3 Пігменти, барвники і керншгменти

3.1 Мета роботи

Вивчення властивостей і способів одержання кольорових компонент­ів, барвників і фарбувальних лаків.

3.2 Вказівки до організації самостійної роботи

Під час підготовки до виконання лабораторних робіт необхідно вивчити теоретичний матеріал за літературними джерелами ([1], с. 92-129; [2], с. 156-175), а також методичні вказівки до лабораторних робіт. Підготувати відповіді на контрольні запитання.

3.3 Пігменти білі

У поліграфічному виробництві для надання продукції різнобарвності і чіткості зображення використовуються різні пігменти, які знаходяться в полімерному сполучнику. Вони переносяться на поверхню паперу в процесі друкування і закріплюються на ньому за рахунок сил адгезії і дифузії.

Пігменти представляють дрібнодисперсні частки білого, чорного або пофарбовані в різні кольори. Як правило, ці кристалічні речовини стійкі до дії світла, розведених кислот і гідроксидів і добре сполучаються з органічними розчинниками, полімерними сполучниками, стабілізаторами і пластифікаторами. Однак не всі мінеральні пігменти можна застосовувати в поліграфічній промисловості через їхню токсичність, не зважаючи на яскраве і стійке фарбування.

Білі пігменти

Найчастіше застосовують такі білі мінеральні пігменти: гідроксид амонію Аl(ОН)₃ чистий пухнатий порошок з розміром часток 0,01-

0,10 мкм і щільністю 2-2,5 г/см³. Використовується для виготовлення прозорого білила і як прозорий наповнювач поліграфічних фарб, сульфат барію (бланфікс) ВаSO₄ - дуже білий порошок 4,35-4,49 г/см³, з розміром часток 0,1-0,3 мкм. Він характеризується білизною 93-99% та інерційністю. Друкарські білила, що складаються з двох молекул Аl(ОН)з і трьох молекул ВаSO₄ . Друкарські білила зазначеного складу застосовуються як наповнювачі поліграфічних фарб і володіють добрими друкованими влас­тивостями. Аеросил (біла «сажа») - колоїдний двоокис кремнію 3і0₂ - білий надзвичайно пухнатий порошок щільністю 1,95-2,25 г/см³ і розміром часток 18-22 мкм. Оксид цинку ZnO — дуже білий із голубуватим відтінком, білизна 98%, пігмент. Щільність 5,5-5,7 г/см³ з розміром часток

0,3-0,35 мкм. Застосовуються для виготовлення тертого цинкового білила й у виробництві елекірофотографічного паперу.

Діоксид титану ТіO₂ - білий кристалічний порошок (тетрагональної системи) щільністю 3,9-4,2 г/см³ з розмірами часток 0,3-0,35 мкм, найнепрозоріший з кольорових білих пігментів.

Одержання сульфату барію

Одержання сульфату здійснити за хімічною реакцією:

ВаС1₂ + Nа₂50₄ = ВаSO₄ + 2NaCl.

Обчислити необхідну кількість ВаС1₂ і Nа₂SO₄ . Роздільно розчини­ти в 100 мл дистильованої води і змішати два розчини в конічній колбі ємністю 300 мл. Спостерігати утворення білого осаду ВаSO,). Після осад­ження осаду, злити методом декантації, розчин з NаСl, а осад три рази промити 200 мл дистильованої води. Отриманий осад ВаSO₄ вивантажити в кристалізатор, висушити в сушильній шафі при температурі 105°С до постійної ваги і зважити на аналітичних вагах для визначення виходу.

Одержання друкарського білила

Друкарські білила одержати за хімічною реакцією:

А1₂(SO₄) ₃ + 3Nа₂СO₃ +Н₂O = 2Аl(OН) ₃ + 3Nа₂SO₄ + 3СO₂ ,

3ВаС1₂ +2Аl(ОН)₃ +3Ка₂SO₄ =3ВаSO₄ +2Аl(ОН) ₃ + 6NaС1.

Обчислити необхідну кількість ВаС1₂; А1₂(SO₄)₃ і Nа₂СO₃ для одержання 30 г [3ВаSO₃ -3Аl(ОН) ₃ ].

Розрахункову кількість А1₂(SO₄ )_; і Na₂C0₃ розчинити в 200 мл дистильованої води, і після закінчення реакції в цей розчин додати розрахункову кількість ВаС1₂ . Зміст колби перемішати і після осадження білого осаду, який містить гідроксид амонію і сульфат барію деконтацією злити розчин, який містить ВаС1₂. Осад (друкарські білила) тричі промити 200 мл дистильованої води. Після третього промивання друкарські білила вивантажити в кристалізатор і висушити в сушильній шафі до сухого стану при температурі 105°С. Сухі друкарські білила зважити на аналітичних вагах для визначення виходу'.

3.4 Пігменти чорні.

Чорні пігменти і барвники в поліграфії знаходять основне застосуван­ня для виробництва всілякої продукції. Як чорний компонент застосову­ють сажу, яка є надзвичайно дрібнозернистим інтенсивно-чорним, абсолютно світлостійким пігментом. За своєю будовою сажа займає проміжне положення між кристалічним і аморфним станом.

За способом одержання й індивідуальними характеристиками сажу поділяють на канальну, грубну й окислену.

Канальна сажа має діаметр первинних часток 0,03-0,06 мкм. За ступенем чорності і дрібнодисперсності набагато вище, ніж у грубної. До недоліків канальної сажі слід віднести коричнуватий відтінок у тонкому шарі і здатність сповільнювати висихання фарб.

Грубна сажа має синюватий відтінок, і вона дешевше канальної сажі.

Окислена сажа утворюється в результаті окислювання канальної сажі, що призводить до утворення на поверхні часточок сажі кисневмісних груп (карбоксильних - СООН, альдегідних - СОН, гідроксильних - ОН). Наявність зазначених функціональних груп збільшує змочувальну здатність і зменшує маслоємність.

Посилення чорного кольору сажі здійснюється шляхом введення в сажу синіх і фіолетових барвників.

Одержання сажі

На полум’ї газового пальника, який коптить, потримати З хвилини холодну металеву пластинку. Її поверхня покриється чорним нальотом. Написати рівняння хімічної реакції. За допомогою металевого шкребка зчистити шар сажі на аркуш паперу. Перевірити розчинність отриманої сажі у воді. Розтерти частішу сажі на поверхні білого аркуша паперу і переконатися, що вона залишає чорний слід. Частину отриманої сажі розмістити на предметне скло і при 80-кратному збільшенні розглянути її структуру під мікроскопом.

3.5 Кольорові неорганічні пігменти

Кольорові неорганічні пігменти містять полівалентні метали (Cr,Fe,Hg,Sn,Co та ін.). Представником кольорових пігментів є синій пігмент складної комплексної {Fe₄[Fe(CN) ₆] ₃K₄ Fe(CN) ₆}і Н₂O. Це дрібнодисперсний легкий порошок із щільністю 1,82-1,97 г/см³. Пігмент стійкий до кислот, має високу світлостійкість, але не стійкий до гідроксидів будь-якої концентрації. Недоліком пігменту є підвищена твердість часток, що робить його найскладнішодиспергованим пігментом. Його використовують для приготування синіх фарб і як підфарбовування для чорних фарб. Він одночасно є активним каталізатором, що прискорює процес плівкоутворення.

Практична назва цього пігменту - мілорі.

Одержання мілорі

Процес утворення є складним і може бути представлений такими реакціями:

FеSO₄ +2К₄Fe(СN)₆ -» {Fe₂[Fe(СN)₆]K₄Fe(CN)₆}+2К₂SO₄ ,

6{Fe₂[Fе(СN)₆К₄Fе(СN)₆}+2К₂Сr₂O₇ +14Н₂SO₄ →

→ 3 (Fe₄ [Fe(CN)₆ ]₃ К₄Fе(СN)₆ }+ 8К₂SO₄ + 2Сr₂ (SO₄) + 14Н₂O.

Провести за наведеними реакціями необхідну кількість вихідних компонентів для одержання 30 г сухого мілорі. Вихідні речовини: К ₄ [Fe(СN) ₆] • 3Н₂О - ферроцианат калію, FeSO₄ • 7Н₂O - залізо сірчанокисле закисне, К₂Сг₂O7 - біхромат калію, Н₂30₄ - сірчана кислота (10% розчин).

У конічну колбу ємністю 300 мл, завантажити розрахункову кількість Ре80₄-7Н₂O і К₄[Fе(СN₆)]-3Н₂O і долити 200 мл дистильованої води. Вміст колби нагріти на газовому пальник)’ або в побутовій СВЧ-печі до кипіння і додати 30-50 мл 10% розчину сірчаної кислоти до стійкої кислої реакції, а потім додати дрібнокристалічний біхромат калію в кількості 2- 3 г. Вміст колби ретельно перемішати скляною паличкою і обережно нагріти до кипіння на газовому пальнику або у СВЧ-печі. За допомогою індикаторного паперу перевірити кислотність середовища і, якщо необхід­но, додати 10 мл 10% сірчаної кислоти. Після охолодження вмісту колби до кімнатної температури з осаду, що утворився, злити деконтацією розчин, а осад - мілорі промити 3 рази 200 мл дистильованої води, щоразу зливаючи її після промивання деконтацією. Отриманий продукт вивантажити з колби в кристалізатор, висушиш його при температурі 105°С до повітряносухого стану і зважити на аналітичних вагах, з метою визначення виходу. Повнота виходу контролюється шляхом нанесення краплі фільтрату за допомогою скляної палички на фільтрований папір. Жовтий колір ореола краплі свідчить про кінець процесу окислювання. Після цього слід продовжити перемішування ще 5-10 хвилин.

3.6 Металеві пігменти

Більшість металевих пігментів це грубодисперсні порошки з частками у вигляді лусочок, отримані здрібнюванням металів або сплавів (А1,Ni , Сu + Zn + Su). «Срібні» пігменти являють собою чистий алюміній із щільністю 2,56-2,70 г/см³ і товщиною лусочок 0,1-0,5 мкм. Володіє високою поверхнею, яка відбиває, і застосовується для виготовлення фарб із високою здатністю, яка криє.

«Золоті» пігменти виготовляють із сплавів, що містять: міді - 65-73 %, цинку - 15-35%, олова - 1%. Дисперсність «золотих» пігментів нижче ніж «срібних», товщина лусочок досягає 1 мкм і щільність складає 7,6-7,8 г/см³.

Металеві пігменти одержують механічним здрібнюванням тонкої фоль­га, з наступним нанесенням замаслювана, який запобігає окислювання.

Як «золотий» пігмент застосовують дисульфід олова (SnS₂).

Одержання дисульфіду олова

У конічній колбі ємністю 300 мл розчинити в 150 мл води, SnCl₄ - 30 г і долити невеликими порціями 50 мл розчину Na₂S, який містить 20 г Na₂S . Під час додавання розчину Na₂S спостерігати утворення золотавих кристалів SnS₂ . Записати хімічну реакцію: SnCl₄ +2Na₂S -> SnCl₂ 4NаС1.

Обчислити необхідну кількість 8пС1₄ і Ма₂Б для одержання 15 г 8п8₂. Після завершення реакції ретельно перемішати вміст колби і методом деконтації злити сольовий розчин з осаду - Бп8₂. Отриманий дисульфід олова ретельно промити двічі дистильованою водою. Промивну воду зливати з осаду методом деконтації. Осад після останнього промивання перевантажити в кристалізатор, висушити в су шильній шафі і зважити на аналітичних вагах для визначення виходу.

3.7 Органічні барвники і пігменти

Барвники - це органічні сполуки у вигляді сухих барвних порошків, але на відміну від пігментів вони розчиняються у воді, а іноді й в органічних розчинниках, утворюючи насичені пофарбовані розчини. З деяких барвників готують нерозчинні кольорові опади - лакові пігменти.

Лакові пігменти - це нерозчинні у воді й органічних розчинниках солі двох- і тривалентних металів кислотних барвників або комплексні солі деяких основних барвників.

Органічні пігменти і барвники - складні з’єднання, у яких ароматичні радикали (Аг) зв’язані хромоформними групами. Серед хромоформних груп найбільш істотними є: азогрупи -N = N -, хиноїдна група -<=>- карбонільна група -С = О, нітрозогрупа -С = О, етинильна група = С = С = тощо. Молекули органічних пігментів, на відміну від барвників, не мають солеутворюючих груп, тому вони не дисоціюють на іони і не розчиняються у воді.

Молекули барвників мають солеутворюючі групи (сульфогрупи - SO₃Н та аміно - NH₃ або амінозамінюючі групи - NH₂ - N(CN₃)2, NH • С₂Н₅ тощо) дисоціюють на іони і розчиняються у воді. У залежності від характеру солеулворюючої групи барвники можуть були або кислотними або основними, тобто нагадувати слабкі ароматичні кислоти або основи. Органічні кислотні барвники випускаються у виді добре розчинних у воді натрієвих солей (повне розчинення настає при наявності двох сульфогруп) і основних барвників у вигляді хлористоводневих солей.

В залежності від хімічної побудови і характеру" кольороутворюючих молекул (хромофорів), вони розділяються на хімічні класи (азофарбуючі, трифенилметанові, ксантанові, фталоцианові, хінакридинові, хіноімінові й ін.), а залежно від застосування - на технічні групи: органічні пігменти, лакові пігменти, барвники (основні, кислотні, лакові, протравні, жиророзчинні й ін.)

Кількість органічних пігментів і барвників дуже велика, порядку декількох тисяч. Однак для виготовлення поліграфічних фарб виявилися прийнятними тільки близько . 100 марок. Найбільше значення для виготовлення поліграфічних фарб мають азопігменти, фталоціанінові пігменти і хінакредини.

Органічні барвники поділяють на кислотні й основні за наявністю відповідних груп. Практично з усіх барвників можна синтезувати лакові пігменти.

Схема синтезу лакового пігменту з кислотних барвників може бути представлена:

2(R - Аv - SO₃Nа) барвник кислотний + ВаСl₂ →

(R - Аv - SO₃ )₂ Ва лаковий пігмент + 2NaСl.

Процес утворення лакового пігменту відбувається в результаті заміщення лужного металу (№і) на лужноземельний (Ва, Sr, Са) або Аl. Осадження лакового пігменту відбувається в присутності друкарського білила або розчинних солей, зазначених вище металів.

Лакові пігменти - це нерозчинні у воді солі, стійкі до дії світла, кислот і основ. Вони добре поєднуються із з’єднувальними пластифіка­торами й утворюють якісні поліграфічні фарби.

Метод синтезу лакового пігменту з кислотних барвників

Приготувати 2% розчин кислотного барвника (за вказівкою керівника) і додати його в склянку з 1/2 отриманого білила, ретельно перемішати скляною паличкою і додати невеликими порціями 10% розчин ВаСl₂ або СаСl₂ , отриману суміш ретельно перемішати і здійснити пере­вірку повноти осадження барвника. Краплю розтану перенести скляною паличкою на поверхню аркуша фільтрувального паперу і спостерігати фарбування паперу біля краплі. Якщо поверхня паперу пофарбована, додайте в розчин 1,5-2 мл розчину - ВаС1₂ або СаСl₂ і знову проведіть контроль на повноту осадження. При повному осадженні барвника біля краплі не повинне відбуватися фарбування фільтрувального паперу.

Отриманий лаковий пігмент промити дистильованою водою два-три рази, зливаючи промивну воду методом деконгації. Промитий лаковий пігмент відокремити вакуумним фільтруванням від залишку⁷ промивної води і висушити в сушильній шафі на фільтрувальному папері при температурі 60-70°С.

Отриманий лаковий пігмент у сухому вигляді зберегти для одержання поліграфічних фарб.

Лаковий пігмент з основного барвника

Лаковий пігмент можна одержати дією на основний барвник фосфорно-молібденової Н₇[P(Мо₂O₇)₆] або фосфорно-вольфрамової

h₇[p(w₂o₇)₆] кислоти.

Процес утворення лаку можна представити схемою:

R - NH₃C1 + Н₇ [P(Мо₂0₇)_б] → [R - NH₃ •Н₃[P(Мо₂0₇)_б] + 4НСl

барвник фарбувальний лак

Методика синтезу лакового пігменту з основного барвника

Приготувати 0,8% розчин основного барвника (за вказівкою викладача) у склянці ємністю 0,5 л кількістю 0,3 л і додати до нього 'А частину' отриманого раніше друкарського білила і ретельно перемішати. В іншій склянці методом послідовного розчинення приготувати розчин з (NH₄)₂MoO₄, Na₂HPO₄ та НС1, взятих у еквімолекулярних спів­відношеннях. Взаємодія названих елементів призведе до утворення Н₃[P(Мо₂O₇)₆] і NaCl плюс NH4CI. Не розділяючи отримані солі, що виконують роль осаджувачів, додати до розчин}' основного барвника, який знаходиться в першій склянці.

В результаті реакції утворюється осад лакового пігменту з основного барвника. Перевірити повноту осадження барвника за допомогою краплі розчину, розміщеної на фільтрований папір. Якщо біля краплі утвориться кольоровий ореол, то необхідно додати ще осаджувача.

Отриманий лак промити дистильованою водою, відокремити фільтра­цією на вакуумфільтрі від промивної води і висушити у вакуумній шафі при температурі 60-70°С.

Контрольні запитання

1. Що таке пігменти?

2. Які за кольором бувають пігменти?

3. З якою метою в поліграфії застосовують пігменти?

4. Загальні характеристики пігментів.

5. Способи одержання пігментів.

6. Як одержати сульфат барію?

7. Що собою представ.ляє гідроксид амонію?

8. Як одержати друкарські білила?

9. Які відомі чорні пігменти?

10. Яка структура і властивості чорних пігментів.

11. Як підсилюють колір чорних пігментів?

12. Як одержують саясу і чим відрізняється канальна сажа від грубної?

13. Як одержати кольорові пігменти?

14. Що таке мілорі і які характеристики він має?

15. Що таке металеві пігменти?

16. Як одержують металеві пігменти? їх основні поліграфічні харак­теристики.

17. Як одержати дисульфід олова?

18. Які загальні характеристики мають органічні барвники?

19. Що таке функціональні групи?

20. Які функціональні групи зустрічаються в органічних барвниках?

21. Що таке хромоформні групи і як вони впливають на колір барвника?

22. Що визначають кислотні або основні групи у складі барвника?

23. За якими розділяють застосування барвників?

24. Що таке лакові пігменти (барвисті лаки)?

25. Як утворюються лакові пігменти?

26. Як синтезувати лакові пігменти з кислотних барвників?

27. Як синтезувати лакові пігменти з основних барвників?

28. Як перевірити повноту осадження?

29. Які загальні характеристики лакових пігментів?