Pigmente, Farbstoffe und Färbeverfahren

Inhalt

1.) Einleitung
- Farbe als Sinneseindruck
- Bedeutung der Farben in der Natur
- Farbentstehung
- Chromophore und Auxochrome

2.) Pigmente
- Definition und Verwendung
- Einteilung
- Phthalocyaninfarbstoffe

3.) Farbstoffe
- Definition
- Verwendung
- Herstellung
- Bedeutende Wissenschaftler
- Einteilung nach Herkunft
- Einteilung nach färbetechnischen Verfahren
- Einteilung nach chemischen Struktur

4.) Färbeverfahren
- Farbgebung
- Stoffdruck
- Färbetechniken

5.) Welcher Farbstoff für welche Faser?
- Baumwolle, Leinen, Viskose-, Modalfasern
- Wolle, Seide, Polyamidfaser
- Acetat- Triacetat- Polyesterfaser
- Polyacrylfaser

6.) Geschichte der Farbmittel

7.) Literaturverzeichnis

Einleitung

Für die freiwillige Chemiehausaufgabe habe ich mich für das Thema ,,Farbmittel" entschieden. Ich werde versuchen in diesem Referat auf die verschiedenen Bedeutungen, Verwendungszwecke, Einteilungen, Farbgebungen, Färbeverfahren und die Geschichte der Farbmittel einzugehen.

Farbe als Sinneseindruck

Viele Menschen verstehen unter Farbe Malerfarbe oder Lacke, Künstler- oder Textilfarben, aber auch Farben von Blumen oder Herbstlaubfärbung. Farbe ist eine subjektive Empfindung, ein durch das Auge vermittelter Sinneseindruck.

Bedeutung der Farben in der Natur

In der Natur spielen Farben bei Tieren und Pflanzen eine bedeutende Rolle. Das grüne Chlorophyll in den Pflanzen ermöglicht die Photosynthese. Anhand von Farbmustern erkennen sich viele Tierarten. Außerdem übernehmen sie bei Balz- und Tarnverhalten eine wichtige Aufgabe.

Farbentstehung

Die gefärbten Körper unserer Umgebung erhalten ihre Farbigkeit dadurch, dass sie einen Teil des auf sie fallenden weißen Lichtes absorbieren, worauf der reflektierte, nicht absorbierte Anteil des eingestrahlten Lichtes dem Auge als Farbe erscheint. Viele Substanzen absorbieren elektromagnetische Wellen nicht nur im sichtbaren Bereich von 700 bis 400 nm, sondern auch im Bereich der UV- oder IR-Strahlung.

Durch Lichtbrechung kann sichtbares weißes Licht in seine farbigen Bestandteile zerlegt werden.

Chromophore und Auxochromen

Chromophore sind farbgebende Atomgruppen, welche die Lichtabsorbtion eines Stoffes zu größeren Wellenlängen hin verschieben.

Bsp.:

Meist bedarf es mehrerer chromophorer Gruppen im Molekül oder des Eintritts von Auxochromen um eine Farbvertiefung und Intensitätsverstärkung zu erlangen.

Bsp.:

Diese Atomgruppen mit freien Elektronenpaaren helfen, die Lichtabsorption in den sichtbaren Spektralbereich zu verschieben.

Die Absorptionsfähigkeit eines Stoffes beruht auf der Wechselwirkung zwischen den elektromagnetischen Wellen des Lichtes und den Teilchen aus denen der Stoff aufgebaut ist.

Alle farbgebende Stoffe werden als Farbmittel bezeichnet. Sie lassen sich unterteilen in lösliche Farbmittel, die Farbstoffe, und in unlösliche Farbmittel, die Pigmente.

Pigmente

Definition und Verwendung

Pigmente sind feste, mikroskopisch kleine, unlösliche Farbsubstanzen, die zur Massenfärbung von Papier, Gummi und Seife oder mit Bindemitteln (z.B.: Leinöl, Kalkmilch) zum oberflächlichen Anfärben von Holz oder Metallen sowie zum Bedrucken von Geweben und Papier verwendet werden. Manchmal werden sie auch in Medikamenten oder Kosmetika eingesetzt.

Ein besonderer Vorzug der Pigmente ist die Licht-, Wasser- und Hitze-beständigkeit (besonders bei anorganischen Pigmenten) und die chemische Stabilität.

Einteilung

Nach dem Farbton unterscheidet man Weiß-, Schwarz- und Buntpigmente. Ein wichtiges Weißpigment ist Titandioxid, das in Wandfarben und Zahnpasta verwendet wird.

Phthalocyaninfarbstoffe

Diese Bezeichnung entspricht nicht ganz der Wahrheit. Eigentlich sind es sehr licht-, säure- und alkalibeständige Pigmente. Sie finden hauptsächlich in der Kunststoffverarbeitung ihre Verwendung.

Kupferphthalocyanin:

Farbstoffe

Definition

Farbstoffe sind Verbindungen, die andere Stoffe mehr oder weniger licht- und waschecht färben können. Man versteht unter dem Begriff Farbstoff einen in Lösungs- oder Bindemitteln löslichen Stoff. Der Wert eines Farbstoffs hängt in erster Linie von der Haftfestigkeit am Gewebe, der Lichtechtheit und seiner chemischen Widerstandsfähigkeit gegenüber Reinigungsmittelbestandteilen ab. Heute sind einige zehntausend verschiedene Farbstoffe bekannt. Aber nur ein Bruchteil davon (etwa 6500) wird technisch genutzt - in bedeutenden Mengen sind es sogar nur knapp 500.

Verwendung

Neben der Textilfärbung (z.B.: von Jeans) können Farbstoffe auch als optische Aufheller in Waschmitteln, sowie bei der Papier- und Kunststoffverarbeitung eingesetzt werden. Farbstoffe dienen der Kenntlichmachung des Produkts und stellen so für den Kunden ein Unterscheidungsmerkmal dar. Zum Teil soll durch eine gelbe oder grüne Einfärbung, z.B. bei Geschirrspülmitteln, eine Assoziation zu ,,Frische" oder ,,Umweltverträglichkeit" beim Kunden hergestellt werden. Außerdem werden Lederfarbstoffe und Farbstoffe unterschieden, die zum Beispiel zur Anfärbung von Heizöl oder zum Einfärben von Bohnerwachs, Kerzenwachs und Schuhcremes dienen.

Die durch Farbstoffe ausgehende direkte Gesundheitsgefährdung des Anwenders und auch die Umweltgefährdung sind wegen der geringen Mengen sehr klein. Dennoch können Farbstoffe Allergien auslösen.

Herstellung

Wichtige Rohstoffquellen zur Herstellung von Farbstoffen sind in erster Linie Produkte, die man aus Erdöl oder Erdölerzeugnissen gewinnt (darunter z.B. Benzole und Aniline). Die Ausgangsstoffe wurden früher in größerem, heute aber in einem wesentlich geringerem Umfang aus der Steikohleverkokung (Destillation: trockene Destillation von Steinkohle) gewonnen.

Bedeutende Wissenschaftler

Zu den Pionieren auf dem Gebiet der synthetischen Farbstoffe zählen unter anderem F. F. Runge, August Wilhelm v. Hofmann, W. H. Perkin, C. Graebe, C. T. Liebermann und Adolf v. Baeyer.

Einteilung nach Herkunft

Es gibt natürliche, künstliche, anorganische und organische Farbstoffe.

-anorg. Farbstoffe : Mineralfarbstoffe →Brom - Eosin

-natürl. org. Farbstoffe : in Blüten, Pflanzen oder Tierschalen enthalten

→Indigo, Purpur, Chlorophyll (nicht immer sind natürl. Farbstoffe technisch brauchbar)

-künstl. org. Farbstoffe : werden aus Verbindungen, die aus Steinkohlenteer gewonnen werden, hergestellt

→Anilin- und Teerfarbstoffe

Einteilung nach färbetechnischen Verfahren

(siehe Färbetechniken)

- Substantive Farbstoffe (Direktfarbstoffe):
- anionische Farbstoffe
- gehen selbstständig und direkt aus der wäßrigen Lösung auf pflanzliche und Tierische Fasern über; Farbstoffteilchen werden von Faser absorbiert und lagern sich in submikroskopischen Hohlräumen ein

-Beizenfarbstoffe:

- haften erst auf einer mit Beizmitteln (Eisen(III)-, Chrom(III)- oder

Aluminium(III)-Salze) getränkten Faser, indem sie mit den entsprechenden Hydroxiden auf der Faser fixierbare Komblexverbindungen bilden

-Entwicklungsfarbstoffe:
- werden erst auf der Faser durch chemische Reaktionen aus ungefärbten Vorprodukten erzeugt
- meist in zwei Stufen: Vorbehandlung mit einem Naphthol und Behandlung mit einem Diazoniumsalz

-Küpenfarbstoffe:
- ziehen nur im reduzierten Zustand (d.h. in der farblosen Leukoform) auf das zu färbende Material auf
- nach dem Färbevorgang werden sie durch Oxidation in den eigentlichen Farbstoff umgewandelt

-Chromierungsfarbstoffe:
- anionische Farbstoffe
- durch Nachbehandlung mit Chromsalzen als Chromkomplex an die Faser gebunden

-Schwefelfarbstoffe:
- teils als Pigment, das beim Färben durch Reduktion gelöst wird, teils vorgelöst
- Oxidation auf Faser analog zu Küpenfarbstoffe

-Dispersionsfarbstoffe:
- nicht- oder nur teilweise wasserlösliche Farbstoffe, die mit Dispergiermitteln eine Dispersion bilden
- beim Färbevorgang lösen sie sich in den Fasern

-Reaktivstoffe (Reaktionsfarbstoffe):

- anionische Farbstoffe

- bilden über besonders reaktionsfähige Atomgruppen Hauptvalenzbindungen mit funktionellen Gruppen der Faser

Einteilung nach chemischen Struktur

-Azofarbstoffe:

Die zahlenmäßig größte Farbstoffklasse bilden die Azofarbstoffe (frz.: azote - Stickstoff).Wegen der einfachen, meist in Wasser verlaufenden Synthese und den nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten bei der Auswahl von Ausgangsprodukten ist diese außerordentlich große Vielfalt möglich. Ihre Zahl wird noch dadurch erhöht, dass ein Farbstoffmolekül mehrere Azogruppen enthalten kann. Unter den natürlich vorkommenden Farbstoffen sind dennoch keine Azoverbindungen bekannt. Sie werden nur synthetisch hergestellt und stellen auch die größte Produktionsmenge der synthetischen Farbstoffe dar. Das Charakteristikum und zugleich die chromophore Gruppe dieser Farbstoffgruppe ist eine beiderseitig aromatisch gebundene Azogruppe (-N=N- Gruppe).

Bsp.: Methylorange, Kongorot

Methylrot:

Die am häufigsten vorkommenden aromatischen Verbindungsteile sind Benzol- und Naphtalinderivate. Je nach Anzahl der -N=N- Gruppen spricht man von Mono-, Di-, Tri- usw. Azofarbstoffen. Die Farbwirkung kommt durch Ausbilden eines delokalisierten _- Elektronensystems über die Benzolkerne zustande:

Solche einfachen Systeme absorbieren im blauen Bereich und erscheinen daher gelb. Durch gezielten Einbau von Auxochromen erreicht man eine Änderung der Elektronenstruktur und dadurch ein verändertes Lichtabsorptionsverhalten der gebildeten Farbstoffmoleküle, so daß der gesamte sichtbare Bereich durch die verschiedenen Azofarbstoffe abgedeckt werden kann.

Auch auf der anwendungstechnischen Seite erhält man durch Molekülstrukturänderungen Azofarbstoffe, die zu den Beizen-oder Direktfarbstoffe, sowie den Reaktiv- oder Dispersionsfarbstoffen gehören.

Im Allgemeinen erfolgt die Darstellung eines Azofarbstoffes durch Reaktion zweier Komponenten, der Diazo- und der Kupplungskomponente.

-Triphenylmethanfarbstoffe:

Die Triphenylmethanfarbstoffe sind kationische Abkömmlinge des farblosen Triphenylmethans. Sie sind allgemein wenig lichtecht und finden Verwendung als Druck- und Stempelfarben.

Mindestens zwei der Benzolkerne sind mit auxochromen bzw. antiauxochromen Gruppen substituiert, so daß eine weitere Delokalisation der _-Elektronen über die p-Orbitale des zentralen sp²-hybridisierten Kohlenstoffatoms erfolgen kann. Die Farbwirkung beruht auf der Ausbildung mesomerer chinoider Strukturen.

Bekannteste Vertreter dieser Farbstoffklasse sind Malachitgrün und Kristallviolett, welches u.a. dazu verwendet wird kohlefreies Durchschreibe-papier herzustellen.

-Phthalsäurefarbstoffe (Phthaleine):

Sie sind nahe verwandt mit den Triphenylmethanfarbstoffen. Die bekanntesten Vertreter sind:

Phenolphthalein als Indikatorfarbstoff Eosin und Fluorescein.

Phenolphthalein ist durch Reaktion von Phthalsäureanhydrid und Phenol herstellbar.

Phenolphthalein liegt in saurem Medium in Struktur I vor und ist farblos. Durch Zugabe von Natronlauge bildet sich eine Verbindung mit Struktur II. Dabei handelt es sich um eine zu den Triphenylmethanfarbstoffen zählende Substanz, die rot gefärbt ist.

Der pH-Bereich des Farbumschlages liegt zwischen pH 8,4 bis 10,0. Diesen Farbwechsel macht man sich in der Neutralisationsanalyse zunutze und verwendet Phenolphthalein als Säure-Base-Indikator.

Neben einer gelbroten Eigenfarbe zeigt das Natriumsalz von Fluorescein in wäßriger Lösung eine starke grüne Fluoreszenz (daher auch der Name), die auch noch in stärkster Verdünnung (1: 400 000 000) erkannt werden kann. Unter Fluoreszenz versteht man die Abgabe eines Teils der absorbierten Lichtenergie durch Emission von Licht längerer Wellenlänge. Es dient daher in der Geologie zum Nachweis des Verlaufs unterirdischer Gewässer. Man setzt den Farbstoff einem Gewässer vor dem Versickern zu und prüft beim Wiederaustritt auf Fluoreszenz.

Eosin ist das Tetrabromderivat des Fluoresceins und entsteht aus ihm durch Bromierung. Das Natriumsalz von Eosin ist prächtig rot gefärbt und dient hauptsächlich zur Herstellung roter Tinte. Außerdem wird es noch zur Papierfärbung und für Kosmetika benutzt.

-Anthrachinonfarbstoffe:

Eine wichtige Farbstoffklasse leitet sich vom Anthrachinon ab, dessen Molekülarchitektur es als günstiges Chromophor ausweist. Das Absorptionsmaximum des Anthrachinons selbst liegt im nahen UV-Bereich.

Durch Substitution mit elektronenliefernden Auxochromen (-OH, -NH), verschiebt sich die Lichtabsorption in den sichtbaren Bereich. Anthrachinonfarbstoffe geben auf fast allen Fasern höchste Licht und Waschechtheit. Bekanntester Vertreter ist das Alizarin, welches heute synthetisch hergestellt wird und zu den bedeutendsten Beizenfarbstoffen gehört. Mit Aluminiumhydroxid bildet es einen roten Lack.

Ein Reihe weiterer technisch wichtiger Anthrachinonfarb- stoffe sind die Indanthrenfarbstoffe, die zu den Küpenfarb- stoffen zählen. Sie werden in einer reduzierten wasser-löslichen Form auf das Färbegut aufgetragen. Indanthrenblau war der erste Vertreter dieser Gruppe.

-Indigofarbstoffe:

Sie enthalten das Ringsystem des Indigos. Sie sind wie Indigo selbst, Küpenfarbstoffe. Indigo durch Reduktion wasserlösliche Leukoform Purpur (Dibromindigo) durch Reduktion lösliches "Purpurweiß"

-Phthalocyaninfarbstoffe:

Phthalocyaninfarbstoffe, die löslich machende Substituenten enthalten sind wichtige Textilfarbstoffe.

Färbeverfahren

- Farbgebung

Autoteile werden häufig durch Tauchen oder Sprühen Wände und Tapeten durch Anstreichen, Rollen oder Sprühen farbig gestaltet. Zeitungen und Zeitschriften lassen sich farbig bedrucken.

Stoffdruck

Das Bedrucken von Textilien mit Farben und Mustern wird Stoffdruck genannt. ~ Handdruck : Handmodell aus Holz wird benutzt

- Filmdruck : durch Seidengaze
- Spritzdruck : mit Spritzpistolen
- Rouleaudruck : erfolgt über Farbwalzen
- Ätzdruck : eingefärbte Stoffe werden mit Ätzmasse belegt, die die Farbe an bestimmten Stellen wegätzt

Färbetechniken

Die meisten unserer Kleidungsstücke und viele andere Textilien werden gefärbt.

Dabei wird im Gegensatz zum Drucken das Farbmittel von allen Seiten an die zu färbenden Textilien herangebracht. Die gelösten Farbstoffe dringen mehr oder weniger tief in die Materie ein oder sie färben die gesamte Masse. Das zu färbende Textilgut wird in eine als Flotte bezeichnete Farbstofflösung oder Farbstoffsuspension gegeben. Der Farbstoff wandert aus der Flotte auf das Textilgut und wird dort physikalisch an die Faser angelagert oder chemisch gebunden. Das heißt die Farbstoffe gehen chemische Verbindungen mit den Atomen bzw. den Atomgruppen der Stoffmoleküle ein. Dazu ist kein Bindemittel notwendig.

Direktfärben: Bei dieser Technik zieht der Farbstoff direkt aus der Flotte auf die Faser. Zwischen den Farbstoffmolekülen und der Faser bilden sich Dabei Wasserstoffbrückenbindungen aus. Es werden dazu Substantive Farbstoffe (Direktfarbstoffe) benutzt. Dabei werden Ionenbindungen zwischen Farbstoff und Faser ausgebildet. (siehe Färbetechniken)

Dispersionsfärben: Der Farbstoff diffundiert (wandert) bei diesem Verfahren in feinste Räume zwischen den einzelnen Fasern. Es werden

Dispersionsfarbstoffe genutzt. Das zu färbende Material wird in Dispersionen aus schwer löslichen Farbstoffen und Wasser gefärbt. (siehe Färbetechniken)

Entwicklungsfärben: Der Farbstoff bildet erst durch Reaktionen auf der Faser die gewünschte Färbung. Dazu werden Entwicklungs- farbstoffe verwendet. Mit dieser Technik werden Jeans mit Indigo gefärbt. (siehe Färbetechniken)

Küpenfärben: Eine Form des Entwicklungsfärben. Dabei diffundiert eine farblose Form des Farbstoffs aus der Flotte in die Faser. Beim Trocknen an der Luft wird diese durch Oxidation in den eigentlichen Farbstoff überführt. (siehe Färbetechniken)

Welcher Farbstoff für welche Faser?

Da Textilfasern in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften verschieden sind, müssen unterschiedliche Farbstoffe zu ihrer Farbgebung verwendet werden.

Für Baumwolle, Leinen, Viskose-, Modalfasern:

- Direktfarbstoffe

Mäßig waschecht, teils sehr lichtecht.

- Reakivstoffe

Brillanten Farbtöne

- _üpenfarbstoffe

Sehr wasch- und lichtecht, aber keine brillanten Töne

- Schwefelfarbstoffe

Gedeckte Braun-, Oliv-, Dunkelblau-, Schwarztöne; preiswert

- Entwicklungsfarbstoffe

Hohe Echtheitsgrade

- Pigmente

Wenig reibecht, sehr lichtecht; für helle Färbungen oder Drucke

Für Wolle Seide, Polyamidfasern:

- Säurefarbstoffe

Mäßige Wasch-, aber hohe Lichtechtheit ~ Chromierungsfarbstoffe

Hohe Waschechtheit

- Metallkomplexfarbstoffe

Sehr wasch- und lichtecht, aber keine brillanten Töne

- Reaktivstoffe

Besonders geeignet für waschmaschinenfeste Wolle

- Dispersionsfarbstoffe

Mäßige Echtheit; für helle Töne bei Polyamidfasern

- Direktfarbstoffe

nur bedingt geeignet

Für Acetat-, Triacetat-, Polyesterfasern:

- Dispersionsfarbstoffe

Für Polyacrylfasern:

- Kationische Farbstoffe

Hohe Wasser- und Lichtechtheit

Geschichte der Farbmittel

Farben oder Farbstoffe begleiten seit jeher als Schmuckattribute oder als Symbole bei Ritualen jeglicher Art das kulturgeschichtliche Leben der Menschen.

Erste Farbmittel waren die Pigmente, nach ihrem Ursprung auch als Erdfarben bezeichnet. Sie wurden bereits zwischen 40000 bis 10000 v. Chr. für Höhlenmalerei benutzt. Die Färbetechniken waren bei Naturvölkern schon vor der Weberei bekannt zum Verzieren von Blättern und Baststoffen. Meist wurde der zu färbende Stoff mehrmals in die kalte Lösung eingetaucht. Danach entwickelte sich das Färben von Textilien wahrscheinlich noch lange vor Christi Geburt in Ägypten, Persien, China und Indien. Da Pigmente dafür nicht geeignet waren, gilt es als sicher, dass Pflanzen- und Tiersäfte dafür Verwendung fanden. Aus dem Indigostrauch wurde blaues Indigo gewonnen, aus der Krappwurzel, einer Färberpflanze, der rote Farbstoff und aus den Blütennarben einer Krokusart der gelbe Safran. Zu Beginn des Römischen Reiches trugen die Mitglieder der kaiserlichen Familie und des Adels Gewänder, die mit antikem Purpur (auch typischer Purpur) gefärbt waren. Dieser Farbstoff wurde aus den Schleimsekreten einer Meeresschnecke gewonnen und war äußerst wertvoll. Um ein knappes Gramm Purpur zu gewinnen, benötigte man etwa 1000 Tiere. Bis zum 4. Jahrhundert nach Christus waren mit Purpur gefärbte Stoffe buchstäblich Gold wert. Wegen der Kostbarkeit des Farbstoffs wurden die Purpurschnecken praktisch ausgerottet. Die Kunst des Färbens erlebte im 13. Jahrhundert einen Aufschwung, als der französische Purpur (Orseille oder Orchilla) aus einer Flechtenart gewonnen wurde. Im 16. Jahrhundert brachten Forschungsreisende Farbstoffe wie Chochenille und Blauholz (Campecheholz) aus Amerika mit. Weitere wichtige natürliche Farbstoffe waren u. a. Quercetin, Brasilin und Saflor.

Im 18. Jahrhundert wurde als erster synthetischer Farbstoff Pikrinsäure durch Oxidation von Indigo entwickelt.

Im 19. Jahrhundert führte die Entdeckung des Phenols und Anilins im Steinkohlenteer durch den deutschen Chemiker Friedlieb Ferdinand Runge zu weiteren Entwicklungen. 1856 stellte der britische Chemiker William Henry Perkin durch Oxidation von toluidinhaltigem Anilin das purpurviolette Mauvein her. Dies war der erste technisch genutzte Farbstoff. Seitdem wurden bis heute zahlreiche synthetische und künstliche Farbstoffe entwickelt.

Literaturverzeichnis

-Schülerduden, Die Chemie. Hans Borucki. Bibliographisches Institut &

F. A. Brockhaus AG, Mannheim 1995.

-Chemie, Stoffe, Reaktionen, Umwelt - Gym. Sekundarstufe I. Gerhard Meyendorf. Volk und Wissen Verlag GmbH, Berlin 1996.

-Das Bertelsmann Lexikon in 24 Bänden. Wolf Keienburg. VerlagshausStuttgart GmbH, Stuttgart 1994.

-Kleine Enzyklopädie, Natur. Walter Gellert. VEB Bibliographisches Institut Leipzig, Leipzig 1983.

-Internet. Verschiedene web-Seiten von diversen www. Adressen.