رنگدانه های سرامیکی در صنعت کاشی

رنگدانه های سرامیکی و سمینار آشنایی با فناوری چاپ دیجیتال

تهیه و تنظیم : مازیار منتظریان

رنگدانه های سرامیکی

هنر استفاده از رنگدانه های سرامیکی جهت تزئین محصولات سرامیکی، در ایران و جهان قدمت تاریخی دارد. گذشتگان ما به درستی از انواع رنگدانه های طبیعی جهت ایجاد نقش و نگارهای بسیار زیبا بر روی کاشی های مساجد، مراکز مذهبی و منازل استفاده میکردند.

رنگدانه های سرامیکی در صنعت کاشی :

علم آنها در خصوص رنگدانه و ایجاد انواع رنگ در حین پخت، شگفت انگیز بوده است و آن را بصورت تجربی به نسلهای بعدی منتقل میکردند.

البته مستندات مکتوب اندکی در خصوص هنر و مهارت ایشان از چگونگی استفاده از رنگدانه های سرامیکی طبیعی موجود است.ایشان از فلزات رنگی، اکسیدها و نمکهای مختلف جهت رنگی کردن لعاب و بدنه استفاده میکردند.

آنها به کمک مهارت خود و تغییر شرایط کوره و ترکیب لعاب، طیف وسیعی از رنگها را ایجاد میکردند.در جدول 1 نوع و کاربرد تعدادی از رنگدانه های طبیعی و سنتی آورده شده است. 

 رنگدانه های طبیعی رنگدانه های مصنوعی رنگ لعاب رنگدانه سنتی رنگ سنجی صنعت کاشی

اما رنگدانه های سرامیکی طبیعی مشکلات فراوانی جهت استفاده در تولیدات انبوه امروزی دارند.منابع طبیعی آنها بسیار محدود است و کنترل یکنواختی ترکیب رنگدانه های طبیعی بسیار مشکل است.

این مواد طبیعی، پایداری دمایی کمی دارند و با پیشرفت فناوری و افزایش دمای پخت، نیاز به تولید رنگدانه های مصنوعی (Synthetic Pigments) بیشتر احساس شد.البته دستیابی به طیف وسیعی از رنگها و جلوه های جدید نیز، دیگر به کمک رنگدانه های طبیعی میسر نبود.

         با پیشرفت صنعت و افزایش میزان تولیدات انواع محصولات سرامیکی، لازم شد که مشکلات رنگدانه های طبیعی برطرف شود.از اینرو رنگدانه های مصنوعی در مقیاس انبوه جهت مصرف صنایع مختلف تولید گردید.به تدریج با ظهور فناوریهای نوین نظیر”فناوری چاپ دیجیتال”نیاز به تولید جوهرهای چاپ حاوی”نانو رنگدانه ها”احساس گردید.

از آنجا که دیگر رنگدانه های سرامیکی سنتزی جوابگوی نیازهای فناوریهای جدید نیستند، لازم است روشهای نوین سنتز”نانو رنگدانه ها”نیز طراحی و اجرا گردد.در این بخش، ابتدا به کاربرد، خواص و ساختار انواع رنگدانه های مهم سرامیکی می پردازیم.در ادامه نیز به موضوعات مربوط به جوهرهای چاپ دیجیتال خواهیم پرداخت. 

کاربردها:

رنگدانه ها در صنعت کاشی در کاربردهای ذیل استفاده میشوند:

1- رنگی کردن گرانول و به طبع آن رنگی شدن بدنه.

2- رنگی کردن لعاب و انگوب.

3- ساخت خمیر چاپ رنگی جهت ایجاد طرح های رولعابی و زیرلعابی.

4- افزایش سفیدی بدنه به کمک رنگدانه های سفید و اپک کننده.

5- استفاده از کمپلکسهای فلزی(Metal Complex) به صورت محلول، جهت ایجاد طرح در بدنه های گرانیتی.

6- جوهرهای چاپ دیجیتال حاوی نانو رنگدانه های سرامیکی .

     در کاربردهای 1 الی 4 اغلب از رنگدانه های مصنوعی و اکسیدی استفاده میشود.اما امروزه از کمپلکس های فلزی نیز جهت تزئین بدنههای گرانیتی استفاده فراوانی میشود.

در گذشته، در این کاربرد از نمکهای محلول (Soluble Salts) استفاده میشد که به تدریج جای خود را به کمپلکسهای فلزی دادند.

البته در حال حاضر نیز، این مواد را با نام نمک های محلول میشناسند که بهتر است، چنین نامی با کمپلکسهای فلزی جایگزین شود.این نوع رنگدانه ها پس از نفوذ دادن در سطح بدنه خام، در حین پخت با بدنه واکنش میدهند.

حضور کاتیونهای فلزی در فاز شیشه و یا رسوب اکسیدهای رنگی آنها باعث ایجاد نقاط رنگی در بدنه میشود.

جوهرهای چاپ دیجیتال پیچیدگی بیشتری دارند.در ترکیب این جوهرها لازم است که از نانو رنگدانه ها و یا اینکه از کمپلکسهای فلزی استفاده شود.

       همانطور که ملاحظه میشود در اغلب کاربردها، از رنگدانه های سرامیکی مصنوعی جهت تزیین لعاب و بدنه های کاشی استفاده میشود. در بخش بعدی سعی میشود که به خواص و ساختار این رنگدانه ها بپردازیم. البته تنوع رنگدانه ها با خواص و ساختار مختلف بسیار زیاد است و در این مجال پرداختن به همگی آنها امکانپذیر نیست و تنها مطالبی در خصوص انواع مهم رنگدانه ها که کاربرد بیشتری دارند بیان خواهد شد.

آشنایی با ساختار، ترکیب و روش ساخت رنگدانه های سرامیکی کمک خواهد نمود که محدودیت های استفاده از این رنگدانهها در جوهرهای چاپ دیجیتال آسانتر درک شود.

ساختار و خواص رنگدانه ها

همانطور که اشاره شد، جهت غلبه برمشکلات رنگدانه های طبیعی، رنگدانه های مصنوعی با ساختار پیچیده و خواص ویژه توسعه یافتند.این رنگدانه ها با خلوص و یکنواختی بالایی تولید میشوند.

چنین رنگدانه هایی که اصطلاحاً رنگدانه های غیرآلی پیچیده (CICP: Complex Inorganic Colored Pigments) نیز نامیده میشوند، قابلیت فرموله شدن دارند، بطوریکه طیف وسیعی از رنگها را بتوان با آنها تولید کرد.

پایداری حرارتی و شیمیایی بالاتری نسبت به رنگدانه-های طبیعی دارند که در نتیجه میتوان از آنها در دماهای بالاتر نیز استفاده کرد.

در ادامه به بررسی رنگدانه های CICP و همچنین تعدادی از رنگدانه های ویژه مورد مصرف در صنعت کاشی میپردازیم.

رنگدانه های ساختاری (Structural Pigments) :

در این نوع رنگدانه ها، عامل رنگزا جزئی از ساختار میباشد.بطور مثال، عامل رنگزای کبالت بصورت اکسیدی با Al2O3 ساختاری تشکیل میدهند به نام  اسپینل(Spinel). ساختار اسپینل خود رنگی است. فرمول شیمیایی این ساختار از یک یون دو ظرفیتی (+Co2) و یک یون سه ظرفیتی (+Al3) فلزی تشکیل شده است و بصورت CoO.Al2O3 نوشته میشود.

معمولاً یون دو ظرفیتی عامل ایجاد رنگ میباشد.در این ساختار، اکسیژنها در مواضع شبکه حضور دارند و کاتیونهای فلزی مواضع بیننشین چهاروجهی و هشت وجهی را پر میکنند.

رنگدانه های محلول جامد (Solid Solution Pigments)

در این نوع رنگدانه ها، عامل رنگزا (کاتیونهای فلزی) جایگزین یکی از یونهای شبکه میشوند. کیفیت رنگدانه بر اساس مقدار جایگزینی میتواند متفاوت باشد.

در رنگدانه های محلول جامد، ساختار اصلی بیرنگ است و با اضافه شدن یون رنگی، و جایگزینی این یون به صورت جانشینی و یا بین نشینی، رنگ ایجاد میشود.به طور مثال، با اضافه شدن وانادیم به ساختار زیرکون، رنگ فیروزهای بدست میآید؛ در حالیکه خود زیرکون سفید رنگ میباشد.

در اینجا میتوان از ساختارهای پایداری مانند زیرکون (ZrSiO4)،  روتایل(TiO2)و  یا سیلیکا(SiO2) جهت ساخت رنگدانه های محلول جامد استفاده کرد. ثابت شده است که بهترین محمل جهت حضور عوامل رنگزا، ساختار زیرکون است.

زیرکون پایداری شیمیایی و حرارتی بسیار خوبی در لعاب و بدنه دارد و حضور یونهای مختلف رنگی در ساختار آن طیف وسیعی از رنگها را ایجاد میکند. 

رنگدانه های جذبی یا اینکلوژن (Absorption Pigments)

مقاله رنگدانه های سرامیکی

رنگدانه های متعلق به این گروه از دو یا چند جزء غیر قابل حل تشکیل شده اند که از نقطه نظر ایجاد رنگ، به عنوان یک واحد ارائه دهنده رنگ در نظر گرفته میشوند.

در این نوع رنگدانه ها، رنگ در اثر ورود عامل رنگی به ساختار کریستالی یا تشکیل محلول جامد ایجاد نمیشود؛ بلکه ساختاری که عامل ایجاد رنگ میباشد، در یک ماتریکس پایدار محبوس شده است.این ماتریکس میتواند در اثر یک فرآیند پخت در حین تولید رنگدانه، عامل رنگزا را احاطه کند.

یکی از اهداف تشکیل این ماتریکس در اطراف عامل رنگزا، محافظت از عامل رنگزا میباشد؛ بطوریکه رنگدانه بتواند درجه حرارتهای بالاتری را تحمل کند.

دو مثال مهم از این نوع رنگدانه ها، محبوس شدن دو عامل رنگی ( Cd(Sx,Se1-xوFe2O3 در ماتریکس زیرکون میباشد.کادمیم-سولفور-سلناید محبوس شده در زیرکون باعث ایجاد رنگی در محدوده زرد( در1=xو مربوط بهCdS)، نارنجی تا قرمز تیره(در0/5=xو مربوط به محلول جامد حاوی 50درصد CdS و 50درصد CdSe ) میشود.

هماتیت محبوس شده با زیرکون نیز رنگ صورتی ایجاد میکند.چنین رنگدانه هایی به اصطلاح اینکلوژن (Inclusion) نامیده میشوند.در ادامه به اختصار به فرآیند تولید این رنگدانه های مهم میپردازیم تا ساختار آنها نیز بیشتر توضیح داده شود. 

ابتدا جهت ساخت اینکلوژنها، اکسید زیرکونیم، سیلیکا، عوامل رنگزا و مینرالایزرها (Mineralizers) با هم مخلوط میشوند. در مرحله اول، در محدوده دمایی حدود C°900 زیرکون (ZrSiO4 ) از واکنش بین ZrO2 ، SiO2 و  مینرالایزر تشکیل میگردد. همچنین کریستال  هگزاگونال (Cd(Sx,Se1-x از واکنش CdS و SeCO3 تشکیل میگردد.

در مرحله دوم (Cd(SxSe1-x توسط زیرکون و در حضور فاز مایع محبوس میشود. در واقع فاز مایع به آرایش مجدد ذرات زیرکون  از طریق مکانیزم حل شدن و رسوب مجدد (Precipitation and Solution) در اطراف عامل رنگی کمک میکند. مینرالایزرها نقش مهمی را در تولید رنگدانه ایفا میکنند؛ زیرا باعث کاهش درجه حرارت تشکیل زیرکون و افزایش سرعت واکنشها با ایجاد یک فاز سیال میشوند.

مولیبداتها و بوراتها مثالهایی از انواع مینرالایزرها هستند.شکل 1 نمایی شماتیک از نحوه تشکیل اینکلوژن کادمیم-سولفور-سلناید را نشان میدهد. 

فناوری چاپ دیجیتال رنگدانه های طبیعی رنگدانه های مصنوعی رنگ لعاب رنگدانه سنتی رنگ سنجی صنعت کاشی جوهر هی چاپی

رنگدانه های ویژه :

   علاوه بر رنگدانه های طبیعی و CICP، رنگدانه های دیگری با کاربردهای ویژه موجود است که به نوبه خود اهمیت خاصی در تزئین محصولات سرامیکی دارند.این رنگدانه ها عبارتند از: 

رنگدانه های سفید و اپک کننده : در اینجا میتوان جهت دستیابی به چاپهای سفید براق و یا سفید کردن بدنه از زیرکون، دی اکسید تیتانیم و اکسید قلع استفاده کرد.اکسید قلع بیشترین قدرت سفیدکنندگی را دارد، اما قیمت آن بالاتر است.

سوسپانسیون های کلوئیدی از فلزات: فلزات نجیب مثل طلا، نقره، پلاتین و پالادیم حلالیت کمی در زمینه شیشه ای لعاب از خود نشان میدهند.برای استفاده از جلوه طبیعی این فلزات، مقدار مشخصی از فلز را بصورت یونی یا ترکیب ارگانومتالیک وارد لعاب میکنند.پس از پخت، خوشههای فلزی با حالت اکسیداسیون صفر (فلز) تشکیل می شوند.در این حالت، با استفاده از طلا، رنگ قرمز و با استفاده از نقره، رنگ زرد را میتوان ایجاد کرد. 

لوسترها(Lusters): این مواد ترکیبی از فلزات و صمق ها (Metals-Resinates) میباشند که در روغن های ویژه قرار دارند.پس از پخت در دماهای پایین و احیای عامل فلزی، این مواد باعث ایجاد یک ظاهر رنگین کمانی(Iridescent Effect) یا ظاهری فلزی میشوند.همچنین این مواد میتوانند ظاهری مرمری و یا حالت ترکدار (Crackleware) نیز داشته باشند.

امروزه استفاده از رنگدانه های بر پایه میکا نیز گسترش یافته است.در این رنگدانه ها، بر روی میکای طبیعی(موسکویت) پوششی نازک (در حد طول موج مرئی نور) از دی اکسید تیانیم (TiO2) نشانده می شود.این پوشش، باعث تداخل و تشدید نور بازتابی از سطح رنگدانه میگردد. در این حالت، می توان رنگدانه را با حالت رنگین کمانی و یا تک رنگ همراه با درخشش نور در یک زاویه خاص مشاهده کرد.کاربرد وسیع این نوع رنگدانه ها در دماهای پایین و جهت تولید کاشیهای دکوری در شرایط پخت سوم است. 

رنگدانه های فسفرسانس ( Phosphorescence pigments):

 این مواد با استفاده از سولفیدهای کادمیم، روی و فلزات قلیایی خاکی ساخته میشوند.مواد لومینسانس (Luminescence) ، نور تابشی را به نوری با طول موج های بالاتر تبدیل میکنند. اگر این  تبدیلات با قطع منبع نور به صورت ناگهانی کم و ناپدید شود به این پدیده فلوروسانس (Fluorescence) میگویند.اگر تابش نور پس از قطع عامل محرک باز هم ادامه داشته باشد، این پدیده را فسفرسانس (Phosphorescence) می نامند.

این مواد برای لعاب هایی که در دماهای پایین و مدت زمانهای کوتاه پخت میشوند، مناسب هستند.برای این منظور، ابتدا بایستی لعاب به اندازه مناسبی آسیاب شود.

در زمان آسیاب، ورود ناخالصی هایی مثل آهن، نیکل، سرب و کبالت (حتی در مقادیر کم) بسیار مضر میباشد؛ زیرا این مواد به شدت امواج ماوراء بنفش را که عامل ایجاد پدیده فسفرسانس میباشند را جذب میکنند.به همین دلیل بایستی از آلژیناتها (Alginates) که ناخالصی کمتری دارند، به جای بنتونیت به عنوان عامل معلق ساز استفاده شود.

اضافه کردن رنگدانه های فسفرسانس باید در آخرین مرحله آسیاب صورت گیرد.مدت زمان پدیده فسفرسانس برای رنگ سبز (سولفور روی) نسبت به رنگ زرد و قرمز (سولفور کادمیم و روی) بیشتر میباشد.هر چه درجه حرارت پخت بالاتر رود، شدت و زمان پدیده فسفرسانس کاهش مییابد.

مقاله رنگدانه های سرامیکی در صنعت کاشی

انتخاب رنگدانه های مناسب برای دستیابی به یک رنگ دلخواه، بایستی با در نظر گرفتن کلیه متغیرهای ترکیبی و تولیدی انجام شود.

پایداری دمایی رنگ، تأثیر ترکیب لعاب و بدنه بر روی رنگ نهایی، اندازه ذرات رنگدانه، ناخالصیها، قیمت و…پارامترهای مهمی هستند که باید در هنگام انتخاب رنگدانه لحاظ شوند.علاوه بر این، باید پیچیدگی های فناوری های نوین مانند چاپ دیجیتال در استفاده از نانو رنگدانه ها را نیز اضافه نمود.

در جدول 2 انواع مختلف رنگدانه های مورد استفاده در لعاب آورده شده است.در این جدول، دمای پایداری و اثر ترکیب لعاب بر رنگ نهایی نیز عنوان شده است.رنگدانه های بدنه را نیز میتوان از این گروه رنگها انتخاب کرد.

اما استفاده از رنگدانه با خلوص بالا در بدنه لازم نیست ؛ زیرا واکنش پذیری بدنه با رنگدانه و حساسیت به شید رنگی کمتر است . در بدنه، رنگدانه های با خلوص کمتر و در نتیجه ارزانتر استفاده میشود.

فناوری چاپ دیجیتال رنگدانه های طبیعی
رنگدانه های طبیعی رنگدانه های مصنوعی رنگ لعاب رنگدانه سنتی
فناوری چاپ دیجیتال رنگدانه های طبیعی
رنگدانه های طبیعی رنگدانه های مصنوعی
فناوری چاپ دیجیتال رنگدانه های طبیعی

روش رایج در آماده سازی رنگ

جهت رنگی کردن لعاب، انگوب و بدنه میتوان رنگدانه ها را مستقیماً به فرمول آمیز لعاب، انگوب و یا دوغاب بدنه اضافه نمود.

پس از فرآیند سایش و گرانولسازی، لعاب، انگوب و گرانول رنگی بدست میآید.اما برای تهیه خمیر چاپ (Printing Paste) مورد مصرف در دکوراسیون رولعابی و زیرلعابی، لازم است که رنگدانه همراه با افزودنی های خاصی مخلوط و آماده گردد.

آماده کردن صحیح خمیر چاپ از آن جهت اهمیت بسیاری دارد که بتوان به راحتی از آن جهت چاپ زدن به کمک انواع دستگاههای دکوراسیون (چاپ تخت، روتاری و چاپ دیجیتال ) استفاده کرد. بطور کلی، خمیر چاپ مورد مصرف در چاپ تخت و روتاری شامل اجزای ذیل میباشد:

1- فریت میکرونی براق، مات و یا لوستری (معروف به پودرهای چاپ) :  60-40 قسمت وزنی از خمیر چاپ.
2- کائولن و سایر افزودنیها جهت کنترل سرعت خشک شدن و رئولوژی خمیر چاپ در حدود 10-5 قسمت وزنی از خمیر چاپ.
3- رنگدانه ها: 20-0 قسمت وزنی از خمیر چاپ.
4- روغن چاپ (معمولاً ترکیبات گلیکول مانند مونو و دی اتیلن گلیکول) : 60-40 قسمت وزنی .

بطور کلی و به عنوان مثال میتوان گفت که حدود 20-0 گرم رنگدانه را میتوان به مخلوط  55 گرم پودر چاپ و 45 گرم روغن چاپ، جهت ساخت حدود 100 گرم خمیر چاپ اضافه نمود.

مقاله رنگدانه های سرامیکی در صنعت کاشی

رنگ سنجی

چشم انسان اولین ابزاری است که میتوان از آن برای تشخیص رنگ و کنترل آن استفاده نمود . اما چشم، رنگ را بطور کیفی میببیند و به کمک مغز به ما میگوید که آیا رنگ مد نظر دیده میشود یا خیر.مقایسه کیفی چشم خطای زیادی دارد و قابل استناد و تکرار پذیر نیست. مشاهدات و تحلیل هر فردی با دیگری نیز متفاوت است.بنابراین، در صنعت به ابزاری نیاز داریم تا بتوان به کمک آن تشخیص رنگ را کمی کرده و به کمک اعداد و ارقام، رنگ مد نظر خود را بیان کنیم.ابزاری که امروزه کاربرد بسیار زیادی جهت رنگ سنجی پیدا کرده است اسپکتروفوتومتر (Spectrophotometer)  نام دارد.شکل 2 تصویری از دستگاه اسپکتروفوتومتر را به همراه منحنی رسم شده توسط این ابزار در خصوص شدت طول موجهای نور مرئی دریافتی از یک جسم زرد را نشان میدهد.

صنعت کاشی جوهر هی چاپی

این ابزار، ابتدا طول موجهای ساطع شده از یک جسم را تحلیل میکند و رنگ جسم را در یک مختصات سه بعدی (a,b,L) نشان میدهد؛ بطوریکه +a بیانگر میزان قرمزی ،   +b بیانگر میزان زردی ،  a- میزان سبزی  ، -b میزان آبی ، L نشانگر مقدار روشنایی رنگ است. چنین مختصاتی در شکل 3 رسم شده است. 

فناوری چاپ دیجیتال

مختصات رنگی هر نوع رنگدانه را میتوان با کمک دستگاه اسپکتروفوتومتر در مختصات (a,b,L) بیان نمود. بنابراین، جهت مقایسه دو رنگدانه میتوان مختصات رنگی آنها را به راحتی با یکدیگر مقایسه کرد. به عنوان مثال، اگر یک رنگ قرمزی بیشتری داشته باشد، a آن بیشتر و اگر سبزتر باشد a آن منفی تر است.

همچنین هرچقدر L به 100 نزدیکتر باشد مبین آن است که رنگ، شفافیت بیشتری دارد.

در هنگام کنترل کیفیت رنگدانه ها، مختصات رنگی رنگدانه جدید با نمونه مرجع مقایسه میشود.

اگر اختلاف فاصله مختصات رنگی این دو نمونه (ΔE) بیشتر از یک باشد میتوان عنوان کرد که نمونه با مرجع متفاوت است و رد میباشد.مقدار ΔE  به کمک دستگاه محاسبه میگردد و معیاری برای تعیین انطابق رنگی است.با توجه به دقت کار، میتوان حد ΔE را بین 2-1 انتخاب کرد. در ادامه و به کمک شکل 4 مختصات رنگی تعدادی از رنگدانه های رایج مورد مصرف در صنعت کاشی نشان داده شده است.

مقاله رنگدانه های سرامیکی

فناوری چاپ دیجیتال

 

برگشت به بالا
فروشگاه آنلاین کاشی و سرامیک