第43卷第1期 染料与染色 2006年2月 DYESTUFFS AND C0U0R nON February 2006 专蘧综述 超分子化学在染料及染色中的应用 冯柏成 ’吴祖望 王 专 ’林 莉 ( 大连sr-大学精细化工国家重点实验室,大连11 60 1 2; 青岛科技大学4Lr-学院,青岛2 6 6 042) 摘要:综述了染料中超分子化学作用,介绍了超分子化学在染料科学、染料生产和染色中的应用实例。 关键词:超分子化学;活性黑;复配增效;染料商品化 中图分类号:TQ610.1 文献标识码:A 文章编号:1672-1179(2006)01.0009.6 1 856年英国人Perkin在合成喹啉时无意中制得 用 这种作用导致了染料分子不同程度的缔合。 了马尾紫,从此开始了人工合成染料的新纪元。一百 1.1 染料结构因素 四十多年的实践过程中,染料化学的研究内容已演化 1.1.1 氢键 为两个方面:(1)侧重于研究染料分子中键的形成、化 有些染料分子间氢键的形成是导致染料聚集_井 学结构和分子构型对性能的影响,促使了染料的合成 使聚集体稳定的原因之一,如染料1,两个分子之问可 化学和应用化学的快速发展;(2)研究染料与染料、染 形成氢键 I。许多染料分子结构内存在着OI{, 料与助剂分子间的超分 作用 两者相比,前者已渐 NH2,一NH一(包括来自于偶氮染料的腙体),CONH 臻成熟,而后者超分子化学的研究则相对比较薄弱。 一,一CO一等基团,它们可导致分子间形成氯键,氯键 超分子化学这一术语是J.M.Lehn在1988年创造 的键能较大,形成的聚集体一般不容易解缔。 的,其含义是除共价键以外的弱的分子间作用的化 学。瑞士著名学者H.Zollinger教授在色素化学一书 中指出:“尽管染色工艺比染色化学本身成熟得多, 数百年来,人们仍未能对控制这些过程的诸多要素做 (染料1) 出解释。直到今天,也只有少数化学家认识到,织物 和其它物质的染色,是超分子化学迄今为止最为广泛 的技术应用I11。 1.1.2范德华力 目前,染料化学家已经越来越注意到这种分子间 染料分子间范德华力越大,染料越易聚集。线形 的超分子力对染料的聚集物理状态的决定性作用,以 分子平面结构有利于两个染料分子的相互靠近,范德 及对染料发色、上染及在基质上的固着带来的巨大影 华力较大。一般具有线形平面结构的直接染料和酸 响 实际上从上世纪90年代开始,染料商品化的研 性染料的聚集程度较大,溶液胶体性质比较明 …。 究,例如染料分子间和染料与助剂问的加和增效作用 如含长碳链烷基结构的染料21:t;其相应的含甲基的染 等,已经成为当前染料研究的主要方向。进入新世纪 料3容易缔合,这类具有线形烷基侧链的染料具有明 后,环境因素已成为促进和制约染料工业发展的关键 显的临界胶束浓度: 因素,环境友好的高固色率、低盐、小浴比、低能耗、 清洁染色新工艺研究,是新世纪染整工业科技进步的 q 10 c H3 热门课题I I,从而进一步推动了把染料的超分子化学 (染料2) 与染料商品化这一命题提到研究日程上来。 NaO3S O3Na 1 染料分子间超分子化学作用和染料的 聚集状态 (染料3) 染料分子间普遍存在着氢键、范德华力、库仑力 以及偶极/偶极作用,丌/丌相互作用力等。这种除 此外,染料分子的稠环结构中环的增多,丌共轭 共价键以外的弱的分子问作用被称为超分子化学作 系统增长有利于聚集,聚集体也比较牢固 见表l。 ・9・ 醛维普资讯 http://www.cqvip.com
染料与染色DYESTUFFS AND COLORATION 第43卷第1期 染料的疏水陛也可通过计算分配系数…I,及由反向薄 :H O m (II) 层色谱法测得Rf值I l来估算。 1.2环境因素 1.2.1 浓度的影响 暑。s 电 ao。s8 电 (IV) 染料溶液浓度增大,增加了分子碰撞的几率,促 使缔合度增大。从图l也可以看出随溶液中染料浓度 的增大,染料聚集数增大。 衰1 酸性染料聚集情况(pH"-4.68)H 1.1.3库仑力 离子型染料一般含磺酸基,磺酸基之间存在静电 排斥力,所以磺酸基的水合度、和反离子结合度、磺酸 基的位置及数目将影响染料分子的聚集。Hamada等 人I 】研究了水合水分子对偶氮染料聚集行为的影响, 认为水合水分子的存在减少了静电排斥力,增加了聚 集的可能性,尿素的加入不直接和染料作用,而通过 破坏水合水分子结构来提高染料的溶解性。染料分 子结构不同,其水合情况也不相同。 1.1.4染料疏水性作用I 】染料疏水性作用实际上是诸多作用力的总和,例 如偶极/偶极作用,丌/丌相互作用等。一般,染料的 疏水性越大,染料分子间作用力越大,越易聚集。离 子型染料分子和表面活性剂分子一样,也是一个两亲 分子,容易在溶液中聚集成胶束。这个聚集过程是一 个渐进过程,一般不象表面活性剂一样有明显的临界 胶束浓度,染料的平面芳香环共轭系统的部分极性使 得染料分子疏水的趋势小于表面活性剂脂肪链的作 用。另一方面,正因为这个平面共轭系统的存在也导 致聚集体一旦形成,其分子间的范德华引力使得聚集 体不易解聚。D.G.Duff等人研究发现,在其研究的染 料范围内,染料的聚集数与染料的亲水亲油平衡值成 线性关系,染料分子疏水性越大,染料聚集体所含染 料分子数越多,即聚集数越大I 。由于染料分子一般 比较复杂,染料的亲水亲油平衡值一般不易测得。小 田良平I引,袁履冰f 等建议用有机化合物的无机性与 有机性的比值来估价染料的亲水亲油平衡。色谱分 离实际上是基于溶质在亲水亲油两相中不同的亲和 力,所以染料在纸层析和薄层层析的比移(Rf)值在某 种程度上可以作为染料亲水亲油性能粗略的表征。 吴祖望等指出I/O值与纸层析的Rf,值呈线性关系Im】 ・l0・ 公 Concentration/10 M 图1 染料浓度对聚集数的影响 ’ 图l中染料5由于R 是居于分子中位的磺酸基,磺 酸负离子相斥使染料分子不易聚集,因而溶解度增 大。 1.2.2电解质的影响 电解质的浓度增大,染料胶束受到电解质中异电 荷的挤压,粒径变小,聚集数增大,当电解质的浓度增 大到一定值时,染料析出,这就是染料生产过程中的 盐析。K.W.Yeung等I¨l测定了C.I.Reactive Red 2 在不同电解质存在下染料在正辛醇/水中的分配系 数P值发现,在不同pH下,Ca ,Mg ’同Na+¥N比有不 同的影响.见图2和图3。 logP 1.O0 —1.1O 1.20 1.30 Sulphate cOmCTI mmol/L 图2 IogP与染料浓度的关系(pH=2.5) 维普资讯 http://www.cqvip.com
染料与染色Vo1.43 No 1 冯柏成 塑坌 垡堂垄型 墨塑鱼主 旦 ~ ~ 笙 旦 1.00 超分子化学在染料生产和染色中应用已有悠久 的历史,人们对于身边熟知的实例,却常常熟视无睹, 2.o0 如果把它提高到超分子化学这一学术高度来认识,应 -3.00 用于染料和染色的实践将会对科技和生产的进步起 0 2 4 6 8 到巨大的作用。 Sulphate comcn mmol/L 2.1 超分子化学在染料生产和染料商品化中 图3 IogP与染料浓度的关系(pH--10) 应用实例 1.2.3温度的影响 2.1.1 在染料生产中应用 有机化合物的聚集直接影响反应的传质。现在, 在三聚氯氰的打浆中应用表面活性剂提高传质效果 已在染料生产厂中普遍采用 其原理即是令聚集的 三聚氯氰分子解聚以增加反应表面积。在一些黏稠 的反应物中加入助剂,以减少反应物粘度,使反应顺 利进行已有很多实例,诸如对位酯重氮化为了减少反 2.5 6.3 l5.8 39.8 100 l0 Concentration(otol・cm ) 应产物中含盐量,采用加入酸的摩尔量小于1.5的 图4 不同温度下Cl Direct Red 1浓度与聚集数关系 “小酸比”重氮化时,反应介质十分黏稠,而且容易 产生对位酯的重氮氨基化合物,加入阴离子助剂可以 降低稠度和减少副产的生成。分散染料中应用砂磨 的方法可作为超分子化学在染料商品化中应用的范 例。分散剂的质量将明显影响分散染料的品质。 2.1.2在染料商品化中应用 温度上升,染料的动能增加,染料聚集数减少,溶 耐碱型活性染料的开发可看作是超分子化学在 解度增大。从图4可以看出,一定浓度下的C.I.直接 染料商品化中应用实例。东港工贸集团公司开发的 红1,在25℃时会严重聚集,而60℃相同浓度下聚集数 耐碱型C.I.活性蓝19}y ̄2002年第一代的耐碱型C.I. 小于2。 活性蓝19 100% ̄2004年C.I.活性蓝19 150%,强度 1.2.4添加剂对染料聚集的影响 的提高表明商品化添加剂与染料配伍性的提高,分散 表面活性剂是染料商品化和染色时常用的添加 能力的增强,是在超分子化学指导下对商品化添加剂 剂。非离子表面活性剂与染料分子结合导致染料聚 结构改进的结果【l 。 集数减少,染料增溶,离子型表面活性剂的疏水部分 通过染料和染料分子的超分子作用,使染料分子 与染料分子中的非离子结构(如芳核等)结合,而亲水 加和增效是当前染料科技进步的标志性成果,自上世 的离子部分指向染料分子外侧,静电排斥力的增加使 纪末以来,新登市的商品中具有新结构的染料很少, 聚集数减少。当表面活性剂具有与染料分子相反电 而通过复配获得加和增效的专利却不断发表。例如: 荷时,若两者的摩尔数相同,则由于离子对的形成降 下述两个染料以1:1质量比组成的混合物要比单一染 低了静电排斥力,使聚集数增加,但若表面活性剂的 料具有更好的对过氧化物和氯水稳定性。这可能是 浓度较大且具有较长的碳氢链,则具有明显的解聚作 由于混合物两种分子间面一面相叠使得氧化剂更不 用 。 易和染料分子发生作用 I。 加入可形成氢键的试剂I l如尿素、乙二醇,聚乙二 醇、乙醇、苯酚 吡啶等可与水及染料形成氢键,破坏 N N g H H N儿NHR 水的冰山结构,增加了染料的溶解性,从而达到了解 聚和分散的目的。 / cq,O、人N N人儿s 2 超分子化学在染料生产和染色中的应 人 王 ., R-H尸 。H =<一 3№ 用实例 叫U 维普资讯 http://www.cqvip.com
'vb1.43 No.1 一染料与染色DYESTUFFS AND COLORATION 第43卷第1期 下述两者以一定比例混合后,溶解度有较大提 表2 活性黑G2Rc及其组分染料的染色参数 高: № N,P'-HN 一<>so2C2H4OSo3Na & NH_<二>_so3Na SO3Na CH3 H --N NH NH : № SO3Na 混合合成的以下两种分散染料比单独合成的着 色强度可提高30%。分散染料固色率与染料浓度有 关,浓度越低,固色率越高n 。混合分散染料染色时 各自的浓度较单独染色时要低,即各自都有较高的固 色率,因而有加和效应。 o2N N=N— N(c3 n)2 CN/H3COCHN 庄莆等人ll9 认为聚集状态的改变是混合合成立 索尔宝红加和增效的原因之一 任绳武等人【2。 认为 荧光增白剂的加和增效是由于:a.混合物中两组份相 互不干扰对方的光学行为tb.荧光量子产率随浓度的 下降而上升 C.白度随浓度的下降而上升。 2.1.3在染色中的应用 染色过程实际上可看作染料在染液相和纤维相 两相中再分配的结果。染料的聚集行为直接影响染 料的匀染性,上染率、固色率、提升力和各项牢度等应 用性能。陈跃文,吴祖望等人[2【】建议以染色的十大参 数来表征活性染料的染色性能。它们是:I/0(无机 性/有机性)值,SL(溶解度)、S(亲和力)、R(反应性)、E (竭染率)、F(固色率)、WF(易洗涤性因子)、MI(移染 性)、LDF(匀染因子)和BDI(提升力指数)。这是试图把 超分子化学在染色过程中应用时量化的尝试。以活 性黑为例,常用的活性黑GR或G2RC由于组成该染料 的两个组分染料上染和反应性的配伍性差,在乌黑 度 匀染性都不太理想。表2列出了活f生黑G2RC和其 组分染料的主要染色参数,活性黑G2RC与其组分染 料在标准色度下的染色曲线见图5 从表2和图5可以看出,两个组分染料C.I.潘『生黑 5和活性橙GF的上染趋势不同步,前者上染较缓慢, ・12・ N' H'oN,~NI ̄Hn2 ss 2cH 3H H H 火N-H・O CI №o3N N啦c. 1oo 80 60 40 20 0 图5-a活性黑G2RC及其组分染料的上染曲线 上染率(O/o) l00 80 60 40 20 0 30 40 50 60 70 80 ・・一--蓝F— 橙F— 黑F 图5-b活性黑G2RC及其组分染料的上染曲线 上染75分钟(加碱后45分钟)才基本达到平衡,而涪陛 橙GF在上染35分钟(加碱后5分钟)时就己基本达到平 衡。两者吸附率和固色率相距甚大,导致G2RC染色 易出现头尾色差。上述结果显然是由于两个组分染 料结构的差异造成的 藏青组分活性黑5含有两个磺酸基、两个硫酸酯 乙基砜活性基,而橙色组分只含一个磺酸基,一个硫 酸酯乙基砜活性基和一个二氯三嗪基。从表2中I/O 值可以反映出来。两者亲水一亲油比相差甚大。加之 二氯三嗪基高于硫酸酯乙基砜基,染色时必然导致橙 色组分优先吸附和固色在纤维上 比较活性黑G2RC 两组分染料的提升力指数(表3)可以看出,两者BDI相 维普资讯 http://www.cqvip.com
染料与染色Vo1.43 No.1 冯柏成 超分子化学在染料及染色中的应用 2006年2月 差较大,活性橙GF在4%(o,W.f)以后,纤维上深度基 严重的缺点,即其固色率尚偏低。只有6O%-65%。 本上不再增加,而C.I.活性黑5到8%以后还能在相对 这样必然导致染料利用率低下和染色废水中色度较 较高的水平上继续提升。 BDl - KNB ●( 一KNB….口 图6 c.I.活性黑5与活性橙GF的提升力曲线 表3 C.I.活性黑5与活性橙GF的提升力值 色度(owf) 1% 2% 4% 6% 8% 10% 蕊戛 — 广 73— — --j 活性橙GF 1.00 1.70 2.05 2.17 2.17 2.1 7 近年投放市场的活性黑WNN和活性黑SR就是 在超分子化学指导下,改进组分染料结构使其与活性 黑5获得良好配伍。以活性黑W N N为例,活性黑 WNN与其组分染料的吸附曲线见图7-a,固色曲线见 图7一b。 匕染率(%) l0o 8O 60 40 2O O 一-蓝E— 红E—+_瓠—+-黑E 图7-a活性黑WNN及其组分染料在标准色度下的吸附曲线 固色率(%) 10o 8O 60 40 2O O 一-虹F—_. 红F—_.一黄F—_.~IIlIP 图7-b活性黑WNN及其组分染料在标准色度下的固色曲线 Cibacron Black S—R的上染曲线也基本上与 WNN相似,组分染料之间的配伍性极好。从WNN和 S—R的十大染色参数及其染色曲线来分析,可以说是 超分子化学理论在染料品种开发和染色中实际应用 的范例。 从Cibacron Black WNN和S—R的染色参数来 看,这两个被认为当前最优秀的活性黑仍存在着一个 大,环境效益较差。这在2 l世纪的今天是致命的缺 陷。 本文作者在上述研究基础上应用超分子化学对 活性黑结构作了进一步设计和改进,改进后的活性新 黑三原色配伍性好,得色量和乌黑度优于现有活性黑 商品。新黑与G2RC、S-R和WNN的吸收曲线对比见 图8。从图8中可以看出,新黑在红区和黄区的吸收强 度较其他三者都高,能达到蓝区最高吸收的7 O%以 上,新黑在可见光谱范围内吸收均匀、丰满。新黑的 固色率达到85%,残液中色度低。有明显的环境效 益。吸附曲线和固着曲线见图9 a和图9一b。 Abscetance(AU) O.4 O.3 0.2 0.1 O 波长(cm) 400 450 500 550 600 650 图8四只黑色活性染料吸收曲线对比 上染率(%) l00 80 60 40 2O O 图9-a新黑及其组分上染曲线 上染率(%) l00 80 60 40 2O 0 围9-b新黑及其组分上染曲线 值得注意的是对不同组合的多种活性黑的提升 力测试发现,拼混得到的活性黑的提升力基本上都优 于其单独的组分染料。这一现象,很可能是染料掺杂 后,同种分子被隔离,缔合度减少。从而在高浓度下 粒径小的染料质点仍能扩散到纤维内部,导致提升力 提高。图lO是3只黑色染料与其组分染料的提升力指 数的对比。 维普资讯 http://www.cqvip.com
Ⅷ.43 No.1 染料与染色DYESTUFFS AND COLORATION43堂篁 塑 BD1 【2】吴祖望,杨希川.21世纪的染料学科和染料工业.化工学报 . 6 2000,51(5):577 582. 4 【3】M.Da ̄ky,I.Nmcova.Aggregation of o,O dihydroxyazo dyes 1.Concentration。tempemt ̄e,and solvent effect[J】.Dyes and 2 Pigments.1999.40,141一l5O. O 0.W.f(%) 【4】张壮余,吴祖望.染料应用【M】.化学工业出版社:北京.1991{79~ 89 【5】K.HamadaIH.Nonogaki:Y.Fukushima et.a1.Effects of hy— 图1 0一a活性黑G2RC及其组分提升力曲线 drating water molecules orl the aggregation behavior of ago BDI dyes in aqueous solutions[J].Dyes and Pigments.1991,16: 1ll一118 4 【6】J.C.Wang.A review of dye aggregation and its chamcterizat— 2 J】.Advances in Colour Science and Technology.2000,3{ O O.W.f(%) 20-3l O 2 4 6 8 10 12 [7]D.G..Duff,et,a1.J.S.D.C.1997,93:3o3 蓝 虹 橙 ・ s+R …“一s.R…蓝…… 【8】小田良平.界面活性剂的合成及其应用【M】.1956:94~98 图1 0-b活性黑¥-R及其组分提升力曲线 【91袁履冰,丁勇.有机概念图及其在界面化学中的应用【J】.化学通 报1998,2:19 BD1 【10】吴祖望,陈跃文,林莉,付新梅等.红色复合多活性基活性染料 的结构与性能关系研究一单一染料结构与颜色以及染色性能关 4 系.染料与染色.20o3:40(5)1—10 2 【1 1】D.G..Duff,et,a1.Dyes and Pigments,1985,6:61 【12】A.J.Leo.Catctulating logPoct from吐ructI】res.Chemical Rev— O 0 2 4 6 8 10 l2 O.W. %) Jews.1993,93:1281—1 306 ・ 红 黄 [I 3】K W Yeong,S M Shang.The influence of meml ions on the - 蓝 - WNN …WNN-蓝… 一★ aggregation and hydrophobcity of dyes In solutions.J.S.D. 图1O-c活性黑WNN及其组分提升力曲线 C.1999,I I 5:228-232 【14】A.NavarroIF.Sanz.Dye aggregation in solution:Study of C. 1.direct red 1【J].Dyes and Pigments.1990,40:131—139 3结语 [I5】J.Oakes and S.Dixon.Physiacl Interactions of dyes in solu 染料的超分子化学是一个古老而又全新的研究 tion——influence of dye structure O12 aggregation and binding to 课题,它体现在染料存在的每一个环节中,充分认识 surfactants/polymers[J].Rev.Prog.Color.,2004,34:llO一128 染料的超分子化学对合理的生产、贮存和使用染料具 【16】卢圣茂,吴祖望,王云德等.一种活性染料耐碱稳定剂【P】.CN 10067188.8(2004) 有重要的理论和实际意义。在已进入2 I世纪的今天, [I7l Sandoz AG.Mixture of Formazane compounds each contain一 染料化学充分发展的前提下,染料的超分子化学研究 monochlorotriazinyl group and its production and use 只处于起步阶段是不适应的。好在对染料的超分子 【P】.JP6l一213267 【1 B]Mitsubishi Chem.1nd.Reactive dye mixture[P】.JP60—22656 1 化学研究已引起了人们的注意和重视,开展对染料的 【19】庄莆,鲍健康.立索尔宝红合成混合颜料的研究【J].华东化工学 超分子化学研究必将促进染料的合理和快速发展。 院学报.1993,19(2){185-190 【2 o】任绳武,姚翔.分散染料及其上染趋势【J1.染料工业.1991,28(6)# 参考文献 lO—l4 【1】H.Zollinger著,吴祖望,程侣柏,张牡余译.色素化学(3rd)[M】 【2 1】陈跃文,吴祖望,胡旭灿等.红色复合多活性基活性染料的结构 北京:化学工业出版社,2005 与性能关系研究一染色特性参数.染料与染色.2004,41(2):97一 】O】 The Application of Supra—chemistry in Dye Chemistry and Dyeing Industry ・ FENG Bai..eheng WU Iar-wang WANG Zhuan LIN Li ( The State Key ofFine Chemicals,Dalian University ofTechnology,Dalian 116012; 。School of Chemical Engineering,Qingdao Universiyt of Science and Technology,Qingdao 266042) Abstract:The supra-chemistry effects of dyes were reviewed.Several application examples of supra-chemistry effects in dye chemistry, dye industry,a8 well as dyeing industry were introduced. Keywords:supra-chemistyr;reactive blackdye;synergism;dye commercialization (收稿Et期:2005年l2月) ・14・
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