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合成有機(jī)顏料的發(fā)展歷程與化學(xué)特性概述

作者：精顏化工日期： 2024-05-27 點(diǎn)擊量：文字大小：大中小

合成有機(jī)顏料是什么

合成有機(jī)顏料是由碳基分子組成，通過(guò)石油化合物、酸及其他化學(xué)物質(zhì)在高溫或高壓下制造而成。這些物質(zhì)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)自1860年起發(fā)展，標(biāo)志著現(xiàn)代消費(fèi)色彩時(shí)代的開(kāi)始。從19世紀(jì)末至今，化學(xué)和工業(yè)技術(shù)的迅猛進(jìn)步推動(dòng)了合成有機(jī)顏料的發(fā)展。

苯胺是一種從煤焦油化合物（煤焦和煤氣生產(chǎn)的副產(chǎn)品）蒸餾中提取的油狀有毒液體化學(xué)品，它成為了合成有機(jī)顏料的起點(diǎn)。第一種這種色素是由威廉·珀金爵士于1856年開(kāi)發(fā)的美麗紫色染料——苯胺紫。隨后，許多其他由煤焦油（并使用苯胺以外的成分）制成的染料也隨之出現(xiàn)。如1868年由德國(guó)化學(xué)家卡爾·格雷貝和卡爾·利伯曼合成的第一個(gè)人工生產(chǎn)的天然染料——茜素，至今仍以茜素深紅（P.R.83）和其紅紫色混合物形式銷(xiāo)售。

然而，苯胺顏料比較容易褪色（耐光性差），這促使油漆制造商在顏料上標(biāo)注“永久”以確保其顏料不含苯胺。盡管如此，研究這些早期染料推動(dòng)了現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)的發(fā)展和色素合成的經(jīng)濟(jì)方法，提供了今天使用的所有合成有機(jī)顏料。

為什么現(xiàn)代顏料多為合成有機(jī)物

“有機(jī)”意味著“含碳原子”。有機(jī)顏料化學(xué)的關(guān)鍵在于碳能夠以多種原子結(jié)構(gòu)組合——環(huán)狀、鏈狀和分支狀，最重要且基本的是六個(gè)碳原子互連的苯環(huán)。這些結(jié)構(gòu)可以互相連接或與其他原子或化合物（如氮和氫）連接，產(chǎn)生幾乎無(wú)限的分子變體。這種化學(xué)多樣性帶來(lái)了大量具有強(qiáng)烈顏色特性的分子：其中毒性最小、最持久和最經(jīng)濟(jì)制造的用作色素。

許多合成有機(jī)顏料，特別是偶氮顏料，是由水溶性染料衍生而來(lái)，染料本身與材料結(jié)合的方式使其在應(yīng)用后無(wú)法編輯。此外，紙和畫(huà)布（以及棉衣）的主要成分纖維素在沒(méi)有第三種化學(xué)物質(zhì)（稱(chēng)為媒染劑）的作用下很難接受染料。這些特性使染料不適合作為藝術(shù)材料使用。

合成有機(jī)顏料的特性與應(yīng)用

染料通過(guò)化學(xué)方式與無(wú)色、透明的不溶性鹽結(jié)合（通常作為媒染劑）轉(zhuǎn)化為不溶性顏料?，F(xiàn)代色淀顏料最常見(jiàn)的基質(zhì)是水合鋁（氫氧化鋁，也稱(chēng)為透明白）；更不透明的色淀是用硫酸鋇（天然礦物重晶石，其合成形式稱(chēng)為鋇白、永久白或白定色）或高嶺土（水合硅酸鋁，也稱(chēng)為瓷土或管粘土）制成的；現(xiàn)代合成有機(jī)染料也可以色淀到其他相對(duì)惰性的顏料上，特別是鉻、鐵、錫或其他金屬的氧化物，以增加成品的顏色。

有幾種重要的水不溶性晶體顏料不需要沉淀，包括酞菁顏料、喹吖啶酮顏料和蒽醌類(lèi)顏料等。許多這些顏料因其非常小的粒子尺寸在印刷油墨中很重要。

合成有機(jī)顏料被制造得非常有效，并且通常是適用于任何特定色調(diào)的最飽和和最強(qiáng)的著色劑。然而，它們的制造成本可能很高，并且它們的耐光性可能會(huì)根據(jù)顆粒大小、晶體形式或色淀中使用的基材類(lèi)型而發(fā)生巨大變化。

許多合成有機(jī)顏料在制造過(guò)程中會(huì)形成團(tuán)聚或團(tuán)塊。在某些情況下，這種結(jié)塊可以通過(guò)在顏料制成油漆之前進(jìn)行強(qiáng)烈研磨來(lái)分散，但更常見(jiàn)的是結(jié)塊或顆粒聚集是通過(guò)制造方法（使用酸或機(jī)械研磨）和顏料溶液中的添加劑來(lái)控制的。顏料的可分散性，即其在制造后能保持單個(gè)粒子的難易程度，是一個(gè)關(guān)鍵特性。許多顏料的分散性很低，無(wú)法通過(guò)研磨來(lái)分解附聚物，因此必須在制成后立即對(duì)其進(jìn)行處理，以防止顏料結(jié)塊，或者將其保存在分散溶液中，直到顏料實(shí)際用于制造。

合成有機(jī)顏料還可以進(jìn)行各種晶體改性（特別是喹吖啶酮和酞菁顏料），并且這些顏料可以具有非常不同的顏色和耐光特性，盡管它們都分組在相同的顏色索引名稱(chēng)下。

值得注意的是，在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)中，世界各地生產(chǎn)的合成有機(jī)顏料和染料總量的大約一半用于印刷油墨；另一部分用于建筑涂料；其余用于紡織品、塑料、汽車(chē)飾面、陶瓷、搪瓷、紙張、水泥、蠟燭、藝術(shù)品、食品、化妝品和藥品的著色等。

合成有機(jī)顏料的元素組成和發(fā)色機(jī)制

合成有機(jī)顏料由有限數(shù)量的元素制成，以下示意圖展示了一些顏料組的分子結(jié)構(gòu)圖，以便您可以看到染料的基本分子形式，在這些示意圖中，原子用以下符號(hào)表示：

顏料分子的顏色產(chǎn)生取決于發(fā)色團(tuán)，一個(gè)原子配對(duì)或分組，在兩個(gè)或多個(gè)原子的電子殼層中創(chuàng)造一個(gè)復(fù)雜而不斷變化的電子云。這些電子躍遷允許高效吸收特定的光波長(zhǎng)，從而產(chǎn)生一種顏色，該顏色是吸收光的視覺(jué)補(bǔ)充（吸收“藍(lán)色”和“紫色”或短波長(zhǎng)的化合物看起來(lái)呈黃色；吸收“綠色”波長(zhǎng)的化合物看起來(lái)呈紫色等）。其他原子組稱(chēng)為助色團(tuán)，通過(guò)改變發(fā)色團(tuán)的光吸收能力來(lái)影響顏料顏色，通常在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)。最重要的發(fā)色團(tuán)分組如下圖所示：

發(fā)色團(tuán)組在合成有機(jī)顏料中很重要

在所有情況下，碳、氮或氧原子對(duì)都通過(guò)雙價(jià)鍵連接（共享兩個(gè)電子）

偶氮顏料是最大、最多樣化和最重要的合成有機(jī)著色劑類(lèi)別：在目前生產(chǎn)的合成有機(jī)顏料中，60%屬于偶氮家族。所有這些都是通過(guò)Peter Gries在1862年發(fā)現(xiàn)的重氮化過(guò)程產(chǎn)生的：將芳香胺（一種與碳和額外氫原子相連的氨衍生物）溶解在接近冰點(diǎn)的酸中，然后與亞硝酸鈉溶液混合。該混合物的爆炸性反應(yīng)產(chǎn)物與多種其他碳?xì)浠衔锝Y(jié)合形成特定類(lèi)型的偶氮分子。該過(guò)程將碳原子結(jié)合成六個(gè)碳原子的環(huán)（苯環(huán)），并將這些環(huán)與氮和氧連接成復(fù)雜的鏈（氫貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)）。除金屬絡(luò)合物顏料外，偶氮化合物的“家族骨架”總是包含一對(duì)通過(guò)雙價(jià)鍵連接的氮原子。

偶氮顏料幾乎可以制成任何色調(diào)，但實(shí)際上范圍僅限于色輪的暖面：黃色、橙色、紅色和棕色。酞菁中有更好、更便宜的藍(lán)色和綠色顏料，而少數(shù)紫色偶氮顏料則不耐久。

了解這些顏料在不同制造商和不同顏料色調(diào)（化學(xué)變體）中的平均耐光性和一般處理屬性，即將顏料視為物理物質(zhì)而非“顏色”。例如，藍(lán)色和綠色酞菁顏料及橙色至洋紅色喹吖啶酮顏料都是最透明的合成有機(jī)顏料之一。酞菁顏料也是最耐光的合成有機(jī)顏料之一。相比之下，冷色調(diào)的陰丹酮和暖色調(diào)的吡咯類(lèi)顏料通常是不透明的。（需要注意的是，耐光性受到染料的特定分子形式、制造中的工藝和沉淀過(guò)程以及顏料粒子大小的影響；平均耐光性評(píng)級(jí)可能將特定的耐光性?xún)?yōu)良或不良的顏料混在一起，特別是在大型顏料家族中）。

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