一种提高染料溶解度的方法与流程

1.本发明涉及化工领域，尤其涉及染料溶解度的提高方法。


背景技术：

2.用于数码喷墨墨水的染料，通常需要具备很高的溶解度，才能更好的保证墨水在不同染料浓度下，及不同配方下，均具有优异的稳定性。其中水性喷墨墨水所用的染料以直接染料和酸性染料为主，这类染料自身的溶解度大部分都比较低，所以需要借助一些手段，如添加助溶剂等来改善染料的溶解度。
3.通常而言，水溶性染料主要类别有直接染料，酸性染料和活性染料，其中大部分酸性染料的溶解度非常低，以至于要得到较高浓度的液体染料会非常困难，从而很大程度限制了这些染料的生产和应用。几乎所有的水溶性染料在水中都呈阴离子态，通常与之结合对应的以钠离子或钾离子为主，其中还有少量严重影响染料稳定性的二价和三价金属离子，如钙、镁、铁等。大量的专利和文献都表明，不同的离子化合物，其在水中的溶解度也会呈现较大差异，会严重影响染料溶液和喷墨墨水的储存稳定性，大大限制了应用性能。。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种提高染料溶解度的方法，来改善染料自身的溶解度。
5.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
6.提高染料溶解度的方法，其特征在于，用电渗析法将染料溶液中的阳离子置换为锂离子或铵根离子，使染料溶液呈电中性。
7.电渗析法是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性，使溶液中阴、阳离子发生离子迁移，达到除盐或浓缩的目的的方法。目前未见电渗析法用于染料生产的相关研究。申请人通过试验后发现了电渗析法在染料行业应用的可行性，为染料生产中的离子交换寻找新的生产工艺提供了条件。
8.优选，通过电渗析装置将染料溶液中的阳离子置换为锂离子或铵离子。
9.优选，电渗析法所使用的交换液为交换阳离子和强酸性阳离子组成的分子量较小的，且具有较高溶解度的水溶液。
10.优选，电渗析法所使用的交换液为li离子或铵根离子为质量百分比为10-30％的氯化锂或氯化铵溶液，质量百分比为10-30％的氯化锂或氯化铵溶液的制备方法：用氯化锂或氯化铵固体，直接在水中按比例稀释所得。
11.优选，电渗析法所使用的极液为为交换阳离子和强酸性阴离子组成的具有较高溶解度的水溶液。
12.优选，电渗析法所使用的交换液为li离子或铵根离子质量百分比为3-8％的硫酸锂或硫酸铵溶液，溶液的ph为中性为li离子或铵根离子质量百分比为3-8％的硫酸锂或硫酸铵溶液，溶液的ph为中性。质量百分比为3-8％的硫酸锂溶液的制备方法：质量百分比为5-10％的氢氧化锂溶液，用质量百分比为20-50％的硫酸溶液调节ph至6.5-7.5，然后稀释
获得。3-8％的硫酸铵溶液的制备方法：直接用硫酸铵固体配制。
13.本发明对交换液和极液的种类进行选择，选择后的交换液和极液可用于染料生产过程中的溶液离子交换，提高染料在水中的溶解度。更关键的是，本发明的交换液和极液可在较少用量的前提下，可对各种染料进行溶解度的不同程度改善。
具体实施方式
14.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
15.提高染料溶解度的方法，所需化学试剂如下：
16.电渗析法所使用的交换液为交换阳离子和强酸性阳离子组成的分子量较小的，且具有较高溶解度的水溶液，如氯化锂，硝酸锂，氯化铵，硝酸铵等，优选为li离子或铵根离子为质量百分比为10-30％的氯化锂或氯化铵溶液。质量百分比为10-30％的氯化锂或氯化铵溶液的制备方法：氯化锂或氯化铵固体直接加水稀释，即可获得。
17.电渗析法所使用的极液为交换阳离子和强酸性阴离子组成的具有较高溶解度的水溶液，如硫酸锂，硝酸锂，硫酸铵，硝酸铵等。优选，为li离子或铵根离子质量百分比为3-8％的硫酸锂或硫酸铵溶液，溶液的ph为中性。质量百分比为3-8％的硫酸锂溶液的制备方法：质量百分比为5-10％的氢氧化锂溶液，用质量百分比为20-50％的硫酸调节ph至中性，然后稀释获得。将浓硫酸稀释时要将硫酸加入水中，并且边加边用玻璃棒搅拌。质量百分比为3-8％的硫酸铵溶液的制备方法：用硫酸铵固体直接稀释。
18.极液和交换液的比例，极液的阳离子与交换液的阳离子比例最好为1:2-1:10之间，优选为1:4-1:6之间。最佳交换时间，是控制在交换程度达到70-80％之间所需要的时间，时间太短达不到交换要求，时间太久后期的交换效率太低，交换时间太久，会导致阴离子更多地迁移到染料溶液中。最佳溶解度下的电渗析装置的各控制参数，在电压允许的前提下，尽可能将电流控制在接近上限，可以加快离子交换的效率。所述合适的染料种类，易选取一些分子量较大的，且带有至少3个及以上阴离子基团的染料。
19.提高染料溶解度的方法实验所需设备如下：
20.21.提高染料溶解度的方法具体如下：
22.1.取未进行离子交换的含有钠离子的染料5000g，浓度符合要求的直接取5000g实验，浓度过高的稀释后取5000g，最后参与实验的各样品染料的染料浓度如下：
[0023][0024]
2.取交换液5l、极液5l、样品染料加入到电渗析装置各对应的循环仓中，开启循环泵，调节流量为150l/h。其中物料循环仓，需要先用清水调节好流量后，在加入染料溶液。清水冲洗的目的是循环仓干净，不清洗干净就会发生交叉污染，有机玻璃转子流量计看不清。阳膜一共11片，有效膜面积为0.021m2，最高允许电流为300a/m2，所以，0.021m2最大电流为6.3a，总电压必须＜2.5v(表中为万用表显示电压)。运行参数的控制，设置电压上限为2.5v，电流上限为6.3a，运行过程中用万用表测试两相邻膜组之间的电压不能超过2.5v。具体各染料电流电压参数记录如下表：
[0025]
染料类型黄1红1蓝1蓝2黑1平均电压2.152.252.32.22.2平均电流5.93.65.04.56.3
[0026]
3.每隔一定时间定量抽取电渗析装置内的染料，用紫外分光光度计对主要成分的浓度(ppm，也就是mg/kg)进行测量，测量结果如下：
[0027]
[0028][0029]
从上表中可以看出每个染料中钠的含量随着实验的进行都在减少，锂的含量随着实验的进行都在增加，并且在实验刚开始的时候变化最大，随着实验的进行变化越来越小直到最后达到平衡。因为前期两边离子差异最大，到最后趋于平衡离子迁移速度越来越慢，所以上表中的取样时间并不是一样，实际实验过程中的取样频率要多于上表。上表是测量出的数据具有典型的代表意义的取样时间下的测量数据。上表用于在提高染料溶解度的方法中，通过控制交换时间(交换时间＝取样时间)，来控制各离子的浓度，最终获得所需要的离子浓度的染料。
[0030]
前4个染料中氯离子随着实验的进行略微有所增加，但是增加的量相对锂来说是极微量的，这是因为在实验过程中交换液中有一部分氯离子和阳离子以分子的形式透过阳膜进入到染料中。但是黑1号染料中增加的氯相对来说有点多，所以后期可能需要进行脱盐
处理。分析氯离子、硫酸根随时间变化的原因为：部分li并不是因为发生阳离子交换而透过膜的，而是以licl(氯化锂)的形式透过膜，所以氯离子会上升。而硫酸根因为不参与交换所以变化不大，其含量保持稳定。所以通过硫酸根来反推交换情况的方案不可取。但通过测氯离子来反推或验证交换时间，进一步反推交换程度的方法是可行的。故测氯离子含量是提高染料溶解度的方法中，用来反推或验证交换时间的可行方法。
[0031]
在离子交换过程中交换液的颜色随着实验的进行会慢慢加深，阳离子也会有所变化，我们对交换液中的阳离子及浓度进行整理分析，如下表所示：
[0032][0033]
上表主要表现的是交换液中的交换前后(起点和终点)的阳离子数据，和染料浓度。通过上表，可以看出染料黄1和黑1在离子交换过程中几乎没有染料透过阳膜进入到交换液中，但是另外3个染料的交换液浓度都有所升高，并且染料的浓度越高，交换液的浓度变化越大。也就是说，上表可用于在提高染料溶解度的方法中，通过交换液的浓度来反推和验证红1、蓝1、蓝2交换时间是可行的。
[0034]
实验总结
[0035]
各染料的交换率及浓度等情况如下表
[0036] 黄1红1蓝1蓝2黑1交换率85％78.90％86％84.70％70％交换液中染料浓度00.025/0.02％0.765/0.55％0.21/0.16％0全交换所需锂-g80.5110660.3589.9617.14uv9％7.87％8.66％8.00％8.99％原始钠含量-ppm69731816943017859035774实验时长-小时36453交换效率/每小时28％13.15％21.5％16.94％23.3％等效氯的占比5.15％2.5％2％3.9％15％
[0037]
上表中的0说明发生离子交换后交换液中几乎没有染料。每个实验过程中染料中减少的钠与增加的锂的物质的量的比值约为1:1。也就是说，可以通过测锂的物质的量来推测钠的含量。全交换所需要的锂越多离子交换达到平衡时所用的时间就越长。黑1染料中离子交换实验交换液中氯以分子形式进入染料中的含量明显高，所以后期可能需要进行脱盐处理。交换液中主要是用来交换的离子，所以发生交换的阳离子相对整个体系来说是极少量的，交换液中的阳离子变化不明显。随着实验的进行，染料中可移动的离子增多，电流变大，所以实验前半部分电流在逐渐增加，到后面电流趋于稳定。除了黄1和黑1以外，染料的浓度越高，离子交换就越快，交换效率越高交换液的颜色就越深。除了红1外染料的浓度越高，离子交换就越慢，交换液的颜色就越深。
[0038]
染料在经过离子交换后的溶解度变化，如下表所示
[0039][0040][0041]
注：实验条件为25℃下
[0042]
交换后的染料，可以配制成更高浓度的液体染料，而不需要再进行喷雾干燥就能直接使用，经过一定特殊处理后，还能应用于纺织数码印花领域。
[0043]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.提高染料溶解度的方法，其特征在于，用电渗析法将未进行离子交换的含有钠离子的染料中的钠离子置换为锂离子，使染料电中性。2.根据权利要求1所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，电渗析法所使用的交换液为交换阳离子和强酸性阳离子组成的分子量较小的，且具有较高溶解度的水溶液。3.根据权利要求2所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，电渗析装置中加入的交换液为li离子或铵根离子为质量百分比为10-30％的氯化锂溶液，氯化锂溶液的ph为中性。4.根据权利要求3所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，质量百分比为10-30％的氯化锂溶液的制备方法：氯化锂粉末直接加水稀释获得。5.根据权利要求2所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，电渗析法所使用的极液为为交换阳离子和强酸性阴离子组成的具有较高溶解度的水溶液。6.根据权利要求5所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，电渗析装置中加入的极液为li离子或铵根离子质量百分比为3-8％的硫酸锂溶液，溶液的ph为中性。7.根据权利要求6所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，质量百分比为3-8％的硫酸锂溶液的制备方法：质量百分比为5-10％的氢氧化锂溶液，用质量百分比为20-50％的硫酸调节ph至6.5-7.5，然后稀释获得。8.根据权利要求5所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，极液和交换液的比例为：极液的阳离子与交换液的阳离子比例为1:2-1:10。9.根据权利要求1所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，所述染料为浓度为4.3％的酸性黄117、浓度为6.5％的酸性红249、浓度为3.5％的酸性蓝80、浓度为3.0％的酸性蓝350或浓度为5.5％的酸性黑172。10.根据权利要求1-9中任意一项所述的提高染料溶解度的方法，其特征在于，当染料为酸性黄117时，电渗析装置的平均电压为2.15v，平均电流为5.9a，交换时间为2小时5分钟；当染料为酸性红249时，电渗析装置的平均电压为2.25v，平均电流为3.6a，交换时间为2小时；当染料为酸性蓝80时，电渗析装置的平均电压为2.3v，平均电流为5.0a，交换时间为3小时；当染料为酸性蓝350时，电渗析装置的平均电压为2.2v，平均电流为4.5a，交换时间为4小时；当染料为酸性黑172时，电渗析装置的平均电压为2.2v，平均电流为6.3a，交换时间为2小时30分钟。

技术总结
本发明涉及化工领域，提高染料溶解度的方法，用电渗析法将染料溶液中的钠离子置换为锂离子或铵根离子，使染料溶液呈电中性。本发明证明了电渗析法在染料行业应用的可行性，为染料生产中的离子交换寻找新的生产工艺提供了条件。条件。


技术研发人员：郑文军 刁正平 夏永鑫
受保护的技术使用者：色如丹（湖北）影像色素有限公司
技术研发日：2022.03.23
技术公布日：2023/10/6