荧光增白剂的作用原理及应用

一、荧光增白剂的作用原理

1、 荧光的基本定律

物质吸收光时，所吸收的能量如下变化。 1） 变成热能，提高物质的温度。 2） 变成化学能引起化学反应。 3） 在物质中再次发光。

发光分为光发光、热发光及X线发光等。其中光发光根据其寿命，又如下分为荧光发光和磷光发光。

-4

荧光（Fluorescence）——10秒以下的寿命

-4

磷光（Phosphorescence）——10秒以上的寿命

-4

所谓荧光就是物质吸收光后，把所吸收的能量以发光现象发射出来，指的是10秒以下寿命的光发光。

第一定律 物体要发光，必须要吸收光等能源。

（根据此定律，放射线等当然与荧光不同） 第二定律 荧光的波长比吸收光的波长大。

第三定律 荧光在1分子或1原子吸收1光量子时产生量子的过程中，荧光的量子收率

Q如下：

Ne

-1

Q= ———— Ne=发光频度（sec.）

-1

N1+Ne N1=无辐射过渡的频度（sec.） 2、物体颜色和白色

光射到物体上时，其中某个波段的光被吸收，剩余的全部被反射。我们肉眼所感到的物体的颜色，可以说是反射光的颜色，是光学上对反射光刺激的视感觉。

图1 光入射、吸收及反射概念 太阳光(白色光） (视感）

入射光 反射光 吸收光 物体

我们的肉眼一般只能看到400～700nm波长的光，把这段波长叫做可视波段，把这个光叫做可视光线。把可视波段的光分光的话，能够看到从蓝紫色（短波长）变化到红色的光（长波长），称此为光谱。把这些所有的光按某个比例混合的话，看上去就是白色的，把光通量按同样比例减少下去的话，就从灰色最后变到黑色，最终变成漆黑状态。把此白灰黑色系列称为无彩色。就图1来考虑的话，入射的自然光在可视波段内按一样的比例反射的物体呈无彩色。另一方面、可视波段的光谱中，如果某个特定光相对增大的话，其色就很突出，从无彩色变到有彩色，我们就觉得是物体的固有颜色。因此，所谓白度就是指物体反射的可视部分所有光谱段按同一比例，即按无彩色充分且漫射性的反射。

3、 色的三属性和三原色及补色

红、蓝、黄称作三原色,通过它们之间的混合，几乎所有的颜色都能调出。而且，二种

颜色的光混色后，结果是白色时，这二种颜色互相称为补色，也就是说，位于图2的色环的对角线上的颜色互为补色。

图2 表示补色关系的色相环 图3 色立体图 红 明度

橙

蓝 色相 黄 青 彩度

绿

4、荧光增白剂和上蓝 一般，纤维和纸浆即使经过化学漂白也会呈现一点点黄色。这是因为纤维和纸浆吸收了日光中的一部分蓝紫色光，反射了很多其原色中带黄色的光。即带黄色的纤维所反射的光谱中缺少一部分蓝紫色光，因而失去了平衡。

为了使这种纤维和纸浆的物体颜色呈白色，就采用荧光增白剂或上蓝。同时，有时我们肉眼感到的白与光学上、色学上的白未必一致。原因之一是对无彩色系颜色的视感，所受到的某种心理学方面的影响要比有彩色时大。但是包含人类心理的色彩学在学术上还是未解决的领域，所以，在此我们只从上述的光学角度来概括性的提出荧光增白现象。

图4 纤维及纸的分光反射率曲线概念图 100(b) (a) 80 60 40 （c） 20

0 400450500600700

波长nm

为了使图4的（a）纤维变白，有两种方法可以考虑。1）增加400～500nm反射光；2）以上蓝进行极淡的染色，来减少600nm附近的反射光（黄色）的方法，第二种方法叫做上蓝。纤维给予图2（c）所示的分光反射率曲线。此时与只进行漂白相比较的话，虽然接近无彩色，但是因反射率低而使明度下降，呈现稍带灰色的白。第一种方法是荧光增白法。即，吸收紫外线的荧光增白剂按照斯托克斯定律，使440nm附近的可视光线荧光发光，以补充纤维本身反射不足部分。因此，分光反射率曲线如图4的（b）所示，纤维接近无彩色的同时，明度也提高了，看上去非常白。

另外，在紫外线强度高的自然光下，荧光增白剂增白是得到最高白度的理想增白法。但是，在紫外线强度低的荧光灯照明下，荧光增白剂得不到充分激发，所以取得最好的白度感一般是采用荧光染料和上蓝并用的方法。

反射率%二、荧光增白剂的应用

1、荧光增白剂构造

造纸工业使用的大部分荧光增白剂是阴离子性水溶性染料。各种品牌的共同点是，以图 5所示的4, 4’-DSD酸-2,2’-二磺酸钠为母体，在此基础上聚合2个摩尔的氰尿酰氯。氰尿酰氯的氯分别根据增白剂的用途来相应地置换被选择的有机残基X，Y，X’，Y’。 图5 芪系荧光染料的基本构造 SO3Na CH=CH

SO3Na

这样，各种增白剂的性质因改变置换X，Y，X’，Y’而发生变化。因此，使用增白剂时，选择能够根据目的有效且经济的进行增白的增白剂品种是很重要的。

2、液体增白剂的遇光稳定性

液体增白剂在阴凉的地方是十分稳定的，但是，受日光特别是紫外线照射时增白能力就会逐渐下降。因此，液体增白剂储藏及使用时，需要避开紫外线进行。 芪系荧光增白剂被紫外线照射增白效果变低，主要是因为光化学互变现象使荧光性的反式变异到无荧光性的顺式。图7所示是一个具有代表性的例子。 图7 芪的光化学互变性 H-N H H C=C H

C=C H

H-N N-H N-H

反式（平面性） 顺式（非平面性）

芪中的双键部分从反式转移到顺式的话，就会产生立体性障碍，芪中的2个苯环无法存在于同一平面上，导致对纤维素的亲和性降低。而且，变成顺式的话，如图所示，染料的吸收光谱发生变化，荧光发光所需的350nm附近的光吸收不到，增白能力就下降了。

发生互变异构现象的同时所发生的光化学变化与增白剂溶液的浓度及曝光时间有关。一般的倾向是低浓度变化大，且曝光时间越长变化越大。

因此，荧光增白剂的水溶液在保存时，为了使其稳定，最重要的是遮蔽紫外线，同时，提高溶液浓度也是很重要的。

3、荧光消光及荧光增感现象

荧光物质的荧光强度，有时会因其状态而降低或增大。前者叫荧光消光现象，后者叫 荧光增感现象。荧光消光现象，在荧光物质本身的浓度超过某个限度时也会产生，称此现象叫荧光浓度消光。例如不断增加增白剂浓度的话，纸的荧光强度就会增大到某个饱和点，超

过此浓度的话，反而会出现降低的趋势。还会因热引起消光，称此为温度消光。另外，芪系荧光染料的水溶液，一般呈阴离子性，有时与阳离子性的药品类共存时也会发生消光现象。把类似于此作用称作第3物质消光现象。

另一方面，荧光增感现象是与荧光消光相反的现象。例如，纤维或纸浆上的增白剂量和分布即使相同，与第3物质等共存时也会出现荧光强度增大的现象。用肥皂洗涤芪系荧光增白剂染色的棉布时，有时尽管染布上的增白剂减少了，但染布的荧光强度反而比洗涤前增大了，看上去更白了。这种状态是一种增感现象。

荧光消光及荧光增感现象是具有荧光发光功能的荧光染料所特有的现象，有色染料一般没有此性质。因此，在选择与增白剂共存的药剂或调整剂等时要充分注意。