陽離子熒光染料的合成及其性能研究

張劍，秦傳香，戴禮興

(蘇州大學材料與化學化工學部，江蘇蘇州 215123）

研究論文

陽離子熒光染料的合成及其性能研究

張劍，秦傳香，戴禮興

(蘇州大學材料與化學化工學部，江蘇蘇州 215123）

合成了一種新型雙陽離子型熒光染料—反，反-1，4-雙{2-［4-(N-乙基）溴化吡啶基］乙烯基}苯(DPPB），采用紅外光譜和核磁共振譜儀對其進行了結構表征，通過染色實驗研究其在腈綸織物上的染色性能及色牢度，同時研究了其單光子熒光性能。結果表明，DPPB的熒光性能良好，在腈綸織物上有良好的染色性能，所染織物具有藍綠色熒光效果。

陽離子染料合成熒光性能染色

20世紀以來，熒光材料廣泛應用于塑料、服裝(交警服、運動服等）、玩具、廣告品及一些需要防偽和安全保護的領域［1，2］。研究者們研究熒光材料的化學結構與光學性能，又將其應用于頻率上轉換激光［3］、熒光探針［4－7］、Langmuir-Blodgett膜［8］、太陽能電池［9］等材料，Balanda等人［10］通過熒光染料的發光光譜分析來探究生物大分子。熒光染料屬于功能性染料［11］，既具有常規染料的著色特性，又能發射出熒光，使得織物的飽和度和鮮艷度提高。同時，陽離子染料是腈綸纖維的專用染料［12］。陽離子染料色澤濃艷，為諸多增艷酸性染料所不及，尤其是金黃、紅和橙等品種［13］。

筆者所在課題組之前已經合成了系列苯乙烯基吡啶鹽類化合物，并將其作為陽離子型熒光染料應用于腈綸織物的染色，表明其所染織物具有發射橙色熒光的效果［14］。筆者開發研究了一種雙陽離子型的苯乙烯基吡啶鹽類化合物，將其應用于腈綸織物染色，發現所染織物具備發射藍綠色熒光的效果。

1 實驗

1.1 主要原料

腈綸標準貼襯織物(GB 7567-1987）;除了烷基聚氧乙烯醚(平平加O）是市售工業品外，其余化學試劑均為市售分析純試劑。

1.2 熒光染料的合成

1.2.1 對甲基-N-乙基吡啶溴化鹽的合成

分別量取反應原料4-甲基吡啶(0.205 mol，20.0 mL）和溴乙烷(0.205 mol，15.3 mL），先將溴乙烷加入250 mL單頸燒瓶中，加入150 mL無水乙醇作為溶劑，攪拌至混合均勻后再加入4-甲基吡啶，慢慢加熱升溫至回流溫度，回流攪拌20 h，反應結束后通過旋轉蒸發抽掉部分溶劑，冷卻結晶，得到白色晶體，如式(1）所示。

1.2.2 反，反-1，4-雙{2-［4-(N-乙基）溴化吡啶基］乙烯基}苯(DPPB）的合成

稱取N-乙基-4-甲基吡啶溴化鹽(0.02 mol，4.038 g）和對苯二甲醛(0.01 mol，1.341 g），加入到單頸燒瓶中，用無水乙醇做溶劑，并往單頸燒瓶中加入5～6滴哌啶，攪拌均勻，慢慢加熱至回流溫度，回流反應24 h。過濾，用無水乙醇洗滌多次至洗液無色，真空干燥得最終產物，如式(2）所示。

該合成工藝流程簡單，產率高(能達到80%），為工業化生產陽離子型熒光染料提供了思路。

1.3 染色試驗

在XW-ZDR-25X12型低噪振蕩式染樣機(靖江市新旺染整設備廠）中對腈綸織物進行染色試驗，染色配方如下:陽離子熒光染料x%(omf），pH 5.0 (H3PO4-HOAc-H3BO3/NaOH調節），平平加O 0.5 g/L，元明粉4 g/L，浴比1∶100。工藝流程見圖1所示。

圖1 陽離子熒光染料DPPB對腈綸染色試驗的工藝流程

1.4 分析測試

對合成的有機熒光染料進行了紅外光譜和核磁共振光譜結構表征，紅外光譜采用Nicolette 5200 FT-IR 5DX光譜儀測定，采用KBr壓片;氫核磁共振光譜采用GCT-TOF NMR光譜儀測定，測試頻率為400 MHz，DMSO為溶劑，TMS為內標。

樣品的熒光發射光譜采用瞬態/穩態熒光分光光度計(英國愛丁堡公司）測定。

染料上染百分率:采用殘液比色法，以紫外可見分光光度計測定染液吸光度。

染色織物耐洗色牢度測定時，將染樣與規定的貼襯織物縫合，置入WASHTEC-P型耐洗色牢度試驗機中，在規定的時間與溫度下，經機械攪拌、清洗、干燥;染色織物耐摩擦色牢度測定時，按GB 3920-1997用Hand Driven Crockmaster Model 670摩擦牢度測定儀(James H.Heal Co.Ltd）測定;再采用GB 250-1995《評定變色用灰色樣卡》評定變色等級，采用GB 251-1995《評定沾色用灰色樣卡》評定沾色等級。

2 結果與討論

2.1 合成染料的結構表征

2.1.1 紅外光譜分析

DPPB的紅外譜圖如圖2所示。在1 569 cm－1左右出現的是吡啶環的伸縮振動吸收峰，1 674 cm－1附近出現的是==CC的伸縮振動吸收峰，1 408 cm－1處出現的是叔胺鍵中C—N的伸縮振動吸收峰，在1 510 cm－1處的強吸收峰值為苯環的骨架伸縮振動吸收峰。

圖2 陽離子熒光染料DPPB的紅外光譜

2.1.2 核磁分析

圖3為DPPB的1H-NMR(DMSO-d6，400 Hz）譜圖，δppm:9.020(4H，Py-CH，d，J6.8Hz），8.287 (4H，Py-CH，d，J6.8Hz），8.078(2H，==CHCH，d，J16.4Hz），7.880(4H，Ar-H，d，J 7.2 Hz），7.655 (2H，==CHCH，d，J16.4Hz），4.565(4H，—CH2—，dd，J7.2Hz），3.329(溶劑H2O），2.500(溶劑DMSO），1.543(6H，CH3—，t，J7.2Hz）。化學位移在8.078 ppm和7.655 ppm兩處的==CHCH雙峰的耦合常數都是16.4 Hz，這表明DPPB屬于CHR1= CHR2(反式）苯乙烯吡啶鹽結構的化合物［15］。

圖3 陽離子熒光染料DPPB的核磁譜圖

2.2 DPPB對腈綸織物進行染色

2.2.1 DPPB的升溫上染速率曲線

圖4為陽離子熒光染料DPPB的升溫上染速率曲線。腈綸為疏水性纖維，一般為三元共聚物，結構規整度高，染料的擴散遵循自由體積模型，染料在85℃左右開始上染，這與腈綸纖維的玻璃化轉變溫度有關。隨著溫度的升高，染料分子吸附在纖維大分子鏈上，當溫度超過腈綸的玻璃化轉變溫度時，纖維分子鏈段運動加劇，微小的空穴合并成較大的空穴，染料分子沿著這些不斷變化的空穴逐個跳躍擴散。

圖4 陽離子熒光染料DPPB的升溫上染速率曲線

2.2.2 DPPB的提升性能

對染料的提升性能進行測試，見圖5所示。隨著染料用量的增加，其在纖維上的吸附量(Cf）隨之增大，在一定的濃度范圍內呈較好的趨勢，染色織物的表觀色深度K/S值也隨之增大。但是隨著染料用量的增加(大于0.2%omf之后），其上染率卻呈現下降的趨勢，這可能是因為要達到吸附平衡需要一定時間，而做提升性能測試的時間未能完全達到吸附平衡。

圖5 陽離子熒光染料DPPB的提升性能

2.2.3 DPPB的染色牢度的測定

表1為染色腈綸織物的耐水洗牢度和耐摩擦牢度的測試評定結果，可見，DPPB染色后的腈綸織物耐水洗牢度和耐摩擦牢度比較好。

表1 陽離子熒光染料DPPB染色腈綸織物的色牢度測試數據(染料濃度1%omf）

2.3 光學性能研究

2.3.1 單光子熒光激發光譜和發射光譜

圖6是陽離子熒光染料DPPB固體粉末和染色腈綸織物的熒光光譜。從圖中可以看出織物的熒光效果較好，但是織物的激發光譜和發射光譜較染料固體粉末的譜圖都發生了明顯的藍移，這可能歸因于陽離子染料中的離子基團與織物染座發生離子鍵作用導致電子云密度發生改變，造成激發態能量的升高。

圖6 染料固體粉末和染色腈綸織物的熒光光譜

2.3.2 CIE坐標圖

根據各自的發射光譜譜圖，可以計算出CIE (Commission Internationale de l'Eclairage，International Commission on Illumination）色度坐標值。熒光染料DPPB固體粉末的色度坐標為x=0.340，y=0.479;DPPB染色腈綸織物的色度坐標是x=0.145，y =0.253。如圖7所示，前者的色度坐標值處于黃綠色區域，而后者的色度坐標值處于藍綠色區域，說明熒光染料DPPB可以作為腈綸織物的綠色熒光染料使用。

3 結論

a）通過對最終產物紅外與核磁譜圖分析，證實合成物為一種雙陽離子型熒光染料——反，反-1，4-雙{2-［4-(N-乙基）溴化吡啶基］乙烯基}苯(DPPB）。

圖7 DPPB染料固體粉末和染色腈綸織物的CIE坐標圖

b）將DPPB對腈綸織物進行染色，測試了它的升溫上染速率曲線、提升性能及染色牢度，結果表明:染料在85℃左右開始上染，隨著染料用量的增加，其在纖維上的吸附量(Cf）隨之增大，在一定的濃度范圍內呈較好的趨勢，DPPB染色后的腈綸織物耐水洗性牢度和耐摩擦牢度比較好。

c）測試了熒光染料DPPB固體粉末及染色織物的熒光激發光譜和發射光譜，并計算了它們的CIE色度坐標。結果表明，DPPB固體是呈現黃綠色熒光，而其染色的織物呈現的是藍綠色熒光。

致謝:感謝國家自然科學基金項目(項目批準號50903057、50973079））、現代絲綢國家工程實驗室開放課題和蘇州大學大學生創新性實驗計劃項目的資金支持。

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Synthesis and application of one cationic fluorescent dye

Zhang Jian，Qin Chuanxiang，Dai Lixing

(College of Chemistry，Chemical Engineering and Materials Science，Soochow University，Suzhou Jiangsu 215123，China）

One new cationic fluorescent dye(DPPB）was synthesized in this paper and it was characterized by infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance spectrometer.When it was used in the dyeing experiments of acrylic fabrics，the color fastness and dyeing properties were studied.Meantimes，the single-photon fluorescent properties were also studied by fluorescence spectrophotometer.The results showed that the dye has good fluorescent properties and dyeing properties.

cationic dyes;synthesis;optical properties; dyeing

TQ615.3;TS193.637

A

1006-334X(2012）01-0004-05

2012－02－20

張劍(1986－），男，江蘇揚州人，在讀碩士生，研究方向為熒光化合物的合成及其應用研究。

秦傳香(1975－），女，江蘇揚州人，副教授，主要從事功能高分子材料的制備與性能研究。Email:qinchuanxiang@suda.edu.cn