合成有机颜料的发展历程与化学特性概述

作者：精颜化工日期： 2024-05-27 点击量：文字大小：大中小

合成有机颜料是什么

合成有机颜料是由碳基分子组成，通过石油化合物、酸及其他化学物质在高温或高压下制造而成。这些物质的大规模工业生产技术自1860年起发展，标志着现代消费色彩时代的开始。从19世纪末至今，化学和工业技术的迅猛进步推动了合成有机颜料的发展。

苯胺是一种从煤焦油化合物（煤焦和煤气生产的副产品）蒸馏中提取的油状有毒液体化学品，它成为了合成有机颜料的起点。第一种这种色素是由威廉·珀金爵士于1856年开发的美丽紫色染料——苯胺紫。随后，许多其他由煤焦油（并使用苯胺以外的成分）制成的染料也随之出现。如1868年由德国化学家卡尔·格雷贝和卡尔·利伯曼合成的第一个人工生产的天然染料——茜素，至今仍以茜素深红（P.R.83）和其红紫色混合物形式销售。

然而，苯胺颜料比较容易褪色（耐光性差），这促使油漆制造商在颜料上标注“永久”以确保其颜料不含苯胺。尽管如此，研究这些早期染料推动了现代有机化学的发展和色素合成的经济方法，提供了今天使用的所有合成有机颜料。

为什么现代颜料多为合成有机物

“有机”意味着“含碳原子”。有机颜料化学的关键在于碳能够以多种原子结构组合——环状、链状和分支状，最重要且基本的是六个碳原子互连的苯环。这些结构可以互相连接或与其他原子或化合物（如氮和氢）连接，产生几乎无限的分子变体。这种化学多样性带来了大量具有强烈颜色特性的分子：其中毒性最小、最持久和最经济制造的用作色素。

许多合成有机颜料，特别是偶氮颜料，是由水溶性染料衍生而来，染料本身与材料结合的方式使其在应用后无法编辑。此外，纸和画布（以及棉衣）的主要成分纤维素在没有第三种化学物质（称为媒染剂）的作用下很难接受染料。这些特性使染料不适合作为艺术材料使用。

合成有机颜料的特性与应用

染料通过化学方式与无色、透明的不溶性盐结合（通常作为媒染剂）转化为不溶性颜料。现代色淀颜料最常见的基质是水合铝（氢氧化铝，也称为透明白）；更不透明的色淀是用硫酸钡（天然矿物重晶石，其合成形式称为钡白、永久白或白定色）或高岭土（水合硅酸铝，也称为瓷土或管粘土）制成的；现代合成有机染料也可以色淀到其他相对惰性的颜料上，特别是铬、铁、锡或其他金属的氧化物，以增加成品的颜色。

有几种重要的水不溶性晶体颜料不需要沉淀，包括酞菁颜料、喹吖啶酮颜料和蒽醌类颜料等。许多这些颜料因其非常小的粒子尺寸在印刷油墨中很重要。

合成有机颜料被制造得非常有效，并且通常是适用于任何特定色调的最饱和和最强的着色剂。然而，它们的制造成本可能很高，并且它们的耐光性可能会根据颗粒大小、晶体形式或色淀中使用的基材类型而发生巨大变化。

许多合成有机颜料在制造过程中会形成团聚或团块。在某些情况下，这种结块可以通过在颜料制成油漆之前进行强烈研磨来分散，但更常见的是结块或颗粒聚集是通过制造方法（使用酸或机械研磨）和颜料溶液中的添加剂来控制的。颜料的可分散性，即其在制造后能保持单个粒子的难易程度，是一个关键特性。许多颜料的分散性很低，无法通过研磨来分解附聚物，因此必须在制成后立即对其进行处理，以防止颜料结块，或者将其保存在分散溶液中，直到颜料实际用于制造。

合成有机颜料还可以进行各种晶体改性（特别是喹吖啶酮和酞菁颜料），并且这些颜料可以具有非常不同的颜色和耐光特性，尽管它们都分组在相同的颜色索引名称下。

值得注意的是，在过去的几个世纪中，世界各地生产的合成有机颜料和染料总量的大约一半用于印刷油墨；另一部分用于建筑涂料；其余用于纺织品、塑料、汽车饰面、陶瓷、搪瓷、纸张、水泥、蜡烛、艺术品、食品、化妆品和药品的着色等。

合成有机颜料的元素组成和发色机制

合成有机颜料由有限数量的元素制成，以下示意图展示了一些颜料组的分子结构图，以便您可以看到染料的基本分子形式，在这些示意图中，原子用以下符号表示：

颜料分子的颜色产生取决于发色团，一个原子配对或分组，在两个或多个原子的电子壳层中创造一个复杂而不断变化的电子云。这些电子跃迁允许高效吸收特定的光波长，从而产生一种颜色，该颜色是吸收光的视觉补充（吸收“蓝色”和“紫色”或短波长的化合物看起来呈黄色；吸收“绿色”波长的化合物看起来呈紫色等）。其他原子组称为助色团，通过改变发色团的光吸收能力来影响颜料颜色，通常在长波长范围内。最重要的发色团分组如下图所示：

发色团组在合成有机颜料中很重要

在所有情况下，碳、氮或氧原子对都通过双价键连接（共享两个电子）

偶氮颜料是最大、最多样化和最重要的合成有机着色剂类别：在目前生产的合成有机颜料中，60%属于偶氮家族。所有这些都是通过Peter Gries在1862年发现的重氮化过程产生的：将芳香胺（一种与碳和额外氢原子相连的氨衍生物）溶解在接近冰点的酸中，然后与亚硝酸钠溶液混合。该混合物的爆炸性反应产物与多种其他碳氢化合物结合形成特定类型的偶氮分子。该过程将碳原子结合成六个碳原子的环（苯环），并将这些环与氮和氧连接成复杂的链（氢贯穿整个结构）。除金属络合物颜料外，偶氮化合物的“家族骨架”总是包含一对通过双价键连接的氮原子。

偶氮颜料几乎可以制成任何色调，但实际上范围仅限于色轮的暖面：黄色、橙色、红色和棕色。酞菁中有更好、更便宜的蓝色和绿色颜料，而少数紫色偶氮颜料则不耐久。

了解这些颜料在不同制造商和不同颜料色调（化学变体）中的平均耐光性和一般处理属性，即将颜料视为物理物质而非“颜色”。例如，蓝色和绿色酞菁颜料及橙色至洋红色喹吖啶酮颜料都是最透明的合成有机颜料之一。酞菁颜料也是最耐光的合成有机颜料之一。相比之下，冷色调的阴丹酮和暖色调的吡咯类颜料通常是不透明的。（需要注意的是，耐光性受到染料的特定分子形式、制造中的工艺和沉淀过程以及颜料粒子大小的影响；平均耐光性评级可能将特定的耐光性优良或不良的颜料混在一起，特别是在大型颜料家族中）。

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