پیگمنت اکسید آهن و انواع آن

پیگمنت اکسید آهن یکی از متداول ترین پیگمنت‌های موجود در بازار است که به رنگ‌‌های قهوه ای، قرمز، زرد و مشکی موجود می‌باشد. در این مقاله از پلیرنگ به بررسی انواع پیگمنت اکسید آهن و تفاوت ساختاری آنها پرداخته شده است. انواع اکسید آهن قرمز، اکسید آهن زرد، اکسید آهن قهوه ای و اکسید آهن مشکی از پلیرنگ قابل تهیه می‌باشد. اکسید آهن هم به عنوان پیگمنت هنری و هم به عنوان پیگمنت آرایشی کاربرد دارد.

آهن و ترکیبات متداول آن 

فلز آهن عنصری با عدد اتمی 26  است که یکی از فراوان ترین فلزات موجود در زمین است. قیمت پایین و خواص مکانیکی این فلز سبب شده تا بخش بزرگی از دنیای امروزه انسان را تشکیل دهد. تخمین زده شده در حدود 90 درصد از کل فلزات استفاده شده در زمین، آهن هستند. ترکیبات آهن بسیاری گسترده هستند، از مهم ترین ترکیبات این ماده اکسید آهن، سولفات آهن و کلرید آهن می‌باشد. سولفات آهن در صنایع دارویی، کشاورزی استفاده داشته و همچنین در برخی موارد به عنوان پیگمنت نیز کارایی دارد، سلوفات آهن به عنوان پیش ماده ساخت مواد اولیه بسیاری مورد استفاده است. کلرید آهن نیز از ترکیبات مهم دیگر آهن است. این ماده به طور گسترده ای به تصفیه آب آشامیدنی کمک کرده است. اکسیدهای آهن از جمله ترکیبات مهم آهن هستند، امروزه بیش از 12 نوع اکسید آهن شناخته شده است که پنج مورد از آنها کاربرد گسترده ای به عنوان پیگمنت زرد، قرمز، مشکی و قهوه ای دارند. 

 

اکسید آهن چیست؟

بسیار از اکسیدهای فلز آهن به طور طبیعی در خاک وجود دارند، این مواد به عنوان رنگدانه از زمان‌های قدیم مورد استفاده انسان بوده و می‌توان گفت اکسیدهای آهن یکی از اولین پیگمنت‌های استفاده شده توسط انسان می‌باشند. تا پیش از قرن 19 میلادی پیگمنت‌های اکسید آهن از منابع طبیعی و تنها با اعمال چند عملیات از جمله خالص سازی و کلسینه کردن تولید می‌شد. در قرن 20 میلادی، با پیشرفت علم شیمی و با توجه به نیاز بیشتر بشر به طیف وسیع تر رنگ‌ها، انواع اکسید آهن سنتزی نیز تولید شد. در طی این سال‌ها پیگمنت اکسید آهن به علت قیمت ارزان، پایداری، غیر سمی بودن و ... به عنوان یکی از پیگمنت‌های مهم معدنی در بازار نقش داشته است.

 

طیف رنگی و ترکیب شیمیایی انواع پیگمنت اکسید آهن

ساختار الکترونی آهن به این فلز امکان داده که هم به صورت دو و هم سه ظرفیتی با اکسیژن وارد واکنش شود. اکسید آهن سه ظرفیتی متداول تر بوده و با نام هماتیت (hematite) شناخته شده قرمز رنگ بوده و فرمول شیمیایی آن Fe2O3 می‌باشد. فرم هیدراته اکسید سه ظرفیتی آهن با فرمول شیمیایی Fe2O3·H2O به نام لیمونیت (limonite) یا گل ماشی شناخته شده و زرد رنگ می‌باشد. نوع دیگر از اکسید آهن به نام مگنتیت ( magnetite) شناخته شده، این پیگمنت ترکیبی از اکسید آهن دو و سه ظرفیتی با فرمول FeO-Fe2O3 بوده و به رنگ سیاه می‌باشد. در نتیجه اکسید آهن در سه رنگ اصلی قرمز، زرد و سیاه وجود داشته که با توجه به نوع ناخالصی و یا نحوه تهیه به رنگ قهوه ای، نارنجی، خاکستری و برخی رنگ‌های دیگر نیز قابل تهیه است.

 

نگاهی دقیق تر به اکسید آهن

به طور کلی اکسیدها و هیدورکسیدهای متنوعی از فلز آهن قابل تولید است. اما از نظر پیگمنت شناسی تنها 5 مورد از انواع مختلف ترکیبت آهن اهمیت بیشتری دارد. دو مدل اکسید آهن سه ظرفتی، دو مدل اکسید آهن سه ظرفیته هیدارته و یک مدل اکسید آهن ترکیب شده دو و سه ظرفیتی (مگنتیت) از مهم ترین ترکیبات آهنی مورد استفاده به عنوان پیگمنت هستند.

1-اکسید مونو هیداراته آهن یا γ-FeOOH

لپیدوکروسیت (Lepidocrocite) در واقع یکی از ناپایدار ترین ترکیبات اکسید هیدراته آهن است. این ترکیب اولین نوع اکسید آهن هنگام ایجاد زنگ آهن است. از نظر ساختار کریستالی لپیدوکروسیت دارای ساختار ارتورومبیک می‌باشد. در ساختار این ماده اکسید سه ظرفیتی آهن (iron(III) oxide) در یک حالت هشت وجهی با هیدروکسید، پیوند هیدروژنی برقرار کرده اند. رنگ این نوع اکسید آهن قهوه ای ته قرمز می‌باشد. لپیدوکروسیت در صنعت یک ماده میانی برای تهیه پیگمنت‌های پایدار تر اکسید آهن از جمله مگنتیت می‌باشد.

 

2-اکسید هیدارته آهن از نوع α-FeOOH با نام گوتیت (Goethite)

اکسید آهن گوتیت یکی از ترکیبات اصلی تشکیل دهنده پیگمنت اخرا است. این ماده رنگ قهوه ای مایل به قرمز دارد و یکی از پیگمنت‌هایی است که به صورت سنتی مورد استفاده قرار گرفته است. این ماده از نظر فرمول شیمیایی با اکسید آهن نوع لپیدوکروسیت مشابه است، اما این دو تفاوت‌هایی در ساختار کریستالی با یکدیگر دارند. با وجود آنکه گوتیت همانند اکسید آهن لپیدوکروسیت در زنگ آهن مشاهده می‌شود، اما بر خلاف آن یکی از اجزای تشکیل دهنده رسوبات و خاک می‌باشد.

 

3-اکسید آهن سه ظرفتیه یا هماتیت α-Fe2O3

هماتیت نوعی از اکسید آهن است که به پیگمنت قرمز اکسید آهن نیز معروف می‌باشد. رنگ این ماده قرمز بوده و به طور طبیعی در سنگ و خاک یافت می‌شود. ساختار کریستالی اکسید آهن هماتیت از نوع لوزی شکل (rhombohedral lattice) می‌باشد. هماتیت علاوه بر رنگ قرمز می‌تواند به رنگ‌های دیگری از جمله خاکستری و قهوه ای نیز باشد. رنگ‌های جذاب متالیک این اکسید آهن سبب شده تا در جواهر سازی نیز کاربرد داشته باشد. هماتیت را می‌توان از اکثر اکسیدهای آهن به دست آورد یکی از روش‌های متداول تولید هماتیت، کلسینه کردن گوتیت یا α-FeOOH می‌باشد.

 

4-اکسید آهن سه ظرفیتی ماگمیت

ماگمیت (Maghemite) نوع اکسید سه ظرفتی با نام γ-Fe2O3 است. این ترکیبت دارای خواص مغناطیسی بوده، از اکسید آهن هماتیت پایداری کمتری داشته و با اعمال حرارت به میزان 600 درجه سانتی گراد به هماتیت تبدیل می‌شود. همچنین ماگمیت را می‌توان از دی هیدراته کردن اکسید آهن نوع لپیدوکروسیت به دست آورد. ماگمیت در رسوبات و خاک زیر زمینی یافت شده و به رنگ قهوه ای و زرد می‌باشد. علاوه بر کاربرد به عنوان پیگمنت از ماگمیت به عنوان ذخیره سازی اطلاعات نیز استفاده می‌شود.

 

5-پیگمنت اکسید آهن بر پایه آهن دو و سه ظرفیتی یا مگنتیت (Magnetite)

مگنتیت یکی از اکسیدهای مهم آهن با فرمول شیمیایی Fe3O4 می‌باشد. اکسید آهن مگنتیت بیشتر به دلیل خواص مغاناطیسی آن مورد توجه است. این ماده می‌تواند جذب آهن ربا شده و همچنین امکان تبدیل شدن به آهن ربای دائمی را دارد. پیگمنت مگنتیت سیاه رنگ و با درخشش فلز مانند است. ساختار کریستالی مگنتیت به صورت هشت وجهی می‌باشد. امکان تبدیل مگنتیت و هماتیت به یکدیگر تحت شرایط کنترل شده وجود دارد. مگنتیت به صورت طبیعی در سنگ و خاک یافت می‌شود. سیاه بودن شن‌های ساحل در بعضی مناطق مربوط به حضور اکسید آهن مگنتیت است. اکسید آهن مگنتیت در کاربردهای مهم و پیشرفته ای از جمله درمان سرطان، ساخت تجهیزات پزشکی، تصفیه ذغال، کاتالیت داشته که آن را به ترکیبی منحصربه فرد در بین ترکیبات اکسید آهن تبدیل کرده است.

 

تقسیم بندی پیگمنت اکسید آهن بر اساس رنگ

عمده پیگمنت‌های حاصل شده از اکسید تیتان به رنگ زرد، قرمز، سیاه و قهوه ای هستند. رنگ‌های اکسید آهن با توجه به شید رنگی، ترکیب شیمیایی یا نحوه تهیه آن به نام‌هایی چون قهوه ای ونگه، قرمز اسپانیایی، سیاه مگنتیت، مشکی اکسید آهن، قهوه ای متالیک نیز شناخته می‌شوند. به طور مثال قهوه ای متالیک از کلسینه شدن سیدریت (کربنات آهن) حاصل می‌شود. قهوه ای ونگه نوعی پیگمنت کربن دار است که مقدار کمی آهن دارد. ( در دسته بندی اکسید آهن قرار نمی‌گیرد). از جمله دیگر پیگمنت‌های آهن اکسید آهن میکایی می‌باشد. این نوع پیگمنت مانند میکا ساختار ورقه ای دارد. ساختار میکا مانند این پیگمنت سبب شده تا مقاومت آب و هوایی خوبی داشته باشد و به عنوان پوشش برای قطعات مورد استفاده در خارج از ساختمان استفاده شود.

 

خواص فیزیکی و شیمیایی مهم اکسید آهن

 

1-پایداری شیمیایی و فیزیکی اکسید آهن

پیگمنت‌های پایه اکسید آهن در مقابل طیف وسیعی از مواد اسیدی و قلیایی مقاوم هستند. این نوع پیگمنت‌ها پایداری نوری خوب دارند. پیگمت‌های آهن بر پایه Fe2O3 پایداری حرارتی نسبتا بالاتری دارد. اما پیگمنت آهن بر پایه Fe2O3·H2O و مگنتیت نیز در شرایط معمول پایدار هستند.

 

2-اندازه ذرات پیگمنت اکسید آهن

اندازه ذرات یکی از عوامل هست که بر روی قدرت رنگ آمیزی و پوشانندگی پیگمنت اثر گذار است. پیگمنت‌های اکسید آهن تهیه شده از منابع طبیعی اندازه ذراتی در حدود 30 تا 100 میکرومتر دارند. پیگمنت‌های سنتزی می‌توانند اندازه ای در حدود 1 تا 0.01 میکرومتر داشته باشند. پیگمنت‌هایی با اندازه ذرات ریز تر عمدتا، پخش بهتری داشته و برای ایجاد رنگ شفاف بهتر عمل می‌کنند.

 

شکل ذرات اکسید آهن

شکل ذرات نیز از دیگر عوامل موثر بر خواص پیگمنت می‌باشد. به طور مثال پیگمنت زرد با شکل سوزنی جذب روغن بیشتری نسبت به سایر پیگمنت‌ها دارند. پیگمنت‌های اکسید آهن سنتزی ( به استثنای زرد) معمولا شکل کروی یا مکعبی دارند. شکل ورقه ای اکسید آهن میکایی سبب شده تا خواص خوبی در شرایط آب و هوایی خارج از ساختمان داشته باشد.

 

انواع کاربرد پیگمنت اکسید آهن

پیگمنت‌های اکسید آهن یکی از پرکاربرد ترین پیگمنت‌های در صنایع مختلف هستند. یک تخمین کلی از مصرف این نوع پیگمنت به شرح ذیل است.

1-50 درصد در صنایع رنگ سازی، پلاستیک، پوشش و لاستیک

2-12.5 درصد در صنایع سیمان سازی و متریال ساختمان

3-12.5 درصد در محصولات آرایشی، دارو و کاتالیست‌ها

4-25 درصد در سایر کاربردها از جمله کاربردهای مغناطیسی

 

نوع رنگ	کد رنگ
قرمز	قرمز101- قرمز110 - قرمز130 -  قرمز190
مشکی	مشکی330- مشکی360
زرد	زرد 313 - زرد920
قهوه‌ای	اکسید آهن قهوه‌ای 686