رنگدانه های سراميكی در صنعت كاشی

رنگدانه های سراميكی و سمينار آشنايي با فناوري چاپ ديجيتال

تهیه و تنظیم : مازیار منتظریان

رنگدانه هاي سراميكي

هنر استفاده از رنگدانه های سراميكی جهت تزئين محصولات سراميكي، در ايران و جهان قدمت تاريخي دارد. گذشتگان ما به درستي از انواع رنگدانه هاي طبيعي جهت ايجاد نقش و نگارهاي بسيار زيبا بر روي كاشي هاي مساجد، مراكز مذهبي و منازل استفاده ميكردند.

رنگدانه های سراميكی در صنعت كاشی :

علم آنها در خصوص رنگدانه و ايجاد انواع رنگ در حين پخت، شگفت انگيز بوده است و آن را بصورت تجربي به نسلهاي بعدي منتقل ميكردند.

البته مستندات مكتوب اندكي در خصوص هنر و مهارت ايشان از چگونگي استفاده از رنگدانه های سراميكي طبيعي موجود است.ايشان از فلزات رنگي، اكسيدها و نمكهاي مختلف جهت رنگي كردن لعاب و بدنه استفاده ميكردند.

آنها به كمك مهارت خود و تغيير شرايط كوره و تركيب لعاب، طيف وسيعي از رنگها را ايجاد ميكردند.در جدول 1 نوع و كاربرد تعدادي 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 سراميكي طبیعی مشكلات فراواني جهت استفاده در توليدات انبوه امروزي دارند.منابع طبيعي آنها بسيار محدود است و كنترل يكنواختي تركيب رنگدانه هاي طبيعي بسيار مشكل است.

اين مواد طبيعي، پايداري دمايي كمي دارند و با پيشرفت فناوري و افزايش دماي پخت، نياز به توليد رنگدانه هاي مصنوعي (Synthetic Pigments) بيشتر احساس شد.البته دستيابي به طيف وسيعي از رنگها و جلوه هاي جديد نيز، ديگر به كمك رنگدانه هاي طبيعي ميسر نبود.

         با پيشرفت صنعت و افزايش ميزان توليدات انواع محصولات سراميكي، لازم شد كه مشكلات رنگدانه هاي طبيعي برطرف شود.از اينرو رنگدانه هاي مصنوعي در مقياس انبوه جهت مصرف صنايع مختلف توليد گرديد.به تدريج با ظهور فناوريهاي نوين نظير”فناوري چاپ ديجيتال”نياز به توليد جوهرهاي چاپ حاوي”نانو رنگدانه ها”احساس گرديد.

از آنجا كه ديگر رنگدانه هاي سراميكي سنتزي جوابگوي نيازهاي فناوريهاي جديد نيستند، لازم است روشهاي نوين سنتز”نانو رنگدانه ها”نيز طراحي و اجرا گردد.در اين بخش، ابتدا به كاربرد، خواص و ساختار انواع رنگدانه هاي مهم سراميكي مي پردازيم.در ادامه نيز به موضوعات مربوط به جوهرهاي چاپ ديجيتال خواهيم پرداخت. 

كاربردها:

رنگدانه ها در صنعت كاشي در كاربردهاي ذيل استفاده ميشوند:

1- رنگي كردن گرانول و به طبع آن رنگي شدن بدنه.

2- رنگي كردن لعاب و انگوب.

3- ساخت خمير چاپ رنگي جهت ايجاد طرح هاي رولعابي و زيرلعابي.

4- افزايش سفيدي بدنه به كمك رنگدانه هاي سفيد و اپك كننده.

5- استفاده از كمپلكسهاي فلزي(Metal Complex) به صورت محلول، جهت ايجاد طرح در بدنه هاي گرانيتي.

6- جوهرهاي چاپ ديجيتال حاوي نانو رنگدانه های سراميكی .

     در كاربردهاي 1 الي 4 اغلب از رنگدانه های مصنوعي و اكسيدي استفاده ميشود.اما امروزه از كمپلكس هاي فلزي نيز جهت تزئين بدنههاي گرانيتي استفاده فراواني ميشود.

در گذشته، در اين كاربرد از نمكهاي محلول (Soluble Salts) استفاده ميشد كه به تدريج جاي خود را به كمپلكسهاي فلزي دادند.

البته در حال حاضر نيز، اين مواد را با نام نمك هاي محلول ميشناسند كه بهتر است، چنين نامي با كمپلكسهاي فلزي جايگزين شود.اين نوع رنگدانه ها پس از نفوذ دادن در سطح بدنه خام، در حين پخت با بدنه واكنش ميدهند.

حضور كاتيونهاي فلزي در فاز شيشه و يا رسوب اكسيدهاي رنگي آنها باعث ايجاد نقاط رنگي در بدنه ميشود.

جوهرهاي چاپ ديجيتال پيچيدگي بيشتري دارند.در تركيب اين جوهرها لازم است كه از نانو رنگدانه ها و يا اينكه از كمپلكسهاي فلزي استفاده شود.

       همانطور كه ملاحظه ميشود در اغلب كاربردها، از رنگدانه هاي سراميكي مصنوعي جهت تزيين لعاب و بدنه هاي كاشي استفاده ميشود. در بخش بعدي سعي ميشود كه به خواص و ساختار اين رنگدانه ها بپردازيم. البته تنوع رنگدانه ها با خواص و ساختار مختلف بسيار زياد است و در اين مجال پرداختن به همگي آنها امكانپذير نيست و تنها مطالبي در خصوص انواع مهم رنگدانه ها كه كاربرد بيشتري دارند بيان خواهد شد.

آشنايي با ساختار، تركيب و روش ساخت رنگدانه هاي سراميكي كمك خواهد نمود كه محدوديت هاي استفاده از اين رنگدانهها در جوهرهاي چاپ ديجيتال آسانتر درك شود.

ساختار و خواص رنگدانه ها

همانطور كه اشاره شد، جهت غلبه برمشكلات رنگدانه هاي طبيعي، رنگدانه هاي مصنوعي با ساختار پيچيده و خواص ويژه توسعه يافتند.اين رنگدانه ها با خلوص و يكنواختي بالايي توليد ميشوند.

چنين رنگدانه هايي كه اصطلاحاً رنگدانه هاي غيرآلي پيچيده (CICP: Complex Inorganic Colored Pigments) نيز ناميده ميشوند، قابليت فرموله شدن دارند، بطوريكه طيف وسيعي از رنگها را بتوان با آنها توليد كرد.

پايداري حرارتي و شيميايي بالاتري نسبت به رنگدانه-هاي طبيعي دارند كه در نتيجه ميتوان از آنها در دماهاي بالاتر نيز استفاده كرد.

در ادامه به بررسي رنگدانه هاي CICP و همچنين تعدادي از رنگدانه هاي ويژه مورد مصرف در صنعت كاشي ميپردازيم.

رنگدانه هاي ساختاري (Structural Pigments) :

در اين نوع رنگدانه ها، عامل رنگزا جزئي از ساختار ميباشد.بطور مثال، عامل رنگزاي كبالت بصورت اكسيدي با Al2O3 ساختاري تشكيل ميدهند به نام  اسپينل(Spinel). ساختار اسپينل خود رنگي است. فرمول شيميايي اين ساختار از يك يون دو ظرفيتي (+Co2) و يك يون سه ظرفيتي (+Al3) فلزي تشكيل شده است و بصورت CoO.Al2O3 نوشته ميشود.

معمولاً يون دو ظرفيتي عامل ايجاد رنگ ميباشد.در اين ساختار، اكسيژنها در مواضع شبكه حضور دارند و كاتيونهاي فلزي مواضع بيننشين چهاروجهي و هشت وجهي را پر ميكنند.

رنگدانه هاي محلول جامد (Solid Solution Pigments)

در اين نوع رنگدانه ها، عامل رنگزا (كاتيونهاي فلزي) جايگزين يكي از يونهاي شبكه ميشوند. كيفيت رنگدانه بر اساس مقدار جايگزيني ميتواند متفاوت باشد.

در رنگدانه هاي محلول جامد، ساختار اصلي بيرنگ است و با اضافه شدن يون رنگي، و جايگزيني اين يون به صورت جانشيني و يا بين نشيني، رنگ ايجاد ميشود.به طور مثال، با اضافه شدن واناديم به ساختار زيركون، رنگ فيروزهاي بدست ميآيد؛ در حاليكه خود زيركون سفيد رنگ ميباشد.

در اينجا ميتوان از ساختارهاي پايداري مانند زيركون (ZrSiO4)،  روتايل(TiO2)و  يا سيليكا(SiO2) جهت ساخت رنگدانه هاي محلول جامد استفاده كرد. ثابت شده است كه بهترين محمل جهت حضور عوامل رنگزا، ساختار زيركون است.

زيركون پايداري شيميايي و حرارتي بسيار خوبي در لعاب و بدنه دارد و حضور يونهاي مختلف رنگي در ساختار آن طيف وسيعي از رنگها را ايجاد ميكند. 

رنگدانه های جذبي يا اينكلوژن (Absorption Pigments)

مقاله رنگدانه های سراميكی

رنگدانه هاي متعلق به اين گروه از دو يا چند جزء غير قابل حل تشكيل شده اند كه از نقطه نظر ايجاد رنگ، به عنوان يك واحد ارائه دهنده رنگ در نظر گرفته ميشوند.

در اين نوع رنگدانه ها، رنگ در اثر ورود عامل رنگي به ساختار كريستالي يا تشكيل محلول جامد ايجاد نميشود؛ بلكه ساختاري كه عامل ايجاد رنگ ميباشد، در يك ماتريكس پايدار محبوس شده است.اين ماتريكس ميتواند در اثر يك فرآيند پخت در حين توليد رنگدانه، عامل رنگزا را احاطه كند.

يكي از اهداف تشكيل اين ماتريكس در اطراف عامل رنگزا، محافظت از عامل رنگزا ميباشد؛ بطوريكه رنگدانه بتواند درجه حرارتهاي بالاتري را تحمل كند.

دو مثال مهم از اين نوع رنگدانه ها، محبوس شدن دو عامل رنگي ( Cd(Sx,Se1-xوFe2O3 در ماتريكس زيركون ميباشد.كادميم-سولفور-سلنايد محبوس شده در زيركون باعث ايجاد رنگي در محدوده زرد( در1=xو مربوط بهCdS)، نارنجي تا قرمز تيره(در0/5=xو مربوط به محلول جامد حاوي 50درصد CdS و 50درصد CdSe ) ميشود.

هماتيت محبوس شده با زيركون نيز رنگ صورتي ايجاد ميكند.چنين رنگدانه هايي به اصطلاح اينكلوژن (Inclusion) ناميده ميشوند.در ادامه به اختصار به فرآيند توليد اين رنگدانه هاي مهم ميپردازيم تا ساختار آنها نيز بيشتر توضيح داده شود. 

ابتدا جهت ساخت اينكلوژنها، اكسيد زيركونيم، سيليكا، عوامل رنگزا و مينرالايزرها (Mineralizers) با هم مخلوط ميشوند. در مرحله اول، در محدوده دمايي حدود C°900 زيركون (ZrSiO4 ) از واكنش بين ZrO2 ، SiO2 و  مينرالايزر تشكيل ميگردد. همچنين كريستال  هگزاگونال (Cd(Sx,Se1-x از واكنش CdS و SeCO3 تشكيل ميگردد.

در مرحله دوم (Cd(SxSe1-x توسط زيركون و در حضور فاز مايع محبوس ميشود. در واقع فاز مايع به آرايش مجدد ذرات زيركون  از طريق مكانيزم حل شدن و رسوب مجدد (Precipitation and Solution) در اطراف عامل رنگي كمك ميكند. مينرالايزرها نقش مهمي را در توليد رنگدانه ايفا ميكنند؛ زيرا باعث كاهش درجه حرارت تشكيل زيركون و افزايش سرعت واكنشها با ايجاد يك فاز سيال ميشوند.

موليبداتها و بوراتها مثالهايي از انواع مينرالايزرها هستند.شكل 1 نمايي شماتيك از نحوه تشكيل اينكلوژن كادميم-سولفور-سلنايد را نشان ميدهد. 

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

رنگدانه های ويژه :

   علاوه بر رنگدانه هاي طبيعي و CICP، رنگدانه هاي ديگري با كاربردهاي ويژه موجود است كه به نوبه خود اهميت خاصي در تزئين محصولات سراميكي دارند.اين رنگدانه ها عبارتند از: 

رنگدانه هاي سفيد و اپك كننده : در اينجا ميتوان جهت دستيابي به چاپهاي سفيد براق و يا سفيد كردن بدنه از زيركون، دي اكسيد تيتانيم و اكسيد قلع استفاده كرد.اكسيد قلع بيشترين قدرت سفيدكنندگي را دارد، اما قيمت آن بالاتر است.

سوسپانسيون هاي كلوئيدي از فلزات: فلزات نجيب مثل طلا، نقره، پلاتين و پالاديم حلاليت كمي در زمينه شيشه اي لعاب از خود نشان ميدهند.براي استفاده از جلوه طبيعي اين فلزات، مقدار مشخصي از فلز را بصورت يوني يا تركيب ارگانومتاليك وارد لعاب ميكنند.پس از پخت، خوشههاي فلزي با حالت اكسيداسيون صفر (فلز) تشكيل مي شوند.در اين حالت، با استفاده از طلا، رنگ قرمز و با استفاده از نقره، رنگ زرد را ميتوان ايجاد كرد. 

لوسترها(Lusters): اين مواد تركيبي از فلزات و صمق ها (Metals-Resinates) ميباشند كه در روغن هاي ويژه قرار دارند.پس از پخت در دماهاي پايين و احياي عامل فلزي، اين مواد باعث ايجاد يك ظاهر رنگين كماني(Iridescent Effect) يا ظاهري فلزي ميشوند.همچنين اين مواد ميتوانند ظاهري مرمري و يا حالت تركدار (Crackleware) نيز داشته باشند.

امروزه استفاده از رنگدانه هاي بر پايه ميكا نيز گسترش يافته است.در اين رنگدانه ها، بر روي ميكاي طبيعي(موسكويت) پوششي نازك (در حد طول موج مرئي نور) از دي اكسيد تيانيم (TiO2) نشانده مي شود.اين پوشش، باعث تداخل و تشديد نور بازتابي از سطح رنگدانه ميگردد. در اين حالت، مي توان رنگدانه را با حالت رنگين كماني و يا تك رنگ همراه با درخشش نور در يك زاويه خاص مشاهده كرد.كاربرد وسيع اين نوع رنگدانه ها در دماهاي پايين و جهت توليد كاشيهاي دكوري در شرايط پخت سوم است. 

رنگدانه های فسفرسانس ( Phosphorescence pigments):

 اين مواد با استفاده از سولفيدهاي كادميم، روي و فلزات قليايي خاكي ساخته ميشوند.مواد لومينسانس (Luminescence) ، نور تابشي را به نوري با طول موج هاي بالاتر تبديل ميكنند. اگر اين  تبديلات با قطع منبع نور به صورت ناگهاني كم و ناپديد شود به اين پديده فلوروسانس (Fluorescence) ميگويند.اگر تابش نور پس از قطع عامل محرك باز هم ادامه داشته باشد، اين پديده را فسفرسانس (Phosphorescence) مي نامند.

اين مواد براي لعاب هايي كه در دماهاي پايين و مدت زمانهاي كوتاه پخت ميشوند، مناسب هستند.براي اين منظور، ابتدا بايستي لعاب به اندازه مناسبي آسياب شود.

در زمان آسياب، ورود ناخالصي هايي مثل آهن، نيكل، سرب و كبالت (حتي در مقادير كم) بسيار مضر ميباشد؛ زيرا اين مواد به شدت امواج ماوراء بنفش را كه عامل ايجاد پديده فسفرسانس ميباشند را جذب ميكنند.به همين دليل بايستي از آلژيناتها (Alginates) كه ناخالصي كمتري دارند، به جاي بنتونيت به عنوان عامل معلق ساز استفاده شود.

اضافه كردن رنگدانه هاي فسفرسانس بايد در آخرين مرحله آسياب صورت گيرد.مدت زمان پديده فسفرسانس براي رنگ سبز (سولفور روي) نسبت به رنگ زرد و قرمز (سولفور كادميم و روي) بيشتر ميباشد.هر چه درجه حرارت پخت بالاتر رود، شدت و زمان پديده فسفرسانس كاهش مييابد.

مقاله رنگدانه های سراميكی در صنعت كاشي

انتخاب رنگدانه هاي مناسب براي دستيابي به يك رنگ دلخواه، بايستي با در نظر گرفتن كليه متغيرهاي تركيبي و توليدي انجام شود.

پايداري دمايي رنگ، تأثير تركيب لعاب و بدنه بر روي رنگ نهايي، اندازه ذرات رنگدانه، ناخالصيها، قيمت و…پارامترهاي مهمي هستند كه بايد در هنگام انتخاب رنگدانه لحاظ شوند.علاوه بر اين، بايد پيچيدگي هاي فناوري هاي نوين مانند چاپ ديجيتال در استفاده از نانو رنگدانه ها را نيز اضافه نمود.

در جدول 2 انواع مختلف رنگدانه هاي مورد استفاده در لعاب آورده شده است.در اين جدول، دماي پايداري و اثر تركيب لعاب بر رنگ نهايي نيز عنوان شده است.رنگدانه هاي بدنه را نيز ميتوان از اين گروه رنگها انتخاب كرد.

اما استفاده از رنگدانه با خلوص بالا در بدنه لازم نيست ؛ زيرا واكنش پذيري بدنه با رنگدانه و حساسيت به شيد رنگي كمتر است . در بدنه، رنگدانه هاي با خلوص كمتر و در نتيجه ارزانتر استفاده ميشود.

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 رايج در آماده سازی رنگ

جهت رنگی كردن لعاب، انگوب و بدنه ميتوان رنگدانه ها را مستقيماً به فرمول آميز لعاب، انگوب و يا دوغاب بدنه اضافه نمود.

پس از فرآيند سايش و گرانولسازي، لعاب، انگوب و گرانول رنگي بدست ميآيد.اما براي تهيه خمير چاپ (Printing Paste) مورد مصرف در دكوراسيون رولعابي و زيرلعابي، لازم است كه رنگدانه همراه با افزودني هاي خاصي مخلوط و آماده گردد.

آماده كردن صحيح خمير چاپ از آن جهت اهميت بسياري دارد كه بتوان به راحتي از آن جهت چاپ زدن به كمك انواع دستگاههاي دكوراسيون (چاپ تخت، روتاري و چاپ ديجيتال ) استفاده كرد. بطور كلي، خمير چاپ مورد مصرف در چاپ تخت و روتاري شامل اجزاي ذيل ميباشد:

1- فريت ميكروني براق، مات و يا لوستري (معروف به پودرهاي چاپ) :  60-40 قسمت وزني از خمير چاپ.
2- كائولن و ساير افزودنيها جهت كنترل سرعت خشك شدن و رئولوژي خمير چاپ در حدود 10-5 قسمت وزني از خمير چاپ.
3- رنگدانه ها: 20-0 قسمت وزني از خمير چاپ.
4- روغن چاپ (معمولاً تركيبات گليكول مانند مونو و دي اتيلن گليكول) : 60-40 قسمت وزني .

بطور كلي و به عنوان مثال ميتوان گفت كه حدود 20-0 گرم رنگدانه را ميتوان به مخلوط  55 گرم پودر چاپ و 45 گرم روغن چاپ، جهت ساخت حدود 100 گرم خمير چاپ اضافه نمود.

مقاله رنگدانه های سراميكی در صنعت كاشی

رنگ سنجی

چشم انسان اولين ابزاري است كه ميتوان از آن براي تشخيص رنگ و كنترل آن استفاده نمود . اما چشم، رنگ را بطور كيفي ميببيند و به كمك مغز به ما ميگويد كه آيا رنگ مد نظر ديده ميشود يا خير.مقايسه كيفي چشم خطاي زيادي دارد و قابل استناد و تكرار پذير نيست. مشاهدات و تحليل هر فردي با ديگري نيز متفاوت است.بنابراين، در صنعت به ابزاري نياز داريم تا بتوان به كمك آن تشخيص رنگ را كمي كرده و به كمك اعداد و ارقام، رنگ مد نظر خود را بيان كنيم.ابزاري كه امروزه كاربرد بسيار زيادي جهت رنگ سنجي پيدا كرده است اسپكتروفوتومتر (Spectrophotometer)  نام دارد.شكل 2 تصويري از دستگاه اسپكتروفوتومتر را به همراه منحني رسم شده توسط اين ابزار در خصوص شدت طول موجهاي نور مرئي دريافتي از يك جسم زرد را نشان ميدهد.

صنعت کاشی جوهر هی چاپی

اين ابزار، ابتدا طول موجهاي ساطع شده از يك جسم را تحليل ميكند و رنگ جسم را در يك مختصات سه بعدي (a,b,L) نشان ميدهد؛ بطوريكه +a بيانگر ميزان قرمزي ،   +b بيانگر ميزان زردي ،  a- ميزان سبزي  ، -b ميزان آبي ، L نشانگر مقدار روشنايي رنگ است. چنين مختصاتي در شكل 3 رسم شده است. 

فناوری چاپ دیجیتال

مختصات رنگي هر نوع رنگدانه را ميتوان با كمك دستگاه اسپكتروفوتومتر در مختصات (a,b,L) بيان نمود. بنابراين، جهت مقايسه دو رنگدانه ميتوان مختصات رنگي آنها را به راحتي با يكديگر مقايسه كرد. به عنوان مثال، اگر يك رنگ قرمزي بيشتري داشته باشد، a آن بيشتر و اگر سبزتر باشد a آن منفي تر است.

همچنين هرچقدر L به 100 نزديكتر باشد مبين آن است كه رنگ، شفافيت بيشتري دارد.

در هنگام كنترل كيفيت رنگدانه ها، مختصات رنگي رنگدانه جديد با نمونه مرجع مقايسه ميشود.

اگر اختلاف فاصله مختصات رنگي اين دو نمونه (ΔE) بيشتر از يك باشد ميتوان عنوان كرد كه نمونه با مرجع متفاوت است و رد ميباشد.مقدار ΔE  به كمك دستگاه محاسبه ميگردد و معياري براي تعيين انطابق رنگي است.با توجه به دقت كار، ميتوان حد ΔE را بين 2-1 انتخاب كرد. در ادامه و به كمك شكل 4 مختصات رنگي تعدادي از رنگدانه هاي رايج مورد مصرف در صنعت كاشي نشان داده شده است.

مقاله رنگدانه های سراميكی

فناوری چاپ دیجیتال

 

برگشت به بالا
سوالی دارید ؟ در واتس اپ با ما گفتگو کنید
پشتیبانی آنلاین : WhatsApp
معمولا در عرض چند دقیقه پاسخگو خواهیم بود. با سپاس از شکیبایی شما