Referat Chemie Spezialgebiet (Rohfassung) - Struktur der Farbstoffe, Verwendung der Farbstoffe

Chemie Spezialgebiet (Rohfassung)

zu dem

Themenbereich

Struktur der Farbstoffe

Verwendung der Farbstoffe

Färbeverfahren

Küpenfarbstoffe

Für die Küpenfärberei verwendete Farbstoffe; typische Vertreter sind Indigo u.a. indigoide Farbstoffe, Indanthren- u.a. anthrachinoide Farbstoffe, Phthalocyanin- u. Naphthalin-Farbstoffe usw. Auch Schwefel-Farbstoffe vom Typ des Hydron®-Blau R, 3R, G u. Immedial®- u. Immedial-Licht-Farbstoffe gehören hierher, desgleichen die Leukoküpen-Farbstoffester. Sie werden für das Färben von Zellulose verwendet. Sie müssen zum Färben durch Reduktion in eine Wasserlösliche, faseraffine Form gebracht werden. Als Reduktionsmittel dient dabei meist Na-Dithionit in alkalischer Lösung.

Indanthren®-Farbstoffe

Indanthren Goldorange

Goldorangefarbener Küpenfarbstoff, von Scholl 1904 synthetisiert.

Herst.: Aus Pyren mit Benzoylchlorid in Ggw. von AlCl3 od. analog zu Indanthren Gelb G. Ockerfarbene Paste od. orangegelbes Plv., in Alkohol spurenweise mit gelber Farbe u. grüner Fluoreszenz lösl., färbt Baumwolle aus der Küpe, die in der Hitze fuchsinrot, in der Kälte kirschrot aussieht, äußerst echt orange, ist allerdings ein Faserschädiger.

Der erste I.-F., das I. Blau RS, wurde 1901 in der Badischen Anilin- u. Soda-Fabrik von Bohn synthetisiert. Bohn erkannte auch die hervorragenden Echtheitseig. der Baumwollfärbungen mit diesem Farbstoff. Zunächst gab man den anschließend entwickelten analogen (chinoiden) Farbstoffen hoher Gesamtfarbechtheit bes. Namen, etwa Flavanthren, Violanthren, Pyranthron usw.; diese Namen existieren auch heute noch, wenn sie auch jetzt meist die entsprechenden Kohlenwasserstoff-Stammverb. kennzeichnen, s.a. unten. Im Jahre 1923 - im Zusammenhang mit der Gründung der I. G. Farben - einigten sich Bayer, Hoechst u. Cassella auf einen Vorschlag der BASF, alle Küpenfarbstoffe mit bes. guten, durch genaue Richtlinien festgelegten Echtheitseig. unter dem eingetragenen Wz. Indanthren gemeinsam in den Handel

zu bringen. Es gab ca. 150 I.-F., die unter tausenden von Laboratoriums-Prod. ausgewählt wurden, in allen möglichen Farbtönen. I.-F. werden in großem Umfang zum Färben u. Bedrucken von Textilien aus Baumwolle, Regeneratcellulose u. Leinen verwendet. Färbungen u. Drucke mit diesen Farbstoffen weisen eine unübertroffene Farbechtheit auf. Einige der wichtigeren werden im folgenden vorgestellt; in internat. Werken findet man diese häufig auch unter den Colour Index (C. I.)-Bez., z.B. Indanthren Brillantorange RK (Wz.) als C. I. Vat Orange 3 od. C. I. 59300 (Nicht-Wz.). Die oftmals komplizierten systemat. Namen der I.-F. (kondensierte aromat. bzw. heterocycl. Syst.) findet man in Referateorganen wie Chemical Abstracts u. die der Grundkörper im Ring Index.

Die I.-F. werden je nach Verw.-Zweck in verschiedenen Lieferformen in den Handel gebracht, z.B. als Teig, Plv., als sog. Suprafixteige für Drucke auf pflanzl. Fasern u. regenerierter Cellulose u. als I.-F. Colloisol für Dispersionen von kolloidalen Eig. in Wasser.

Indigo

Dunkelblaue Krist. mit Kupfer-rotem Glanz, Schmp. 390-392° (subl.), in Wasser, Alkohol, Ether u. verd. Säuren unlösl., in konz. Schwefelsäure in der Kälte mit grüner, beim Erwärmen mit blauer Farbe lösl. (Sulfonierung). Durch Chromsäure wird I. zu Isatin u. Isatosäureanhydrid oxidiert.

Vork.: I. ist einer der ältesten org. Farbstoffe: Man findet schon bei 4000 Jahre alten ägypt. Mumien I.-gefärbte Bänder. Im Mittelalter u. in der Neuzeit wurde in Europa mit der europäischen Färberwaidpflanze u. dem ind. I. gefärbt, s. Indican. Natürlicherweise ist I. meist mit Indigotin, dem cis-Isomeren des I., u. mit Indirubin (Indigorot) vergesellschaftet; zur Gehaltsbest. s. Lit. . Nicht selten bezeichnet man auch im Dtsch. mit Indigotin den reinen, isomerenfreien Farbstoff [trans- od. (E)-Indigo] mit seiner indigoid genannten Struktur (s. Abb.). I. wird auch von einer Mutante des Pilzes Schizophyllum commune gebildet, außerdem kommt es neben 6,6'-Dibromindigo   im Antiken od. Tyrischen Purpur der Purpurschnecken vor; zur Biosynth.

Der etwa bis zum Jahre 1900 in großem Umfang gehandelte Natur-I. stammte hauptsächlich von den Sundainseln (bes. Java) u. aus Bengalen, wo er aus kultivierten Indigofera-Arten gewonnen wurde.

Der Bengal-I. enthielt 35 bis 55%, der Java-I. bis zu 80% reinen Farbstoff; die Beimengungen waren etwas Indigorot, Indigobraun, Lehm u. Verunreinigungen. Mit der Massenerzeugung von synthet. I. verschwanden die I.-Pflanzungen allmählich.

Herst.: Unter den verschiedenen Synth. des I. haben die beiden von Heumann entwickelten Verf. die größte Bedeutung erlangt. Nach dem auch heute noch praktizierten älteren (1890), von Pfleger 1901 modifizierten, Verf. geht man von N-Phenylglycin aus, das mittels Natriumamid-Schmelze (180-200°) zu Indoxyl cyclisiert wird, das durch anschließende Luftoxid. I. liefert.

Verw.: I. dient in der Färberei zum Färben sowohl tierischer als auch pflanzlicher Fasern. Es kommt u.a. in Teigform als Indigoküpe bzw. Indigweiß in den Handel, die das durch Red. von I. mit Natriumdithionit erhältliche Natrium-Salz (Indigoküpe) bzw. die freie Säure (Leukoindigo, Indigweiß) darstellen. Taucht man nun Wolle od. Baumwolle in eine Küpe, die 0,15-0,2% Farbstoff enthält, so färben sich die Gewebe nach dem Aufhängen an der Luft von selbst tiefblau, weil der Luftsauerstoff das Leukoindigo wieder zu I. oxidiert. Im Altertum wurde dem I. etwas Harn zugesetzt, vgl. Küpenfärberei. I., das auch als Plv. od. Paste in den Handel gelangt, ist auch heute noch ein wichtiger Farbstoff, obwohl er in Indanthrenblau, Hydronblau u. Variaminblau starke Konkurrenten erhielt. Durch Bromierung, Chlorierung, Sulfonierung usw. leiten sich vom I. weitere Farbstoffe ab, s. die Tab. Diese Indigoide, zu denen auch Thioindigo u. einige Deriv. gehören, spielen als Woll- u. Baumwoll-Küpenfarbstoffe in der Textil-Ind. sowie als Pigmente auch in der Medizin u. Mikroskopie eine bedeutende Rolle; I. ist auch als Farbstoff für Kosmetika (allerdings keine Augenkosmetika) zugelassen.

Reaktivfarbstoffe

z.B.:Basilien Rot E-B

(Reaktionsfarbstoffe). Bez. für eine Gruppe von Farbstoffen, die neben der farbgebenden Komponente (FS) eine spezielle reaktionsfreudige Komponente (die sog. Reaktivkomponente) enthält, über die sie durch Reaktion mit funktionellen Gruppen der Faser (z.B. Hydroxy-Gruppen bei Cellulose od. Amid-Gruppen bei Wolle u. Polyamiden) kovalent an diese gebunden werden. Das Aufbauprinzip von R. ist die Kombination von einem nahezu beliebigen Chromophorensyst., das noch löslichmachende Gruppen enthalten muß, mit einem elektrophilen Zentrum entweder über eine direkte Bindung od. ein Brückenglied. An das elektrophile Zentrum sind im allg. eine od. mehrere Abgangsgruppen gebunden.

Als Chromophore dienen Azo-, Anthrachinon-, Phthalocyanin-, Dioxazin- u. Metallkomplex-Formazan-Derivate. Bei den Reaktivkomponenten handelt es sich hauptsächlich um zwei Gruppen (s. Reaktivanker): Die erste enthält Halogen-haltige, ungesätt., meist heterocycl. Reste wie z.B. Triazine, Pyrazine, Pyrimidine usw. Die Halogen-Atome reagieren im alkal. Milieu mit OH-Gruppen der Cellulose unter Halogenwasserstoff-Abspaltung u. Bldg. eines Celluloseesters (Substitutionsfarbstoffe). Die Vertreter der 2. Gruppe enthalten Sulfonyl-, Sulfamoyl- u. Carbamoylalkylsulfonsäure-Gruppierungen wie z.B. den Schwefelsäureester des 2-Hydroxyethylsulfons; diese Gruppe spaltet im Alkal. spontan Sulfat ab u. geht in die Vinylsulfon-Gruppe über, die ihrerseits mit einer OH-Gruppe der Cellulose einen stabilen Ether bildet (Additionsfarbstoffe). In Konkurrenz steht dabei die Reaktion mit Wasser (Hydrolyse). Da der hydrolisierte R. nicht mehr mit der Faser (Baumwolle, Wolle) reagieren kann, ist man bestrebt, einen möglichst hohen Anteil an Farbstoff zu fixieren, d.h. einen hohen Fixiergrad zu erzielen. Dabei spielt die Affinität u. Reaktivität des R. sowie sein Aufziehvermögen (s. Aufziehen) eine wesentliche Rolle. Die Reaktivität eines R. läßt sich durch die Temp. u. den pH-Wert steuern. Je nach Reaktivität unterteilt man die R. in Heiß- u. Kaltfärber.

Heißfärber (60-80°) besitzen ein geringes Reaktionsvermögen u. müssen durch hohe Temp. u. starkes Alkali aktiviert werden. Dazu gehören z.B. Monochlortriazin- u. Trichlorpyrimidin-Farbstoffe.

Kaltfärber (40-60°) sind hochreaktive Farbstoffe mit Dichlortriazin-, Chlordifluorpyrimidin- od. Dichlorchinoxalin-Ankern, die ohne starkes Alkali u. bei relativ niedrigen Temp. bereits mit der Faser reagieren.

Die R. liefern echte, meist sehr brillante Textilfärbungen u. -drucke, v.a. mit Cellulosefasern, Seide, Wolle u. neuere Typen auch für Polyamid-Fasern.

Säurefarbstoffe

z.B.:Lurazol Rot E

(anionische Farbstoffe). Bez. für vorwiegend in der Textilfärbung eingesetzte wasserlösl. synthet. Farbstoffe, die bes. auf tier. Fasern (v.a. Wolle), aber auch auf Casein- u. Polyamid-Fasern aus saurem od. (selten) neutralem Bade direkt aufziehen. Wolle hat einen amphoteren Charakter, der isoelektrische Punkt liegt bei pH 4.5. Sie enthält zur Bindung basischer und saurer Farbstoffe saure (z.b.: Carboxyl) und basische (z.B.: Amino) Gruppen. Färbungen mit basischen Farbstoffen sind wenig lichtecht, daher verwendet man Säurefarbstoffe zum Färben von Wolle. Säurezusatz beschleunigt, Salzzusatz verzögert das Aufziehen. Die Färbung der Wolle mit S. beruht auf einer Salzbldg. zwischen den bas. Gruppen des Wolleiweißes (z.B. NH2-Gruppen; Wolle ist reich an Arginin!) u. den sauren Gruppen der S. (SO3H-Gruppe, COOH-Gruppe u. dgl.); daneben können sich aber noch andere Gruppen (Hydroxy-, Azo-, Aldehyd-Gruppe usw.) sowie Adsorptionsvorgänge usw. beteiligen. Als Säuren benutzt man bei der Färbung verd. Schwefelsäure, Essigsäure, Ameisensäure, Weinsäure od. Natriumhydrogensulfat, als Salzzusatz Natriumsulfat.

Basische (Kationische) Farbstoffe

z.B.: Basacryl Blaugrün X-5GN 300%

Bez. für Farbstoffe, deren Amino-Gruppen (die auch substituiert sein können) nicht frei, sondern mit in die Resonanz einbezogen sind (Ausbldg. der Ammonium-Gruppe). Es handelt sich hauptsächlich um Xanthen-, Azin-, Oxazin-, Thiazin-, Methin- sowie Di- u. Triarylmethan-Farbstoffe, die in Form von Salzen (z.B. Chloriden) vorliegen; Beisp.: Chrysoidin, Fuchsin, Methylenblau, Methylviolett, Rhodamin, Safranin, Kristallviolett, Viktoriablau, Gentianaviolett u. der erste synthet. Teer-Farbstoff (das Mauvein von Perkin, 1856). Die k. F. werden gelegentlich auch als basische Farbstoffe od. gar Farbbasen bezeichnet, obwohl diese Bez. besser auf die nicht wasserlösl. Farbstoffe mit freien, also nicht quaternisierten NH2-Gruppen passen.

Zahlreiche basische Farbstoffe färben tierische Fasern (Wolle) mehr oder weniger gut an. die Lichtechtheit solcher Färbungen ist jedoch gering. Sehr naß- und lichtechte Färbungen erhält man mit basischen Farbstoffen auf anionisch (z.B. mit Sulfoiosophatsäure) modifizierten Polyacrylnitrilfasern.

Dispersionsfarben

z.B.: R Celliton oder R Palani der BASF;

(Kunststoffdispersionsfarben). Sammelbez. für Anstrichstoffe auf der Basis von Polymerdispersionen (Kunststoff-, Kunstharz-Dispersionen) u. Pigmenten. Die D. werden oft auch als Latexfarben od. summar. als Binderfarben bezeichnet; sie müssen begrifflich von Dispersionsfarbstoffen unterschieden werden. Beim Färben dringen die im Färbebad molekular gelösten Farbstoffanteile durch Diffusion in die Faser ein, bilden dort eine feste Lösung und ergeben dadurch echte Färbungen. Eine modernere Variante ist der sog. Transferdruck, bei dem D. von Papier thermisch auf Stoffe übertragen werden. Zu unmodifizierten Zellulosefasern haben D. keine Affinität.

Direktfarbstoffe

z.B.: R Sirius der Fa. Bayer.

Eignen sich zum Färben von Zellulosefasern. D. da sie zur Applikation nicht chem. verändert und auch nicht mit der Faser zur Reaktion gebracht werden müssen, sondern direkt die endgültige Farbe ergeben. d. sind großmolekulare Säurefarbstoffe; ihre Affinität zur Faser beruht auf ihrer gestreckten Molekülstruktur.