اپتیکال برایتنر در پلاستیک | روشن‌کننده نوری و بهبود رنگ

اپتیکال برایتنرها ترکیبات شیمیایی ویژه ای هستند که از اوایل قرن بیستم شناخته شدند و قادرند با اثر فلورسانس، سفیدی و روشنی مواد را به طور چشمگیری افزایش دهند. این مواد که اغلب به عنوان رنگ های بیرنگ شناخته میشوند و همچنین به نام های عوامل سفیدکننده فلورسنت، سفیدکننده های اپتیکی یا اپتیکال برایتنرها معروف اند، گروهی از مولکولها هستند که عمدتاً نور را در محدوده فرابنفش جذب کرده و نوری در محدوده مرئی منتشر میکنند. این فرآیند باعث میشود سطح زیرین روشنتر شود، به گونه ای که بیش از ۱۰۰٪ نور مرئی برخوردی را ساطع میکنند. این ترکیبات ابتدا در بسته بندی مواد غذایی و محفظه های فیلم رادیولوژی برای جلوگیری از تخریب ناشی از نور فرابنفش استفاده شدند؛ اما به سرعت خاصیت سفیدکنندگی آنها کشف شد و به محصولات تجاری مختلفی افزوده شدند که تمایل به داشتن کاغذها، پارچه ها و پلاستیک های سفیدتر و بدون زردشدگی را ایجاد کرد.
روند طبیعی زرد شدن مواد به دلیل جذب نور آبی توسط پیوندهای شیمیایی موجود در ساختار آنهاست که به مرور زمان رنگ زردی ایجاد میکند. از گذشته های دور، روشهایی مانند استفاده مواد شیمیایی مختلف برای سفیدسازی مورداستفاده قرار گرفته است. کلر به عنوان قویترین ماده بیرنگ کننده شناخته میشد، اما این قدرت به قیمت آسیب به الیاف و کاهش دوام مواد تمام میشد. پیشتر برای خنثی سازی رنگ زرد، از روش «بلوینگ» یا همان افزودن رنگدانه های آبی استفاده میشد. این روش البته یک نقص بزرگ داشت: کاهش شدت نور بازتابی سطح که منجر به ظاهر خاکستری میشد؛ یعنی سفید شدن همراه با از دست دادن درخشش طبیعی.
در این بین راهکاری جالب و شگفت انگیز به وجود آمد که تعادلی هنرمندانه را رقم زد؛ نور آبی مرئی که توسط برخی ترکیبات قدرتمند اپتیکال برایتنر ساطع میشود، دقیقاً رنگ زرد طبیعی را خنثی میکند و باعث میشود ماده نه تنها سفیدتر بلکه زنده تر و درخشان تر از همیشه جلوه کند. ورود اپتیکال برایتنرها تحولی انقلابی در این حوزه ایجاد کرد؛ این ترکیبات نور فرابنفش نزدیک را جذب و آن را به نور آبی-بنفش مرئی تبدیل میکنند—نوری که مستقیماً با زردی مقابله کرده، بدون اینکه ذره ای از شدت و درخشندگی سطح کاسته شود. این فناوری که به ظاهر ساده ولی در واقع پیچیده و هوشمندانه است، باعث شده استانداردها و توقعات ما از «سفیدی» دستخوش تغییر شود؛ جایی که دیگر سفید فقط سفید نیست، بلکه باید درخشنده و بینقص باشد.

ساختار شیمیایی و مکانیسم اثر

شش پایه اصلی شیمیایی اپتیکال برایتنرها وجود دارد: استیل بن، کومارین، 1,3-دیفنیل-2-پیرازولین، نفتالیمیدها، محصولات تزئینی بنزازویل و ترکیبات هتروآروماتیک مانند تیازول، فیازول، تریازین و اکسیدیازول. اپتیکال برایتنرها نیز مانند رنگها دارای سیستم های پیوند دوگانه کونژوگه هستند.
دنیل ای. جرویس (Daniel A. Jervis) از شرکت Eastman Chemical ویژگی های کلیدی دو نوع از اصلی ترین اپتیکال برایتنرهای مورد استفاده در ترموپلاستیک ها را توصیف میکند و نحوه استفاده اقتصادی از آنها در طیفی وسیع از محصولات پلاستیکی برای افزایش زیبایی و جلب توجه مصرف کننده را شرح میدهد.
دو مورد از متداول ترین اپتیکال برایتنرهای مورد استفاده در پلاستیک ها مشتقات نوع بیس بنزوکازول هستند: بیس بنزوکازولیل استیل بن و بیس بنزوکازولیل تیوفن. جدول یک ساختار و خواص کلیدی آنها را نشان میدهد.

به طور کلی این برایتنرها دارای نقطه ذوب بالایی هستند و پایداری حرارتی بسیار خوبی دارند. بر اساس تحلیل گرماوزنی (TGA)، بیس بنزوکازولیل استیل بن ۹۰٪ از ماده خود را در دمای ۳۵۹ درجه سانتیگراد حفظ میکند، در حالی که بیس بنزوکازولیل تیوفن ۹۰٪ ماندگاری در دمای ۳۳۶ درجه دارد. این برایتنرها انحلال خوبی در پلیمرهای مذاب دارند، اما نقاط ذوب بالایی نیز دارند که آنها را برای استفاده در ترموپلاستیک ها مناسب میکند.
بیس بنزوکازولیل استیل بن در بیشتر ترموپلاستیک ها سازگاری خوبی نشان میدهد به جز پلی وینیل کلراید نرم (دارای نرم کننده). ناسازگاری با PVC نرم به دلیل نامحلول بودن در پلاستیسایزرها است که باعث مهاجرت این برایتنر به سطح پلیمر میشود. این ترکیب همچنین در دیگر حلالهای رایج نیز نامحلول است. اگرچه این خصوصیت برای استفاده در پلاستیک های پلاستیسایزر شده عیب ایجاد میکند، اما مقاومت بسیار خوبی در برابر استخراج با حلال دارد که برای تأمین شرایط سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) مهم است.
در مقابل، بیس بنزوکازولیل تیوفن سازگاری خوبی در پلی اتیلن، PVC نرم و دیگر ترموپلاستیک ها دارد. همچنین محلول در پلاستیسایزرها، حلالهای رایج و مونومرها بوده و این امکان استفاده در برخی کاربردهای ترموسِت را فراهم میکند.

عملکرد

اپتیکال برایتنرها با جذب نور نامرئی در محدوده UV (طول موج ۳۲۰ تا ۴۰۰ نانومتر) و بازتاب نور در محدوده آبی مرئی (۴۰۰ تا ۴۸۰ نانومتر) عمل میکنند (شکل 1).

این مکانیسم شامل برانگیختگی مولکول توسط نور UV است که انرژی الکترونها را به حالت بالاتر(برانگیخته) میبرد؛ سپس با بازگشت به حالت پایه، انرژی به شکل فلورسانس آزاد میشود. هنگامی که براق‌کننده‌های نوری به پلاستیک ها اضافه می‌شوند، افزایش قابل توجهی در نور منعکس شده مشاهده می‌شود (شکل 2).

توانایی براق‌کننده‌های نوری هم در افزایش بازتاب و هم در ایجاد رنگ آبی، آنها را از عوامل آبی‌کننده یا تونرهای رایج متمایز می‌کند. عوامل آبی‌کننده می‌توانند زردی را در پلیمرها بپوشانند اما فاقد بازتابش برای ایجاد رنگ‌های روشن و قوی هستند. براق‌کننده‌های نوری در تمام پلاستیک های رنگی عمل می‌کنند. با این حال، آنها در رنگ های روشن‌تر مؤثرتر هستند. وقتی برایتنرها به پلاستیک افزوده میشوند، افزایش قابل توجهی در میزان نور بازتابی مشاهده میشود. قابلیت افزایش بازتاب نور و دادن ته رنگ آبی، اپتیکال برایتنرها را از سایر عوامل آبی کننده یا تونرها متمایز میکند. آبی کننده ها میتوانند زردی را بپوشانند اما نمیتوانند بازتاب نور را افزایش دهند که به شدت رنگ کمک کند. این برایتنرها در تمامی پلاستیک ها، به ویژه در رنگهای روشن مؤثرتر هستند.

میزان استفاده و افزودن به مواد

با وجود هزینه بالای اپتیکال برایتنرها، به دلیل اثرگذاری قوی در مقادیر بسیار پایین، استفاده از آنها اقتصادی است. مقادیر معمول متفاوت و از ۵ تا ۴۰۰ قسمت در میلیون (ppm) متغیر است. پلیمرهای طبیعی به ۵ تا ۱۰ ppm نیاز دارند، اما پلیمرهای رنگدانه دار ممکن است تا ۲۵۰ ppm را استفاده کنند، زیرا رنگدانه ها با برایتنر در جذب UV رقابت میکنند. پلیمرهای بازیافتی که شدیدا تغییر رنگ یافته اند، ممکن است تا ۴۰۰ ppm نیاز داشته باشند.
اما افزودن دقیق این مقدار کم به پلیمرها دشوار است؛ بنابراین بهترین روش افزودن از طریق مستربچ است. بهتر است پلیمر پایه مستربچ، همان پلیمر میزبان باشد، ولی در غیر این صورت باید سازگاری حامل با پلیمر میزبان رعایت شود. مستربچ ها معمولا از طریق اکستروژن با اکسترودر تک مارپیچ یا دو مارپیچ تولید میشوند. غلظت برایتنر در مستربچ معمولا بین ۰.۵ تا ۱۰ درصد است. اندازه ذرات کوچک (۵ تا ۱۰ میکرون) برای تولید مستربچ مطلوب تر است، زیرا سرعت حل شدن در پلیمر پایه را افزایش میدهد.
برای پلیمرهای پلاستیسایز شده مانند PVC نرم، برایتنر به راحتی قابل حل شدن در پلاستیسایزر است. روش جایگزین، مستربچ خشک شده است که با ترکیب برایتنر، رزین PVC و افزودنی هایی دیگر مانند پیگمنتها تولید میشود. محلول پلاستیسایزر و برایتنر یا مستربچ خشک میتواند قبل یا حین اختلاط با شدت بالا اضافه شود. افزودن مستقیم برایتنر خالص به ترکیب خشک ممکن است منجر به دقت کمتر در اندازه گیری شود.

ویژگی‌های اپتیکی پلاستیک‌های دارای روشن‌کننده

ویژگیهای اپتیکی پلاستیک های دارای برایتنر معمولاً توسط طیف سنجی و بر اساس سیستم رنگ CIELAB اندازه گیری میشود. داده ها بر اساس استاندارد ASTM E 313 تولید شده اند.شکل 3

در سیستم CIELAB مختصات رنگ L, a و b* هستند که L* نمایانگر روشنایی یا تیرگی است (۰ = سیاه، ۱۰۰ = سفید) a* نشان دهنده محدوده سبز تا قرمز (+a* قرمز، –a* سبز) و b* محدوده زرد تا آبی (+b* زرد، –b* آبی) است. شاخصهای سفیدی (WI) و زردی (YI) نیز براساس این داده ها به دست می آید.
مزایای استفاده از بیس بنزوکازولیل تیوفن و بیس بنزوکازولیل استیل بن با بررسی خواص اپتیکی چند پلیمر نمایش داده شده است. مقادیر L* یا روشنایی کل پلاستیک ها به طور چشمگیری با استفاده از اپتیکال برایتنر افزایش می یابد. برای مثال، پلی اتیلن های چگالی پایین (LDPE)، با چگالی بالا (HDPE) و چگالی پایین خطی (LLDPE) همگی با افزودن بیس بنزوکازولیل تیوفن روشنایی بهتری نشان میدهند. پلاستیک هایی که مقادیر L* بالاتری دارند، به عنوان مواد روشنتر و با رنگهای غنی تر درک میشوند. ارتقاء مقدار L* اثر اپتیکال برایتنر بر مقادیر b* را نیز تقویت میکند.شکل 4

محور b* نشان میدهد پلاستیک ها به چه مقدار زرد یا آبی به نظر میرسند. اپتیکال برایتنر با جابجایی مقادیر رنگی به سمت منطقه آبی، میزان زردی پلاستیک ها را میپوشاند. این اثر با چشم غیرمسلح به صورت مشاهده کمی تیرگی آبی در پلاستیک های شفاف و ظاهر «سفیدتر از سفید» در پلاستیک های رنگشده با تیتانیوم دی اکساید دیده میشودشکل 5.

بیس بنزوکازولیل تیوفن در ترکیبات PVC نرم نیز مؤثر است و به دلیل انحلال در پلاستیسایزرهایی مانند دی اوکتیل فتالات (DOP) بسیار مورد توجه است. این برایتنر سازگاری خوبی دارد و برخلاف بیس بنزوکازولیل استیل بن، مشکلات مهاجرت در PVC ندارد. در ترکیبات PVC حاوی ۸۰ و ۱۰۰ قسمت پلاستیسایزر در ۱۰۰ قسمت رزین، بیس بنزوکازولیل تیوفن در میزان پلاستیسایزر بیشتر کارایی بهتری داردشکل 6.

در مقابل، بیس بنزوکازولیل استیل بن یک اپتیکال برایتنر بسیار مؤثر در ترموپلاستیک های غیرپلاستیسایز شده است. پایداری حرارتی بالا باعث شده تا برای محصولاتی مثل نایلون، پلی کربنات و پلی اتیلن ترفتالات (PET) بسیار مناسب باشد. مقادیر b* نشان میدهند که بیس بنزوکازولیل استیل بن به طور قابل توجهی زردی ذاتی این پلیمرها را کاهش میدهد.شکل 7

در پلی کربنات طبیعی، پلی پروپیلن شفاف شده و نایلون ۶، این برایتنر حتی در مقادیر پایین به ۵۰ ppm موثر است. میزان پایینتری نیز ممکن است بسته به اثر روشن کننده مورد تقاضای فرمولاسیون به کار رود، اما اگر پلیمر با دی اکسید تیتانیوم یا رنگدانه دیگری رنگ شده باشد، معمولاً سطوح بالاتری (200ppm ) پیشنهاد میشود.
مقادیر بالاتر بیس بنزوکازولیل استیل بن در چند نوع پلاستیک مختلف از جمله PET، پلی پروپیلن، نایلون ۶ و پلی استایرن کریستالی نشان داده شده اند. در تمامی اینها، مقادیر b* به اندازهای کاهش می یابد که رنگ از ناحیه زرد مثبت به محدوده منفی میرود و این باعث پوشش دادن زردی و ایجاد اثر سفیدی درخشان میشود.شکل 8

محدودیت‌ها

پلاستیک های برایتنردار شده به صورت گسترده در کاربردهای داخلی و خارجی استفاده میشوند. اما هرگاه این پلاستیک ها در برابر نور خورشید به طور مستقیم و مداوم قرار میگیرند، پایداری UV آنها ممکن است کاهش یابد. معمولا به همراه پایدارکننده های UV استفاده میشوند، اما این افزودنی ها به طور معمول اثر اپتیکال برایتنر را تا حدی خاموش میکنند. به طور کلی، اپتیکال برایتنرها در پلاستیک ها مقاومت طولانی مدت در برابر عوامل محیطی ندارند. برای مثال، پلی استر برایتنردار شده با بیس بنزوکازولیل استیل بن به تدریج روشنایی خود را طی ۶۰۰ ساعت قرارگیری در دستگاه شبیه سازی شرایط آب و هوایی (QUV tester) از دست میدهد.شکل 9 (نمونه‌ها طبق روش ASTM G 53 با استفاده از دستگاه تست هوازدگی تسریع‌شده Q-Panel Q-U-V تحت شرایط آب و هوایی قرار گرفتند.)

ایمنی محصول

بیس بنزوکازولیل استیل بن با نام رنگی Fluorescent Brightener 393 (CAS: 1533-45-5; C.I. 40674) با مقررات مواد افزودنی غیرمستقیم برای مواد غذایی که توسط سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) در 21 CFR 178.3297 تصویب شده، مطابقت دارد. این برایتنر میتواند در پلیمرها تا حداکثر ۰.۰۲۵ درصد بر اساس وزن پلیمر استفاده شود. پلیمر نهایی باید فقط با انواع مواد غذایی مشخص شده در رده بندی FDA تماس داشته باشد و در دمای کمتر از ۱۳۵ درجه سانتیگراد نگهداری شود.
در اتحادیه اروپا، این ماده تحت دستورالعمل 2002/72/EC به عنوان PM/Ref. No. 38515 برای استفاده در پلاستیک های تماس غیرمستقیم با مواد غذایی ثبت شده است و حد مجاز مهاجرت (SML) آن ۰.۰۵ میلیگرم بر کیلوگرم غذا است.
بیس بنزوکازولیل تیوفن نیز با مقررات FDA 21 CFR 178.3297 (رنگ ها) و 175.105 (چسب ها) مطابقت دارد و محدودیتی از نظر غلظت ندارد. در پلی اولفین ها، تایید شده است که تا مقادیر ۰.۰۵ درصد برای مواد غذایی غیرچرب و ۰.۰۱ درصد برای تمام مواد غذایی قابل استفاده است. همچنین برای مواد غذایی حاوی تا ۸ درصد الکل در دمای اتاق یا پایین تر و برای بسته بندی قابل استفاده است. در پلی استایرن و پلی استایرن اصلاحشده با لاستیک، این برایتنر مورد تأیید است و همین شرایط برای پلی وینیل کلراید نیز وجود دارد.

نتیجه‌گیری

بیس بنزوکازولیل استیل بن و بیس بنزوکازولیل تیوفن اپتیکال برایتنرهای فوق العاده‌ای برای ترموپلاستیک ها به شمار میروند. از نظر اقتصادی در طیف وسیعی از محصولات پلاستیکی قابل استفاده هستند و باعث افزایش زیبایی و جذب مصرف کننده میشوند. بیس بنزوکازولیل استیل بن مقاومت عالی در برابر استخراج شیمیایی دارد و ثبات حرارتی لازم برای رزین های مهندسی را فراهم میکند. بیس بنزوکازولیل تیوفن به دلیل حلالیت بالا در پلاستیسایزرها، برای کاربرد در PVC نرم ایده آل است. همچنین این ترکیبات در انواع پلی اتیلن سازگاری خوبی دارند. عملکرد برتر و مطابقت با مقررات FDA باعث شده تا این دو برایتنر از پرکاربردترین مواد در صنعت پلاستیک باشند.