涂料印花工藝流程短,能耗低,少污水,重現性好,不受纖維的限制,適用于單一纖維及多種纖維混紡或交織紡織品。有機顏料作為涂料的印花色漿的著色劑,色譜齊全、色牢度高,所以涂料印花的世界市場占有率很高。Stork公司1997年發表的《世界印花工業現狀及發展趨勢》中數據表明涂料印花市場份額為53%,2001雖下降為45%,仍然較其他染料高,是所有印花使用染料中比重最大的。其中裝飾布使用涂料印花比較多,全球作為裝飾布為最終用途的占38%。從以上兩個數據的對比可以發現,我國涂料印花僅占印花布的25%,而裝飾布占印花布也僅20%。因此從發展空間看,涂料印花在我國的發展前景非常廣闊。
由于國內外紡織品生態標簽的要求和禁止紡織品上存在著有毒物質的法規出臺,對涂料印花提出了生態環保的要求,色漿中不能含有致癌芳香胺,黏合劑中不能含有甲醛,增稠劑中不能含有烴類化合物。其中涂料印花色漿中的有機顏料所涉及的致癌芳香胺,有機顏料生產過程中受到氯化物溶劑、環境激素及AOX的影響以及制造印花著色漿所用的助劑,必須觀察這些化學品對生態環保與人類健康的影響,是否符合國內外有關生態紡織品法規的技術要求。
1.歐洲生態紡織品法規
歐洲對紡織品近年來不斷設置“綠色壁壘”,禁用的染料、助劑及其他化學品不斷擴大。因此對于歐洲的有關生態紡織品法規及技術標準必須充分了解并制訂對策,以提高我國紡織品和服裝的市場競爭力。不僅如此,我國國家技術監督、檢驗檢疫總局于2002年11月22日頒布的符合生態紡織品技術要求的國家標準GB/T18885-2002 也完全參照Oeko-Tex standard 100 的2001 年版。歐洲最主要的生態紡織品法規是德國政府的《食品及日用消費品法》、Oeko-Tex standard 100 以及歐盟的生態標簽(Eco-label)等。
1.1德國政府的《食品及日用消費品法》
1994年7月15日德國政府發布了《食品及日用消費品法》第二修正案,這是世界上第一次明確規定紡織品、服裝、鞋類禁止使用某些在一定條件下會裂解并釋放出20種致癌芳胺的偶氮染料。并于以后發布了第三至第六修正案,擴大為22種致癌芳胺,對紡織品及服裝限定的致癌芳胺最大限定值為30 mg/kg。
1.2 Oeko-Tex standard 100
Oeko-Tex standard 100 是由“國際生態紡織品研究和檢驗協會”發布的有關紡織品上有害物質的限定和檢驗規則的生態防治技術要求。1992 年4月7日正式公布了第一版,1999年以后,每年都要進行修改,2000年版形成了基本的框架,而以2002年最為重要,2003年和2004年部分修訂了一些內容。Oeko-Tex standard 100 除了致癌芳胺擴大為24 種,最大限定值為20 mg/kg 以外,還涉及了紡織品的pH值、甲醛、可萃取重金屬、殺蟲劑、五氯苯酚、鄰苯二甲酸酯增塑劑和有機錫等環境激素以及抗菌劑、阻燃劑的規定與色牢度、可揮發物及異味等共14 個項目,涉及的面廣。
1.3 Eco-labe 的新標準
生態標鑒(Eco-labe)中的生態紡織品標準是根據1999 年2 月17 日歐盟委員會1999/178/EC 法令而建立的,2002 年5 月15 日的2002/371/EC 法令公布了歐盟判定紡織品生態標準的新標準。標準分為三個主要類目,即紡織纖維標準、紡織加工和化學品標準,使用標準的適用性。Eco-labe的生態紡織品標準比Oeko-Tex standard 100 要嚴,覆蓋了紡織產品全部生產鏈,除了限制紡織品上危害性物質,還考慮環境負荷的降低。
2.受生態紡織品法規限制的印花涂料色漿
2.1受致癌芳胺限制的有機顏料
印花涂料色漿是由顏色(著色劑)、分散劑、潤濕劑和水混合后通過機械研磨加工而成的。著色劑中除了黑色為炭黑,白色為鈦白粉以外,其他色譜都是有機顏料。有機顏料按其化學結構分為偶氮型、雜環型和酞菁。偶氮顏料應用較多,大部分的黃、橙、紅都屬此類,雜環類以紅、紫色為主,酞菁類以藍、綠色為主。受致癌芳胺影響最大的是偶氮型顏料,如含有DCB、3,3'- 二甲基聯苯胺、2- 甲基- 4 -氯苯胺、鄰氨基苯等致癌芳胺的黃、橙、紅等顏料。
2.2 3,3'- 二氯聯苯胺(DCB)的致癌性和誘變性
DCB 等芳胺的致癌性主要通過與核酸(DNA)形成加成物,導致DNA 誘變而產生的。芳胺在誘變過程中有兩個途徑:一是芳胺的氮原子被氧化為羥氨基,然后與DNA 加成;另一是芳胺形成酰胺后,然后N- 氧化及加成。DNA 與DCB 的N- 氧化物確切的加成過程未見文獻發表。聯苯胺的潛伏期為291天,陽性率為89%;;蟮穆摫桨芬阴0被恼T變過程增長,潛伏期延長為715天,陽性率降為13.3%。芳胺的疏水性、電子效應及空間效應對誘變起著重要的作用。DCB 是聯苯胺衍生物的氨基鄰位有雙取代基因空間障礙而使加成不易,因而降低了誘變性,如3,3'、5,5'- 四氯聯苯胺就不能生成加成物,毒性降低,沒有列為致癌芳胺。癌癥研究國際事務局(International Agency forResearch on Cancer,IARC)將化合物按其致癌毒性分為三類,即1- 對人類致癌、2A-對人類大概會致癌(Probable human carcinogen)、2B- 對人類有可能致癌(Possible human carcinogen)。DCB 屬于2B 類致癌物質。
根據癌癥研究國際事務局的化合物致癌毒性分類,DCB屬于最輕的2B類致癌物質,但終究是致癌物質。有人將小鼠做實驗,一次喂食芳胺最大允許量,在3 h、8 h、24 h取其各種器官檢測證明,包括DCB 在內的20 種致癌芳胺,至少有一種器官呈陽性。在一系列動物試驗報告中均給出了肯定的結果,DCB 在誘發膀胱癌中起重要作用。但是在上世紀70 年代中期,有人對在DCB 生產工廠長期工作的人員進行了職業病調查,尚未發現患膀胱癌致死的病例。迄今為止,討論DCB誘變性論文均引用上述兩篇論文,得出“DCB 對人沒有誘發膀胱癌的病例”這一結論。但是時隔30年后,醫藥檢測有了新的發展,沒有病死不等于就沒有病例。因此要肯定得出DCB對人無致癌性結論,尚需更多更確切的證據,有待更深入的研究。
2.3 DCB 為中間體合成的顏料生態問題
有機顏料不同于染料之處主要在于前者不溶于水、汗液、血液、胃酸或所在的介質。雖然如此,但是德國聯邦政府健康總署所釋義的偶氮染料這一術語包括偶氮顏料,并于1995年7月15日發布的第四修正案予以確認,將能還原分解為包括DCB在內的20 種致癌芳胺的有機顏料加工的紡織品予以限制。但是對于DCB合成的有機顏料是否對人體有害仍有疑問,為此,各國的化學家對有機顏料進行了廣泛的毒理研究,結果如下。
(1)給實驗動物長期喂食C.I.顏料黃12和C.I.顏料黃83,沒有發現任何致癌癥狀。
(2)將C.I.顏料黃13、C.I.顏料黃17置于實驗動物的血液和尿液中,用最敏感的分析方法檢測不出DCB的存在,說明這些顏料未被血液和尿液中的酶生物催化分解。
(3)實驗動物每天在空氣中含有C.I. 顏料黃17的濃度為230 mg/m3 條件下生存4 h,經14 天后檢測,在尿樣和血樣中未檢出DCB。
(4)對C.I. 顏料黃12、C.I. 顏料黃17、C.I.顏料黃83、C.I. 顏料黃114 和C.I. 顏料黃橙13 等的進一步研究表明沒有任何潛在的危險。
這些研究結果表明,以DCB為中間體合成的顏料在生物體內不會分解出DCB。
1996年7月23日德國聯邦政府又頒布了第五修正案,對DCB 制成的有機顏料有了一個明確的說法。其中有一條規定如下:1998 年4 月1 日起禁止使用在法定分析條件下斷裂且釋放出致癌芳胺的偶氮顏料。但用DCB合成的偶氮顏料由于在法定分析條件下不會斷裂,因此將不受限制。對以DCB為中間體合成的偶氮顏料,在常規條件下發現不能檢出D C B 。
顏料和染料根據不同基質(如皮革,紡織品等)采用不同的裂解和檢出手段。裂解是以保險粉為還原劑在不同p H 的介質中進行,檢測方法涉及到TLC 、H P L C / D A D 、H P A C / M S D 等。易于質子化的胺類檢出強度較高,含氮的芳胺質子化程度較低,靈敏度相對略低。但是綜上所述并不等于用DCB制成的偶氮顏料絕對安全,因為還有以下一些情況制約其生產和應用。
(1)對生產的工作人員健康
德國環保法規雖然是對紡織品,實際上是對使用這些致癌芳胺制造偶氮染料和偶氮顏料的職工有力保護。有人曾作過一個不完全統計,到20世紀60年代中期,由于接觸這些致癌芳胺以及使用這些芳胺制造的偶氮染料而患膀胱癌的人數已超過3 000人;1974年前瑞士汽巴(Ciba)公司在從事染料生產的職工中發現不少血癌患者。因此禁止生產和使用會還原分解釋放出致癌芳胺的偶氮染料,對直接從事生產和使用的職工來說確實起到了重要的保護作用。
(2)有機顏料中痕量芳胺的存在
在有機顏料中,大多數品種不可避免會存在未反應的痕量芳胺。顏料中殘存的包括DCB在內的致癌芳胺,還需還原分解,只需簡單的儀器分析(如氣相色譜)即能檢出,紡織品上應低于20 mg/kg, 有許多實例證明應用含有DCB合成的有機顏料加工的涂料印花色漿后,紡織品上的DCB含量就超過限定值。DCB 系列有機顏料在生產和應用時所產生的廢液或殘渣焚燒時會產生多氯二惡英和多氯苯并呋喃,這兩種環境激素極難生物降解,在環境中富有親脂性和生物體蓄積性,都是已知最毒的環境污染物,其致癌性和致誘變性比已知的致癌物質黃曲霉素高10倍,比3,4- 苯并芘、亞硝胺和多氯聯苯還高數倍,被國際癌癥研究機構認定為人體致癌物和擾亂內分泌的化學物質。德國法律規定禁止多氯二惡英的濃度超過1 mg/kg (ppm)的產品上市,含產生二惡英、含氯有機廢物焚燒處理時焚燒爐的分解破壞效率須達99.99%,才不會產生多氯二惡英。從以上分析看,盡管第五修正案對以DCB為中間體制成的有機顏料解禁,但德國、瑞士一些大染料公司對紡織品用有機顏料采用謹慎措施,用DCB的代用芳胺制成黃及橙色顏料。
2.4 涉嫌致癌芳胺的涂料印花色漿
涂料印花色漿中的有機顏料涉嫌致癌芳胺主要有三個,即黃、橙色譜的3,3'- 二氯聯苯胺(DCB)和3,3'- 二甲基聯苯胺(DMB)、紅色譜的2- 甲基-5- 硝基苯胺(大紅G倍司)。涉及的涂料印花色漿如下。
(1)C.I. 顏料橙13(永固橙G)有6104(8206)涂料色漿橙FGR (Acramine Orange FRR)、8205 涂料色漿金黃FGR (Acramine Golden yellow FGR),7103 涂料色漿金黃FGR,8113 涂料色漿棗紅FG,8117 涂料色漿桔紅,6108 涂料色漿金黃FGN。
(2)C.I.顏料黃12(聯苯胺黃G)有7102涂料色漿黃FG 。
(3)C.I. 顏料黃17(永固黃2G)有8220涂料色漿嫩黃FZG 。
(4)C.I. 顏料黃77(堅固金黃GR)有6103涂料色漿金黃FG(Acramine Orange FG)。
(5)C.I.顏料黃16(永固黃7G)有8221(6101)涂料色漿嫩黃F7G(Acramine yellow F7G)。
(6)C.I.顏料紅8(永固紅F4R)有8111(6201)涂料色漿大紅FFG (Acramine Red FFG),7205 涂料色漿大紅FITR(Acramine Scartet FITR),6301 涂料色漿桃紅F3R,8113 涂料色漿妃紅MFLR,8118涂料色漿桃紅FRB,8116 涂料色漿紅青蓮FFRN,6201 涂料色漿大紅FFG(Acramine Scatet F4R),6601(8801)涂料色漿棕F2R,8802 涂料色漿棕FRL(Acramine Brown FRL)。
(7)C.I.顏料紅22(堅固大紅G)有8205涂料色漿深紅FITRG (Acramine Red FITR),6602 涂料色漿棕F G N。
國外除了Bayer 公司的Acramine 以外,還有BASF 公司的Helizarin、Hoechst 公司的Imperon(以上3 家公司已合并為Dystar 公司),以及松井(MSC)公司的Matsumin 和日本油墨(DIC)公司的Ryudye-w 也有類似涂料印花色漿。
其他如下述有機顏料也用來制造涂料色漿,而含有上述3 種致癌芳胺,例如C.I. 顏料黃13(永固黃GR)、C.I. 顏料黃14(永固黃G)、C.I. 顏料黃83(永固黃HR)、C.I. 顏料橙14、C.I. 顏料紅17(永固紅RA)和C.I. 顏料紅114 等。
2.5環保型涂料印花色漿
環保型涂料印花色漿不選用含有3,3'-二氯聯苯胺、3,3'-甲基聯苯胺、3,3'-二甲氧基聯苯胺及2- 甲基-5 硝基苯胺作為重氮組份的有機顏料。而且使印花織物具有很好各項牢度和重演性,Ciba精化推出的unisperse涂料印花色漿、Dystar公司推出的Imperon HF 涂料印花漿都具有極佳的耐光牢度和耐氣候牢度,即使淺色也是如此,還具有很高的熱穩定性和干洗牢度。環保型涂料印花色漿的添加劑使用環境安全的分散劑以取代乙二醇和甲醛的化合物,避免對大氣環境產生污染。
環保型涂料印花色漿的有機顏料主要集中在黃、橙、紅三種色譜。
(1)黃色譜有機顏料主要是乙酰、乙酰芳胺類,以包括DCB在內的芳香胺作為重氮組份,與乙酰芳胺進行偶合而得。環保型有機顏料的重氮組分是非致癌性的芳香胺。品種如表1,。
表1 乙酰、乙酰芳胺類環保型黃色有機顏料
表1中的有機顏料有較好的日曬牢度,對酸和堿的穩定性也較好,但耐有機溶劑能力較差,干洗牢度不好,而且發色強度不夠高,不如DCB作為重氮組織的乙酰類有機顏料。文獻介紹雜環型異吲哚林紅光黃色有機顏料如C.I. 顏料黃139,日曬牢度高達7~8級,耐酸、堿溶劑,耐熱穩定至260 ℃,對聚氯乙稀涂層也有很好的牢度。
表1 中的C.I. 顏料黃1(耐曬黃G)已有6102(8202)涂料色漿嫩黃FG、C.I. 顏料黃3(耐曬黃10G)已有6101(8221)涂料色漿嫩黃7G。
(2)橙、紅色有機顏料中除了部分由致癌性雙氨類(如DCB)作為重氮組分與吡唑啉酮衍生物偶合而得,大部分橙、紅、棕色有機顏料是以各種芳胺(致癌性與非致癌性)作為重氮組分,與2-羥基苯3-甲酰芳胺(色酚AS類)偶合而得,環保型的芳胺是非致癌性,即表2所示。
表2 2-羥基苯3-甲酰芳胺環保型有機顏料
表2 中C.I. 顏料橙與(永固橙RN)加工為6106 涂料色漿橙FGR。表2中的橙、紅色有機顏料有很強的發色強度和日曬牢度,耐溶劑能力差,干洗牢度較低。雙偶氮結構的綜合型2- 羥基萘3- 甲酰等胺類有機顏料,除上述優點,還具有良好的耐熱和耐溶劑性,例如有機顏料C.I. 顏料紅144(顏料紅BR)和C.I.顏料棕23(永固棕5R)。雜環型紅色有機顏料都有很高的日曬牢度和耐化學試劑及有機溶劑性能。例如:黃C.I. 顏料紅122,日曬牢度達7~8 級,耐熱到400 ℃,為喹吖啶酮類。還有C.I.顏料紫19,日曬牢度優良,可耐165 ℃,高溫a及β晶型為藍光紅色,β晶型為紫色。
3.其他原因造成的有機顏料生態問題
3.1 合成過程中生成致癌芳胺
目前一些老品種染(顏)料的合成工藝沿用上世紀40年代的技術資料,對可能產生的副反應認識不足,導致在合成過程中產生致癌芳胺。這些副反應是偶氮化反應中發生的,芳胺重氮化后得到重氮化合物。重氮化反應中的副反應是指C 原子和N原子之間的C-N鍵一對電子發生裂解。裂解有兩種即異裂和均裂,即一對共享電子如何分裂。異裂時產生芳烴基陽離子,具有高反應性,能與親核基團反應;均裂時產生芳基自由基,通過自偶生成聯苯衍生物。例如:苯胺重氮化時有可能因異裂而生成4- 氨基聯苯。在有機顏料合成中可能涉及下列品種:C.I.顏料黃50、橙18、紅674、紅64:1、紅248及棕5。對硝基苯胺重氮化時有可能因均裂,并在還原狀態下生成聯苯胺,例如C.I. 顏料黃4。
3.2 檢測和應用時產生致癌芳胺
有些有機顏料雖不用致癌芳胺合成,但在檢測時受到強堿性介質中還原性物質的影響,除了偶氮鍵斷裂,芳胺的其他基團也發生一系列反應,導致形成致癌芳胺。
(1)吐氏酸脫磺基產生β -萘胺涉及到C.I. 顏料紅49 及C.I. 顏料紅63(包括它們的鈉、鋇、鈣及錳鹽)。
(2)2- 羥基-3 萘羧酰胺水解產生致癌芳胺以致癌芳胺合成的2- 羥基-3- 萘羧酰胺有色酚A S - D、A S - E、A S - O L 及A S - T R ,并以此作為有機顏料組分的如表3所列。
表3 2- 羥基-3 萘羧酰胺可能水解不致癌芳胺的顏料
3.3 氯化苯衍生物在合成中的影響
Oeko-Tex Standard 100 明確規定氯化苯、二氯化苯(1,2-二氯苯、1,3-二氯苯、1,4-二氯苯)、三氯化苯(1,2,3- 三氯苯、1,2,4- 三氯苯、1,3,4-三氯苯)及四氯、五氯、六氯苯等在紡織品上不能超過1 ppm。歐盟早已于1976 年7 月27 日發布的歐盟指令76/769/EEC 中將包括上述氯苯衍生物在內的132種化學品規定不允許存在于任何最終產品中。1995年至今已查獲因紡織品中含有氯苯、二氯苯和三氯苯而損失上億美元。這些氯苯衍生物都是由染(顏)料和助劑在合成過程中作為溶劑而帶入產品中,有機顏料合成也經常使用氯化物作為溶劑,列舉如下。
(1)2- 羥基-3- 萘羧酰胺(色酚AS)合成時將三氯化磷和2,3- 酸溶于大量無水氯化苯。
(2)溶劑法生產銅酞菁是國內外普遍采用的生產方法,常用溶劑為三氯苯,因三氯苯價廉易得,反應中生成的副產物在其中的溶解度較大,制得的銅酞菁質量較好,效率也高。三氯苯比重大,使生成的銅酞菁均勻地分散其中,不會產生分層、結料現象,所以經常使用。
(3)直接氯化法生產一氯代銅菁和四氯鄰苯二腈、生產十六氯代銅酞菁都在三氯苯作為溶劑中進行。
(4)三苯并二惡嗪類顏料,如C.I.顏料紫23的合成過程中,在氧化閉環反應生成三苯并二惡嗪一般在二氯苯或三氯苯中進行。
(5)四氯異吲哚啉酮是在鄰二氯苯中合成的(如C.I 顏料黃109、110)。
(6)某些蒽醌顏料的縮合常在溶劑中進行,例如C.I 顏料黃123,是1- 氨基蒽醌與苯二甲酰氯在鄰或對二氯苯中反應。
(7)有機顏料都有不同晶體構型,一般都希望得到較穩定的晶型,例如銅酞菁β型在熱力學上是穩定的,其余的晶型都屬不穩定型,通常在研磨時要添加一些有機溶劑如氯苯、二甲苯等使α -晶型銅酞菁轉變成β -晶型銅酞菁。其他如喹吖啶酮類顏料如C .I. 顏料紫19、C.I. 顏料紅122 的粗品的顏料化方法是在二氯苯或二甲苯的存在下對α -晶型進行球磨,得到β - 晶型顏料。
綜上所述,有些有機顏料的合成和后處理是在氯苯衍生物中進行,反應結束后必需除去,對于密度比水大的氯苯衍生物,一般直接使用蒸汽進行水蒸氣蒸餾蒸出溶劑。但該法生產周期很長,而且沒有很好的控制終點的方法,一般蒸餾至無溶劑氣味為止,因此回收率不高,例如溶劑法制造銅酞菁(C.I. 顏料15),三氯苯加入總量為4 470 kg,水蒸汽蒸餾蒸出僅3 000 kg,除了三氯苯少量蒸發,將帶入粗酞菁中去,后患無窮。
因此BASF公司和日本石油化工有限公司(Nippon PetrochemicalCo.)采用的非氯溶劑是烷基芳烴的混合物,叔烷基芳烴組成見表4。
其中未知組分5 %~1 0 %,關鍵烷烴5 % ~8%。熔點為193~216 ℃,凝固點在-50 ℃以下,平均分子量158。毒性很低,回收容易,用它制得的粗酞菁中銅酞菁含量高。
3.4
環境激素對有機顏料的影響環境激素是一類對人類健康和生態環境極其有害的化學物質,又稱內分泌干擾物質,自上世紀90年代以來已成為大家注意的問題。根據大量調查研究,目前已規定了72種被禁止生產和使用的環境激素,2001年5月23日有90個國家簽署的《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》規定禁止生產和銷售12種持久性有機污染物,包括多氯聯苯、多氯二惡英和多氯苯并呋喃等化學品都是環境激素。其中對有機顏料最多的是一些含氯有機化合物如多氯聯苯、多氯二惡英等。
(1)三苯并二惡嗪類顏料如C.I.顏料紫23、34、35、37,制造這類顏料需要一個專用中間體四氯苯醌,它的制造方法有3種。這些反應過程中將產生副產物多氯二惡英,它是一種環境激素,又是很強的致癌物,毒性很大。各國有關化學品毒性法規規定多氯二惡英濃度超過1mg/kg 的產品禁止銷售,日本和美國也有相應法規,因此必須嚴格從四氯苯醌及顏料產品中去除。第3個方法的原料五苯酚(PCP)也是一種環境激素。
(2)多氯苯轉變為多氯聯苯溶劑法生產銅酞菁以及其他顏料生產使用多氯苯作為溶劑,在高溫下(200 ℃),特別是銅化合物作為催化劑的情況下,將產生少量的不同取代的多氯聯苯。
或者通過回收利用反復使用的三氯苯也會產生少量多氯聯苯存在于產品中,粗酞菁中約有100~150 ppm, 最終產品約有40~50 ppm。
多氯聯苯具有高度生物蓄積性,難于生物降解,對生物的內分泌系統有很大的破壞作用,對環境和水生物有很大危害,國際癌癥研究機構認定為可能對人體致癌。為此,對其嚴格限制,德國禁止銷售三氯以上的多氯聯苯含量高于50 mg/kg 的制品,美國規定產品中多氯聯苯含量必須低于25 mg/kg,日本規定多氯苯含量為零。