合成有機顏料的發展歷程與化學特性概述

作者：精顏化工日期： 2024-11-27 點擊量：文字大小：大中小

合成有機顏料是什么

合成有機顏料是由碳基分子組成，通過石油化合物、酸及其他化學物質在高溫或高壓下制造而成。這些物質的大規模工業生產技術自1860年起發展，標志著現代消費色彩時代的開始。從19世紀末至今，化學和工業技術的迅猛進步推動了合成有機顏料的發展。

苯胺是一種從煤焦油化合物（煤焦和煤氣生產的副產品）蒸餾中提取的油狀有毒液體化學品，它成為了合成有機顏料的起點。第一種這種色素是由威廉·珀金爵士于1856年開發的美麗紫色染料——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。如1868年由德國化學家卡爾·格雷貝和卡爾·利伯曼合成的第一個人工生產的天然染料——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了現代有機化學的發展和色素合成的經濟方法，提供了今天使用的所有合成有機顏料。

為什么現代顏料多為合成有機物

“有機”意味著“含碳原子”。有機顏料化學的關鍵在于碳能夠以多種原子結構組合——環狀、鏈狀和分支狀，最重要且基本的是六個碳原子互連的苯環。這些結構可以互相連接或與其他原子或化合物（如氮和氫）連接，產生幾乎無限的分子變體。這種化學多樣性帶來了大量具有強烈顏色特性的分子：其中毒性最小、最持久和最經濟制造的用作色素。

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

合成有機顏料的特性與應用

染料通過化學方式與無色、透明的不溶性鹽結合（通常作為媒染劑）轉化為不溶性顏料。現代色淀顏料最常見的基質是水合鋁（氫氧化鋁，也稱為透明白）；更不透明的色淀是用硫酸鋇（天然礦物重晶石，其合成形式稱為鋇白、永久白或白定色）或高嶺土（水合硅酸鋁，也稱為瓷土或管粘土）制成的；現代合成有機染料也可以色淀到其他相對惰性的顏料上，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。

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

許多合成有機顏料在制造過程中會形成團聚或團塊。在某些情況下，這種結塊可以通過在顏料制成油漆之前進行強烈研磨來分散，但更常見的是結塊或顆粒聚集是通過制造方法（使用酸或機械研磨）和顏料溶液中的添加劑來控制的。顏料的可分散性，即其在制造后能保持單個粒子的難易程度，是一個關鍵特性。許多顏料的分散性很低，無法通過研磨來分解附聚物，因此必須在制成后立即對其進行處理，以防止顏料結塊，或者將其保存在分散溶液中，直到顏料實際用于制造。

合成有機顏料還可以進行各種晶體改性（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下。

值得注意的是，在過去的幾個世紀中，世界各地生產的合成有機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、汽車飾面、陶瓷、搪瓷、紙張、水泥、蠟燭、藝術品、食品、化妝品和藥品的著色等。

合成有機顏料的元素組成和發色機制

合成有機顏料由有限數量的元素制成，以下示意圖展示了一些顏料組的分子結構圖，以便您可以看到染料的基本分子形式，在這些示意圖中，原子用以下符號表示：

顏料分子的顏色產生取決于發色團，一個原子配對或分組，在兩個或多個原子的電子殼層中創造一個復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，從而產生一種顏色，該顏色是吸收光的視覺補充（吸收“藍色”和“紫色”或短波長的化合物看起來呈黃色；吸收“綠色”波長的化合物看起來呈紫色等）。其他原子組稱為助色團，通過改變發色團的光吸收能力來影響顏料顏色，通常在長波長范圍內。最重要的發色團分組如下圖所示：

發色團組在合成有機顏料中很重要

在所有情況下，碳、氮或氧原子對都通過雙價鍵連接（共享兩個電子）

偶氮顏料是最大、最多樣化和最重要的合成有機著色劑類別：在目前生產的合成有機顏料中，60%屬于偶氮家族。所有這些都是通過Peter Gries在1862年發現的重氮化過程產生的：將芳香胺（一種與碳和額外氫原子相連的氨衍生物）溶解在接近冰點的酸中，然后與亞硝酸鈉溶液混合。該混合物的爆炸性反應產物與多種其他碳氫化合物結合形成特定類型的偶氮分子。該過程將碳原子結合成六個碳原子的環（苯環），并將這些環與氮和氧連接成復雜的鏈（氫貫穿整個結構）。除金屬絡合物顏料外，偶氮化合物的“家族骨架”總是包含一對通過雙價鍵連接的氮原子。

偶氮顏料幾乎可以制成任何色調，但實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、更便宜的藍色和綠色顏料，而少數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（化學變體）中的平均耐光性和一般處理屬性，即將顏料視為物理物質而非“顏色”。例如，藍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顏料之一。酞菁顏料也是最耐光的合成有機顏料之一。相比之下，冷色調的陰丹酮和暖色調的吡咯類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程以及顏料粒子大小的影響；平均耐光性評級可能將特定的耐光性優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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