Оптические отбеливатели

Оптические отбеливатели (флуоресцентные отбеливающие вещества, оптические осветлители) — класс химических соединений, способных поглощать ультрафиолетовое излучение (диапазон 300–400 нм) и переизлучать его в видимой части спектра (400–500 нм) в виде синего или фиолетового света. Применяются для устранения желтоватого оттенка материалов, вызванного поглощением света в синей области, путём компенсации его флуоресцентным излучением.

История

Первые упоминания об эффекте оптического отбеливания относятся к концу XIX века, когда было замечено, что некоторые природные вещества, например эскулин (глюкозид, содержащийся в коре каштана), придают белью голубоватое свечение под действием солнечного света. Однако промышленное использование началось в 1920-х годах, когда немецкая компания IG Farben начала выпуск производных стильбена для отбеливания текстильных волокон. В 1930-х годах в СССР были разработаны первые отечественные образцы на основе диазоаминосоединений, применявшиеся для обработки хлопчатобумажных тканей.

Массовое распространение оптические отбеливатели получили в 1950-х годах с развитием синтетических моющих средств. Введение отбеливателей в состав стиральных порошков позволило добиваться эффекта «белее белого» без химического разрушения волокон, характерного для хлорных отбеливателей. К 1960-м годам доля оптических отбеливателей в общем объёме производства текстильных вспомогательных веществ достигла 15–20 %.

Механизм действия

Принцип работы оптических отбеливателей основан на явлении флуоресценции. Молекула вещества содержит сопряжённую систему π-связей (обычно два бензольных кольца, соединённых через этиленовую или триазиновую группу), которая обеспечивает поглощение ультрафиолетовых квантов. Возбуждённая молекула возвращается в основное состояние, испуская фотон в сине-фиолетовой области спектра (430–460 нм).

Желтизна материалов возникает из-за селективного поглощения синего света (400–500 нм) примесями, например лигнином в целлюлозе или остатками жиров в текстиле. Синее свечение отбеливателя компенсирует этот дефицит, в результате суммарный отражённый свет воспринимается глазом как белый с высокой степенью чистоты. Важной особенностью является то, что оптические отбеливатели не удаляют загрязнения и не изменяют химическую структуру субстрата — они лишь маскируют желтизну оптическим путём.

Эффективность отбеливателя характеризуется коэффициентом отбеливания, который зависит от квантового выхода флуоресценции, средства к волокну (субстантивности) и устойчивости к свету и стирке. Для оценки применяют шкалу белизны по Гантеру или CIE, измеряемую спектрофотометром.

Классификация

По химическому строению оптические отбеливатели делят на несколько основных групп:

• Производные стильбена (4,4'-диаминостильбен-2,2'-дисульфокислота) — наиболее распространённая группа, применяется для целлюлозных волокон, бумаги и моющих средств. Обладают высокой субстантивностью к целлюлозе за счёт водородных связей.
• Производные кумарина (7-гидроксикумарин, 3-фенил-7-аминокумарин) — используются для полиэфирных и ацетатных волокон, а также в полимерных материалах. Отличаются высокой термостойкостью.
• Производные нафталимида (4-амино-1,8-нафталимид) — применяются для синтетических волокон (полиамид, полиакрилонитрил) и в оптических средах.
• Производные пиразолина (1,3-дифенил-2-пиразолин) — используются для полипропилена и полистирола, обладают высокой светостойкостью.
• Производные бензоксазола (2,2'-(2,5-тиофендиил)бис(5-трет-бутилбензоксазол)) — применяются для полиэфирных волокон и в оптических пленках.

По условиям применения выделяют:

• Субстантивные — фиксируются на волокне за счёт сродства (стильбены для целлюлозы).
• Пигментные — не растворяются в воде, вводятся в полимерные расплавы (бензоксазолы).
• Катионные — для волокон с отрицательным зарядом поверхности (полиакрилонитрил).

Применение

Оптические отбеливатели используются в следующих отраслях:

Текстильная промышленность

Основная область применения. Отбеливатели добавляют в отделочные растворы при крашении и аппретировании хлопчатобумажных, льняных, вискозных и синтетических тканей. Для хлопка применяют стильбеновые производные, для полиэфира — бензоксазольные, для полиамида — нафталимидные. Концентрация обычно составляет 0,1–1 % от массы волокна.

Производство бумаги

В бумажной промышленности отбеливатели вводят в бумажную массу или наносят на поверхность готового полотна для повышения белизны. Это позволяет использовать менее дорогую целлюлозу с высоким содержанием лигнина. Доля оптических отбеливателей в бумаге может достигать 2–3 % от массы. Особое значение имеют отбеливатели для офисной бумаги, где требуется высокая степень белизны (ISO 130–160 %).

Моющие средства

В состав стиральных порошков и жидкостей отбеливатели вводят в количестве 0,1–0,5 %. Они осаждаются на ткани в процессе стирки и обеспечивают эффект свежести белья. Для жидких средств используют водорастворимые формы, для порошковых — гранулированные.

Полимерные материалы

В пластмассы, плёнки и волокна отбеливатели добавляют для устранения желтизны, возникающей при термоокислительной деструкции полимеров. Типичные концентрации — 0,01–0,1 %. Применяются в производстве упаковочных материалов, оптических линз, автомобильных деталей.

Косметика и бытовая химия

В отбеливающие зубные пасты, кремы и шампуни добавляют оптические отбеливатели для визуального осветления зубной эмали или волос. В этих случаях используются нетоксичные производные кумарина.

Экологические аспекты

Оптические отбеливатели обладают низкой острой токсичностью для млекопитающих (LD50 > 5000 мг/кг для большинства соединений). Однако их устойчивость к биодеградации вызывает опасения: стильбеновые производные плохо разлагаются в аэробных условиях очистных сооружений и могут накапливаться в водных экосистемах. В России и странах ЕС действуют нормативы на содержание оптических отбеливателей в сточных водах текстильных предприятий (ПДК для водоёмов — 0,1–0,5 мг/л в зависимости от соединения). Для снижения нагрузки разрабатываются биоразлагаемые отбеливатели на основе природных флуорофоров, например производных хлорофилла.

Интересные факты

• Оптические отбеливатели используются в криминалистике для обнаружения следов биологических жидкостей — под ультрафиолетовым светом они флуоресцируют.
• В фотографии оптические отбеливатели входят в состав фотобумаги для повышения контраста изображения.
• Некоторые виды оптических отбеливателей применяются в сельском хозяйстве для маркировки семян — под УФ-светом обработанные семена светятся, что позволяет контролировать равномерность посева.
• Эффект оптического отбеливания наблюдается у природного вещества — хинина, содержащегося в тонизирующих напитках, что придаёт им голубоватое свечение в ультрафиолете.

Критика

Основные претензии к оптическим отбеливателям связаны с их маскирующим действием: они не удаляют загрязнения, а лишь визуально улучшают вид материала, что может вводить потребителя в заблуждение относительно степени чистоты ткани. Кроме того, при передозировке отбеливателя возникает эффект «переотбеливания», когда материал приобретает заметный сине-фиолетовый оттенок. В пищевой промышленности использование оптических отбеливателей для маскировки некачественного сырья (например, в муке или растительных маслах) запрещено в России и большинстве стран мира.

Источники

• Кричевский Г. Е. «Химическая технология текстильных материалов». — М.: РосЗИТЛП, 2000.
• Штамм А. В. «Флуоресцентные отбеливающие вещества и их применение». — Л.: Химия, 1975.
• Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5th ed., vol. 14. — Wiley, 2005.
• ГОСТ Р 51567-2000 «Белизна бумаги и картона. Методы определения».
• Справочник химика 21. Химия и химическая технология. — М.: Химия, 2003.