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浅谈如何分析形形色色的化学颜料
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颜料分为天然颜料和化学合成颜料2大类。天然颜料是指人们利用各种方法从天然矿物或者有色植物中分选得到的、不经化学加工就可用作涂色的一类颜料。在人类漫长的历史上,所使用过的天然颜料多达数百种,其中天然矿物颜料和源于天然植物的颜料占主要的地位。
1.1 天然矿物颜料
天然矿物颜料完全取自矿物资源,如天然朱砂、红土、铜绿、雄黄等,它是将矿物经机械破碎、分选、漂洗、提纯、干燥而制得的。人类开始使用天然矿物颜料是在史前,如:山顶洞文化遗址中发现的红色石珠、鱼骨、兽牙等饰品[1]就是用赤铁矿粉涂成的。下面简要介绍几种天然矿物颜料。
朱砂(HgS)是古代应用较多的红色天然矿物颜料,它的天然矿物名称为辰砂,在自然界中多以晶体形式存在,红中透黄,化学性能稳定。天然朱砂矿石经过研磨、漂制即成红色颜料。朱砂在古代大量用于绘画、点书等,也是印泥的原料。考古发现[2],我国在距今6000多年前的河姆渡文化时期就已经使用天然的朱砂做彩绘颜料,是世界上使用朱砂最早的国家。
另外,红色天然颜料还有许多种,例如红土(Fe2O3)和铅丹(Pb3O4)等。
经分析敦煌石窟的大量颜料[3]:北朝以来的绿色颜料,既有单独的氯铜矿(Cu2(OH)3Cl),也有氯铜矿与石绿(就是孔雀石,Cu(OH)2•CuCO3)或者石青(2CuCO3•Cu(OH)2)混合的;唐代以来,敦煌、新疆等石窟中的绿色颜料主要是氯铜矿。含有铜质的颜料在空气中遇到硫化氢,生成硫化铜,颜色变黑,有毒。例如:孔雀石在空气中遇到硫化氢就会发生如下反应:
Cu(OH)2•CuCO3+2H2S=CuS↓+CO2↑+3H2O
除上述颜料之外,蓝色和黄色的天然矿物颜料应用也很多。例如:在18世纪之前,蓝色颜料中的群青(Na6Al4Si6S4O2O)都是由天然的青金石矿物加工而成;黄色颜料中的雌黄(As2S3)也是取自天然矿物。此外,曾经在秦兵马俑彩绘中分析到一种罕见的紫色天然矿物颜料,主要成分是硅酸铜钡(BaCuSi2O6)[4];黑色颜料中的烟黑等也是取自天然矿物。天然矿物颜料在当时的经济和技术条件下,为人们的生产和生活带来了很大的方便。
1.2 天然有机颜料
人类使用天然有机颜料已经有很长的历史,古代利用植物的浸出液或者动物性的色材,加入黏土类物质,进行吸附,制成色淀,用来使物体着色,是为天然有机颜料[5],或者把草木的根、茎、叶经过粉碎、烧煮或者发酵来制取天然有机颜料。人们使用这些天然有机色材作为对无机色材的补充,如茜素、靛蓝、胭脂、泰尔紫(来自一种海螺)等,其中,茜素和靛蓝是2种使用广泛的天然有机颜料。
茜素是从植物茜草的根中获得的,有色成分是1,2二羟基蒽醌(C14H8O4),如图1,现在又称为C.I.媒染红11;C.I.颜料红83;C.I.58000,作为红色颜料使用。
靛蓝则是从靛草中提取的有机色素,分子式:C16H10N2O2,系统命名为2(1,3二氢3氧代2H吲哚2亚基)1,2二氢3H吲哚3酮,如图2。它作为蓝色颜料应用已有三千多年的历史。
这2种物质或者它们的衍生物至今仍然被作为色素使用,它们是现代有机颜料的起源。
2 化学合成颜料
随着对颜料性能和种类要求的逐渐提高,天然颜料已经不能满足人们的需求,于是开始通过化学反应合成一些颜料。合成颜料主要分为无机合成颜料和有机合成颜料,经历了手工业生产和工业化生产2个阶段。
2.1 无机合成颜料的发展
早在我国的秦代,人们就开始利用铅白(2PbCO3•Pb(OH)2)和铅丹(Pb3O4)来做画,这是我国最早使用的无机合成颜料[6],但那时技术落后,颜料的合成仅以手工业方式进行生产。现在人们利用X射线衍射仪等仪器对古代壁画等文物进行研究[7],发现了古代合成的多种多样的无机颜料,而且能够确定其使用特征及色材来源。1704年,普鲁士人Diesbach发现了铁蓝(Fe4[Fe(CN)6]3)的工业制法,从染料扩展到颜料,带来了无机化学合成类颜料的迅猛发展。时至今日,我国的无机合成颜料已经形成了完善的工业化生产体系,产量位居世界前列,种类齐全,用途广泛。
根据化学结构的不同,无机颜料可以分为:金属氧化物类、金属硫化物类、铬酸盐类、亚铁氰化物类、金属元素及合金类等。氧化铁、钛白粉、立德粉、铬系颜料等是无机颜料的主要品种。
氧化铁作为一种颜料,已被人们利用了千百万年,现在仍然是产销量居第一位的无机彩色颜料。由于其颜色多、色谱广、稳定性好、无毒性,被广泛地应用于涂料、塑料、橡胶、造纸等领域。氧化铁系颜料主要是指氧化铁红(Fe2O3)、氧化铁黄(Fe2O3•H2O)、氧化铁黑(Fe3O4)、氧化铁棕(氧化铁红与氧化铁黑的机械混合物),以及复合氧化铁颜料等。
铁红颜料是铁氧化物中最稳定的化合物,由于制造途径不同,产生的粒子大小及形状不同,铁红的颜色也就各不相同。工业生产铁红最主要的方法[8]有2种:一种是干法,即高温煅烧法;另一种是湿法,即酸溶液氧化法。
(1)高温煅烧法-绿矾煅烧法的化学反应原理可表示如下:
绿矾脱水:
FeSO4•7H2O→FeSO4•H2O+6H2O
氧化煅烧:
2FeSO4•H2O+O2△Fe2O3+2SO3+2H2O
在工业生产中,第1步反应常常控温在200~300℃之间,第2步反应控温在700~800℃之间。
(2)酸溶液氧化法-混酸盐湿法制铁红的主要反应原理如下:
12FeSO4+NH4NO3+O2+13H2O→
6Fe2O3+(NH4)2 SO4+11H2SO4
6FeSO4+ 2HNO3+3H2SO4→
2NO+ 3Fe2(SO4)3+4H2O
在传统氧化铁颜料的基础上,人们又研制了许多新的种类,例如:把纳米技术引入颜料领域,制成了纳米氧化铁颜料,扩大了铁系颜料的应用范围。
钛白粉的主要成分是二氧化钛(TiO2),它在涂料、塑料和造纸这3大行业中有大量的应用。二氧化钛是多晶型化合物,在自然界中以3种结晶型态存在:金红石型、锐钛型和板钛型。其中,金红石型和锐钛型应用较多,锐钛型在高温下(700℃以上),能够转变成金红石型。目前生产二氧化钛主要有硫酸法和氯化法2种。多数情况下采用氯化法,这种方法在工艺流程中产生的污染较少,总反应如下:
2XO+TiO2+4C+4Cl2
TiCl4+2XCl2+2CO↑+2CO2↑
上式中的XO指的是原料矿粉中所含有的可以氯化的杂质。
近年来,钛系颜料增添了许多新类型,如超耐久性钛白品种、钛系衍生产品、医用钛白、云母钛系珠光颜料等,钛白系列颜料逐步完善。
许多具有特殊功用的颜料在生产和生活中也是必不可少的,如:防锈颜料、金属颜料等。防锈颜料具有保护金属表面不被腐蚀的作用,主要用于配制防锈漆。现在已经开发出磷酸锌等无毒防锈颜料来代替红丹等有毒的防锈颜料;金属颜料是颜料中的一个特殊种类,几乎所有的金属粉颜料均由金属或者合金组成,具有金属的色相和光泽,可用作装饰性颜料,并且具有防腐能力、保温能力等特殊性能,用途较为广泛。金属颜料中经常使用的有铝粉、铜锌粉以及锌粉等。
2.2 有机合成颜料的发展
随着有机染料的不断发展,有机颜料也得到了快速的发展。1895年世界上第一个有机颜料——对位红问世,1935年发现了酞菁颜料。从此,有机颜料的发展尤为迅速。人们把酞菁颜料出现以前的传统品种,称为经典颜料,其后称为现代颜料或者高级颜料。我国从20世纪50年代初开始工业化生产有机颜料,经过几十年的发展,目前已经成为世界上重要的有机颜料生产国和出口国。
根据化学结构的不同有机颜料可以分为偶氮类、酞菁类、多环类、三芳甲烷类颜料和其他颜料等。这里主要介绍偶氮类颜料和酞菁类颜料。
偶氮颜料是指化学结构中含有偶氮基(—N=N—)的有机颜料,其色谱分布较广,有红、橙、黄、棕、蓝等颜色。偶氮颜料品种繁多,根据化学结构的不同可以分为单偶氮颜料、双偶氮颜料和缩合型偶氮颜料等。偶氮颜料的基本生产方法是重氮化-偶合反应,以永固橙RN(单偶氮颜料)为例,合成反应式如下:
重氮化:2NaNO2+3H2SO4→2NO•SO4H+Na2SO4+2H2O
偶合:
偶氮颜料的产品非常多,应用比较广泛。其中,上文所述的对位红就是偶氮类颜料,又称为对硝苯胺红,即C16H11N3O3,系统命名为1[(对硝基苯基)偶氮]
图3 对位红
