Referat: Färben mit modernen Farbstoffen
Inhaltsangabe
- Was sind Farbstoffe?
- Geschichtliches
- Wirtschaftliche Bedeutung von Farbstoffen
- Begriffserklärungen:
- Wolle
- Baumwolle
- Seide
- Polyester
- Beizenfarbstoffe als Beispiel für ältere Farbstoffe
- Welche modernen Farbstoffe gibt es?
- Färben mit modernen Farbstoffen
- Indigo, ein typischer Küpenfarbstoff
1. Was sind Farbstoffe?
In der Farbindustrie werden alle farbgebenden Stoffe unter dem Sammelbegriff FARBMITTEL zusammengefasst.
Dabei unterscheidet man zwischen FARBSTOFFEN und PIGMENTEN.
Farbmittel werden als Farbstoffe bezeichnet, wenn sie sich in dem zu färbenden Medium lösen oder in Lösung verarbeitet werden. Natürliche organische Farbstoffe können pflanzlichen oder tierischen Ursprungs sein.
Heute haben jedoch die synthetischen organischen Farbstoffe die natürlichen Farbstoffe weitgehend verdrängt. Überwiegend werden sie zum Färben von Textilien eingesetzt.
2. Geschichtliches
Farben sind keine Erfindung des Menschen , sondern diese hat die Natur vorrätig.
Neben den Farben von Himmel und Gestein ist vor allem die Pflanzenwelt sehr bunt.
Während hier einige Farbstoffe zum unmittelbaren Leben benötigt werden, z.B. der im Chlorophyll enthaltene grüne Farbstoff, setzen Pflanzen Farben zur Identifikation, zur Abschreckung oder zur Anziehung von Tieren gezielt ein. Sie sichern sich damit ihr Überleben und ihre Fortpflanzung.
Auch wir Menschen haben uns die Farben zu Nutze gemacht. So ist es zu verstehen, dass der Mensch schon sehr früh Farben in seine unmittelbare Umwelt gebracht hat. Neben ästhetischen Gesichtspunkten stand hier im wesentlichen die Beeinflussung der Überlebenschancen im Rahmen ritueller Handlungern im Vordergrund. Aus der Zeit zwischen 40.000 und 10.000 v. Chr. sind Höhlenmalereien bekannt, die den Menschen vermutlich als Zauber für die Jagd dienten. Jede Farbe hat eine gewisse Bedeutung. Die Farbe rot zum Beispiel, schützte Häuser durch ihre blutige Farbe, aber auch Gebrauchsgegenstände, Vorratsgefäße und letztlich auch den Leichnam eines Toten in einer Welt böser Geister, wie es damals angenommen wurde.
Hierfür wurden vorwiegend Farben mineralischer Herkunft verwendet. Diese sind auch geeignet zum Herstellen von Körperfarben und Schminken, nicht aber zum Färben von Textilien.
Wann jedoch zum ersten Mal Textilien gefärbt wurden, lässt sich heutzutage jedoch nicht mehr feststellen. Die ältesten Funde machte man in Anatolien. Man fand Gewebefragmente aus dem 6. vorchristlichen Jahrtausend. Es handelte sich zweifelsfrei um gefärbte Wolle. Man kann davon ausgehen, dass damals das Beizen, indem man die Faser in Aluminium- oder Eisensalzen tränkte, erfunden wurde. Anschließend wurde die Wolle mit pflanzlichen Extrakten gefärbt. Diese Extrakte waren zum Beispiel Blätter, Blüten, Früchte, Rinden, Wurzeln, Hölzer, ganze Pflanzen, verschiedene Meeresschnecken oder Schildläuse.
3. Wirtschaftliche Bedeutung von Farbstoffen
Man schätzt das heutzutage jährlich in der Welt etwa vier Millionen Tonnen farbige Substanzen verbraucht werden. Das entspricht einem Wert von ca. 11 Milliarden Euro.
Etwa 40% des gesamten Weltbedarfs an Farbstoffen wird in Europa produziert. Damit stellt die Farbstoffindustrie einen wichtigen Wirtschaftszweig dar, der mit veränderter Produktions- und Anwendungstechnik und durch die ökologische und toxikologische Herausforderung auch in Zukunft Fortschritte auf dem Farbmittelgebiet ermöglichen wird.
4. Begriffserklärung
Wolle
Wolle als ein natürlich gewachsenes Tierhaar ist eine kompliziert aufgebaute Substanz. Hauptbestandteil getrockneter Wolle sind zu ca. 97% Wollproteine, außerdem besteht sie noch aus 2% Fetten und 1% sind anorganische Bestandteile. Eine Elementaranalyse ergibt, dass wasserfreie Wolle aus ca. 50,5% Kohlenstoff, 6,8% Wasserstoff, 22% Sauerstoff, 16,5%Stickstoff, 3,7% Schwefel und 0,5% Asche besteht. Mit Ausnahme des Schwefels ist die Zusammensetzung typisch für alle Proteine. Als Eiweißfaser besteht die Wolle hauptsächlich aus Keratinen, die zu der Gruppe der Skleroproteinen zählen. Wie bei allen Proteinen ist auch bei den Keratinen die Aminosäure der kleinste chemische Baustein.
Baumwolle
Baumwolle ist eine krautige bzw. strauchige tropische Nutzpflanze der Gattung Gossypium
aus der Familie der Malvengewächse. Die Fruchtkapseln der Baumwolle liefern Fasern, die zu Textilgarnen (Cotton) versponnen werden. Baumwolle ist die wichtigste pflanzliche Faser. Sie besteht aus CELLULOSE. Gegen Alkalien ist Cellulose relativ gut beständig. Säuren dagegen spalten die glykosidischen Bindungen zwischen den Glucose- Bausteinen.
Seide
Seide ist eine Textilfaser aus dem Gespinst mehrerer Tierarten (im Gegensatz zu Kunst- Seide). Im engeren Sinne versteht man unter Seide die echte oder Maulbeer- Seide, die aus Kokons des Maulbeerseidenspinners gewonnen wird. Seide anderer Seide- Spinner, werden als wilde Seide bezeichnet (z.B. Tussah- Seide).
Die Puppe in den Kokons wird durch Erhitzen getötet. Danach werden die Kokons eingeweicht. Die äußere Faserschicht (Flock- Seide) wird abgebürstet. Anschließend wird der Faden abgehaspelt. Von dem insgesamt etwa 3000-4000m langen Faden ist etwa ein Drittel abhaspelbar. 7- 9kg getrocknete Kokons liefern 1kg Roh- Seide. Diese wird entgummiert, teilweise entbastet und entzwirnt.
Polyester
Polyester erhält man durch Polykondensation mehrwertiger Alkanole mit Dicarbonsäure- Molekülen. Polyesterfasern sind scheuerfest und knittern nicht. Die geringe Wasseraufnahme von Geweben aus solchen Fasern wirkt sich günstig beim Waschen aus.
5. Beizenfarbstoffe als Beispiel für ältere Farbstoffe
Wie bei der Baumwolle gehört die Verwendung von Beizenfarbstoffen auf Wolle und Seide der Geschichte an. Dabei reihen sich die weitaus meisten der von der Natur in Flechten, Pilzen, Pilze, Blütenblättern und Tieren gelieferten Farbstoffe in diese Färbeklasse ein. Die Beizenfarbstoffe werden erst auf der Faser entwickelt, indem sie einen unlöslichen Farblack als Pigment bilden.
Pigmente sind Farbmittel, die im Anwendungsmedium nicht löslich sind.
Das Färbegut wird in einer Lösung eines Metallsalzes, zum Beispiel Aluminiumchlorid, eingetaucht und von dieser durchdrungen. Das solchermaßen vorbehandelte Färbegut wird sodann mit der Farbstofflösung versetzt, woraufhin sich der unlösliche Farblack auf der Faser bildet.
6. Welche modernen Farbstoffe gibt es?
- Reaktivfarbstoffe
- Azofarbstoffe
- Direktfarbstoffe
- Dispersionsfarbstoffe
- Küpenfarbstoffe
7. Färben mit modernen Farbstoffen
a) Reaktivfarbstoffe
Reaktivfarbstoffe sind seit etwa 1954 auf dem Markt und gehören zu den neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Textilfärbung. Mit dieser Gruppe von Farbstoffen werden hauptsächlich Cellulosefasern gefärbt, doch gibt es seid 1960 auch Reaktivfarbstoffe, die Wolle und Polyamidfasern färben.
Reaktivfarbstoffe sind Farbstoffe, die eine kovalente Bindung mit den Bestandteilen der Faser des Färbegutes ausbilden. Sie sind somit fest am Färbegut fixiert, entsprechend weisen sie eine sehr hohe Haftung und Waschechtheit auf. Die Farbstoffe bestehen aus einer Farbkomponente und einer Reaktivkomponente. die Reaktivkomponente hat jedoch nichts mit der Farbe an sich zu tun. Einer der wichtigsten Reaktivkomponenten ist der Dichlortriazin- Rest. Als Farbstoffkomponente eignen sich im Prinzip alle organischen Farbstofftypen. Sehr häufig verwendet man Azo-, Anthrachinon- und Kupferphtalocyaninfarbstoffe, die man über eine Aminogruppe mit der Reaktivkomponente verknüpft.
b) Azofarbstoffe
Azofarbstoffe bilden zahlenmäßig die größte Gruppe der Farbstoffe. Bei der Färbung wird das Textilgut zuerst mit der basischen Lösung einer Kupplungskomponente, zum Beispiel farblosem Naphthol AS behandelt, das von der Faser aufgenommen wird. Auf die so vorbehandelte Faser lässt man nach dem Trocknen eine Diazoniumsalz- Lösung einwirken, wobei durch Kupplung ein Azofarbstoff entsteht. Durch Variation der Diazo- und der Kupplungskomponente lassen sich fast alle Farbtöne erzielen. Als Diazokomponente verwendet man in festem Zustand beständige Diazoniumsalze, die man als Echtfärbesalze bezeichnet.
Die Azofarbstoffe werden zum Färben von Wolle, Baumwolle, Zellwolle, Seide, Kunstseide, Hanf, Jute, Leinen, Ölen, Fetten, Wachsen, Stroh, Holz, Papier usw. benutzt. Einzelne Azofarbstoffe sind als Lebensmittelfarben zugelassen, die Verwendung geht jedoch immer mehr zurück.
Azofarbstoffe selber sind im allgemeinen nicht gesundheitsgefährlich. Einige können jedoch unter Umständen aromatische Amine freisetzen, die wiederum als krebserzeugend bzw. giftig einzustufen sind. Diese aromatischen Amine können durch Speichel oder Schweiß gelöst werden (z.B. aus farbigen Textilien) und in den Körper gelangen.
Azofarbstoffe, die erwiesenermaßen giftige bzw. krebserzeugende Amine freisetzen können, sind in Deutschland für Bedarfsgegenstände wie Textilien, Schmuck oder Kosmetikartikel verboten.
c) Direktfarbstoffe
Ein vollkommen anderes Färbeprinzip verfolgen die Direktfarbstoffe, die chemisch mit der Faser des Färbegutes verbunden sind und sich ohne Hilfe weiterer Chemikalien an die Faser anlagern. Sie sind wasserlöslich und weisen funktionelle Gruppen auf, die eine kovalente Bindung mit funktionellen Gruppen des Färbeguts ausbilden können. Unter einer funktionellen Gruppe versteht man den Molekülteil, der das Reaktionsverhalten organischer Verbindungen bestimmt.
Besonders gut für Direktfarbstoffe geeignet sind Fasern aus Wolle und Seide, da diese aus Proteinen bestehen. Proteine weisen zahlreiche saure und basische funktionelle Gruppen auf, die mit einem Farbstoff reagieren können.
d) Dispersionsfarbstoffe
Dispersionsfarbstoffe sind unpolar und nahezu wasserunlöslich. Sie dienen überwiegend zur Färbung von halb- und vollsynthetischen Fasern, vor allem Polyesterfasern und Acetatseide.
Etwa die Hälfte der im Handel befindlichen Dispersionsfarbstoffe sind Azoverbindungen. Durch mechanisches Mahlen und durch Zusatz von Hilfsstoffen wird aus Dispersionsfarbstoffen eine wässrige Suspension hergestellt. Unter einer Suspension versteht man die Aufschlämmung eines Feststoffs in einer Flüssigkeit. Bei Kochtemperatur diffundiert (verschmilzt) der fein dispergierte
(verteilte) Farbstoff in die Faseroberfläche ein und wird in der Faser gelöst. Durch Färbebeschleuniger, die dem Farbbad zugesetzt werden, wird die Diffusion (= selbstständige Vermischung von Gasen oder Flüssigkeiten aufgrund von Teilchenbewegungen) des Farbstoffs in die "aufgeweichte" Faseroberfläche gefördert.
Beim Thermosolieren wird die Faser im Färbebad imprägniert (= feste Stoffe mit Flüssigkeiten zum Schutz vor Wasser, Zerfall u.a. durchtränken), dann getrocknet und etwa 30 Sekunden heißer Luft von 200 °C ausgesetzt. Bei dieser Temperatur weicht die Faseroberfläche auf und der Farbstoff diffundiert in das Faserinnere.
e) Küpenfarbstoffe
Küpenfarbstoffe sind ein bereits seit alters her bekanntes Beispiel für Farbstoffe, die erst auf der Faser in Form von Pigmenten entstehen. Sie sind in Zwischenräumen des Färbeguts eingelagert und können dementsprechend leicht ausgewaschen werden. Falls das Färbegut keine Zwischenräume aufweist, die das Pigment aufnehmen können, ist eine Färbung nicht oder nur schwer möglich, so können zum Beispiel glatte Nylon- oder Polyethenfasern mit dem typischen Küpenfarbstoff INDIGO nicht gefärbt werden. Mit Küpenfarbstoffen werden hauptsächlich natürliche und halbsynthetische Cellulosefasern angefärbt. Wertvolle Küpenfarbstoffe sind die seit 1901 entwickelten Indanthrenfarbstoffe und einige andere Farbstoffe, die sich von Anthrachinon ableiten.
8. Indigo, ein typischer Küpenfarbstoff
Eigenschaften
Indigo ist im reinen Zustand ein dunkelblaues, kupferrot schimmerndes Pulver, welches in Alkohol nicht und in Wasser nur schwer löslich ist. In konzentrierter Schwefelsäure löst es sich mit grüner, beim Erwärmen mit blauer Farbe auf. Die Indigopflanze enthält keinen Indigo, sondern Indican, eine gelbe Vorstufe des Farbstoffes.
Erst nach einer Reihe von chemischen Umwandlungsprozessen entfaltet der äußerst lichtechte Farbstoff seine jeansblaue Farbe auf dem Textilmaterial.
Echter indischer Indigo ist im Handel in zu Blöcken gepressten Würfeln erhältlich. Der Farbstoff kann aus verschiedenen Indigopflanzen gewonnen werden. Zum einen aus den Indigopflanzen Indigofera arrecta, Indigofera tinctoria und Indigofera suffruticosa, und zum anderen aus
Färbewaid (Isatis tinctoria). Indigo kommt auf allen Kontinenten der Erde vor, jedoch hielt Indigo in Europa erst später Einzug.
Geschichtliches
Indigo ist neben Krapp und Reseda einer der ältesten bekannten, pflanzlichen Farbstoffe. Die ältesten Funde stammen aus einer steinzeitlichen Höhle in Frankreich. In Mumien der Ägypter, 2000 v. Chr., wurden mit Indigo gefärbte Bänder gefunden.
Färbungen mit künstlichen Indigo zeichnen sich durch eine wesentlich höhere Farbintensität und dunklere Färbungen aus.
Färben mit Indigo
Da Indigo selbst nicht wasserlöslich ist, muss er in eine wasserlösliche Form umgewandelt werden. Dies geschieht durch eine Reduktion des Indigos mit Hilfe von Natriumdithionit zu Indigoweiß, welches mit der zugegebenen Natronlauge ein wasserlösliches Salz bildet. Diese Umwandlung nennt man auch Verküpung. Die Farbe wechselt dabei von blau- violett nach gelb.
Beim Färbevorgang werden die Textilien in die Küpe mit dem wasserlöslichen Salz getaucht. Gelangt das vorerst gelb gefärbte Material an die Luft, wird die Verküpung mit Hilfe des Luftsauerstoffs rückgängig gemacht, der Stoff färbt sich von gelb über grün nach blau, und es entsteht auf dem Gewebe durch Oxidation wieder Indigo.
Verwendung von Indigo
Während der natürliche Indigo nur noch einen geringen Marktanteil besitzt, ist der künstliche Indigo ein wichtiger Farbstoff für die von Levi Strauß im Jahre 1850 erfundenen Jeans. Zunächst war die Jeans aus blauem, reißfestem Baumwoll- Stoff als Arbeitshose für die Goldgräber in Kalifornien gedacht. Nach und nach eroberte sie als modisches Kleidungsstück die ganze Welt. Noch heute werden die meisten Markenjeans mit Indigo gefärbt.
Quellenangaben:
Organische Chemie (Schroedel)
Chemie heute (Schroedel)
Farbstoffe, eine Übersicht (BAYER AG)
Harenberg Lexikon Verlag
Internet
www.pfeifer-langen.de/html/ingredients.php3?ingo=18
www.ciao.com/produkte/213212.html
www.schlecker.com/channels/jade/html/indexstart.html
www.Irpstore.com/dept.asp?dept_id=4
www.zauber-pflanze.de/allium.html
www.parkett-schmitz.de/biologie.html
www.eterne.de/deutsch/baumwolle/hauptteil_baumwolle.html
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