一种复合颜料粉末及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种颜料粉末,更具体地涉及一种具有荧光警示标识作用的复合颜料粉末,属于功能颜料领域。
背景技术
荧光颜料广泛应用于儿童玩具、服装、包装、纺织、塑胶着色、涂料、油墨、印染等领域,可以作为制作服装商标、夜光警示用的丝、线或油墨。目前用于荧光颜料的荧光物质包含天然有机荧光物质:苯并噻唑类荧光化合物,苯并恶唑类荧光化合物,吡啶酚类荧光化合物,喹唑啉酮类荧光化合物,呫吨类化合物、过渡金属配合物类荧光化合物、量子点、稀土荧光材料。
其中,稀土荧光材料是一类具有独特性能的发光材料,其荧光单色性好,发光强度大,引起人们极大的研究兴趣。稀土配合物发光材料为一种有机光致发光材料,由于配体分子能将吸收的能量高效地转移到配合物的稀土离子发光中心,这种配体敏化中心离子发光的效应称为天线效应,该效应弥补了稀土离子在紫外和可见光区吸收系数小的缺陷。到目前为止,有关稀土材料作为荧光颜料的研究已有一些报道,例如:
CN1328177A公开了一种纺织用紫外线荧光纤维,其芯部为含稀土元素铕和铝酸锶的荧光粉聚酯。
CN101688113A公开了一种5,6-二苯基-3-(2-吡啶基)-1,2,4-三嗪三磺酸盐的稀土金属络合物,可以作为颜料用于印刷系统和安全应用所用的油墨组合物中;含二酮掺杂剂的组合物可用作颜料、染料或者着色剂,并可以用作用于印刷和用于安全应用的油墨。
CN1210171A公开了一种储能发光型纺织品面料的印花或涂层色浆,其中包含长余辉稀土荧光粉,在光照后,在无光线的黑暗中印花图案或整幅面料能自身发光。
EP1194377A公开了一种染色颜料,其中包含稀土的氟硫化物。
但是这些材料均需要紫外光激发使稀土化合物发光,然而如果将这类颜料用于服装上,强烈的紫外光照射对人体的健康是不利的。同时,传统的有机发光试剂还容易发生光漂白和淬灭效应,导致荧光强度降低。
理论上,利用客体发色团吸收谱和主体荧光发射谱重叠区域的发色团间的能量转移可以来调节光激发波长和光发射颜色,但是现有技术还没有将此理论模型用于功能性复合颜料的调配中。利用能量转移,通过调节主客体之间光谱重叠的程度,可以实现二者的发光颜色按不同比例进行叠加,从而可以得到不同发光颜色的颜料。
针对现有技术中存在的缺陷以及稀土发光材料的优势,本发明旨在制备一种在可见光激发下表现出较强的荧光发射,并显示非常好的光稳定性和室外耐久性的复合颜料,使其能够广泛适用于纺织印染、油墨、清漆等多个领域,满足人们的普遍需求。
发明内容
针对以上的缺陷,本发明人经过大量的深入研究,在付出了充分的创造性劳动后,提供了一种在可见光下可使包含该颜料的各种制品发射稀土络合物特征荧光复合颜料粉末,从而完成了本发明。
具体而言,本发明主要涉及三个方面。
第一方面,本发明涉及一种复合颜料粉末,所述复合颜料粉末包括着色剂、光敏染料、稀土络合物和光稳定剂,其中光敏染料与稀土络合物的摩尔比为50-1:1,着色剂与光敏染料的摩尔比为100-10:1,着色剂与光稳定剂的摩尔比为200-10:1,着色剂与分散剂的摩尔比为200-100:1。
在本发明中,除非另有规定,“包括”的含义为开放式的“包括”和封闭式的“由…组成”。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述的光稳定剂为:
其中,基团R为:
下标n(即重复单元聚合度n)的取值应使得该光稳定剂化合物的重均分子量为Mw=3637±176g/mol。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述着色剂为含有至少一个磺酸基的单偶氮颜料、单偶氮色淀染料、含有至少一个磺酸基的双偶氮或三偶氮颜料或它们的金属配合物、蒽醌衍生物、异吲哚衍生物、酞菁颜料或碱性色淀染料如三芳基甲烷色淀染料、颜料黄42,颜料白6,颜料蓝27,颜料蓝29、颜料橙13。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述着色剂优选为以下化合物中的一种:
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述光敏染料为喹啉酮类衍生物、香豆素类衍生物、呫吨类衍生物、罗丹明类衍生物中的一种或多种,优选为4-甲基-2-羟基喹啉酮、4-甲基香豆素、荧光素(3’,6’-二羟基荧烷)、曙红、罗丹明B的一种或多种。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述稀土络合物为有机配体和稀土离子的络合物,其中的有机配体为二元、三元或四元胺的多羧基化合物,稀土离子为Nd3+、Eu3+、Tb3+、Er3+或Yb3+。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述稀土络合物中的有机配体优选为二乙基三胺五乙酸(DTPA)、三乙基四胺六乙酸(TTHA)、乙二胺四乙酸、1,4,7,10-四氮杂十二环-N,N’,N”,N”’-四乙酸(DOTA)、1,4,7-三氮杂九环-N,N’,N”-三乙酸、1,4,7,10,13-五氮杂十五环-N,N’,N”,N”’-四乙酸中的一种或多种;所述稀土络合物中的稀土离子优选为Eu3+、Tb3+中的一种或多种,更优选为Eu3+。
作为列举,所述稀土络合物例如可为Tb-DTPA、Eu-DTPA、Tb-TTHA、Eu-TTHA、Eu-DOTA。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述分散剂为亚甲基双萘磺酸钠,其具有优良分散性和保护胶体性能,但无渗透起泡等表面活性。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述光敏染料与稀土络合物的摩尔比优选为10-1:1,更优选为1:1。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述着色剂与光敏染料的摩尔比优选为90-20:1,例如可为90:1、80:1、70:1、60:1、50:1、40:1、30:1或20:1。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述着色剂与光稳定剂的摩尔比优选为100-50:1,例如可为90:1、80:1、70:1、60:1或50:1。。
在本发明所述的复合颜料粉末中,所述着色剂与分散剂的摩尔比优选为180-120:1,例如可为180:1、170:1、160:1、150:1、140:1、130:1或120:1。
本发明稀土络合物的配体均是现有技术容易获得的配体,而且与稀土离子的配位方式也已确定(参见稀土-氨基多羧酸配合物的配位结构及变化规律I氨基三乙酸(nta)、乙二胺四乙酸(edta)和反式-1,2-环己二胺四乙酸(cydta)系列,王君等,结构化学,2004,第23卷第10期,p.1169-1176)。
第二方面,本发明涉及上述复合颜料粉末的制备方法,具体采用如下步骤制备:按照上述配比,在稀释剂中,加入着色剂化合物,搅拌形成1.0×10-2-1.0×10-3mol/L的溶液,然后在避光条件下,加入光稳定剂,继续搅拌1-5h,然后依次加入光敏染料、稀土络合物,继续搅拌1-5h,最后在剧烈搅拌下,加入分散剂继续搅拌直到形成均匀的溶液或糊膏,除去稀释剂,然后避光条件下真空干燥或喷雾干燥得到本发明的复合颜料粉末。其中,所述稀释剂为水、甲醇,乙醇、乙二醇、二甘醇中的任意一种或多种。
在本发明所述的复合颜料粉末的制备方法中,所述稀土络合物采用下述步骤制备:将有机配体溶于有机溶剂中形成1×10-3mol/L的溶液,加入与有机配体中羧基等摩尔量的三乙胺,搅拌下再加入等摩尔量的稀土硝酸盐,搅拌2-3h后,在旋转蒸发仪上除去溶剂使其析出沉淀,过滤、洗涤后,将固体干燥,得到稀土络合物,留作备用。
在本发明所述的复合颜料粉末的制备方法中,所述稀土络合物的制备过程中的有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙醚中的任意一种或多种,优选为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种,更优选为甲醇。
在本发明所述的复合颜料粉末的制备方法中,所述光稳定剂下述步骤制备方法如下:取EV80(α-[3-[3-(2H-苯并三唑-2-基)-5-(1,1-二甲基乙基)-4-羟苯基]-1-酮基丙基]-ω-羟基聚(酮基-1,2-乙烷二基))置入反应器中,搅拌升温,加入1,3,5-三(6-异氰酸基己基)-1,3,5-三嗪-2,4,6-三酮和N,N-二甲基乙酰胺,反应一段时间后(滴定NCO官能团摩尔数达到反应终点)后,加入N,N-二甲基乙酰胺和2,2-双(羟甲基)丁酸,升温反应(滴定NCO官能团摩尔数达到反应终点),制备得到所需光稳定剂(Mw=3637±176g/mol),
具体而言,例如可采用如下的制备方法:取8-12gEV80(α-[3-[3-(2H-苯并三唑-2-基)-5-(1,1-二甲基乙基)-4-羟苯基]-1-酮基丙基]-ω-羟基聚(酮基-1,2-乙烷二基))置入50ml反应器中,搅拌升温至50-60℃,加入1,3,5-三(6-异氰酸基己基)-1,3,5-三嗪-2,4,6-三酮3-5g、N,N-二甲基乙酰胺2-5g,升温至85-95℃,反应2~3hr(滴定NCO官能团摩尔数达到反应终点)后,降温至65-75℃后加入N,N-二甲基乙酰胺1-5g、2,2-双(羟甲基)丁酸0.5-1.5g,升温至80-100℃反应2-3h(滴定NCO官能团摩尔数达到反应终点)后,降温至40-55℃,制备得到所需光稳定剂(Mw=3637±176g/mol),留作备用。
第三方面,本发明涉及上述复合颜料粉末用于荧光标记、纺织品染色剂、油漆、清漆和印刷油墨的用途。
1、本发明复合颜料具有明亮的白昼荧光,可应用于昼夜路标、交通指示,更重要的是可用于夜间工作人员的衣服上,由于光敏染料的光吸收范围为可见光区,因而无需强烈的紫外光照射,即可使含有上述颜料的衣物发射稀土化合物的特征荧光。
2、本发明的复合颜料特别适用于染色纤维、棉花等。本发明染色混合物适于染色或印花很多种原料,特别是含羟基或含氮纤维原料。这些纤维原料例如为天然纤维素纤维,例如棉、亚麻和大麻纤维,以及纤维素和再生纤维素。染色的染浴中除了包含本发明的复合颜料外,可进一步包括常规使用的添加剂,例如湿润剂、匀染剂、深染剂和/或油润剂,这些添加剂可以在染色前,染色过程中或染色后加到染浴内。特别优选存在有上述烷氧基化胺和/或醇。在染色过程的最后,优选用例如甲酸进行酸化。然后在经过短暂处理后终止染色过程。
3、本发明颜料也可用于油漆,清漆和印刷油墨。例如,油墨可以常规方式通过将各个组分混和在预定量的溶剂中制备。同时,除了所述复合颜料外,另一基本组分为多阴离子增稠剂。用于本发明目的的多阴离子增稠剂为水溶性聚合物,这些聚合物在中性或碱性pH下载有带阴电基团,而且在这种带电状态下,它们能够使水溶液和悬浮液变稠。可能的增稠剂包括各种聚合物如纤维素如羧甲基纤维素的离子衍生物,或丙烯酸与甲基丙烯酸的聚合物或共聚物。同样,带有磺酸或磷酸基团的聚合物或共聚物也可用作增稠剂。此外,通过混合不同的增稠剂,有可能以特定方式影响着色剂组合物的性质。优选的增稠剂为丙烯酸乙酯、丙烯酸和甲基丙烯酸(特别是它们的铵盐形式)的共聚物的水分散液。并且油墨中还包括增溶剂,例如ε-己内酰胺。
在制备印色浆和染浴时,将本发明的颜料粉末研磨后,加入合适的溶剂中,即可与纤维、聚合物等其他材料进行复合。对于上述印色浆和染浴的制备,本领域技术人员可依据实际需要而采用常规的方法来实现,本发明没有特定的限制。
本发明的复合颜料通过组分和比例的特定组合或选择而取得了意想不到的有益效果:
(1)光敏染料可以向稀土络合物发生能量转移,而且其吸收峰位于可见光区,因而避免了采用紫外光激发。光激发后,光敏染料从单重态系间窜越到三重态,进而与稀土离子的三重态发生能量转移,最后稀土离子恢复为基态并发射稀土的特征荧光;
(2)由于现有生活所用光源通常均会辐射一部分紫外光,当长时间照射染有颜料的物品时,会引起着色剂和光敏染料的光降解,而且物品周围也会产生活性自由基,因而本发明光稳定剂的加入可以使复合颜料的光稳定性、日光牢度大幅度提高;
(3)本发明的稀土络合物中的配体,简单易得,而且为水溶性配体,因而也就提高了其稀土配合物在水-醇类溶剂中的溶解性,避免了使用有毒或挥发性的其他有机溶剂;同时,本发明的光稳定剂为水溶性,在制备复合颜料时,无需添加额外的表面活性剂,极为符合环保的要求;
(4)本发明的光稳定剂为水溶性聚合物,与水溶性的光敏染料和亲水性的稀土络合物存在较强的弱相互作用力,从而提高光敏染料和稀土络合物在纺织品上的粘附力,而且也能避免它们各自因浓度效应引起的发光自猝灭。
由于各组分之间的协同增效作用而使得该复合颜料能够在可见光激发下表现出较强的荧光发射,并显示非常好的光稳定性和室外耐久性,因而具有极大的工业化前景和市场价值。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明,但这些举例性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明,并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定,更非将本发明的保护范围局限于此。
制备例1:光稳定剂的合成
取10.12gEV80(α-[3-[3-(2H-苯并三唑-2-基)-5-(1,1-二甲基乙基)-4-羟苯基]-1-酮基丙基]-ω-羟基聚(酮基-1,2-乙烷二基))置入50ml分离式反应瓶,搅拌升温至50℃,加入1,3,5-三(6-异氰酸基己基)-1,3,5-三嗪-2,4,6-三酮4.04g、N,N-二甲基乙酰胺3.55g,升温至90℃,反应2-3hr(滴定NCO官能团摩尔数达到反应终点)后,降温至70℃后加入N,N-二甲基乙酰胺1.22g、2,2-双(羟甲基)丁酸0.53g,升温至90℃反应2-3hr(滴定NCO官能团摩尔数达到反应终点)后,降温至50℃,以获得下式所示的光稳定剂(根据通用的分子量测量方法,测得其重均分子量Mw=3637.2g/mol),留作备用。
其中,基团R为:
IR图谱:3310-3500cm-1(-NH),3335.06cm-1(-NH),1670-1780cm-1(C=O),1693.89-1714.69cm-1(C=O)。
制备例2:Tb-DTPA络合物的合成
将二乙基三胺五乙酸(DTPA)溶于无水甲醇中形成1×10-3mol/L的溶液,加入与有机配体中羧基等摩尔量的三乙胺,搅拌下再加入等摩尔量的硝酸铽,搅拌2h后,在旋转蒸发仪上除去溶剂使其析出沉淀,过滤,用甲醇洗涤后,将固体干燥,得到以二乙基三胺五乙酸(DTPA)为配体的Tb-DTPA络合物,留作备用。
制备例3:Eu-DTPA络合物的合成
除以硝酸铕替换硝酸铽外,以制备例2的相同方式而实施了制备例3,从而制备得到Eu-DTPA络合物。
制备例4:Tb-TTHA络合物的合成
除以三乙基四胺六乙酸(TTHA)替换DTPA外,以制备例2的相同方式而实施了制备例4,从而制备得到Tb-TTHA络合物。
制备例5:Eu-TTHA络合物的合成
除以硝酸铕替换硝酸铽、以三乙基四胺六乙酸(TTHA)替换DTPA外,以制备例2的相同方式而实施了制备例5,从而制备得到Eu-TTHA络合物。
制备例6:Eu-DOTA络合物的合成
除以1,4,7,10-四氮杂十二环-N,N’,N”,N”’-四乙酸(DOTA)替换TTHA外,以制备例2的相同方式而实施了制备例6,从而制备得到Eu-DOTA络合物。
实施例1:
在甲醇中,加入着色剂化合物1A(见下式),搅拌形成1.0×10-2mol/L的溶液,然后在避光条件下,加入制备例1的光稳定剂,继续搅拌,然后依次加入光敏染料4-甲基-2-羟基喹啉酮和制备例2中的稀土络合物(Tb-DTPA络合物),继续搅拌半小时,最后在剧烈搅拌下,加入分散剂亚甲基双萘磺酸钠,继续搅拌直到形成均匀的溶液或糊膏,除去稀释剂,然后避光条件下真空干燥或喷雾干燥得到复合颜料粉末,命名为FH-1。其中,化合物1A与光敏染料的摩尔比为80:1,光敏染料与Tb-DTPA络合物的摩尔比为1:1,化合物1A与光稳定剂的摩尔比为100:1,化合物1A与分散剂的摩尔比为150:1。
实施例2:
除将实施例1的化合物1A与光敏染料的摩尔比更换为100:1,光敏染料与Tb-DTPA络合物的摩尔比更换为10:1,化合物1A与光稳定剂的摩尔比更换为200:1外,以实施例1的相同方式而进行了实施例2,得到复合颜料粉末,命名为FH-2。
实施例3:
除将Tb-DTPA络合物替换为制备例3中的Eu-DTPA络合物外,以实施例1的相同方式而进行了实施例3,得到复合颜料粉末,命名为FH-3。
实施例4:
除将Tb-DTPA络合物替换为制备例4中的Tb-TTHA络合物外,以实施例1的相同方式而进行了实施例4,得到复合颜料粉末,命名为FH-4。
实施例5:
除将Tb-DTPA络合物替换为制备例5中的Eu-TTHA络合物外,以实施例1的相同方式而进行了实施例5,得到复合颜料粉末,命名为FH-5。
实施例6-7:
除以荧光素(3’,6’-二羟基荧烷)分别替换实施例1和5中的4-甲基-2-羟基喹啉酮外,分别以实施例1和5的相同方式而进行了实施例6和7,得到复合颜料粉末,分别命名为FH-6、FH-7。
实施例8:
除以荧光素(3’,6’-二羟基荧烷)替换实施例1中的4-甲基-2-羟基喹啉酮、以制备例6中的Eu-DOTA替换Tb-DTPA络合物外,以实施例1的相同方式进行了实施例8,得到复合颜料粉末,命名为FH-8。
实施例9:
除将化合物1A与光敏染料的摩尔比更换为100:1、光敏染料与Eu-DOTA的摩尔比更换为10:1、化合物1A与光稳定剂的摩尔比更换为200:1外,以实施例7的相同方式而进行了实施例9,得到复合颜料粉末,命名为FH-9。
对比例1-2:
除未添加Tb-DTPA络合物或光敏染料4-甲基-2-羟基喹啉酮外,分别以实施例1的其它相同步骤而实施了对比例1和2,得到相应的对照复合颜料粉末,分别命名为DZ-1和DZ-2。
对比例3-4:
除未添加Eu-TTHA络合物或光敏染料荧光素外,分别以实施例8的其它相同步骤而实施了对比例3和4,得到相应的对照复合颜料粉末,分别命名为DZ-3和DZ-4。
对比例5:
除未添加光稳定剂外,以实施例8的相同方式而实施对比例5,得到相应的对照复合颜料粉末,命名为DZ-5。
对比例6:
以如下所示的光稳定剂替换实施例8的光稳定剂,以实施例1的相同方式而实施了对比例6,实施过程中发现不能形成如实施例8均匀的乳液,以此得到相应的对照复合颜料粉末,命名为DZ-6。
对比例7:
在对比例6的基础上,添加5wt%的表面活性剂曲拉通X-100使其形成水性乳液,进一步得到相应的对照复合颜料粉末,命名为DZ-7。
性能测试试验
实验条件:
I、采用荧光分光光度计(F-4500,HITACHICo.,LTD),激发光源为氙灯,分别测试固体粉末的荧光光谱和强度,在激发光源的光路上采用λ>400nm的滤光片,测试时激发和发射的狭缝宽度均为5nm。
II、将上述实施例和对比例中制得的粉末夹在石英片之间,采用标准反射模式测试,发射峰及其荧光强度的结果列于表1。
表1
III、将实施例8、对比例5、对比例6、对比例7所得的复合颜料粉末,在λ>400nm下光照10h,再次测试在618nm处的荧光强度,结果列于表2。
表2
IV、分别取实施例8、对比例7的复合颜料1份(以质量计)溶解于100质量份水中,投入棉织物,设定好温度,在60℃-90℃下保温0.5-1h,取出织物。分别测定染色前后的水溶液在618nm处荧光强度,结果列于表3。
表3
结果分析
1、由表1数据可以看出,光敏染料可以敏化稀土络合物的发光,较不含光敏染料的样品相比,发光强度大幅度增加;光稳定剂的加入可以使样品的光稳定性提高,从而提高颜料的发光强度;非水溶性的光稳定剂需要额外添加表面活性剂才能使其更好地发挥作用,无疑本发明的水溶性光稳定剂更为环保。
2、由表2数据可以得出,本发明所采用的光稳定剂可以更好地提高光敏染料和稀土络合物的光稳定性,这是由于光稳定剂均匀地缠绕在光敏染料和稀土络合物的周围,使其更充分地发挥保护作用。
3,由表3的数据可以得出,本发明所采用的光稳定剂可以更好地提高光敏染料和稀土络合物的上染率,从而提高稀土络合物的利用率,进而节约成本。
综上所述,本发明的复合颜料表现出较强的荧光发射,并显示非常好的光稳定性和室外耐久性,通过组分和比例的特定组合或选择而产生了协同增效的明显作用,取得了意想不到的技术效果,具备广泛的工业化前景和市场价值。
应当理解,这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外,也应理解,在阅读了本发明的技术内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型,所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。