واژه رنگ‌دانه اصطلاحاً به ماده‌ای از ذرات ریز گفته می‌شود که به دلیل خواص رنگی، حفاظتی و یا مغناطیسی آن مورد استفاده قرار گرفته باشد و در بستری که در آن قرار می‌گیرد غیرمحلول باشد. رنگ‌دانه‌ها می‌توانند دسته‌بندی‌های متعددی داشته باشند. یکی از کاربردی‌ترین دسته‌بندی آنها بر اساس رنگ آنهاست که به رنگ‌دانه‌های سفید، رنگی، سیاه و غیره تقسیم می‌شوند. از جمله کاربردهای فراوان رنگ‌دانه‌ها می‌توان به استفاده از آنها در صنعت رنگ، پلاستیک، جوهر پرینت، نساجی، صنایع چرمی، در مصالح ساختمانی همانند آجرهای بتنی و کاشی، کاغذ، لاستیک، لوازم آرایشی، لعاب و غیره اشاره کرد. عمده تفاوت رنگ‌دانه (pigment) با مواد رنگ‌زا (dyes) در حلالیت کمتر رنگ‌دانه در حلال و متصل‌کننده‌هاست.
خواص رنگ‌دانه
برای اینکه رنگ‌دانه تولیدی بیشترین بازدهی را در عمل داشته باشد باید دارای خواص و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاصی باشد. این خواص را می‌توان به چند بخش تقسیم کرد:
- ضریب شکست (refractive index): ضریب شکست رنگ‌دانه که در حوزه خواص اپتیکی آن قرار می‌گیرد می‌بایستی بالا باشد.
- پراکندگی ذرات جامد رنگ‌دانه در رزین پلیمری: ذرات ریز رنگ‌دانه باید به طور همگن و یکنواختی داخل حلال خود پراکنده شده باشند. آگلومره شدن ذرات (چسبندگی ذرات به هم) سبب افت خواص نوری آن می‌شود.
- اندازه ذرات: اندازه ذرات نیز از جمله مواردی است که باید بهینه شود. برای مثال بهینه اندازه ذرات رنگ‌دانه تیتان در حدود میکرومتر است.
- چگالی: با توجه به اینکه چگالی در وزن نهایی محصول موثر است، رسیدن به محصولی سبک‌تر با ویژگی‌های نوری و مکانیکی بالاتر همواره مورد توجه بوده است.
- عملیات سطحی: از آنجا که همراه یافتن محصولی با تمامی خواص مناسب دشوار بوده است، عملیات سطحی یکی از روش‌هایی است که برای بهبود خواص سطحی مواد در بسیاری از کاربردها انجام می‌شود. برای افزایش یک یا گاهی چند خاصیت منحصر به فرد فیزیکی و شیمیایی، یکی از بهترین راه حل‌ها همواره عملیات سطحی بوده است. پس اینکه رنگ‌دانه نیز قابلیت عملیات سطحی را داشته باشد از مزیت‌های آن محسوب می‌شود.
رنگ‌دانه تیتان
رنگ‌دانه تیتانیوم دی‌اکسید به دلیل خواص بالای رنگ‌دانه‌ای همانند پراکنش و استحکام شیمیایی بالا در کنار غیرسمی بودن کاربرد زیادی در صنعت پیدا کرده است. به نحوی که به مهمترین و فراوان‌ترین رنگ‌دانه تولیدی تبدیل شده است. تیتانیوم دی‌اکسید چهار دگرشکل (پلی‌مورف) دارد که عبارت‌اند از: روتیل، آناتاز، بروکیت و (TiO2 (B. از نظر ساختار کریستالی، روتیل و آناتاز به صورت تتراگونال، بروکیت به صورت اورتورومبیک و (TiO2 (B ساختار مونوکلینیک دارد. از بین این دگرشکل‌ها، روتیل فشرده‌ترین حالت و کوچک‌ترین سلول واحد را دارد. همچنین از نظر ترمودینامیکی پایدارترین دگرشکل است. از نظر خواص فیزیکی، تیتانیوم دی‌اکسید دمای ذوب حدود ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد دارد. همچنین یک نیمه‌هادی حساس به نور است و اختلاف انرژی بین لایه ظرفیت و هدایت در حالت جامد در روتیل ev ۳.۰۷ و در آناتاز ev ۳.۲۹ است. بر اساس استاندارد ASTM، رنگ‌دانه تیتانیوم خود به ۴ دسته تقسیم می‌شود که فاز غالب در این دسته‌ها روتیل یا آناتاز است و به همین دلیل امروزه دو فاز روتیل و آناتاز در مقیاس صنعتی تولید می‌شوند. همچنین در دمای بالای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد، فاز آناتاز به روتیل تبدیل می‌شود.
خواص اپتیکی
تفرق (متفرق کردن) نور (light scaterring) فرآیندی است که جهت انتشار نور را بدون تغییر طول موج (تغییر رنگ) و شدت تغییر می‌دهد. سه پدیده فیزیکی برای پراکنش نور تعریف شده است که عبارتند از:
بازتاب (reflection)، شکست (refraction)، پراش (diffraction). این سه پدیده فیزیکی در شکل نشان داده شده‌اند.
به طور کلی پراکنش نور در مقابل جذب نور قرار می‌گیرد. هرچه پراکندگی نور در ذره‌ای بیشتر باشد، ذرات به سمت سفیدی می‌روند و هرچه جذب نور بیشتر باشد، ذرات به سیاهی و تیرگی متمایل می‌شوند. نکته جالب برای رنگ‌دانه تیتان این است که حدود %۷۰ پراکنش در آن به صورت پراش است که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیز نیست. نکته دیگر این است که قدرت پراکندگی نور در یک ذره با افزایش ضریب شکست در آن افزایش می‌یابد. از طرفی هرچه اختلاف ضریب شکست میان دو ذره در یک بستر بیشتر باشد، میزان پراکندگی نور افزایش می‌یابد.
نکته حائز اهمیت دیگر که بر روی خواص اپتیکی تأثیرگذار است، اندازه ذرات می‌باشد. اندازه ذرات بر میزان پراکندگی نور توسط آنها موثر است. این اندازه باید به نحوی بهینه شود تا بهترین پراکنش در کنار حفظ خواص فیزیکی رنگ‌دانه به دست آید. تحقیقات نشان داده است که در مورد رنگ‌دانه تیتان، اندازه مناسب در حدود ۰.۱۵ تا ۰.۳۰ میکرومتر می‌باشد.
عیوب رنگ‌دانه تیتان
مشکل عمده این ذرات جذب نور UV در آنهاست که به مرور سبب تخریب رنگ می‌شود. در صنعت به منظور جلوگیری از این اتفاق، رنگ‌دانه را پیش از پراکنده‌کردن در رزین یا حلال مورد نظر تحت عملیات سطحی قرار می‌دهند و رنگ اصطلاحاً بادوام (durable) می‌شود. البته این مواد پوشش‌داده شده می‌توانند در خواص دیگر رنگ‌دانه نیز تأثیرگذار باشند. پس باید در عملیات سطحی دقت کافی وجود داشته باشد.
اصلاح سطحی رنگ‌دانه
منظور از این واژه، قرار دادن پوششی روی رنگ‌دانه به عنوان افزودنی است. این افزودنی می‌تواند شامل مواد معدنی و غیرمعدنی باشد. در کنار آن، نوع و چگونگی انجام فرآیند عملیات سطحی نیز در بهبود کیفیت به دست آمده از محصول موثر است. مرسوم‌ترین روش برای این کار، استفاده از روش رسوبی است. به این صورت که یک یا چندلایه از مواد انتخابی در دوغابی از تیتان، روی ذرات آن رسوب داده می‌شود. شرایط فرآیندی انجام این کار نیز نیاز به بهینه شدن دارد تا بهترین رنگ‌دانه به دست آید. برای یافتن شرایط بهینه، می‌بایستی تمامی متغیرهای فرآیندی همانند pH، دما و نرخ رسوب‌دهی (کنترل میزان ضخامت رسوب داده شده) کنترل شوند؛ چرا که پوشش دادن بیش از حد و به مقدار زیاد نیز سبب افت خواص رنگ‌دانه به دلیل آگلومره شدن ذرات می‌شود. معمول‌ترین مواد معدنی که به منظور اصلاح سطحی استفاده می‌شوند عبارتند از: سیلیکا، آلومینا، زیرکونیا، تیتان آب‌دار، اکسید فلزاتی از جمله قلع، روی و سدیم، فسفات‌ها و نیترات‌های مواد مختلف پوشان. معمول‌ترین مواد معدنی که برای پوشش‌دهی رنگ‌دانه استفاده می‌شوند نیز شامل آمین‌ها و پلی‌ال‌ها (الکل‌های چند عاملی) هستند. البته هر کدام از این مواد به دلایل خاص پوشش داده می‌شوند. برای مثال استفاده از زیرکونیا سبب افزایش دوام رنگ می‌شود. هم چنین بسته به کاربرد و ایجاد خواص و کاربرد منحصر به فرد می‌توان روی یک رنگ‌دانه چند لایه از مواد مختلف پوشش داد.