دارد. در مستربچ، پیگمنت باید:

🔹پایدار حرارتی در دمای فرایند (مثلاً 190–300°C بسته به پلیمر) باشد.

🔹نوری/جوی پایداری خوبی داشته باشد (نورخورشید، UV، رطوبت).

🔹قدرت رنگ‌دهی بالا و شفافیت/پوشانندگی مناسب ارائه کند.

🔹مهاجرت/بلومینگ نداشته باشد و با افزودنی‌ها تداخل نکند.

🔹پراکنش‌پذیری عالی در پلیمر حامل و در گریدهای بازیافتی یا بکر داشته باشد.

طبقه‌بندی کلی رنگدانه‌ها

1) معدنی (Inorganic)

🔵دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂): رایج‌ترین سفیدکننده؛ دو ساختار روتیل (پایداری نوری/هوایی بهتر، غالب برای پلاستیک) و آناتاز (سفیدی نوری خاص اما مقاومت نوری پایین‌تر).

🔵کربن‌بلک (Carbon Black): برای مشکی؛ با سطوح سطحی و قدرت رنگ متفاوت (شاخص ید/DBP مهم). بهبود حفاظت UV و هدایت الکتریکی در گریدهای خاص.

🔵اکسیدهای آهن: زرد، قرمز، قهوه‌ای؛ مقاومت عالی به نور و حرارت، پوشانندگی بالا.

🔵اولترامارین: آبی و بنفش؛ مقاوم به قلیا، مناسب برای خنثی‌سازی زردی (bluing).

🔵کرومات‌ها/مولیبدات‌ها: زرد/نارنجی/قرمز سنتی با قدرت رنگ بالا ولی به‌دلیل نگرانی‌های ایمنی/مقرراتی (سرب/شش‌ظرفیتی) در حال جایگزینی.

🔵پیگمنت‌های ویژه معدنی: آلومینیوم/برنز (متالیک)، میکا-تیو₂ (صدفی/پرل)، IR-reflective (کاهش جذب حرارت)، NIR-Black (قابل تشخیص در جداسازی نوری بازیافت).

✅مزایا: پایداری عالی نوری/حرارتی، غیرمهاجر، اقتصادی.

❌محدودیت: طیف رنگی محدودتر، در برخی موارد قدرت رنگ کمتر نسبت به آلی‌ها.

2) آلی (Organic)

🔵آزو (Azo): گستره زرد تا قرمز، قدرت رنگ خوب؛ برخی گریدها حساس به حرارت/نور.

🔵فثالوسیانین (Phthalo): آبی/سبز با قدرت رنگ و ثبات بالا؛ بسیار پرکاربرد.

🔵کیناکریدون، پیریلین/پیریمونید: قرمز/نارنجی پریمیوم با دوام نوری عالی.

🔵ایزوایندولین/ایزوایندوژینون: زرد/نارنجی با ثبات نوری و حرارتی خوب.

🔵دی‌آکسازین، آنترامید/آنترکینون: بنفش/آبیِ خاص با دوام بالا.

🔵فلورسنت‌ها: درخشش شدید ولی عموماً مقاومت نوری پایین‌تر.

✅مزایا: طیف وسیع و درخشان، قدرت رنگ‌دهی بسیار عالی.

❌محدودیت: برخی گونه‌ها حساس به UV/حرارت یا مستعد مهاجرت؛ قیمت بالاتر.

شاخص‌های کلیدی انتخاب پیگمنت برای مستربچ

⭐1. پایداری حرارتی (Heat Stability): حداقل برابر با دمای فرایند پلیمر مقصد (PP/PE: 180–240°C؛ PET/PA: 250–300°C). نمودار نگهداری ایزوترمال (مثلاً 10–15 دقیقه) راهگشاست.

⭐2. پایداری نوری/جوی: امتیاز Blue Wool یا Grey Scale، نتایج QUV/Xenon؛ برای کاربردهای فضای باز (لوله آبیاری، فیلم گلخانه) ضروری است.

⭐3. اندازه و توزیع ذره: هرچه ریزتر و توزیع باریک‌تر، رنگ درخشان‌تر و پوشانندگی بهتر؛ اما ریسک آگلومره و ویسکوزیته بالاتر هم هست.

⭐4. پوشش سطحی/تیمار شیمیایی: برای TiO₂ (آلومینا/سیلیکا) یا پیگمنت‌های آلی (روان‌ساز/دی‌سپرسنت) که ترشوندگی و سازگاری با پلیمر را افزایش می‌دهد.

⭐5. سازگاری با پلیمر حامل: PE/PP در مقابل PET/PA/PVC؛ پلیمرهای قطبی به کمک کوپلیمرها/واسط‌ها نیاز دارند.

⭐6. مهاجرت/بلومینگ: به‌خصوص در آلی‌ها و در فیلم‌های نازک یا قطعات در تماس با مواد شیمیایی/چربی.

⭐7. ایمنی و انطباق مقرراتی: REACH، RoHS، FDA/EFSA Food Contact، استاندارد اسباب‌بازی (EN 71-3)؛ حذف کامل پیگمنت‌های حاوی سرب/کروم VI.

⭐8. اثر بر خواص نهایی: UV-Protection (کربن‌بلک)، هدایت الکتریکی، مات/براق بودن، اصطکاک سطحی، مقاومت ضربه/کشش، پایداری ابعادی.

⭐9. اقتصاد و زنجیره تأمین: قیمت به ازای قدرت رنگ‌دهی (Cost-in-Use)، تکرارپذیری تأمین، ریسک‌های ژئو-اقتصادی.

انتخاب رنگدانه بر اساس پلیمر مقصد

انتخاب پیگمنت را با توجه به پلیمر ساده کنید: برای PE/PP اغلب پیگمنت‌های معدنی و آلی جواب می‌دهند؛ سفیدِ کدر با TiO₂ روتیل سطح‌دار و مشکی با کربن‌بلکِ سطح‌متوسط، آبی/سبز با فتالو و زرد با ایزوایندولین. در PET/PA به‌دلیل دمای بالاتر، آلی‌های HPP مثل کیناکریدون/پیریلین و کربن‌بلکِ پایدار حرارتی را برگزینید؛ در الیاف توزیع بسیار ریز برای فیلترپَس ضروری است.

برای PVC سخت/نرم به‌خاطر خطر مهاجرت در حضور پلاستی‌سایزر، سراغ معدنی‌های پایدار مانند TiO₂، اکسید آهن و اولترامارین بروید. در PC/ABS فقط پیگمنت‌های مقاوم به حرارت (HPP) و کربن‌بلک‌های ویژه با کنترل دقیق دما توصیه می‌شوند. برای PLA/PHA پیگمنت‌های دارای تاییدیه تماس غذایی و افزودنی‌های زیست‌سازگار را انتخاب کنید.

نکات تخصصی برای سه مستربچ پرمصرف

1) سفید (TiO₂ Masterbatch)

✅انتخاب گرید: روتیل با پوشش آلومینا/سیلیکا؛ مقدار TiO₂ معمولاً 50–75%.

✅پخش‌پذیری: از Wetting Agent/واسط سازگارکننده استفاده کنید (برای PE/PP: وکس‌های پلی‌اولفینی/PE-Wax).

✅خواص نوری: کدری (Opacity) و روشنایی (L, b*) تابع اندازه ذره و توزیع آن است.

✅نکته کاربردی: در فیلم‌های نازک، TiO₂ زیاد باعث «فیلترپَس» و نقاط ژل می‌شود—تعادل بین کدری و فرایندسازی را حفظ کنید.

2) مشکی (Carbon Black Masterbatch)

✅پارامترهای کلیدی: سطح ویژه (Iodine Number)، ساختار (DBP)، اندازه اولیه ذره.

✅UV/هدایت: گریدهای با سطح بالاتر، حفاظت UV و حتی هدایت الکتریکی می‌دهند اما پخش‌پذیری دشوارتر است.

نکته کاربردی: برای لوله‌های فضای باز (PE100)، کربن‌بلک 2–2.5% در پلیمر نهایی رایج است؛ به کنترل دوده و جلوگیری از آلودگی Environment اهمیت دهید.

3) رنگی (Color Masterbatch)

✅انتخاب آلی/معدنی: برای قطعات فضای باز/کلفت: آلی‌های HPP یا معدنی‌های مقاوم؛ برای شفافیت و درخشش: آلی‌های با ذرات ریز و پوشش مناسب.

✅پیش‌دیسپرس: استفاده از Pigment Preparation یا Chip Pre-Dispersion برای رنگ‌های مشکل‌دار (قرمزهای سخت، آبی فتالو).

نکات ایمنی و مقرراتی

✅ از پیگمنت‌های فاقد فلزات سنگین استفاده کنید؛ برچسب‌های Food Contact برای بسته‌بندی غذایی/دارویی الزامی است.
MSDS/TDS هر پیگمنت را نگهداری و به‌روز کنید.

✅در کارگاه، ماسک فیلتردار/سیستم مکش موضعی برای کربن‌بلک و پودرهای ریز ضروری است.

✅برای اسباب‌بازی/کودکان، استاندارد EN 71-3 و ISO 8124 را ملاک قرار دهید.

ترندهای روز بازار رنگدانه و مستربچ

حذف کامل سرب/کرومات‌ها و حرکت به سمت پیگمنت‌های آلی/معدنی ایمن‌تر.

🔹پایداری در اقتصاد چرخشی: پیگمنت‌های NIR-detectable برای تسهیل جداسازی در بازیافت؛ گریدهایی که در ریسایکل چندباره تغییر رنگ نمی‌دهند.

🔹کاهش دمای فرایند با دیسپرس بهتر: مصرف انرژی کمتر و حفظ خواص پلیمر.

🔹مستربچ‌های چندمنظوره: ترکیب رنگ + UV Stabilizer/Slip/Antistatic برای کاهش پیچیدگی زنجیره تأمین.

🔹گسترش پیگمنت‌های عملکردی: IR-Reflective برای کاهش گرمایش خورشیدی در سقف‌ها/مبلمان شهری؛ نانو-پیگمنت‌ها با شفافیت/قدرت رنگ ویژه (کنترل‌شده و با مستندات ایمنی).

رفع عیوب رایج در مستربچ‌های رنگی

در فرایند تولید مستربچ‌های رنگی، چند عیب پرتکرار دیده می‌شود که با شناخت علت و اصلاح فرمولاسیون یا شرایط فرایندی می‌توان آن‌ها را مدیریت کرد. اگر قطعه «دانه‌دانه» یا دارای اسپک است، معمولاً توزیع ذره نامناسب و شکست‌نخوردن آگلومره‌ها مقصرند؛ در این حالت با افزایش انرژی اختلاط، بازچینی توالی خوراک‌دهی و به‌کارگیری حامل سازگارتر یا مواد ترکننده و دیسپرسنت می‌توان پراکنش را بهبود داد.

راه‌راهی یا جریان مارپیچی رنگ اغلب از ناسازگاری ویسکوزیته بین مستربچ و پلیمر مقصد ناشی می‌شود؛ هماهنگ‌سازی شاخص جریان مذاب، تنظیم دمای نواحی و دور مارپیچ‌ها (RPM) به یکنواختی رنگ کمک می‌کند. بلومینگ و مهاجرت معمولاً زمانی رخ می‌دهد که پیگمنت یا روانکار انتخابی با سیستم سازگار نباشد یا دوزشان زیاد باشد؛ کاهش روغن و وکس و جایگزینی پیگمنت با گریدی که حلالیت و تمایل به مهاجرت پایین‌تری دارد، راهکار مؤثر است.

کاهش براقیت یا پدیده چاکینگ نیز اغلب نتیجه‌ی بارگذاری بیش از حد TiO₂ یا استفاده از پیگمنت‌های مات‌کننده است؛ با بهینه‌سازی میزان پیگمنت و افزودن کمک‌افزودنی‌های براق‌کننده و آنتی‌اسکراچ می‌توان جلای سطح را برگرداند. تغییر رنگ در گذر زمان، که معمولاً زیر تابش UV یا در معرض گرمای مداوم رخ می‌دهد، با افزودن پایدارکننده‌های نوری مانند HALS و UV Absorber و انتخاب پیگمنت‌های پایدارتر قابل کنترل است.

در نهایت، مشکلات چاپ و چسبندگی روی سطح قطعه معمولاً به مصرف بیش از حد روانکار برمی‌گردد؛ کاهش وکس و اجرای تیمار سطحی مانند کرونا یا پلاسما و استفاده از پرایمر چاپ، چسبندگی مرکب را به شکل محسوسی بهبود می‌دهد.

جمع‌بندی

انتخاب رنگدانه برای مستربچ فراتر از «رنگ» است؛ ترکیبی از علم مواد، رئولوژی و مدیریت ریسک‌های مقرراتی و تأمین. با درنظر گرفتن سازگاری با پلیمر، پایداری حرارتی/نوری، توزیع اندازه ذره، تیمار سطحی و الزامات نهایی قطعه، می‌توان مستربچی طراحی کرد که هم رنگ دقیق بدهد، هم در زمان و هزینه تولید صرفه‌جویی کند، و هم در طول عمر خدمت، پایدار بماند.

راهبرد پیشنهادی این است: برای کاربردهای Outdoor/دمای بالا، به سمت پیگمنت‌های معدنی پایدار یا آلی‌های High-Performance بروید؛ در بسته‌بندی غذایی، تنها گریدهای دارای مدارک تماس غذایی را انتخاب کنید؛ و برای پخش‌پذیری بی‌دردسر، طراحی درست اکسترودر و انتخاب Carrier سازگار را در اولویت بگذارید.

سوالات متداول

آیا همیشه پیگمنت آلی بر معدنی ارجح است؟

خیر. آلی‌ها رنگ‌های درخشان می‌دهند اما در فضای باز یا دمای بالا، بسیاری از گریدهای معدنی (TiO₂، اکسید آهن) پایدارتر و اقتصادی‌ترند. انتخاب به کاربرد، دوام موردنیاز و بودجه بستگی دارد.

برای تماس غذایی چه کنم؟

فقط از پیگمنت‌های Food-Grade با اسناد کامل (FDA/EFSA، Migration Test) استفاده کنید. افزودنی‌ها و حامل نیز باید سازگار باشند.

چگونه UV را تقویت کنم؟

یا Carbon Black (برای مشکی) یا افزودن HALS/UV Absorber کنار پیگمنت انتخابی. برای رنگ‌های روشن Outdoor، آلی‌های HPP پیشنهاد می‌شوند.

آیا می‌توانم مستربچ چندمنظوره بسازم؟

بله؛ رایج است. اما سازگاری افزودنی‌ها را بررسی کنید (مثلاً آنتی‌استاتیک‌های آمینی با برخی پیگمنت‌ها تداخل دارند).