Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Применение красителей и пигментов. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Химия и технология органических соединений азота»
ПРИМЕНЕНИЕ КРАСИТЕЛЕЙ
И ПИГМЕНТОВ
Учебное пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2017
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 667(075.8)
ББК 35.62д73
П 76
П 76 Применение красителей и пигментов: учебное пособие / Сост.
П.Е. Красников. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2017. – 74 с.
Рассмотрено применение основных классов органических красителей.
Предназначено для студентов, обучающихся по профилю «Технология ор-
ганических красителей, пигментов и лакокрасочных материалов» направления
18.03.01 «Химическая технология».
Р е цен з ен т д-р хим. наук, проф. В.А. Осянин
УДК 667(075.8)
ББК 35.62д73
П 76
© П.Е. Красников, составление, 2017
© Самарский государственный
технический университет, 2017
ВВЕДЕНИЕ
Красителями называются органические соединения, обладаю-
щие способностью поглощать и преобразовывать световую энергию
(энергию электромагнитных излучений) в видимой, ближних ультра-
фиолетовой и инфракрасной областях спектра и не утрачивающие
этой способности при нанесении на различные тела. Поглощая часть
световых лучей определенной длины волны в видимой области спектра, эти соединения становятся цветными [3].
Человечество использует пигменты и красители с древних времен. Например, первобытные люди применяли красители, полученные из природных ресурсов, для украшения тела, окраски меха и кожи, в наскальной живописи. Красящие вещества для данных целей
были извлечены либо из растительных источников (листья и корни
деревьев, семена, орехи, фрукты и лишайники), либо из животных
источников (измельченные насекомые, моллюски). Пигменты для
красок добывали из древесного угля и цветных минералов, например
охры и гематита, которые в основном давали желтые, красные и коричневые цвета из-за содержания оксидов железа в их составе. Прочность этих природных пигментов демонстрируется в удивительно хорошо сохранившихся наскальных рисунках, найденных в пещерах
Ласко во Франции и Альтамира в Испании.
Многие неорганические пигменты имеют древнюю историю. Так
Египетский синий, также известный как Александрийская лазурь, изготовленный из силиката меди и кальция, был идентифицирован во
фресках, датируемых примерно 1000 г. до н.э. Производство Берлинской лазури – одного из древнейших синтетических красителей, используемых в значительной степени в настоящее время, – начинается
с середины XVII века.
Первый синтетический краситель синтезирован профессором
Варшавского университета Я. Натансоном в 1855 г. нагреванием
анилина с дихлорэтаном в запаянной трубке. В 1858 г. Берген другим
способом получил этот же краситель; за сходство окраски с цветком
3
фуксии он получил название Фуксин. В 1856 г. английский химик
В. Перкин окислением анилина синтезировал красновато-фиолетовое
вещество, окрашивающее шелк. В короткий срок было организовано
его производство и выпуск под названием Анилиновый пурпурный,
однако этот краситель не нашел сбыта. Позднее французские красильщики назвали его Мовеином (азиновый краситель, производное
Сафранина) за сходство с окраской цветка мальвы и начали использовать в крашении. Промышленное производство Мовеина послужило началом развития анилинокрасочной промышленности. В 1858 г.
была открыта реакция диазотирования (П. Грисс), положившая начало синтезу азокрасителей – самого многочисленного класса красителей с разнообразными химическими свойствами [3].
Теория строения органических соединений, разработанная
А.М. Бутлеровым в 1861 г., подвела теоретический фундамент под
органическую химию, в том числе и химию синтеза органических
красителей. В результате целенаправленных исследований было
установлено строение и осуществлен синтез Ализарина (1863 г.), Индиго (1870 г.) и открыты красители новых классов (сернистые, антрахиноновые, полициклические и др.) [3].
Применение веществ, способных придавать ту или иную окраску
(цвет) предметам (в том числе волокнам и тканям), известно с незапамятных времен. Для этого использовались цветные глины, а также
вещества, содержащиеся в различных частях растений и в организмах
животных.
Ремесленники окрашивали ткани в синий цвет, используя Индиго, который выделяли из листьев растения индигоферы, произрастающего в Индии и Индонезии. В красный цвет красили Ализарином,
добывая его из корней растения марены красильной. Некоторые из
красителей, например Тирийский пурпур, или Пурпур древних, добывали из улитки-багрянки, обитающей в Средиземном море. Для
получения красителей использовали также чернику, крушину, резеду,
водные вытяжки из коры ольхи, дуба и другие средства [3].
4
Родиной промышленного получения красителей была Англия,
однако быстрое развитие промышленности в Германии привело к тому, что в канун Первой мировой войны доля Германии в производстве красителей составила около 90 %. Красочная промышленность
Германии снабжала красителями практически весь мир.
В ходе Первой мировой войны страны, не имевшие своих красителей, начали их производство и к началу Второй мировой войны создали свою красочную промышленность.
Царская Россия не имела красочной промышленности. Отдельными фабрикантами в 1880–1890 гг. были организованы небольшие
производства, но их продукция не выдерживала конкуренции с красителями, производимыми в филиалах немецких фабрик, работавших
в России. Кроме того, промышленность России не располагала сырьевой базой для синтеза красителей [3].
После Октябрьского переворота была создана сырьевая база для
синтеза красителей, что дало возможность в 1932 г. выработать уже
12,8 тыс. т красителей.
Во время Великой Отечественной войны анилинокрасочной промышленности был нанесен огромный ущерб, 80 % ее мощностей было разрушено. Однако уже в 1950 г. на восстановленных старых и
вновь построенных заводах был превзойден довоенный уровень, а в
1975 г. было выработано 88,7 тыс. т красителей [3].
Активное участие в создании отечественной анилинокрасочной
промышленности принимали видные ученые: Н.Н. Ворожцов (ст.),
М.А. Ильинский, В.А. Измаильский, А.И. Королев, Н.М. Кижнер,
В.М. Родионов, А.Е. Порай-Кошиц, Р.К. Эйхман и др.
Основными потребителями красителей являются текстильная и
легкая промышленность, в том числе такие их отрасли, как хлопчатобумажная, шелковая, льняная, трикотажная, кожевенно-обувная,
меховая, и в меньшей степени – промышленность химических волокон, пластических масс, резинотехнических изделий, лакокрасочных
материалов, полиграфическая и бумажная.
5
1. ПРИМЕНЕНИЕ КРАСИТЕЛЕЙ
В ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Средства, применяющиеся для окрашивания текстильных материалов, делят на две группы: красители и пигменты. В текстильной
промышленности термины «краситель» и «пигмент» обозначают четко различающиеся функции, хотя их часто используют как равноценные.
Красителем называют вещество, которое по меньшей мере на
одной из стадий обработки обладает внутренним сродством к текстильному материалу (притяжением к нему). Красители растворимы в
красильной среде, с легкостью проникают вглубь материала и образуют более или менее прочную связь с волокнами. Все текстильные
красители являются органическими веществами [17].
Пигмент – это вещество, используемое для окрашивания поверхности ткани. Пигменты, в отличие от красителей, не обладают внутренним сродством к окрашиваемым материалам и удерживаются на них с
помощью специальных химических препаратов. Пигменты представлены как органическими, так и неорганическими веществами.
Для красителей также используют классификацию по химической структуре и по способу применения. Технологи, занимающиеся
крашением текстильных материалов, используют классификацию
красителей по способу применения. Химики, изучающие взаимосвязи
между структурой и свойствами веществ и занимающиеся непосредственно синтезом красителей, классифицируют красители по химической структуре [5].
Производство текстиля состоит из двух очень непохожих по своей сути стадий: механической и химической технологий [13].
На первой, механической технологической фазе осуществляется
производство из природных или химических волокон пряжи (прядение), из которой затем изготавливаются ткани (ткачество). Практически
никаких химических превращений с волокнами, пряжей и тканью на
этой стадии не происходит. Связь с химией состоит лишь в том, что все
6
текстильные волокна (природные, химические) являются разнообразными полимерами с определенным химическим строением и физической структурой. Поэтому для реализации механической стадии технологии необходимы обширные знания физико-механических свойств волокон, которые определяются их химической и физической природой.
Химическая технология текстильных материалов в качестве объекта воздействия имеет дело с суровой тканью (реже пряжей), трикотажем или нетканым материалом. Это еще не конечный продукт, ему
предстоит пройти долгий путь, включающий большое число операций физико-химического воздействия или химических превращений.
Основными стадиями химической технологии текстильных материалов (отделки) являются очистка текстильных материалов от загрязнений, колорирование (крашение и печатание) и заключительная
отделка (аппретирование) [13].
В текстильной промышленности обычно используются красители
семи основных классов [17]. Первые три класса красителей (основные, кислотные и дисперсные) применяют преимущественно для
крашения натуральных и синтетических волокон, последние четыре
(прямые, активные, сернистые и кубовые) – для крашения целлюлозных волокон, например вискозных и хлопковых.
Основные красители. Основные красители представляют собой
растворимые в воде соли органических оснований. Красители данной
группы диссоциируют в водных растворах с образованием цветных
катионов. В качестве компенсирующих анионов обычно выступают
хлорид-, гидросульфат- и оксалатанионы или двойные соли ряда органических оснований [21]. Эти красители не содержат сульфо- и
карбоксильных групп. К ним относятся некоторые ди- и трифенилметановые красители, моно- и дисазокрасители, азометиновые, полиметиновые, фталоцианиновые, антрахиноновые и другие красители.
Основные красители обладают сродством к волокнам, имеющим
кислотный (ацетатные, полиакрилонитрильные, синтетические полиэфирные) и амфотерный (белковые и синтетические полиамидные)
характер; окрашивают их из водного раствора, вступая в солеобразо-
7
вание с молекулами этих веществ за счет содержащихся в них кислотных групп (карбоксильные и др.), на волокне удерживаются силами ионных связей [21].
Основные красители делятся на две группы [13]:
− старые, классические основные красители. Используются для
крашения бумаги, косметических средств и других материалов, где
требуется яркая окраска и не предъявляются высокие требования к
светопрочности;
− новые основные красители (называемые катионными). Широко
применяются для крашения полиакрилонитрильных волокон. Они являются базовым классом для этих волокон, поэтому рост производства и развитие ассортимента катионных красителей целиком зависит
от потребления полиакрилонитрильных волокон. Катионные краси-
8
тели дают яркие высокопрочные окраски. Их пытаются использовать
и для крашения других волокон, в частности полиэфирных и полиамидных после модификации этих волокон кислотными присадками.
Кислотные красители. Это обширный класс красителей, включающий соединения с разнообразной химической структурой. Кислотные красители представляют собой растворимые в воде соли органических кислот, главным образом сульфо-, реже – карбоновых
кислот или полиатомных фенолов. Представители кислотных красителей диссоциируют в водных растворах с образованием цветных
анионов, в качестве компенсирующего катиона выступает катион
натрия, реже – аммония [21]. Константа диссоциации сульфогрупп
красителей составляет 10–1 ÷ 10–2, поэтому они проявляют свойства
сильных электролитов.
Кислотные красители обладают сродством к волокнам, имеющим
амфотерный характер (белковые и полиамидные волокна), и окрашивают их из водного раствора в присутствии кислот, вступая в солеобразование с молекулами этих веществ за счет содержащихся в них
основных групп (аминогрупп); удерживаются на волокне преимущественно силами ионных связей [21]. При наличии в молекулах красителей гидрокси- и аминогрупп, а также больших алкильных остатков
красители фиксируются на волокне также за счет водородных связей.
Сродство этих красителей к волокнам колеблется в широких пределах – 42 ÷ 113 кДж/моль, и оно уменьшается в ряду: шерсть > шелк >
полиамидное волокно [29, 18]. Сродством к целлюлозным волокнам
не обладают.
При прочих равных условиях сродство красителей к волокнам
увеличивается при уменьшении растворимости красителей в воде.
Сродство выше у тех красителей, которые имеют меньше
сульфогрупп (или содержат сульфамидные группы), а также у красителей, содержащих ациламиногруппы и тяжелые алкильные остатки
(С4 – С12).
Примеры кислотных красителей различных классов приведены
ниже.
9
Кислотные красители являются важнейшим классом красителей
для шерсти, полиамидных волокон и натурального шелка [13]. Используются они и в нетекстильных отраслях. Ассортимент кислотных
красителей распределен на несколько групп в зависимости от условий применения и прочностных свойств даваемых ими окрасок. Некоторые фирмы из общего ассортимента выделяют металлсодержащие красители в самостоятельный класс, так как они дают окраски,
наиболее устойчивые к свету и мокрым обработкам. Однако автор
считает, что правильное сочетание ярких безметальных красителей и
высокопрочных, но неярких металлсодержащих красителей может
обеспечить высокое качество окрасок и на шерсти, и на полиамиде.
Несомненно, ассортимент кислотных красителей будет в дальнейшем
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]