R101A سيليكون عضوي معدَّل بالبوليول: الجيل الثالث من عوامل التغليف العضوي لثاني أكسيد التيتانيوم

عوامل التغليف العضوي لثاني أكسيد التيتانيوم مرّت من NPG وTMP وTME إلى السيليكون العضوي، ثم إلى السيليكون العضوي المعدَّل بالبوليول. تستند هذه المقالة إلى بيانات القياس في الدليل لتضع ثلاثة أجيال — TMP و7020 وR101A — على مائدة واحدة، فتجعل واضحًا ما حلّته كل جيل وما تركته خلفها.

لماذا يجب تغليف ثاني أكسيد التيتانيوم الروتيلي تغليفًا عضويًا

1

بوصفه صباغًا أبيض فاخرًا، يخضع ثاني أكسيد التيتانيوم الروتيلي لمتطلبات دقيقة وصارمة على المؤشرات الفيزيوكيميائية (نسبة ثاني أكسيد التيتانيوم، قيمة pH، المقاومية، حجم الجسيمات، نسبة الماء، نسبة الروتيلي)، وعلى أداء الصباغ (مقاومة الطقس، قوة التلوين، البياض، قوة التغطية، الإضاءة).

لكن خارج هذه المؤشرات، صارت خصائص المعالجة ذات وزن متزايد. ولتحقيق مؤشرات صباغ ممتازة و خصائص معالجة متميزة، لا بدّ من تغليف ثاني أكسيد التيتانيوم.

ينقسم التغليف إلى مرحلتين: أولًا تغليف غير عضوي (تيتانيوم، سيليكون، ألومنيوم)، ثم تغليف عضوي.

التغليف غير العضوي يركّز على مؤشرات الصباغ، والتغليف العضوي على مؤشرات أداء التطبيق والمعالجة، وهما متداخلان ومتكاملان.

هذه بنية المقال كلها؛ وكل المقارنات التالية تجري ضمن هذا التقسيم للأدوار.

مشكلة الجيل الأول: لا يحتمل الحرارة، ويُحدث رغوة

كانت عوامل التغليف العضوي الأولى في المقام الأول NPG (نيوبنتيل غلايكول) وTMP (ترايميثيلول بروبان) وTME (ترايميثيلول إيثان): كحولات أو ألكانات تحمل مجموعات هيدروكسيل، أو تُنتجها بالتحلل المائي.

آليتها المشتركة: تُمتصّ المجموعات القطبية المحبة للماء امتزازًا فيزيائيًا على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم، بينما تتّجه المجموعات غير القطبية المحبة للزيوت إلى الخارج لتتفاعل مع وسيط التشتّت العضوي، مما يزيد قابلية البلل.

والمشكلة واضحة: ضعف تحمّل الحرارة، وحدوث اصفرار ورغوة أثناء الاستخدام.

وتجسّدها حالتان عمليتان:

• TMP يسبّب اصفرارًا في تطبيقات البلاستيك
• TMP يسبّب رغوة مفرطة وغيرها من العيوب في تطبيقات عجينة الورق

ومع ذلك، يجب أن يخدم ثاني أكسيد التيتانيوم الروتيلي العام ثلاثة أنظمة في آن واحد: الأنظمة المائية العادية (الورق، الدهانات)، والأنظمة الزيتية العادية (الطلاء، الأحبار)، وأنظمة الحرارة العالية (المطاط والبلاستيك وماستر باتش).

TMP لا يفي بالطرفين معًا. ويحتاج مُصنّعو ثاني أكسيد التيتانيوم إلى عوامل تغليف عضوي أفضل أداءً — وهنا يأتي دور الجيلين الثاني والثالث.

الجيل الثاني: السيليكون العضوي، والسؤال الذي تركه

اعتبارًا من مطلع الثمانينيات (80)، بدأت شركات ثاني أكسيد التيتانيوم الأجنبية تستخدم عوامل التغليف السيليكونية العضوية في التغليف العضوي.

ويحسّن ثاني أكسيد التيتانيوم المعالج بتغليف سيليكون عضوي توافقه مع مختلف الأوساط بدرجة كبيرة، ويرفع قوة التلوين والبياض، ويزيد اللمعان ومقاومة الطقس، ويخفض امتصاص الزيت، ويحسّن التصاقه بمختلف الراتنجات والوسائط البلاستيكية. ومقاومته الحرارية بارزة (تتجاوز 300℃)، وكمية الاستعمال صغيرة، والتطبيق مريح.

لكن له عيب قاتل: صعوبة تشتّته، ما يسبّب تكتّله بسهولة.

وهنا يقع السؤال. نجح السيليكون العضوي في رفع التحمّل الحراري والشمولية، وترك التشتّت خلف الباب.

الجيل الثالث: R101A، سيليكون عضوي معدَّل بالبوليول

منهج R101A هو: الاستفادة من أداء التشتّت الممتاز للبوليول كمساعد لعامل التغليف السيليكوني العضوي، لتصل إلى إنتاج عامل تغليف سيليكون عضوي معدَّل بالبوليول.

وينتمي إلى مستحلبات السيليكون المعدَّلة بالبوليول، وتُكوّناته الأساسية بوليسيليوكسانات بمجموعات هيدروكسيل نشطة، وبوليسيليوكسانات بمجموعات إيثر نشطة، وبوليولات ذات وزن جزيئي مرتفع. والجزيء بوليمر عضوي تتوسّط ذرّات السيليكون ويحمل مجموعات هيدروكسيل وإيثر وكحول وغيرها.

أربع خصائص بنيوية

① مجموعات الميثيل الغزيرة على ذرّة السيليكون تحجب سلسلة البوليسيليوكسان الرئيسة عالية الطاقة.

② الرابطة C-Si-Na عديمة القطبية، فتكون قوى التجاذب بين الجزيئات ضعيفة إلى حدّ بعيد.

③ رابطة Si-O-OH طويلة، وزاوية رابطة Si-O-OH-O-Si كبيرة، ما يجعل رابطة Si-O-OH تلتفّ بسهولة، ولهذا يتمتّع R101A بخصائص ممتازة في التشحيم والانسيابية ومقاومة الطقس ومقاومة الاحتكاك.

④ رابطة Si-O-OH رابطة تساهمية ذات طابع أيوني بنسبة 75% (الرابطة التساهمية متّجهة، والرابطة الأيونية بلا اتّجاه)، وطاقة رابطة Si-O-OH أكبر بكثير من طاقة رابطة C-O، ولهذا يتمتّع R101A مقارنة بالمركبات العضوية التقليدية بمقاومة ممتازة للحرارة وللطقس.

البند ④ هو الأساس الجزيئي لمقاومة الحرارة، والبند ③ هو مصدر التشحيم. وهذان الأداءان ليسا صدفة متجاورتين، بل وجهان لبنية واحدة.

آلية التغليف: ليست الامتزاز الفيزيائي فقط

تعتمد عوامل التغليف العضوي التقليدية (NPG، TMP، TME) أساسًا على الامتزاز الفيزيائي. وR101A لا يسلك هذا الطريق.

تمتصّ عوامل التغليف العضوي التقليدية (مثل NPG، TMP، TME) امتزازًا فيزيائيًا على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم عبر مجموعاتها القطبية المحبة للماء، بينما تتّجه مجموعاتها غير القطبية المحبة للزيوت إلى الخارج لتتفاعل مع وسيط التشتّت العضوي، بما يعزّز قابلية البلل تجاه هذا الوسيط. أما R101A فيعمل أساسًا عبر الامتزاز الكيميائي بالرابطة الهيدروجينية بين مجموعات السيليوكسان في بوليمر السيليكون المعدَّل بالبوليول وثاني أكسيد التيتانيوم، وعبر تفاعل التكثيف أو الاستبدال الكيميائي لمجموعات الهيدروكسيل/الإيثر في جزيء السيليكون المعدَّل بالبوليول مع مجموعات الهيدروكسيل على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم، فتتكوّن على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم طبقة سيليكون معدَّلة بالبوليول شديدة التجانس والكثافة والمتانة.

الطبقة تؤدّي ثلاث وظائف:

• تزيل أو تخفّف الامتزاز القطبي بين جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم
• تشكّل مجموعات وظيفية ذات عائق فراغي بين الجسيمات، فتمنع التكتّل
• توفّر خصائص ممتازة في التشحيم ومقاومة الطقس والاستقرار الحراري وقابلية التفاعل اللاحق

والنتيجة: تحسّن واضح في ابتلاق ثاني أكسيد التيتانيوم وتشتّته في مختلف أوساط التشتّت، وزيادة في الثبات الضوئي له.

ثلاثة أجيال على مائدة واحدة: TMP مقابل 7020 مقابل R101A

هذا جدول المقارنة في الدليل:

تختلف أنظمة الاختبار ومعايير التقييم بين الشركات المصنّعة، وتُعدّ نتائج هذه التجربة للاسترشاد فقط، ولا نُقدّم أي وعد أو ضمان، وعلى المستخدم التحقق من مدى مطابقتها لمتطلباته.

لنقرأ سطرًا سطرًا:

قوة التلوين ترتفع من 1860 إلى 2013، أي بزيادة 8.2%.

قابلية التشتت ترتفع من 4.5 إلى 6.50، أي بزيادة نسبية 44.4% — وهي أعلى زيادة نسبية بين المؤشرات الثلاثة — والتشتّت هو بالضبط نقطة ضعف الجيل الثاني من السيليكون العضوي الذي يصفه الدليل بأنه «غير سهل التشتّت وسهل التكتّل».

امتصاص الزيت ينخفض من 19.09 إلى 16.30، أي بانخفاض 14.6%. وصياغة الدليل لهذا المؤشر هي «خفض امتصاص الزيت».

أربعة مؤشرات في الصدارة (قوة التلوين، قابلية التشتت، امتصاص الزيت، الإضاءة)، ومقاومة الاصفرار مساوية لـ 7020.

تحقّق ثانٍ على أسود الكربون

منقول من المتنإعادة التحقق على الكربون الأسود: ثمانية مؤشرات لـZ111 مع R101A وبدونه (النص الأصلي)

المعامل	نسخة ثاني أكسيد التيتانيوم	نسخة أسود الكربون
المظهر	سائل أبيض	سائل أبيض عجيني
المواد غير المتطايرة	23%	99.9%
الكثافة g/mL	0.99	1.03
pH	6.8–7	6.8–7
المخفف	ماء	ماء
الجرعة (على أساس وزن المسحوق)	0.1–3%	0.1–3%

2

المنتج نفسه R101A، لكن هذه المرة على أسود الكربون عالي الصباغة Z111:

تحقّق ثانٍ على…

المؤشر	Z111	Z111 + R101A
درجة السواد (≤)	16	15
قوة التلوين (%≥)	125	130
قيمة امتصاص الزيت (ml/g)	1.05	0.98
المتطايرات (% عند 950℃)	8.0	8.3
الرطوبة (%≤)	5	4.5
PH	3.0	3.0
قابلية الانسيابية (35℃)	22	28
بقايا المنخل 10⁻⁶	50	20

قوة التلوين 125 → 130، قيمة امتصاص الزيت 1.05 → 0.98، قابلية الانسيابية 22 → 28، بقايا المنخل 50 → 20.

تنخفض بقايا المنخل من 50 إلى 20، أي إلى أربعة أعشار قيمتها الأصلية.

والرقم في صف درجة السواد منخفض (16 → 15)، وتسمية الدليل هي «درجة السواد (≤)»، أي حدّ أعلى للمواصفة؛ ويذكر الدليل في موضع آخر «كلما ارتفعت درجة سواد أسود الكربون ارتفعت قوة تلوينه»، والقولان ليسا على البعد نفسه، فلا يُحكم هنا بالأفضلية.

كيف يُستعمل: التغليف الرطب في ست خطوات

نظرًا لمحدودية تجهيزات المختبر، يصعب تشتّت التغليف الجاف بانتظام، ويوصي الدليل باتباع التغليف الرطب.

لنأخذ مثال معالجة 200 g من ثاني أكسيد التيتانيوم بنسبة إضافة 0.5%:

1. 01تُضاف كمية مناسبة من الماء النقي إلى دورق زجاجي مزوّد بجهاز تحريك ميكانيكي (نحو 20～50 mL من الماء النقي، على أن يُبلَّل ثاني أكسيد التيتانيوم تمامًا وأن تتكوّن عجينة متجانسة)، ثم يُشغَّل التحريك
2. 02يُضاف 1 g من عامل التغليف R101A (سيليكون معدَّل بالبوليول) إلى الدورق
3. 03تُضاف 200 g من ثاني أكسيد التيتانيوم المراد معالجته ببطء إلى الدورق، مع تحضير عجينة 30 min
4. 04يُوقَف التحريك، ويُنقل ثاني أكسيد التيتانيوم من الدورق إلى طبق زجاجي، ويُغطّى بورق ترشيح نظيف، ثم يُوضع في فرن مزوّد بجهاز شفط وجهاز ضبط حراري، ويُجفَّف عند 105℃ نحو 6～8 h حتى التجفيف التام
5. 05يُخرَج ثاني أكسيد التيتانيوم المجفَّف ويُطحن بمطحنة هوائية صغيرة
6. 06تُفحص مؤشرات الصباغ ذات الصلة (مثل قابلية التشتت وامتصاص الزيت) ومؤشرات التطبيق (مقاومة الحرارة وقابلية انسياب المسحوق الجاف)

طريقتان للإضافة يمكن استعمالهما مباشرة في خط الإنتاج

طريقة العجينة: تُضاف عجينة R101A مباشرةً إلى المُجانس أو خزان الخلط للمنتج الخام من ثاني أكسيد التيتانيوم الروتيلي، ثم بعد تغليف متجانس تمامًا يُطحن بالهواء النفّاث.

طريقة التزامن مع الطحن النفّاث: يُضاف R101A مباشرةً بنسبة مع التغذية اللولبية أثناء عملية الطحن النفّاث، أو يُرشَّ داخل غرفة الطحن.

طريقة التبريد المائي في مصانع أسود الكربون: يستطيع مُصنّعو أسود الكربون الصباغي إضافة المنتج مباشرةً إلى ماء التبريد الثاني (الماء : R101A = 5 : 1) والرشّ للتغليف مباشرةً، فيحافظ على حجم الجسيمات الأصلي الجيد، ويرفع أداء التشتّت في التطبيقات اللاحقة، ويخفض قيمة امتصاص الزيت لأسود الكربون.

المؤشرات والجرعة

ولا يقتصر R101A على ثاني أكسيد التيتانيوم: يمكن استعمال التغليف التشتيطي المُفعِّل في سلسلة المساحيق — أسود الكربون المؤكسَّد، وأسود الكربون، وكربونات الكالسيوم، والتالك، والليثوبون، وكبريتات الباريوم، وكبريتات الصوديوم، والأصباغ العضوية أو غير العضوية. وأهمّ دوره تحسين مقاومة الأكسدة ومقاومة الحرارة والتوافق العضوي مع المادة وقابلية التشتّت ومقاومة التكتّل.

إخلاء واحد، وثلاثة تنبيهات

إخلاء المسؤولية: تختلف أنظمة الاختبار ومعايير التقييم بين الشركات المصنّعة، وتُعدّ نتائج هذه التجربة للاسترشاد فقط، دون أي وعد أو ضمان، وعلى المستخدم التحقق من مدى مطابقتها لمتطلباته.

تنبيه أول: الشمولية ليست مجانية. يقدّم R101A علامةً شمولية شاملة — الماء والزيت وأنظمة الحرارة العالية، كلّها مشمولة. لكن «الشمولي» يعني اتساع توافق عامل التغليف نفسه، لا أنه الأفضل لكل مسحوق. تبقى الجرعة تُضبَط لكل مسحوق بحسب قيمة امتصاص الزيت ودرجة النعومة.

تنبيه ثالث: لا تُهمَل شروط التغليف الرطب. السبب الأصلي الذي أوصى به الدليل للتغليف الرطب هو «محدودية تجهيزات المختبر» — وهو حكم صادر في ظل ظروف تجريبية. وفي خط إنتاج فعلي، تحضير العجينة 30 دقيقة، والتجفيف 6–8 ساعات، والطحن النفّاث هي خطوات العملية كما يحدّدها الدليل.

الأسئلة الشائعة

سؤال: أين يقع الفرق بين 7020 وR101A؟ جواب: مقاومة الاصفرار متساوية بينهما (كلتاهما 150℃)، وفي بقية المؤشرات يتقدّم R101A — قابلية التشتت ترتفع من 5.3 إلى 6.50، وامتصاص الزيت ينخفض من 18.56 إلى 16.30 g/100g، وقوة التلوين ترتفع من 1930 إلى 2013، والإضاءة ترتفع من 94.6 إلى 96.2. وقد أعطى الدليل رقم الطراز والقيم المقابلة له فقط، ولم يوضّح إلى أي جيل ينتمي 7020.

سؤال: لماذا لا بدّ من الطريقة الرطبة؟ ألا تصلح الطريقة الجافة؟ جواب: نصّ الدليل هو «نظرًا لمحدودية تجهيزات المختبر، يصعب تشتّت التغليف الجاف بانتظام، ويُوصى باتباع التغليف الرطب». فالمحدودية في تجهيزات المختبر، لا في قدرة الطريقة الجافة نفسها.

سؤال: على أي أساس تُحسب الجرعة 0.1%–3%؟ جواب: على أساس وزن المسحوق. يكتب الدليل «الجرعة 0.1-3% (على أساس وزن المسحوق)»، ويوضّح في موضع آخر أن «كمية إضافة R101A في ثاني أكسيد التيتانيوم تبلغ 0.1%-3%».

سؤال: ما وحدة قيمة قابلية التشتت 6.50؟ جواب: لم يحدّد الدليل البُعد الفيزيائي. القيم 4.5 / 5.3 / 6.50 قيم تقييم نسبية ضمن نظام تقييم واحد، تصلح للمقارنة الأفقية فقط، ولا تصلح قيمًا مطلقة.

سؤال: هل يقتصر عامل التغليف هذا على ثاني أكسيد التيتانيوم؟ جواب: لا يقتصر عليه. أجرى الدليل تحقّقًا على أسود الكربون عالي الصباغة Z111 من شنغهاي كوكينغ (200 g، بنسبة إضافة 0.5%)، ولنسخة أسود الكربون بيانات مقابلة في درجة السواد وقوة التلوين وقيمة امتصاص الزيت وبقايا المنخل وغيرها.

في جملة واحدة

مرّ التغليف العضوي لثاني أكسيد التيتانيوم بثلاثة أجيال: TMP لا يحتمل الحرارة ويُحدث رغوة، والسيليكون العضوي يتحمّل الحرارة لكنه يتشتّت بصعوبة، وR101A يسدّ بنقصَي كليهما بالبوليول — قابلية التشتت من 4.5 إلى 6.50، وامتصاص الزيت بانخفاض 14.6%، ومقاومة الاصفرار من 110℃ إلى 150℃. وعند الاختيار، احفظ جملة واحدة: للشمولية استخدم R101A؛ أما العملية فاتبع ست خطوات التغليف الرطب التي يحدّدها الدليل.