فرمولاسیون شیمیایی شامل ترکیب مواد شیمیایی به منظور دستیابی به خواص و ویژگی های خاص است. شما هر روزه با فرمولاسیون های مختلفی مانند سوخت ها، شوینده ها، رنگ ها، داروها، آلیاژها، کودها و مواد غذایی سرو کار دارید و می دانید که این فرمول ها چقدر ارزشمند هستند. اگر به فرمولاسیون ترکیبات شیمیایی علاقه مند هستید و میخواهید اطلاعات بیشتری درباره آن داشته باشید، در ادامه با ما همراه باشید.
فرمولاسیون شیمیایی چیست؟
فرمولاسیون شیمیایی شامل ترکیب مواد شیمیایی با نسبت ها و مقادیر مشخص است که با یکدیگر واکنش نمی دهند ولی یک مخلوط را ایجاد می کنند. محصولات فرموله به طور خاص برای یک هدف مشخص طراحی می شوند. هر کدام از اجزای ترکیب در فرمولاسیون وظیفه خاصی را بر عهده دارد. مخلوط کردن اجزا در فرآیند فرمولاسیون بایستی با مقادیر بسیار دقیق انجام شود تا اطمینان حاصل گردد که محصول دارای خواص موردنیاز بدون هیچگونه مشکل ایمنی با بهداشتی است. اگرچه زمینه های شغلی فرمولاسیون شیمیایی بسیار گسترده است ولی آموزش های آکادمیک در این زمینه بسیار محدود بوده و شیمیدانان به صورت خودآموز و یا تحت نظارت اساتید مجرب در این زمینه مهارت بدست می آورند.
فرمولاسیون مواد شیمیایی به چه عواملی بستگی دارد؟
اگرچه در فرآیند فرمولاسیون هیچ واکنش شیمایی اتفاق نمی افتد ولی جنبه های شیمایی زیادی در فرمولاسیون حائز اهمیت هستند. از جمله این موارد می توان به ترمودینامیک اختلاط، تعادل فاز محلول ها، شیمی سطح کلوییدها، امولسیون ها و سوسپانسیون ها اشاره کرد. این موارد به همراه نوع و درصد اجزای ترکیبات عامل ایجاد خواصی مانند چسبندگی، مقاومت در برابر آب و هوا، بافت، ماندگاری، زیست تخریب پذیری، واکنش آلرژی زا و خواص دیگر هستند. با تغییر ترکیب مخلوط، خواص آن کم و بیش تغییر می کند تا برای یک کاربرد ویژه مناسب باشد.
فرمولاسیون های شیمیایی در چه زمینه ای کاربرد دارند؟
نمونه هایی از فرمولاسیون های شیمیایی شامل چسب ها، ضدعرق ها، لوازم آرایشی، دئودورانت ها، دترجنت ها، ضدآفتاب ها، رنگ ها، مکمل های غذایی، رنگ مو، حشره کش ها، جوهرها، لاک ناخن، رنگ ها، ادکلن ها، حشره کش ها، و سوخت هایی مانند بنزین یا گازوییل هستند. همچنین محصولات دارویی مانند قرص های سردرد، آلیاژها و کودها جزو ترکیبات شیمیایی فرموله شده به شمار می روند. اگر شما نگاهی به اطراف خانه خود، مخصوصا آشپزخانه یا حمام بیاندازید لیستی از اجزای تشکیل دهنده بر روی بطرهای محصولات به همراه درصد یا نسبت ترکیبات استفاده شده در فرمولاسیون و علائم هشدار و طریقه مصرف را مشاهده خواهید کرد.در ادامه برخی از کاربردهای فرمولاسیون های شیمیایی به صورت اجمالی آورده شده است.
1. فرمولاسیون رنگ (Paint)
فرمولاسیون رنگ از چهار جز اصلی تشکیل می شوند:
- رنگدانه (Pigment)
- منعقد کننده (Binder)
- حلال (Solvent)
- افزودنی ها (Additives)
عملکرد رنگ تحت تاثیر نوع این ترکیبات و همچنین نسبت بین آنها می باشد و عوامل مختلفی در عملکرد کلی یک رنگ تاثیرگذار هستند.رنگدانه ها عامل ایجاد طیف های رنگی هستند.این ترکیبات معمولا به سختی حل میشوند و از جمله آنها میتوان به اکسید روی و یا اکسید تیتانیوم اشاره کرد که به عنوان رنگدانه سفید مورد استفاده قرار میگیرند. حلال برای حل کردن برخی از اجزا برای ایجاد یک ترکیب همگن و همچنین دادن ویسکوزیته مناسب به رنگ کاربرد دارد. حلال در نهایت تبخیر شده و سطح جامد سختی که بسته به نوع ترکیبات ممکن است مات یا براق باشد ایجاد می شود. منعقد کننده ها باعث اتصال رنگ به سطوح مورد نظر می شوند. بسته نوع منعقد کننده انواع مختلفی از رنگها مانند رنگهای آکلریک، رنگ های روغنی، رنگهای پایه آب و .. حاصل می شوند.برخی اوقات عمل اتصال شامل یک تغییر شیمیایی مانند پلیمرازسیون است. به عنوان مثال در رنگهای آکریلیک از رزین های پلیمری استفاده می شود. این رنگها علاوه بر اینکه با آب رقیق می شوند، به راحتی نیز خشک شده و رزین سخت می گردد. همچنین ممکن است افزودنی های دیگری برای به دست آمدن خواص مشخصی به رنگ ها اضافه گردد.
2. فرمولاسیون جوهر (Ink)
جوهرها انواع مختلفی دارند که از جمله آنها می توان به جوهرهای پایه آب،پایه حلال و جوهرهای UV و دیجیتال اشاره کرد. در اصل، همه انواع جوهرهای چاپ دارای اجزای مشابهی هستند اما بسته به روش چاپ، نوع ماده اولیه و مقدار آن متفاوت است.
جوهرها با استفاده از چهار جزء اصلی رنگدانه ها، بایندرها، حلال ها و مواد افزودنی فرموله می شوند. پیگمنت ها برای ایجاد جلوه های رنگی و جلوه های نوری در فرمولاسیون جوهر استفاده می شوند. بایندرها رنگدانه ها را به طور یکنواخت پراکنده کرده و آنها را به سطح بستر می چسبانند. حلال‌ها جریان و ویسکوزیته جوهر را متعادل می کنند تا جوهر متناسب با نوع چاپ و فن‌آوری فراهم شود. همچنین در فرمولاسیون جوهر یک سری ترکیبات افزودنی به منظور بهبود خواص به منظور استفاده در کاربردهای مختلف حاصل گردد. به عنوان مثال برخی افزودنی ها منجر به افزایش انعطاف پذیری فیلم چاپ شده و یا افزایش مقاومت در برابر سایش یا افزایش چسبندگی می شوند. فرمولاسیون های مختلفی برای جوهر وجود دارد و بسته به نوع کاربرد و فناوری از جوهرهای مختلفی استفاده می شوذ.
3. فرمولاسیون آرایشی و بهداشتی
صنعت آرایشی و بهداشتی طیف گسترده ای از محصولات فرموله شده را ارائه می دهد. شما در حمام و یا اتاق خواب می توانید انواع مختلفی از لوازم آرایشی و بهداشتی مانند عطرها، مرطوب کننده ها، رژ لب، محصول ضدپیری پوست، کرم پودر، لاک ناخن، ضد افتاب، ژل مو، رنگ مو، محصولات حالت دهنده مو، افترشیو و دئودورانت را پیدا کنید.
در دنیای بسیار رقابتی لوازم آرایشی، پیشرفت در فرمول‌های غیرحساسیت‌زا با ماندگاری طولانی‌تر اهمیت زیادی پیدا کرده‌اند و همچنین شکل ظاهری و کاربرد آسان آنها به بازاریابی و فروش بیشتر این محصولات کمک میکند. در ادامه با برخی از فرمولاسیون های محصولات آرایشی بهداشتی آشنا می شوید.
فرمولاسیون لاک ناخن
فرمولاسیون لاک ناخن معمولی بر پایه یک پلیمر (معمولا نیتروسلولز) حل شده در حلال هایی مانند اتیل استات یا بوتیل استات است. به منظور ایجاد طیف های رنگی لاک ناخن که بسیار گسترده هستند از رنگدانه های آلی استفاده می شود. هنگام استفاده از لاک ناخن، حلال تبخیر شده و یک لایه پلیمری روی ناخن باقی می ماند. همچنین در فرمولاسیون لاک ناخن از رزین های پلیمری چسبی نیز استفاده می شود که به چسبیدن لایه پلیمری به ناخن کمک کرده و همچنین منجر به براقیت پلیمر می شوند.
فرمولاسیون عطر
فرمولاسیون عطر هزاران سال است که توسط انسان ها انجام می شود. فرهنگ استفاده از عطر به مصر باستان باز میگردد. آنها اولین بار مواد معطر را از گیاهان و گل های معطر مانند گل رز، شمعدانی و روغن لیمو استخراج کردند. سپس عصاره های حیوانی مانند مشک نیز به ترکیبات فرمولاسیون عطر اضافه گردید. در واقع عطرها مخلوطی از اجزای مختلف به منظور ایجاد رایحه ای مطبوع و ماندگار هستند. در فرمولاسیون عطر، هر جز معطر مورد استفاده را نت می نامند. اولین نت، بویی است که هنگام باز شدن یا اسپری شدن رایحه / عطر احساس می شود. نت دوم پس از تماس عطر با پوست تشخیص داده می شود و نت سوم ماده ای است که باعث ماندگاری عطر برای مدت زمان مشخصی می شود. در فرمولاسبون عطرهای باکیفیت مخلوط ترکیبات بسیار با دقت انتخاب شده و سلیقه های مختلف را پوشش می دهند. این ترکیبات معمولا شامل عصاره گل ها و گیاهانی مانند سنبل الطیب، اسطوخودوس، بابونه، گل ساعتی، وانیل، شمعدانی، نعناع، لیمو و همچنین عنبر یا مشک به همراه آب یا الکل هستند. فرمولاسیون عطرها آمیزه‌ای از هنر و علم است و محصولات جدید دائما در حال ورود به بازار هستند تا طیف گسترده تری از سلایق مختلف را پوشش دهند. عطرها علاوه بر استفاده شخصی، در بسیاری از محصولات پاک کننده و خوشبوکننده های محیط نیز مورد استفاده قرار میگیرند.
فرمولاسیون رنگ مو
محصولات رنگ مو موقتی یا دائمی هستند. رنگ موی موقت به سطح مو می چسبد و پس از شامپو زدن مکرر شسته می شود. رنگ موی دائم به الیاف توخالی مو نفوذ میکند و با شستشو از سطح مو پاک نمیشود. در فرمولاسیون رنگ مو از ترکیباتی مانند آمونیاک یا هیدروژن پراکسید استفاده می شود که این ترکیبات در مرحله اول رنگ کردن مو باعث تورم و بازشدن ساقه مو شده و به حدواسط های رنگ و جفت کننده ها اجازه نفوذ می دهند. در مرحله بعد رنگها با جفت کننده واکنش داده و پیگمنت های را ایجاد میکنند که بر روی مو ثابت باقی می مانند. ترکیبات ملانین و چگالی آنها تعیین کننده رنگ مو هستند. موهایی که ملانین ندارند یا مقدار بسیار اندکی دارند رنگ بسیار روشن و یا سفید دارند. برای رسیدن به برخی از طیف های رنگ مو لازم است که ابتدا با عوامل اکسیده کننده مانند هیدروژن پراکسید، ملانین را از بین برده و به اصلاح مو را دکلره کرده و سپس به رنگ موی دلخواه رسید.
فرمولاسیون دئودورانت و ضد عرق
فرمولاسیون دئودورانت ها و ضد تعریق ها مشابه هم است. دئودورانت‌ها معمولاً بوی بد بدن را از بین نمی‌برند، بلکه آنها را با بوی بهتری می‌پوشانند، حتی برخی از آنها قادر به مهار میکروارگانیسم هایی که باعث بوی بدن می شوند نیز هستند. در فرمولاسیون دئودورانت‌ها از مخلوط عطرهای قوی مانند بوی نعناع یا مشک استفاده می شود.
بوی بدن را می توان تا حدی با کاهش تعریق کاهش داد. عملکرد غده های عرق به منظور خنک کردن پوست و خلاص شدن از گرمای اضافی است، اما تعریق حاوی فرمون ها و اسیدهای چرب بودار و همچنین نمک بی بو است. یکی از اجزای فعال فرمولاسیون ضد عرق ها که به صورت هدفمند مورداستفاده قرار میگیرد، کلرید آلومینیوم است. هنگامی که یون های آلومینیوم توسط سلول های اپیدرم جذب می شوند، باعث بسته شدن مجاری غدد عرق می شوند.
فرمولاسیون ضدآفتاب
ترکیبات ضدآفتاب اشعه مضر فرابنفش (UV) را جذب و یا مسدود می کنند و مانع ار رسیدن این امواج به پوست می شوند. اشعه ماوراء بنفش فوتون های پر انرژی است که با آسیب رساندن به DNA باعث سرطان پوست می شوند. همچنین قرار گرفتن در معرض بیش از حد اشعه UV باعث افزایش چین و چروک پوست نیز می گردد. فرمولاسیون اولیه ضدآفتاب شامل ترکیبات آروماتیک آلی است که قادر به جذب نور ماوراء بنفش (اما نه لزوماً تمام اشعه ماوراء بنفش) است. امروزه در فرمولاسیون بسیاری از ضدآفتاب ها از خاصیت بازتابی اکسید روی (ZnO) و دی اکسید تیتانیوم استفاده میشود. این ذرات طیف گسترده‌تری از طول موج و فرکانس‌های نور UV را مسدود میکنند. در فرمولاسیون یک ضدآفتاب خاص باید عوامل مختلفی را در نظر گرفت، به عنوان مثال بیشتر ترکیبات آروماتیک به طور بالقوه سرطان زا بوده و یا با هورمون ها تداخل دارند، بنابراین از غلظت های پایین برای به حداقل رساندن خطرات بایستی استفاده شود همچنین مواد موثره نباید از محلول و یا کرم ضدآفتاب رسوب کنند.
4. فرمولاسیون مواد شوینده
فرمولاسیون مواد شوینده عمدتا بر پایه ترکیبات سورفکتانت هستند که کشش سطحی محلول شستشو را تغییر داده و به عنوان عامل پاک کننده عمل می کنند. برخی اوقات آنزیم ها به فرمولاسیون مایعات و پودرهای شوینده اضافه می شوند. این آنزیم ها منجر به شکستن ترکیبات آلی تشکیل دهنده برخی از لکه ها می شوند در حالیکه به الیاف لباس آسیب نمی زنند. فرمولاسیون مایع ظرفشویی هم به گونه ای طراحی می شود که بدون آسیب رساندن به پوست دست، ظرفها کاملا تمیز کند.
فرمولاسیون شامپو
فرمولاسیون شامپو شامل ترکیبی از مواد از جمله ترکیبات دترجنت (detergents) است که به آب اجازه می دهد تا با ترکیبات روغنی و غیرقطبی موجود در ترشحات بدن مانند سبوم که کثیفی و پوست های مرده را در خود نگه میدارند، برهمکنش داشته باشند و منجر به پاک شدن آنها شود. دترجنت های رایج عبارتند از دترجنت های آنیونی و دترجنت های کاتیونی. از جمله دترجنت های آنیونی مس توان به سدیم یا آمونیوم لوریل سولفات و از دترجنت های کاتیونی می توان به ترکیبات آلکیل آمونیوم مانند استاریل آمونیوم کلرید یا سولفات (stearylammonium chloride or sulphate) اشاره کرد. دترجنت های کاتیونی علاوه بر حذف کثیفی و چربی به حالت دادن مو نیز کمک می کنند. از دیگر اجزای فرمولاسیون شامپو می توان ه سورفکتانت هایی مانند پلی اتیلن گلیکول (polyethylene glycol)، مواد ضد کف (antifoaming agents)، تغلیظ کننده ها (thickeners)، عوامل ضد الکتریسیته ساکن (antistatic agents) و بافرها (متعادل کننده pH) و همچنین مواد رنگی و عطرها به منظور ایجاد جذابیت بیشتر برای مشتری را نام برد.
فرمولاسیون صابون
بیشتر صابون ها نمک های سدیم یا پتاسیم اسیدهای چرب هستند که به خوبی به عنوان ترکیبات فعال سطحی یا صابون عمل می کنند. این ترکیبات در آب محلول بوده و دارای زنجیره هیدروکربنی بلندی هستند که قابلیت برهمکنش با ترکیبات چرب مانند گریس و روغن ها و حذف آنها حین فرآیند شستشو را دارا هستند .با این حال، در حین فرآیند شستشو، یون‌های کلسیم و منیزیم در آب سخت ترکیبات نامحلولی را با این اسیدهای چرب تشکیل می‌دهند که در دیواره‌های دوش آب و وان رسوب می کنند. به منظور حل این مشکل در فرمولاسیون شامپوها و مایعات شوینده مواد کیلیت کننده مانند اتیلن دی آمین تترا استات (EDTA) مورد استفاده قرار می گیرد که با یون های منیزیم و کلسیم کمپلکس های محلول تشکیل می دهند و به این طریق از تشکیل رسوبات جلوگیری می کنند. همچنین در فرمولاسیون شامپو ترکیباتی مانند 2-پروپانول و ایزوپروپیل الکل هم به عنوان حلال در شامپو عمل کرده و هم به حل شدن ترکیبات روغنی که در آب محلول نیستند کمک می کنند.
5. فرمولاسیون چسب
به طور کلی چسب ها مخلوطی از یک عامل اتصال و یک حلال هستند که سطوح را در سطح میکروسکوپی پر می کنند و با تبخیر حلال سخت می شوند. برخی از چسب‌ها، مانند چسب فوری یا اپوکسی رزین ها تحت واکنش شیمیایی سخت میشوند. چسب های مبتنی بر سیلیکون نیز برای کاربردهای دمای بالا مانند تعمیرات اگزوز خودرو استفاده می شوند.
6. فرمولاسیون کودهای کشاورزی
فرمولاسیون کودهای شیمیایی شامل مخلوط های پیچیده ای از مواد شیمیایی هستند که عناصر حیاتی را برای رشد سالم گیاهان فراهم می کنند. به طور کلی سه عنصر مهم در اکثر کودها نیتروژن (N)، فسفر (P) و پتاسیم (K) هستند که برای تامین این عناصر از ترکیبات مختلفی استفاده می شود. برای تامین نیتروژن (N) در فرمولاسیون کودهای شیمیایی از نمکهای آمونیوم یا نیترات مانند سولفات آمونیوم، فسفات آمونیوم یا اوره استفاده می شود. برای فسفر (P) از فسفات پتاسیم یا فسفات آمونیوم و به منظور تامین پتاسیم (K) از فسفات پتاسیم یا سولفات پتاسیم در فرمولاسیون کودها استفاده می شود.
در ساختار کودها نسبت نیتروژن: فسفر: پتاسیم یعنی همان مقدار NPK حائز اهمیت است و برای هر خاک یا محصول خاص مقدار NPK متفاوت است. در فرمولاسیون کودهای مدرن علاوه بر NPK طیف وسیعی از عناصر مورد نیاز برای رشد و تولید بالای محصولات مورد استفاده قرار می گیرند که از جمله آنها می توان به منیزیم، سدیم، گوگرد، کلسیم، بور، مس، روی، منگنز، آهن، کبالت و سلنیوم اشاره کرد.
7. فرمولاسیون سوخت
سوخت‌های فسیلی مانند بنزین و گازوئیل مخلوطی از هیدروکربن ها هستند که از تقطیر نفت خام استخراج شده و با مواد افزودنی فرموله میشوند تا در کاربردهای خاص مورد استفاده قرار گیرند. از جمله مهم ترین افزودنی هایی که در فرمولاسیون سوخت مورد استفاده قرار می گیرند ترکیبات اکتان بوستر یا افزاینده عدد اکتان هستند که منجر به افزایش کیفیت و بهسوزی بنزین میشوند. شما حتما به وفور استفاده از ترکیبات اکتان بوستر را در جایگاههای سوخت مشاهده کرده اید.
