ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И СВОЙСТВА ПИГМЕНТА ФТАЛОЦИАНИНА МЕДИ С ОБРАБОТАННОЙ ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

АННОТАЦИЯ

В мире проводятся научные исследования по улучшению свойств пигментов на основе фталоцианина и их эффективному применению в промышленности. Особое внимание уделяется упрощению процесса обработки поверхности фталоцианиновых пигментов и разработке безопасных методов, созданию новых видов фталоцианиновых пигментов, растворимых в воде и растворителях, увеличению объемов производства фталоцианиновых пигментов, поиску новых составов, способных целенаправленно изменять антикоррозионные, статические и динамические прочностные свойства фталоцианиновых пигментов, а также расширению областей их применения. В нашем исследовании мы также провели обработку поверхности фталоцианинового пигмента и определили скорость поглощения и выделения тепла полученного нового вещества с помощью дифференциально-термического анализа на аналитической установке SHIMADZU DTG-60.

ABSTRACT

Scientific research is being conducted in the world to improve the properties of phthalocyanine-based pigments and their effective use in industry. In this regard, special attention is paid to simplifying the process of surface treatment of phthalocyanine pigments and developing safe methods, creating new types of phthalocyanine pigments soluble in water and solvents, increasing the production of phthalocyanine pigments, finding new compositions that can purposefully change the anti-corrosion, static and dynamic strength properties of phthalocyanine pigments, and expanding the areas of application. In this study, we also determined the heat absorption and release rates of phthalocyanine pigment surface treatment and differential thermal analysis of the resulting new substance on a SHIMADZU DTG-60 analyzer.

Ключевые слова: поверхность, нейтрализованная алкилбензолсульфоновая кислота, ненейтрализованная алкилбензолсульфоновая кислота, модификация, пигмент, Cu-фталоцианин (медный фталоцианин), краситель, анализатор SHIMADZU DTG-60.

Keywords: surface, neutralized, alkylbenzenesulfonic acid, non-neutralized, modification, pigment, Cu(copper) phthalocyanine, dye, SHIMADZU DTG-60 analyzer.

Введение. В настоящее время проводятся научные исследования по модификации соединений, содержащих активные функциональные группы, с целью расширения ассортимента новых, эффективных и недорогих фталоцианиновых пигментов на основе местного сырья и промышленных продуктов, а также по разработке эффективных технологий их производства и применению на практике [1; 2]. Цвет красок в первую очередь зависит от их химической структуры и свойств. Согласно теории цвета, яркий и интенсивный цвет органических соединений определяется системой сопряженных двойных связей, стабильных в изо- и гетероциклических соединениях.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) – это метод, при котором физические или химические изменения материалов (например, плавление, кристаллизация, фазовые переходы, разложение) сопровождаются поглощением (эндотермическим) или выделением (экзотермическим) тепла. Это приводит к изменениям ΔT.  Данный метод используется для анализа внутренних фазовых превращений, реакций или тепловых явлений материала в процессе его нагревания или охлаждения [2; 5].

Материалы и методы. Цель обработки поверхности пигмента заключается в увеличении интенсивности пигмента и расширении области его применения. Сначала мы начинаем с выбора водорастворимого пигмента для обработки его поверхности. Для этого нам понадобился предварительно отобранный металлокомплексный пигмент Cu (медный) фталоцианин. С помощью электронных весов сначала отмеряем 2 грамма алкилбензолсульфоновой кислоты и помещаем ее в термостойкую колбу, затем начинаем растворять ее в 50 г горячей воды при температуре 70 градусов.

Данный эксперимент требовалось проводить с особой осторожностью под специальным вытяжным шкафом. Поскольку органическая кислота представляет собой густую массу, процесс её растворения в воде занимает некоторое время. Чтобы ускорить процесс растворения, мы тщательно растворяем кислоту в воде с помощью магнитной мешалки. Затем следует осторожно добавить 2 г Cu (медного) фталоцианинового пигмента в полученный раствор. Полученная смесь помещается на плиту и выдерживается при температуре 70 градусов в течение 2 часов, после чего полученная химическая смесь нейтрализуется. Для нейтрализации авторам статьи потребовалось 2–3 капли раствора NH3. Мы использовали специальную индикаторную бумагу, чтобы определить, находится ли вещество в нейтральном состоянии. Авторы поместили смесь в испарительную печь при температуре 80 градусов на один день. Поскольку ожидаемый результат не был достигнут, то есть обработанный пигмент не высох и не осел, мы центрифугировали его в специальной лабораторной центрифуге при 6000 оборотах в минуту в течение 30 минут.

Для высушивания полученной краски ее наливали в емкость с ровной поверхностью, устойчивую к высоким температурам, и выдерживали в испарительной печи еще 1 сутки. Высушенный пигмент извлекали и измельчали в ступке до состояния мелкого порошка. Полученный пигмент был помещен в специальную емкость для хранения [3; 4]. На него не должна воздействовать влага. Далее мы рассмотрим результаты дифференциально-термического анализа (ДТА) и термогравиметрического анализа (ТГА) приготовленного нами красителя (рис. 1).

Рисунок 1. Дифференциальный термогравиметрический анализ (ДТА) пигмента фталоцианина меди с обработанной поверхностью

Для фталоцианина с обработанной поверхностью, представленного на рисунке 1, была выбрана максимальная температура 800°C, и результаты анализа пигмента были изучены на основе дифференциальной термогравиметрической (ДТА) и термогравиметрической (ТГА) дериватограмм. При температурах 435.02°C и 649.07°C наблюдались два эндотермических пика – это максимумы на кривой термического анализа, отражающие процесс поглощения тепла. В эндотермических процессах материал поглощает тепло из внешнего источника, что изменяет его внутреннее энергетическое состояние. Изменение энергетического состояния можно увидеть в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты ДТА

Анализ термогравиметрической кривой поверхностно обработанного фталоцианина показывает, что кривая ТГА в основном реализуется в двух температурных интервалах с интенсивной потерей массы. Первый интервал потери массы соответствует температуре 375,66–655,25°C, второй интервал – температуре 655,25–801,84°C. Анализ показывает, что в первом интервале наблюдалась потеря массы 2,078 мг, то есть 41,230 %, а во втором интервале потеря массы составила 0,597 мг, то есть 11,845 %. Анализ кривой термогравиметрического анализа (ТГА) (синяя линия) показывает, что убыль массы на кривой ТГА происходит в основном в двух температурных диапазонах, что можно увидеть в таблице 2.

Таблица 2.

Потеря массы компонентов при ТГА

Дифференциальный термогравиметрический анализ пигмента фталоцианина меди с обработанной поверхностью, представленный на рисунке 1, показывает, что поглощение энергии происходило в диапазоне 398,3–463,75°C. Максимальное поглощение тепла наблюдается при температуре 172,2°C. Также поглощение энергии происходило в диапазоне 606,86–670,92°C. Наибольшее поглощение тепла происходит при температуре 172,2°C.

Рисунок 2. Дифференциальный термогравиметрический анализ (ДТА) необработанного фталоцианинового пигмента меди на нижней поверхности

На первом наблюдаемом этапе в интервале температур от 27,04 °C до 240,34 °C общая потеря массы составила 0,951 мг, что соответствует 27,686 % от исходной массы. Этот процесс обычно связан с испарением или выделением связанной воды, веществ, не полностью участвовавших в реакции, и низкомолекулярных летучих соединений. На данном этапе происходит разрушение частей вещества, слабо связанных с внешней средой.

Вторая стадия наблюдалась в интервале температур 240,34°С–427,21°С, при этом отмечалась потеря массы 0,950 мг (26,364 %). Этот процесс объясняется последовательным термическим разложением фталоцианиновых колец. Происходит разрушение связей в органическом скелете, основные структурные изменения, включая сгорание углеродных звеньев. Потеря массы на этой стадии соответствует экзотермическому пику, наблюдаемому при 316,51°C в анализе ДТА. На третьем этапе, который осуществлялся в диапазоне 427,21°C–801,56°C, была зафиксирована потеря массы 1,334 мг (38,836 %). Этот процесс связан с полным сгоранием оставшихся органических частей вещества, в частности графитоподобных и карбонатоподобных структур. В результате реакции могут сохраняться преимущественно термостойкий оксид Cu (II) или аналогичные минеральные остатки.

Анализ ТГА подтверждает, что пигмент фталоцианина меди является органическим соединением, подвергающимся трехстадийному процессу термолиза. Общая потеря массы составила 92,886 %, что указывает на преимущественное содержание органических компонентов в веществе. Изменения массы на каждой термической стадии позволяют оценить физико-химическую природу и термостабильность синтезированного соединения.

По результатам ДТА (дифференциального термического) анализа в синтезированном пигменте фталоцианина меди наблюдалось несколько термохимических процессов. Они имеют преимущественно экзотермический характер и связаны с постепенным разложением органической структуры.

Количество выделенного тепла на первом пике, зафиксированном при 207,19°C, составило 580,75 мДж (168,07 кал/г). Этот процесс, вероятно, связан со сгоранием адсорбированной воды, низкомолекулярных примесей или менее стабильных органических групп в веществе. Экзотермический эффект на этом пике указывает на термическое разрушение внешних функциональных групп в структуре. При втором пике, наблюдаемом при 316,51°C, количество выделенного тепла составило 530,82 мДж (126,88 кал/г). На этой стадии происходит разложение фталоцианиновых колец и последовательное разрушение органического скелета. Высокая температура и наличие пика экзотермического характера указывают на то, что реакции на этой стадии протекают с интенсивным окислением.

Количество тепла, выделяемого на третьем пике при температуре 610,80 °C, составляет 132,60 мДж (31,70 кал/г), что связано с окислением оставшихся органических и карбонатоподобных структур. Этот термический процесс указывает на полное разложение вещества и образование возможных минеральных остатков (например, CuO).

Заключение. По результатам вышеуказанного исследования и дифференциально-термического анализа можно сделать вывод, что при обработке поверхности фталоцианиновых пигментов улучшились химические и физические свойства вещества, повысилась устойчивость к высоким температурам. Например, если необработанный пигмент начал разлагаться при 207,19°C, то обработанный авторами статьи пигмент фталоцианина меди начал разлагаться при 435,02°C. Количество тепла, выделившегося на первом пике при 207,19°C в необработанном пигменте, составило 580,75 мДж (168,07 кал/г), а в авторском обработанном пигменте количество тепла, выделившегося на первом пике при 435,02°C, составило 190,31 мДж (37,76 Дж/г). Количество выделенного тепла на третьем пике, расположенном при 610,80°C, составило 132,60 мДж (31,70 кал/г). В нашем пигменте количество тепла, выделенного на третьем пике при температуре 649,07°C, составило 694,97 мДж (137,89 Дж/г). Интенсивность достигла высокого уровня вследствие увеличения молекулярной массы.

Список литературы:

1. Djalilov A.T., Fayziyev J. B., Beknazarov X.S., Sadikov A.R. Tarkibida bir va undan ortiq metall saqlovchi yangi ftalotsianin pigmentlar // Fan va texnologiyalar : nashriyoti matba uyi. – Toshkent 2022 y
2. Fayziyev.J.B Tarkibida metall saqlovchi yangi ftalotsianin pigmentlarini olish texnologiyasini ishlab chiqish. –Toshkent 2021. – Diss. 54-bet
3. Panzarasa G., Osypova A., Consolati G., Quasso F., Soliveri G., Ribera J., Schwarze F.W.M.R. Preparation of a Sepia Melanin and Poly(ethylene-alt-maleic Anhydride) Hybrid Material as an Adsorbent for Water Purification. – Nanomaterials. – 2018. – Vol. 8(2). – P. 54. https://doi.org/10.3390/nano8020054
4. Qarshiboyeva Nasiba Komiljon qizi, Fayziyev Jahongir Bahromovich. Mis ftalotsianin pigmentlarining sirt yuzasiga ishlov berish texnologiyasi va iq-spektri taxlili // Qoʻqon DPI. Ilmiy xabarlar. – 2025. – №6. – 183-187.b.
5. Saral Özdemir P., Özgüney A.T. Ftalosiyanin esaslı boyarmaddelerin kimyasal yapıları ve fonksiyonel tekstillerin üretilmesinde kullanımı // Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. – 2017. – Vol. 23(7). – Pp. 809–817.