Типы синтетических органических пигментов

В самых общих чертах, существуют два класса синтетических органических пигментов — классические и неклассические. Оба класса являются источниками пигментов для высококачественных художественных красок.

Классические пигменты

Классическими называются те пигменты, основная химическая структура которых известна в течение многих лет, которые изготавливаются в больших объемах, продаются по сравнительно невысоким ценам и используются в областях, не требующих превосходных показателей светостойкости и способности выдерживать различные атмосферные условия (это могут быть, например, печатные или оформительские краски). Примером являются простые моно и дизазопигменты, а также медные фталоцианины, хотя последние также используются в областях с повышенными требованиями к качеству пигментов.

Азопигменты

Типичной характеристикой классических азопигментов является содержание в каждом из них, по крайней мере, одной азогруппы, в которой связаны два атома азота (-N=N-) для объединения двух отдельных химических составляющих — ароматического амина и связующего компонента. Молекулы моно-азопигментов содержат одну азогруппу, а дизазопигменты — две.

Химические реакции, происходящие в процессе производства, имеют тенденцию образовывать субпигментные частицы малых размеров, которым необходима определенная «последующая обработка», чтобы они оформились до размеров частиц пигмента. Это обеспечит эффективное отражение и преломление света, а также яркость и интенсивность цвета.

Как правило, используются добавки на основе смол, особенно часто смол сосновой древесины. Они способствуют рассеиванию пигмента в структуре красителя или краски и усиливают оптические эффекты — такие, как глянцевый блеск, прозрачность и разнообразие цветовых оттенков.

Азопигменты обычно являются формами желтого, оранжевого или красного цвета. Фактически образуемый цвет зависит от:

  • структуры ароматического амина;
  • структуры связующего компонента;
  • типа сформированного кристалла.

Типичными моноазопигментами являются пигмент желтый 1, пигмент оранжевый 5 и пигмент красный 57:1.

Пигмент красный 57:1 преимущественно используется для создания оттенка пурпурного в трехцветной печати. В данном случае добавляется металл (кальций) для закрепления (или осуществления процесса taking) кислотных групп на амине и связующем компоненте, что делает пигмент нерастворимым. Без добавления металла состав превратится в растворимый краситель и это в конечном итоге приведет к образованию подтеков краски. Интенсивность желтых может быть усилена дизазопигментами, в которых удвоена молекулярная масса моноаэопигментов. Типичные примеры — пигменты желтые 12, 13 и 14. Они выпускаются в огромных количествах для использования в индустрии печатных красок.

Фталоцианины

В составе синих и зеленых пигментов доминируют медные фталоцианины со времени их случайного открытия в Шотландии в 1928 году. Медный фталоцианин — классический пигмент, поскольку производится из дешевого, легкодоступного сырья; однако качества этого пигмента позволяют отнести его к группе дорогих, неклассических пигментов. Таким образом, фталоцианин может быть использован не только в дешевых печатных красителях и красках, но также в продуктах, от которых требуются высокая теплоустойчивость, светостойкость и способность переносить воздействие различных атмосферных условий. Эти превосходные свойства обусловлены очень стабильной природой кристалла фталоцианина, в структуре которого существует прочная связь между индивидуальными молекулами.

Химическое строение синтетического медного фталоцианина основывается на кольцевой системе (тетразопорфиновое кольцо), которая имеет параллели в живой природе: например, хлорофилл—светопоглощающий зеленый пигмент растений (который содержит больше магния, чем меди) и гемоглобин — красный хромопротеин крови (в котором металл представлен железом).

фталоцианин

Молекула медного фталюцианина

Существуют различные формы медного фталоцианина. Наиболее часто встречающаяся из них — фиолетовато-синяя форма a и зеленовато-синяя форма b, широко используемая художниками в качестве очень интенсивного варианта берлинской (железной) лазури. Они могут заменять друг друга или смешиваться для получения необходимого цветового оттенка с помощью целого ряда химических технологий — таких, как воздействие растворителем, перетирание с добавлением солей или растворение в сильной (концентрированной) кислоте и повторное осаждение. Несмотря на одинаковое химическое строение, форма а менее стабильна по сравнению с формой b (к которой она стремится возвратиться в органических растворителях); однако форма a может быть стабилизирована с помощью специальных добавок.

Зеленые пигменты образуются из медного фталоцианина в результате реакции с хлором и/или бромом. Самая яркая зеленая (PG 7) образуется, когда практически все атомы водорода внешнего кольца молекулы медного фталоцианина замещаются хлором. Образуемый зеленый тон интенсивнее и прозрачнее традиционной виридоновой. При использовании смеси хлора и брома образуется зеленый цвет с наиболее сильным желтым оттенком (PG 36).

Неклассические пигменты

Неклассическими называются пигменты с более разнообразной и сложной (хотя и хорошо изученной) химической структурой, довольно непростой для воспроизведения. Они производятся в небольших количествах и используются в областях с повышенными требованиями к теплоустойчивости (например, в производстве пластмасс), светостойкости и способности выдерживать изменчивые атмосферные условия (например, в производстве автомобильных красок).

Начиная с 50-х годов XX столетия серьезные исследования и развитие технологий привели к производству новых хромофоров в качестве пигментов. Некоторые из них были разработаны на основе уже известных химических структур, в то время как другие произошли от совершенно новых химических веществ. Все они обладают очень хорошими рабочими характеристиками, а расходы на их производство вполне сопоставимы с расходами на производство классических пигментов. Каждый из них нуждается в определенной «настройке» перед использованием (например, перетирании, обработке растворителем или нагревании под давлением). Неклассические пигменты делятся на несколько групп в соответствии с их химическим строением.

Новые азопигменты

Свойства азопигментов (см. выше) были существенно улучшены благодаря применению двух методов:
1. Удвоению молекулярной массы для получения «конденсированных азопигментов» (например, пигмент красный 166), у которых улучшена светостойкость и снижена вероятность образования подтеков будущей краски,
2. Привлечению пригодных групп амидов (-CO-NH-), что позволило упрочить соединение водорода для создания пигментов на основе бензимида-золона (например, пигмент желтый 156), которые не растворяются и обладают большей устойчивостью.

Соединения азометиноеых металлов. Этот вид высокоустойчивых пигментов, используемых, главным образом, в металлических красках для автомобилей (краски «металлик»), основан, в большей степени, на азометиновой группе
(-CH=N-), чем на группе азо (-N=N-) (см. выше).

Хинакридоны

Это — пигменты от красного до фиолетового (например, пигмент фиолетовый 19), которые обычно используются в художественных красках и обладают великолепной светостойкостью. Имеют полициклическую структуру; каждая молекула состоит из нескольких шестичленных колец, объединенных в прямую линию. Подобно фталоцианинам, пигменты quinacridones существуют в нескольких различных формах; свойства коммерческого продукта зависят от характера последующей обработки исходных веществ.

Антрахиноны

Основной вид использования антрахинонов — в кубовых красителях для окраски текстильных волокон; но некоторые из них применяются в качестве пигментов для высокосортных красок и окраски пластмасс. Молекула антрахинона обычно удваивается для увеличения молекулярной массы и уменьшения растворимости. Примером могут служить пигмент красный 17 и пигмент желтый 23. Другие способы соединения двух молекул антрахинона создают: indanthrones (синие), flavanthrones (желтые), pyranthrones (оранжевые) и anthanthrones (красные). Все они дороги, сложны в производстве и используются только там, где конкретный тон не может быть получен с помощью других средств.

Тиоиндиго

В течение многих тысяч лет индиго использовался как красящее средство темно-синего цвета для тканей. Замещение атомов азота атомами серы в молекулах индиго приводит к образованию пигмента тиоиндиго в диапазоне от красного до фиолетового тонов. Их использование в высокосортных красках постепенно снижается из-за влияния процесса серного производства на окружающую среду. Примером тиоиндиго может служить пигмент красный 88.

Perylenes

Это — высокосортные, полициклические, красные пигменты, которые обладают хорошей способностью выдерживать изменчивые атмосферные условия и используются в автомобильных красках. Пигменты основываются на структуре, проиллюстрированной ниже, где X может быть кислородом (как в пигменте красном 224) или азотом (как в пигменте красном 88 и пигменте красном 190).

Perylene

Молекула Рerylene

Isoindolines

Недавно появилось много новых пигментов (как правило, желтых), основанных на системе isoindoline. Примером могут служить tetrachlorol-soindolinones, как в пигменте желтом 110. Они обладают превосходной светостойкостью и теплоустойчивостью, что делает их пригодными для использования в производстве пластмассовых изделий при высоких температурах (например, для цветных оконных рам), в волокнах, а также красках.

isoindoline

Молекула isoindoline

Dioxazines

Это — еще один полициклический класс пигментов, используемых в большинстве областей, включая художественные краски, для которых долговечность и устойчивость являются необходимыми условиями. Основной коммерческий продукт этой группы — пигмент фиолетовый 23.

Dioxopyrrolopyrroles

Новые, высококачественные пигменты на основе новых химических структур появляются в наши дни очень редко. Одна такая группа включает красные пигменты, основанные на удивительно простой структуре 1,4-dloxopyrrolo (3,4-pyrrole) (пигмент обозначается как D.D.P.).
Эти пигменты обладают фантастической теплоустойчивостью, интенсивностью, кроющей способностью, а также отличной светостойкостью и способностью выдерживать воздействие изменчивых атмосферных условий. Они доминируют среди высококачественных красных пигментов (особенно в автоиндустрии) подобно тому, как медные фталоцианины доминируют среди синих.

D.D.P.

Молекула D.D.P.

Заключение. За последние годы диапазон ярких, светостойких красок был значительно расширен. Медный фталоцианин и его производные остаются непревзойденным источником для создания стабильных и светостойких синих и зеленых пигментов, а их дешевизна — благодаря объему производственных операций — вряд ли будет способствовать использованию каких-либо альтернативных пигментов в ближайшее время. Такой «монополии» не существует в диапазоне пигментов от желтых до красных цветов и исследования в этой области постоянно открывают новые структуры, которые позволяют слегка улучшить характеристики уже существующих. Простейшие азопигменты были дополнены группой конденсированных азопигментов (от компании Ciba Speciality Chemicals) и группой азопигментов-бензимидазолонов (от компании Clarlant). Целый ряд полициклических, высококачественных пигментов (ClM Speciality Chemicals) открывает новые горизонты в улучшении таких свойств красок, как глянцевый блеск, яркость, интенсивность, теплоустойчивость и светостойкость.