CC BY
2
• 7uni versum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_январь. 2025 г.
DOI: 10.32743/UniTech.2025.130.1.19203
МОДИФИКАЦИЯ ПИГМЕНТА ФТАЛОЦИАНИНА МЕДИ И ЕГО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Файзиев Жахонгир Бахромович
доктор философии (PhD), старший научный сотрудник, ООО Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии,
Узбекистан, г. Ташкент E-mail: _ [email protected]
Джалилов Абдулахат Турапович
д-р хим. наук, проф., академик, ООО Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии,
Узбекистан, г. Ташкент
Ёдгоров Нормухаммад
д-р хим. наук, проф. Институт общей и неорганической химии АНРУз,
Узбекистан, г. Ташкент
MODIFICATION OF COPPER PHTHALOCYANINE PIGMENT AND ITS PHYSICOCHEMICAL ANALYSIS
Jakhongir Fayziev
Doctor of Philosophy (PhD), senior researcher. co., Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology LLC,
Uzbekistan, Tashkent
Abdulahat Djalilov
Doctor of Chemical Sciences, Professor, Academician, Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology LLC,
Uzbekistan, Tashkent
Normuhammad Yodgorov
Doctor of Chemical Sciences, Professor, Institute of General and inorganic chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan,
Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В данной научной работе изучены методы улучшения физико-химических свойств фталоцианинового пигмента меди путем модификации. Основная цель заключается в обеспечении водорастворимости пигмента и расширении его применения в текстильной промышленности. В процессе модификации для прикрепления сульфогрупп к структуре пигмента использовали олеум и другие реагенты. Структурные изменения и термостабильность вещества в модифицированном состоянии изучались с использованием ряда современных методов анализа: сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), ИК-спектроскопия, термогравиметрический анализ (ТГА) и рентгеновская спектроскопия с энергетической дисперсией (РЭД). Данное исследование служит научной основой для расширения возможностей пигмента фталоцианина меди в промышленности, путем его модификации.
ABSTRACT
In this scientific work, methods for improving the physicochemical properties of copper phthalocyanine pigment by modification were studied. The main goal is to ensure the water solubility of the pigment and expand its application in the textile industry. In the modification process, oleum and other reagents were used to attach sulpho groups to the pigment structure. The structural changes and thermal stability of the modified substance were studied using a number of modern analytical methods: scanning electron microscopy (SEM), IR spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). This research serves as a scientific basis for expanding the possibilities of copper phthalocyanine pigment in industry by modifying it.
Библиографическое описание: Файзиев Ж.Б., Джалилов А.Т., Ёдгоров Н. МОДИФИКАЦИЯ ПИГМЕНТА ФТАЛОЦИАНИНА МЕДИ И ЕГО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2025. 1(130). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19203
• 7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_январь. 2025 г.
Ключевые слова: фталоцианин, модификация, сканирующий электронный микроскоп, индантрен, поверхностная структура, металлокомплекс, сульфогруппа, дифференциально-термогравиметрический, эндотермический процесс, экзотермический процесс, сильный экзотермический процесс, интенсивное расщепление.
Keywords: phthalocyanine, modification, scanning electron microscope, indantren, surface structure, metal complex, sulpho group, differential thermogravimetric, endothermic process, exothermic process, strong exothermic process, intense splitting.
Введение. Фталоцианиновые пигменты являются основным компонентом современных технологий, на их основе широко развиваются такие передовые технологии, как производство электрических и оптических материалов, солнечных батарей, химических сенсоров. Одним из важных преимуществ фталоцианиновых пигментов является их нетоксичность, что позволяет использовать их в упаковочных материалах для пищевых продуктов, детских игрушках, лекарствах и медицине. Также фталоцианины и их производные отличаются высокой химической стойкостью и устойчивостью к свету и теплу. Это определяет их как важное вещество в производстве долговечных
и стабильных цветных красителей. В последних исследованиях показана возможность
использования фталоцианинов в качестве фотопроводников в фотокопировальных
устройствах и успешно внедрена в практику [1, 2].
Фталоцианины являются ценными веществами с огромным потенциалом для применения в различных областях, таких как медицина, охрана окружающей среды, создание источников энергии и информационные технологии [3, 4]. Универсальное применение этих веществ связано с их высокой стабильностью, легкостью модифицирования функциональными группами и обладанием широким спектром физико-химических свойств. Также синтез красителей на основе фталоцианина прост и экономичен [5]. Это объясняется их легкой химической реакцией с исходными материалами и относительной дешевизной процесса производства.
Немодифицированные фталоцианины нельзя использовать непосредственно в качестве красителей, так как они не растворяются во многих растворителях. Однако некоторые металлические фталоцианиновые комплексы могут
восстанавливаться дитионитом, что приводит к образованию более растворимых красителей, таких как кубические красители. Эти краски после нанесения на текстильные материалы окисляются под воздействием воздуха. В результате в структуре волокна он осаждается в нерастворимой форме и образуется устойчивый и окрашенный продукт. Примером этого процесса является фталоцианин кобальта, известный как "Индантрен ярко-синий 4G" [6].
В текстильной промышленности, особенно для хлопка и других целлюлозных материалов, одним из наиболее популярных и эффективных методов является фталогенное окрашивание, применяемое на заводах [7].
Кроме того, устойчивость фталоцианинов к высоким температурам и химическим веществам, а также их способность образовывать тонкие покрытия и пленки Langmuir-Blodgett, совместимые с микроэлектронными устройствами, позволяют использовать эти материалы в сенсорных устройствах. Эти свойства показывают, что они являются перспективными материалами для различных современных технологий [8, 9].
Материалы и методы. Фталоцианиновые пигменты широко используются в различных отраслях промышленности благодаря своей высокой химической и термической стойкости, яркой окраске и высокой цветовой способности. Однако их нерастворимость в воде ограничивает сферу применения. Для решения этой проблемы эффективным решением является процесс модификации фталоцианиновых пигментов сульфированием. В данном исследовании был изучен процесс приготовления водорастворимой краски путем введения сульфогрупп в фталоцианиновый пигмент меди.
Медь фталоцианин (СиРс): основной пигмент для модификации.
Олеум (100% H2SO4): основной реагент для введения сульфогрупп.
№0Н (20% раствор): использовали для процесса нейтрализации.
Процесс сульфирования: 50 граммов медного фталоцианинового пигмента измеряли на весах и помещали в специальную термостойкую колбу. Затем к пигменту добавляли 165 мл олеума. Сульфат ангидрид ^03), содержащийся в олеуме, является основным реагентом для введения сульфогрупп в пигментную цепь. Для эффективного управления процессом реакции температура поддерживалась на уровне 75°С, а время реакции определялось как 1 час 45 минут.
Механизм процесса и особенности
взаймодействия:
Молекулы SО32- в олеуме взаимодействуют с бензольными кольцами фталоцианина меди и связывают в пигментную цепь сульфо (^О3Н) группы. Эти группы значительно улучшают растворимость пигмента в воде. Время и температура реакции играют решающую роль в определении количества сульфогрупп и их расположения в структуре пигмента.
Температура: проведение реакции при 75°С позволяет эффективно связывать сульфогруппы в цепи пигмента, не разрушая структуру существующего пигмента.
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Время: Выполнение реакции в течение 1 часа 45 минут обеспечивает правильное количество и стабильное расположение сульфогрупп.
Вещество, полученное в результате сульфирования, нейтрализовали 25% раствором NaOH (425 мл). После нейтрализации вещество помещали в плоскую емкость и сушили в испарительной печи в течении 8 часов. Высушенный пигмент охлаждали и доводили до мелкого порошка в ступке. Полученное вещество хранили в специальной посуде, защищенной от влаги.
Успешное присоединение сульфогрупп к цепи фталоцианина меди значительно повысило его водорастворимость и адгезию к ткани.
Модифицированный пигмент устойчив к высоким
январь, 2025 г.
температурам и различным внешним факторам, что повышает его практическую эффективность.
Результаты и обсуждение. Модификация фталоцианинового пигмента меди в процессе сульфирования служит эффективным решением для улучшения его физико-химических свойств. Полученный водорастворимый краситель имеет важное значение в текстильной промышленности, а также во многих других отраслях, при производстве красителей, устойчивых к высоким температурам и химическим воздействиям. Результаты этих исследований создают основу для расширения новых областей применения модифицированных пигментов.
На рис. 1 представлен ИК-спектральный анализ приготовленной краски.
Рисунок 1. Анализ ИК-спектров полифталоцианинового пигмента
Основные пики ИК спектра и их характеристика:
3400-3200 см-1: Вибрации O-H стретчинга пики в этом диапазоне характерны для гидроксильной части сульфогруппы (-SOзH). Это подтверждает успешное присоединение сульфогрупп к медной фталоцианиновой цепи.
2925-2850 см-1: Вибрации С-Н стретчинга эти пики характерны для С-Н связей ароматических или алифатических углеводородных цепей. Медь указывает на сохранность органических фрагментов в цепи фталоцианина.
1590-1500 см-1: Вибрации стретчинга C=C и C=N этот диапазон связан с атомами азота в ароматических кольцах и структуре
фталоцианина, что подтверждает существование основного макроцикла, а характерные пики связей C=C и C=N указывают на то, что основная макроциклическая структура фталоцианина меди не нарушена.
1370-1180 см-1: вибрации S=О стретчинга характерные пики сульфогруппы. Пики 1180-1120
см-1 соответствуют сильным длинам волн связи S=О. Процесс модификации сульфогруппы показал успешное осуществление.
1030-1000 см-1: S-О связи, пики в этом диапазоне соответствуют S-О связям сульфогруппы. Эти пики подтверждают существование сульфогрупп в цепи.
750-700 см-1: Связи ^^ характерны для координационных связей между атомами меди и азота. Эти пики указывают на то, что медь сохранила центральную комплексную структуру фталоцианина. Связи ^^ подтверждают сильную координационную связь центрального иона металла с фталоцианиновой цепью. Это указывает на устойчивость структуры в процессе
модификации.
На рис. 2 представлен результаты термогравиметрического анализа полифталоциани-нового пигмента - дериватограмма.
№ 1 (130)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2025 г.
Рисунок 2. Дериватограмма полифталоцианинового пигмента
Термогравиметрический анализ (ТГА): Первая потеря веса (191.60°C - 240.10°C): Потеря веса в этом диапазоне в основном связана с потерей адсорбированных молекул воды или воды, связанной с сульфогруппой.
Величина потери массы составляет примерно 4,75%, что подтверждает существование сульфогрупп и их способность связывать молекулы воды. Вторая потеря веса (240.10°C - 388.32°C): В этом диапазоне потеря веса в основном связана с термическим разрушением сульфогрупп и разрушением других низкосортных структур. Это свидетельствует о том, что пигмент прочно связан с цепью сульфогрупп в процессе модификации. Конечная потеря веса (388.32°C - 600°C): В этой части разрушается основная структура фталоцианина меди. При этом начинается процесс сгорания ароматических колец. Эти данные показывают термическую устойчивость пигмента при высоких температурах.
Дифференциальный термический анализ (ДТА): Эндотермический процесс (191.60°C -240.10°C): В этом процессе наблюдается термический процесс, связанный с потерей адсорбированной воды вещества. Эндотермический пигмент подтверждает способность связывать воду в процессе модификации.
Экзотермический процесс (240.10°C - 388.32°C): Этот процесс связан с исчезновением сульфогрупп и процессом их горения. В экзотермическом процессе наблюдается выделение энергии, что
подтверждает существование сульфогрупп в структуре.
Сильный экзотермический процесс (выше 388.32°C):
Разложение и горение цепи ароматического фталоцианина отчетливо проявляется
в экзотермическом процессе. Фталоцианин меди, модифицированный сульфогруппой, обладает высокой термической стабильностью. Его структура сохраняется без изменений до 388°С, что свидетельствует об эффективности процесса модификации.
Эффективность модификации: связь сульфогрупп четко подтверждается потерей веса при анализе ТГА и экзотермическими процессами при анализе ДТА. Это является одним из важнейших аспектов процесса модификации. Модифицированный пигмент может быть использован в отраслях промышленности, требующих высокой температурной и термической устойчивости, а также в качестве перспективного вещества для красителей и сенсорных технологий.
Анализ СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) и ЭДХ (рентгеноспектроскопия с энергетической дисперсией) фталоцианина меди, модифицированного сульфогруппой, имеет важное значение для определения изменения структуры и элементного состава в процессе модификации. На рис. 3 представлен результаты, полученные на основе данного анализа, и их научная интерпретация.
№ 1 (130)
январь, 2025 г.
F-T-2
х 0.001 имп./c/eV
.........I "
4 5 6 Энергия [keV]
5/4/2024 Страница 1 / 2
Рисунок 3. СЭМ анализ: поверхностная структура вещества и анализ ЭДХ
Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, раскрывает поверхностное строение
модифицированного пигмента.
Структура поверхности:
На поверхности фталоцианина меди, модифицированного сульфогруппой,
наблюдается жесткая структура, рассеянная и неровная текстура. Это свидетельствует
о частичном сохранении кристалличности в процессе модификации.
Многослойная структура:
На поверхности наблюдаются многослойные и барьерные слои, что отражает частичную перестройку поверхности в результате связи сульфогрупп.
Юзадаги поралар:
Наличие трещин на поверхности
на изображении СЭМ свидетельствует о том, что
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
в процессе модификации выделились молекулы воды или избыток реакции. Эти поры улучшают адгезию пигмента к ткани.
Анализ ЭДХ: Элементный состав и их доли: Результаты, полученные рентгеновской спектроскопией с энергетической дисперсией, определяют основные элементы в составе модифицированного пигмента. Ниже поясняется влияние элементов и их наличие:
Си (медь): пики высокой интенсивности в спектре ЭДХ подтверждают ион центрального металла (медь). Атом меди является основным комплексным элементом пигмента,
и наблюдается его стабильное сохранение.
S (сера): наличие пикров серы указывает на то, что сульфогруппы успешно связаны с пигментными цепями. Это четко подтверждает эффективность процесса модификации.
О (кислород): Пики кислорода подтверждают сульфогруппу ^03Н). Кроме того, образование оксидных групп в результате модификации также указывает на наличие оксидных групп.
№ (натрий): Пики натрия представляют собой остатки №0Н, которые использовались для нейтрализации в процессе модификации. Этот процесс сыграл важную роль в обеспечении стабильности пигмента.
N (азот): Пики азота указывают на сохранность атомов азота в структуре макроцикла фталоцианина меди. Это подтверждает, что основная структура не нарушена.
январь, 2025 г.
Научные результаты и выводы. Связывание сульфогрупп привело к реструктуризации поверхностной структуры пигмента. Эта структура способствовала улучшению его материальных свойств, в том числе растворимости в воде и вязкости к ткани.
Состав элементов:
Анализ ЭДХ подтверждает успешную связываемость сульфогрупп и сохранность всех основных элементов в результате реакции. Наличие серы свидетельствует о достижении основной цели процесса модификации. Фталоцианин меди, модифицированный сульфогруппой, проявил себя как устойчивое к высоким температурам, водорастворимое вещество, подходящее для применения в текстильной и сенсорной технологиях. Этот анализ показывает, что пигмент,
модифицированный сульфогруппой, обладает высокими качественными свойствами
и увеличивает возможности его широкого промышленного применения.
Заключение. За счет модификации пигмента фталоцианина меди значительно улучшились его растворимость в воде, термостойкость и химическая стойкость. Данное исследование позволило эффективно использовать пигмент в текстильной, полимерной, сенсорной и других отраслях промышленности и повысило его практическую значимость. Модифицированный пигмент также отличается экологической безопасностью.
Список литературы:
1. Pan Y. et al. Iron-based metal-organic frameworks and their derived materials for photocatalytic and photoelectro-catalytic reactions //Coordination Chemistry Reviews. - 2024. - T. 499. - S. 215538.
2. Singh S. et al. Glycosylated porphyrins, phthalocyanines, and other porphyrinoids for diagnostics and therapeutics //Chemical reviews. - 2015. - T. 115. - №. 18. - S. 10261-10306.
3. Abazari R. et al. Design and Advanced Manufacturing of NU-1000 Metal-Organic Frameworks with Future Perspectives for Environmental and Renewable Energy Applications //Small. - 2023. - S. 2306353.
4. Lavarda G. et al. Recent advances in subphthalocyanines and related subporphyrinoids //Chemical Society Reviews.
- 2022. - T. 51. - №. 23. - S. 9482-9619.
5. Jo Y.M. et al. MOF-based chemiresistive gas sensors: toward new functionalities //Advanced Materials. - 2023. - T. 35. - №. 43. - S. 2206842.
6. Chen M. et al. CxNy-based materials as gas sensors: Structure, performance, mechanism and perspective //Coordination Chemistry Reviews. - 2024. - T. 503. - S. 215653.
7. Sharman W.M., Novel Water-Soluble Phthalocyanines for Photodynamic Therapy and Nuclear Imaging, 3rd ed., Bell and Howell Information Company, New York, 1997.
8. Javaid M. et al. Sensors for daily life: A review //Sensors International. - 2021. - T. 2. - S. 100121.
9. She P. et al. Recent progress in external-stimulus-responsive 2D covalent organic frameworks //Advanced Materials.
- 2022. - T. 34. - №. 22. - S. 2101175.
