Farbstoff

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
(Weitergeleitet von Farbstoffe)
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Farbstoffe sind Farbmittel, die im Gegensatz zu Pigmenten in Anwendungsmedien wie Wasser oder anderen Lösungsmitteln löslich sind.[1] Sie lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren, wie z. B. nach ihrer Herkunft (Naturfarbstoffe / synthetische Farbstoffe), ihrer Verwendung (Textil-, Papier-, Lederfarbstoffe, usw.), ihrer chemischen Struktur (Chromophor) oder ihrem anwendungstechnischen Einsatzgebiet (Reaktivfarbstoffe, Küpenfarbstoffe, Dispersionsfarbstoffe, usw.).

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Über die Verwendung von Farbstoffen im Altertum gibt es wenige Kenntnisse, da sie relativ leicht durch die Einwirkung von Licht, Luft und Mikroorganismen zersetzt werden.[2] Mittels moderner analytischer Methoden (z. B. HPLC) lassen sich jedoch kleinste Spuren von Farbstoffen, beispielsweise der blaue, wasserlösliche Farbstoff Indigotin, auf über 3000 Jahre alten ägyptischen Textilien nachweisen.[3] Die Kultivierung der Indigopflanze (Indigofera tinctoria) ist bereits 2500 v. Chr. in Ägypten nachweisbar und aus der Antike sind Aufzeichnungen zum Färbeprozess mit Indigo überliefert (Papyrus Leidensis, Papyrus Holmiensis).[2] In Europa wurde dieser Farbstoff aus dem Färberwaid gewonnen. Dieser Zugang wurde im 17. Jahrhundert durch Einfuhr großer Mengen Indigo aus Ostindien unrentabel.[3]

Blick in die Historische Farbstoffsammlung der Technischen Universität Dresden

Die Verwendung des echten Purpurs, gewonnen aus der an der Küste des östlichen Mittelmeeres vorkommenden Purpurschnecke, ist ebenfalls bereits in der Antike nachweisbar. Für Rotfärbungen wurde das sehr teure Purpur zum Teil durch den im Krapp enthaltenen Farbstoff Alizarin ersetzt,[3] ein Farbmittel, das schon vor Christi Geburt bekannt war. Weitere seit alters her verwendete Farbstoffe natürlichen Ursprungs waren Henna, Kermes, Kurkuma und Safran.[2]

Mit der Entdeckung der Amerikas wurden natürliche Farbstoffe aus Hölzern (Blauholz, Rotholz, Gelbholz) in der Textil- und Lederfärberei, ferner für Haar- und Papierfärbung bedeutsam.[4] Ebenso wurde die Verwendung von echtem Karmin, gewonnen aus Cochenilleschildläusen (Dactylopius coccus Costa), in Europa populär.

Die Grundlage für die Entwicklung synthetischer organischer Farbstoffe wurde in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts gelegt. Friedlieb Ferdinand Runge isolierte und charakterisierte 1834 aus Steinkohlenteer, der bei der Verkokung von Steinkohle als Nebenprodukt anfällt, unter anderem Anilin und Phenol.[5] Der Chemiker August Wilhelm von Hofmann beschäftigte sich ab 1843 mit der Chemie des Steinkohlenteers und entwickelte zahlreiche neue Umsetzungen und Verfahren. Per Zufall fand 1856 Hofmanns Schüler William Henry Perkin den ersten synthetischen Farbstoff, das Mauvein, bei Oxidationsversuchen von Anilin.[6] In den Folgejahren nahm die Chemie der Teerfarben, insbesondere durch die Arbeiten von Hoffmann und seiner Schüler Perkin, Johann Peter Grieß, Carl Alexander von Martius (Gründer der Agfa) und Georg Merck (Gründer der Firma Merck & Co. in New York),[7] eine stürmische Entwicklung:

Wichtig für diese Entwicklung war die erfolgreiche großtechnische Herstellung und Vermarktung der neuen synthetischen Farbstoffe. So sicherte sich Perkin seine Erfindung durch ein Patent und gründete eine chemische Fabrik, in der bereits ab 1857 das Mauvein als Farbstoff zur Färbung von Seide und Baumwolle produziert wurde. In Deutschland wurden 1863 die spätere Hoechst AG (am 2. Januar 1863 als Theerfarbenfabrik Meister, Lucius & Co.)[12] und Bayer AG (am 1. August 1863 als Friedr. Bayer et comp.)[13] und zwei Jahre danach die BASF (am 6. April 1865 als Badische Anilin- und Sadafabrik)[14] gegründet.

Eine Weiterentwicklung der Farbstoffchemie im 20. Jahrhundert war die Einführung lichtechter Küpenfarbstoffe auf Anthrachinon-Basis. Das erste Beispiel war 1901 der bei der BASF entwickelte Farbstoff Indanthren-Blau, aus dem sich das Indanthren-Sortiment entwickelte.[10] In den zwanziger Jahren wurde durch die Erfindung der Dispersionsfarbstoffe das Färben hydrophober Kunstfasern, wie z. B. Acetatseide oder später Polyesterfasern ermöglicht. Mit der Entwicklung der Phthalocyanine, insbesondere dem Kupferphthalocyanin, wurde ab 1935 durch die ICI ein neuer metallhaltiger Chromophor hergestellt, der zunächst als Pigment verwendet wurde. Durch die Einführung von löslichmachender Sulfonsäuregruppen konnte dieser Chromophor auch als Farbstoff verwendet werden. 1951 wurden die ersten Reaktivfarbstoffe für die Färbung von Wolle eingeführt und ab 1956 Reaktivfarbstoffe für die Baumwollfärberei.
In den folgenden Jahrzehnten lag der Schwerpunkt der Textilfarbstoffentwicklung in der Verbesserung der anwendungstechnischen Eigenschaften. Beispielsweise durch die Entwicklung von bifunktionellen Reaktivfarbstoffen oder Reaktivfarbstoffen mit neuen Reaktivgruppen.[15]
Neben den textilen Anwendungen rückten im Laufe der Zeit die funktionellen Farbstoffe verstärkt in den Fokus. Dieser Begriff wurde 1993 für Farbstoffe geprägt, deren spezifische Anwendung nicht auf ihren ästhetischen Farbeigenschaften beruhen.[16] Funktionelle Farbstoffe werden unter anderem in der Medizin, der Pharmazie, der Fotovoltaik, bei der Datenspeicherung oder in der Druckindustrie eingesetzt.[17]

Wirkungsweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Licht ist für den Menschen im Bereich der Wellenlängen zwischen 380 und 790 nm sichtbar, der als Lichtspektrum bezeichnet wird. Trifft weißes Licht auf einen Körper, wird der Lichtstrahl teilweise reflektiert und teilweise absorbiert. Werden kurzwellige Anteile (ab 380 nm) absorbiert, so enthält die remittierte Strahlung vorwiegend langwellige Anteile (bis 790 nm) und der Farbeindruck ist Rot. Bei vorwiegend langwelliger Absorption von 790 nm an aufwärts ist die Farbwahrnehmung des reflektierten Lichts Violett.

Sichtbares Anregungslicht (oben) und das Farbspektrum der Farbstoffe (unten)

Farbstoffe absorbieren ebenfalls einen Teil des sichtbaren weißen Lichtes und reflektieren den nicht absorbierten Teil des weißen Lichtes. Sichtbar ist jeweils eine Mischung aus den Komplementärfarben des vom Farbstoff absorbierten Lichts.

Sofern der Farbreiz vom reflektierten Strahlungsanteil hervorgerufen wird, spricht man von Körperfarben. Der von einer selbst leuchtenden Lichtquelle kommende Farbreiz wird demgegenüber als Lichtfarbe bezeichnet.

Auf atomarer Ebene bestimmen die konjugierten Doppelbindungen und aromatischen Grundkörpern der Moleküle darüber, welches Anteile des Lichts absorbiert werden. Dabei werden die Elektronen im konjugierten Doppelbindungssystem auf einen höheren Energiezustand gehoben und das Farbstoffmolekül gibt die Energie durch Strahlung in einer anderen Wellenlänge (oder durch Wärmestrahlung) wieder ab.[18]

Durch die Änderung funktioneller Gruppen der Aromaten (Nitro-, Sulfonsäure-, Dimethylamino-, Hydroxygruppen) kann der Absorptionsbereich eines Farbstoffs beeinflusst werden. Zugleich können dadurch die chemische Reaktivität sowie die Färbeeigenschaft beeinflusst werden.

Das Farbempfinden für einzelne Wellenlängen ist individuell leicht unterschiedlich ausgeprägt und hängt auch von Beleuchtung und Blickwinkel ab. Die Commission Internationale de l'Éclairage (CIE-Normvalenzsystem) hat mit vielen Testpersonen spektrale Empfindlichkeiten für Wellenlängen abgeleitet.[3]

Die Farbeigenschaften von Farbstoffen sind begründet

  • im Molekülaufbau des Farbstoffs selbst,
  • in seinen Molekül- und Atomschwingungen,
  • in der Konzentration des Farbstoffs sowie
  • in seinem Bindungszustand am oder im jeweiligen Medium.

Art und Weise der Bindung des Farbstoffs hängt auch vom Substrat (Textil, Papier, Kunststoff, Lack) ab. Die Bindung an einen Festkörper oder die Verteilung in einer Lösung können den Farbton ändern (vgl. Solvatochromie).

Die spektrale Verteilung des zurückgeworfenen Lichtes entspricht dem eingestrahlten Licht abzüglich der Absorptionen durch den Farbstoff.

Bei der Absorption von elektromagnetischer Strahlung werden Elektronen in Molekülen oder Atomen auf ein höheres Energieniveau angehoben. Die Energiedifferenz ist proportional zur Frequenz des eingestrahlten Lichts und jeweils ein Vielfaches des Planck´schen Wirkungsquantums. Es gilt: ΔE = hν.

Da diese Vorgänge unter Quantenbedingungen ablaufen, findet die Absorption nicht kontinuierlich über das gesamte Spektrum statt, sondern erfolgt in Sprüngen, die der Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus von zweier elektronischer Zustände eines Moleküls entsprechen. Dieser Energieunterschied ist umgekehrt proportional zu der absorbierten Wellenlänge des einfallenden Lichts und bestimmt somit die Farbe, in der der Farbstoff erscheint.

Chemisch-physikalische Grundlagen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

π-Elektronenverschiebung und Polarisation im p-Aminoazobenzol. Die NH2-Gruppe mit ihrem freien Elektronenpaar wirkt dabei farbvertiefend.
π-Überlagerung von aromatischen Ringen und einer Azogruppe am Beispiel des p-Aminoazobenzols.

Die Eigenschaft einer Verbindung, ein „Farbstoff“ zu sein, ist in der chemischen Struktur des Materials begründet. Moleküle mit σ-Bindungen absorbieren elektromagnetische Energie im Röntgen- und UV-Bereich. Moleküle mit Elektronen in π-Bindungen (ungesättigte Bindungen) dagegen werden bereits bei geringerer Energie von elektromagnetischen Wellen (oder Photonen) angeregt. Wechselwirkungen dieser Art im langwelligen UV- und besonders im sichtbaren Bereich des Lichts lösen den Farbreiz aus.

Bei mehreren konjugierten ungesättigten Bindungen im Molekül wandern die π-Elektronen, sie delokalisieren. Mit steigendem Grad der Konjugation wächst die Zahl der Energieniveaus, die zu dem entsprechenden π-Orbital gehören. Entsprechend sinkt der Energieunterschied zwischen dem höchsten mit Elektronen besetzten und dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital. Dadurch verringert sich der energetische Abstand zwischen Grundzustand und angeregtem Energiezustand des Moleküls und folglich verschiebt sich das Absorptions- oder Emissionsmaximum in Richtung längerer Wellenlängen, wobei der Absorptionsbereich umso langwelliger wird, je mehr solcher ungesättigten Bindungen konjugiert sind.[19] (→Bathochromer Effekt)

Geeignete Molekülstrukturen werden nach der Farbstofftheorie von Otto Nikolaus Witt Chromophore genannt, deren Schwingungseigenschaften durch Auxochrome (Elektronendonatoren) und Antiauxochrome (Elektronenakzeptoren), die die delokalisierten π-Elektronen des Chromophors weiter verschieben und/oder polarisieren, noch einmal wesentlich beeinflusst werden können.

Chromophore[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Chromophore sind jene Grundstrukturen, die delokalisierbare Elektronen enthalten. Die Art der Chromophore beeinflusst dabei über deren Absorptionsmaximum den Farbton des Farbstoffes, während die Häufigkeit der Chromophore die Farbtiefe beeinflusst. Als Chromophore wirken dabei insbesondere folgende Molekülstrukturen:

Chromophore
R–C=C–R R–N=N–R R–NO2 R–C=O R–C=NH R–N=O

Durch die Absorption des ungesättigten Kohlenstoffs wird ein −I-Effekt angeregt, der sich auf das gesamte Molekül auswirkt und dadurch eine Verschiebung der Molekülstruktur bewirkt.

Auxochrome[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine weitere Anhebung kann mit funktionellen Gruppen erreicht werden, die als Elektronendonatoren bzw. Elektronenakzeptoren wirken und die Mesomerie im Molekül erhöhen, indem sie Elektronen zur chromophoren Gruppe hin oder von ihr weg verschieben. Als solche Auxochrome bzw. Antiauxochrome wirken dabei insbesondere folgende funktionelle Gruppen:

Auxochrome Antiauxochrome
R–OH R–O–R' R-NH2 R–NH–R' R–NHCO–R' R2–C=O R–NO2 R–CHO R–COOH R–SO3H R–C=NR'

Wichtige Umsetzungen für Farbstoffsynthesen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Synthese des Azofarbstoffes Organol Brown N (4) aus Anilin (1) und 1-Naphthol (3). Während dieser Azokupplung wird Benzoldiazoniumchlorid (2) mit 1-Naphthol gekuppelt.
Synthese des Triphenylmethanfarbstoff Malachitgrün (4) aus Benzaldehyd (1) und N,N-Dimethylanilin (2).

Einteilung von Textilfarbstoffen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Klassifikation von Farbstoffen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Farbstoffe werden nach ihrer chemischen Struktur oder nach ihrem Anwendungsbereich klassifiziert. Ein neu entwickelter, verbesserter Farbstoff muss bestimmte Voraussetzungen erfüllen, um für einen wirtschaftlichen Verwendungszweck geeignet zu sein. Wichtige Voraussetzungen für Textilfarbstoffe sind beispielsweise Lichtechtheit (kein Ausbleichen der Farbe unter Lichteinfluss), Waschechtheit (Farbstoff darf sich beim Waschen nicht von der Faser lösen), Chlorbleichechtheit, Bügelechtheit. Durch standardisierte Tests können die Eigenschaften der Farbstoffe verglichen werden. In ca. 70 DIN-Normen (54000-54077) sind die Prüfverfahren festgelegt.[20]

Jeder Farbstoff besitzt einen vom Hersteller vergebenen Handelsnamen und seinen CI-(Colour Index-)Namen. Aus dem Handelsnamen und den nachfolgenden Buchstaben lassen sich Farbton (für einen rotstichigen Farbton steht meist R), Waschechtheit (W), Hitzebeständigkeit (A-D), Färbetemperatur (M = 40 °C, H = Hot = 80 °C) ermitteln. Aus dem CI-Index erkennt der Färber, um welche Farbstoffklasse, welche Substanz, welche Farbe es sich handelt. Im CI sind mehr als 10.000 Farbstoffe enthalten – mehr als 50 % davon sind Azofarbstoffe.[21]

Färbetechnische Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Farbstoffmoleküle als Träger der modischen oder gewünschten Farbnuance bestimmen die koloristischen Eigenschaften, durch Einbau von entsprechenden chemischen Gruppen lassen sich die Grundkörper, in gewissen Grenzen, dem Erfordernis der Fasern anpassen, die dem Gewebe eigen sind.

Säurefarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Patentblau-Farbstoffe

Anionische Farbstoffe, also Säurefarbstoffe, ziehen aus wässrigem Medium direkt auf die Faser auf. Ihrer Natur nach sind sie für Polyamidfasern und Wolle geeignet, auf denen sie mit der Aminogruppe elektrovalente Bindungen eingehen. Unterteilt werden die Farbstoffe dabei nach ihrem Migrationsvermögen (also der Kraft, Ungleichheiten = Unegalitäten auszugleichen) und ihren Nassechtheiten. Die Nassechtheit wird bestimmt, indem ein aus gebräuchlichen Fasern hergestelltes Multifaserband unter definierten Bedingungen gewaschen wird oder in Kontakt mit Wasser oder mit Schweiß gebracht wird. Das Echtheitsmaß ist der Grad der Anschmutzung der Fasern.

Wichtige Vertreter der Säurefarbstoffe sind Naphtholgelb S und die Patentblau-Farbstoffe.[8] Säurefarbstoffe gehören noch zur wirtschaftlich bedeutendsten Farbstoffgruppe. Mit den Beizenfarbstoffen wurden im Jahr 1999 allein für Westeuropa Säurefarbstoffe im Wert von 227 Millionen Euro verkauft.[22]

Beizenfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Name leitet sich vom Färbeverfahren ab, mit dem geeignete Säurefarbstoffe auf das gebeizte Färbegut aufgebracht werden. Um mit Beizenfarbstoffen zu färben, werden die zu färbenden Fasern zunächst mit Chrom(III)-, Eisen(III)- oder Aluminiumsalzen behandelt, gebeizt. Beim anschließenden Behandeln mit Wasserdampf bilden sich auf der Faser Metallhydroxide. Diese Hydroxide reagieren beim Einfärben mit dem (meist speziellen) Säurefarbstoff zu einer fixierbaren Komplexverbindung. Der Vorgang an der Faser entspricht einer Verlackung.[23]

Aufgrund der Schwermetallbelastung der Fasern und im Ergebnis der entstehenden Abwässer werden derartige Färbungen industriell nicht mehr durchgeführt. Der Nutzen und die Notwendigkeit dieser Behandlung bestand in der Verbesserung der Echtheiten, insbesondere der geringeren Auswaschbarkeit von farbintensiven Färbungen, durch die chemische Bindung auf der Faser. Ein wichtiger Farbstoff dieser Gruppe ist Alizarin.[8] Dieser Farbstoff wird auch bei mikroskopischen Untersuchungen als Farbbeize für das zu untersuchende Substrat verwendet.

Dispersionsfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die wasserunlöslichen, aber sehr feinteiligen Dispersionsfarbstoffe werden vorzugsweise zum Färben von Polyester-, Triacetat- und 2 ½-Acetatfasern eingesetzt. Nach der strengen Definition sind es Pigmente, die auf Grund der sehr geringen Teilchengröße und durch den Zusatz von Netzmitteln in Wasser leicht dispergieren. Ihr Einsatz ist für das Färben von synthetischen Fasern, die keine freien NH2- oder OH-Gruppen besitzen, notwendig. Nur mit ihnen lassen sich auf Polyester wasch- und lichtechte Färbungen erzielen. Durch Temperatur oder Färbehilfsmittel wird die Faser „aufgeweicht“, die polymeren Moleküle werden aufgeweitet, und die Dispersionsfarbstoffe migrieren in das Faserinnere, und bei der üblichen Nutztemperatur sind Farbstoffteilchen im Molekülgitter gefangen. Auch Polyamid und Polyacrylnitril lassen sich färben, die erreichten Echtheiten sind aber teilweise schlechter im Vergleich zu Färbungen mit basischen oder sauren Farbstoffen. Die Gründe liegen in der physikalischen Halterung der Farbstoffe statt der chemischen Bindung von Farbstoffgruppen an entsprechende Fasermoleküle.

Zu den Dispersionsfarbstoffen gehören viele Azofarbstoffe, die hierfür entsprechend modifizierte Strukturen erhalten. Dispersionsfarbstoffe sind besonders durch die mechanisch hochwertigen Polyesterfasern eine sehr wichtige Farbstoffgruppe. Die gesamte gehandelte Menge hatte im Jahr 1999 für Westeuropa einen Verkaufswert von 98 Millionen Euro.

Entwicklungs- oder Kupplungsfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Entwicklungsfarbstoffe werden in zwei Schritten auf die Faser aufgebracht. Zuerst wird die sogenannte Grundierung aufgebracht, eine wasserunlösliche Kupplungskomponente (Naphtol AS, 2-Hydroxynaphthalein-3-Carbonsäureanilid) mit Affinität zur Cellulose. Im zweiten Schritt reagiert diese mit einem wasserlöslichen Diazoniumsalz, wodurch der eigentliche Farbstoff auf der Faser entsteht.

Wichtige Entwicklungsfarbstoffe sind Anilinschwarz und Naphtholrot, die aber ihre Bedeutung verloren haben.[8]

Kationische Farbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kationische Farbstoffe, in der älteren Bezeichnung „basische Farbstoffe“, sind eine Farbstoffgruppe, die fast ausschließlich für Polyacrylnitril-Fasern (PAN) eingesetzt werden und lebhafte und sehr lichtechte Färbungen erzeugen. Basische Farbstoffe koppeln an die sauren Gruppierungen der Faser. Färbungen sind auch möglich auf anionisch modifiziertem Polyester, das als Effektfaden in einer stückgefärbten Webware zur Erzielung von Bicolorfärbungen eingesetzt wird. Gleiches gilt für anionisch modifiziertes Polyamid, das vielfach für stückgefärbte Teppiche verwendet wird. Wichtig sind sie für „Differential Dyeing“, wobei als zweite Komponente Polyamidfasern eingesetzt sind, die ihrerseits nur an Säurefarbstoff binden. Der Farbstoffumsatz der kationischen Farbstoffe betrug in Westeuropa im Jahr 1999 etwa 68 Millionen Euro.

Küpenfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Küpenfarbstoffe sind wasserunlösliche Farbstoffe, die durch Reduktion (Verküpung) in alkalischer Lösung zum Färben in ihre lösliche Dihydro- oder Leukoform gebracht werden. Das Anion zeigt eine ausreichende Affinität zur Baumwoll- oder Viskosefaser, so dass der Küpenfarbstoff aufziehen kann. Hier wird er durch anschließende Oxidation wieder in den unlöslichen Zustand überführt.[24] Es kann entweder durch Luftsauerstoff oder Behandlung durch Oxidationsmittel erfolgen. Der Farbstoff wird so quasi molekular an der Faser fixiert, dieses „Ausfällen in der Faser“ bewirkt die hohe Wasch- und Lichtechtheit.[25]

Die wohl bekanntesten Küpenfarbstoffe sind Indigo, Purpur und die indigoiden Farbstoffe. Zur gleichen Gruppe gehören die Indanthren-Farbstoffe. Der Farbstoffumsatz der Küpenfarbstoffe betrug in Westeuropa im Jahr 1999 etwa 87 Millionen Euro.

Metallkomplexfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Metallkomplexfarbstoffe, die teilweise zu den Säurefarbstoffen zählen, enthalten komplexartig gebundenes Chrom, Kobalt oder Kupfer als Zentralatom. Es gibt Metallkomplexfarbstoffe mit unterschiedlicher Anzahl an Säuregruppen (−SO3H). Entsprechend unterschiedlich ist die Stärke der Wechselwirkung mit dem Substrat. Überwiegend handelt es sich um Azofarbstoffe, jedoch gehören auch Phthalocyanine dieser Gruppe an. Die heute verwendeten Farbstoffe sind ökologisch unbedenklich und ergeben eine bessere Nassechtheit als metallfreie Säurefarbstoffe. Im Farbstoff ist nur noch ein äußerst geringer Rest an freiem Metall (vor allem Chrom) enthalten, der sich später auf der Faser nicht mehr nachweisen lässt.

Pigmentfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als „Pigmentfarbstoffe“ sind jene Farbmittel bezeichnet, die durch Verlackung an der Sulfon- oder Carboxygruppe Pigmenteigenschaften gewonnen haben (Kondensationspigmente). In der Textilfärberei werden sie mittels Bindemittel, Verdickungsmittel und Weichmacher auf die Textilfaser aufgebracht. Durch die Verlackung verbessern sich die Lichtechtheiten, aber Reib- und Lösemittelechtheiten sind geringer, da letztlich keine weitere chemische Kopplung an die Faser vorliegt. Weltweit werden mehr als 50 % der Textildrucke mit Pigmentfarbstoffen erstellt, Pigmentfärbungen sind dagegen selten bei hellen und eventuell bei mittleren Nuancen anzutreffen. Die Reibechtheiten reichen für dunkle Nuancen nicht. Die Färbung mit Pigmentfarbstoffen ist durch die mechanische Fixierung mit Bindemittel auf allen Faserarten geeignet und wird vor allem bei preiswerten Artikeln angewandt.

Reaktivfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Procionbrilliantorange GS, ein Reaktivfarbstoff auf der Basis von Cyanurchlorid

Reaktivfarbstoffe[26] stellen die größte Farbstoffgruppe zum Färben von Cellulose dar. Reaktivfarbstoffe bilden mit der Faser eine kovalente Bindung, wodurch sich nassechte Färbungen ergeben. Reaktivfärbungen übertreffen andere auch in der Farbbrillanz. Wolle/Polyamid kann ebenfalls mit Reaktivfarbstoffen in tiefen Nuancen gefärbt werden.

Chemisch gesehen bestehen die Reaktivfarbstoffe aus zwei Teilen: einem chromophoren Teil (etwa einer Azoverbindung N=N) und daran angeschlossen einer reaktiven Gruppe (bei bifunktionellen Reaktivfarbstoffen auch mehrere Reaktivgruppen). Die reaktive Gruppe kann beispielsweise durch Umsetzung mit Cyanursäurechlorid an die Farbstoffgruppe gekuppelt werden. Farbstoffe auf Basis von Cyanurchlorid enthalten zwei Chloratome, die während der Fixierung mit den Hydroxygruppen der Cellulose oder mit Aminogruppen von Wolle und Polyamid-Fasern substituiert werden können. Dies bewirkt eine kovalente Vernetzung der Fasern mit dem Farbstoff.[27]

Bei Remazol-Farbstoffen handelt es sich bei der reaktiven Gruppe um eine Vinylsulfongruppe, die beim Färben aus in den Farbstoffen enthaltenen Sulfonylethylhydrogensulfaten gebildet werden,[28] bei Levafix-Farbstoffen liegt die Gruppierung –SO2–NH–CH2–CH2–O–SO3H vor.[29] Reaktivfarbstoffe waren im Jahr 1999 eine sehr wichtige Farbstoffgruppe mit einem Umsatz für Westeuropa von 211 Millionen Euro (ca. 25 % des Gesamtfarbstoffumsatzes).

Substantive Farbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Substantive Farbstoffe (oder auch Direktfarbstoffe) werden aus wässriger Lösung direkt auf die Faser aufgetragen. Sie sind besonders für die Anwendung auf Cellulose geeignet. In früheren Zeiten wurden sie auch auf Polyamid gefärbt. Wegen gestiegener Echtheitsanforderungen wird dies heute kaum noch praktiziert. Diese Farbstoffe bilden hauptsächlich Nebenvalenzen (Wasserstoffbrückenbindungen und Van der Waals Bindungen), was die geringe Echtheit begründet.

Wichtige Vertreter dieser Klasse sind Kongorot, Benzopurpurin.[8] Der Umsatz für Westeuropa betrug für diese Farbstoffgruppe im Jahr 1999 etwa 71 Millionen Euro.

Chemische Strukturen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anthrachinonfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anthrachinonfarbstoffe, auch als Alizarinfarbstoffe bezeichnet, zeichnen sich auf vielen Fasern durch ihre gute Wasch- und Lichtechtheit aus (Indanthrenfarbstoffe) und leiten sich alle vom Anthrachinon und dem Alizarin ab.

Azofarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zentraler Bestandteil der Azofarbstoffe ist die Azogruppe (R–N=N–R'), die als chromophore Gruppe wirkt. Die Farbstoffsynthese erfolgt durch:

  1. Diazotierung aromatischer Amine zu Diazoniumkationen,
  2. Azokupplung des erhaltenen Diazoniumkations auf aromatische Phenole oder Amine (seltener β-Dicarbonyl-Verbindungen).

Farbstoffe können nach der Anzahl der Azogruppen im Farbstoffmolekül weiter unterteilt werden: Mono-Azofarbstoffe, Di-Azofarbstoffe mit zwei Azogruppen und Poly-Azofarbstoffe mit mehreren Azogruppen. Azofarbstoffe sind meist empfindlich gegen Reduktionsmittel; sie werden an der Azobrücke wieder gespalten und entfärben sich. In fast allen Farbstoffgruppen sind Azofarbstoffe vertreten und bilden die zahlenmäßig größte Gruppe. Bekannte Vertreter der Azofarbstoffe sind das Kongorot und das Alizaringelb R, auch das orange Chrysoidin zählt hierzu.

Alizaringelb R
Kongorot

Dioxazinfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dioxazin: blau

Dioxazinfarbstoffe enthalten mehrere Chromophore, die die Farbstärke bedingen. Die langwellige Verschiebung des Absorptionsmaximums ergibt ihren violetten Blauton. Je nach Abwandlung des Grundgerüstes erfolgt ihr Einsatz als Pigment oder mit koppelnden Gruppen als Direkt- oder Reaktivfarbstoff.

Indigofarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Alle Indigofarbstoffe sind Küpenfarbstoffe, speziell Indigo selbst sowie indigoide Farbstoffe wie Purpurfarbstoff.

Nitro- und Nitrosofarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei diesen Farbstoffen ist der Elektronendonator entweder eine Hydroxy- (–OH) oder eine Aminogruppe (–NH2). Diese steht in einem aromatischen π-Elektronensystem mit einer Nitro- oder Nitrosogruppe in Konjugation.

Einer der Vertreter der Aminonitrofarbstoffe ist die Pikrinsäure (2,4,6-Trinitrophenol) oder das Amidogelb B:

Als wichtige Vertreter der Hydroxynitrosofarbstoffe gelten Pigmentgrün B oder das Naphtholgrün B, die mit Fe(II) einen Komplex bilden:

Phthalocyaninfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Phthalocyaninfarbstoffe leiten sich von Phthalocyanin ab und finden vornehmlich in der Kunststoffverarbeitung als Pigmentfarbstoffe Verwendung. Als besondere Eigenschaften können Phthalocyaninfarbstoffe eine im Allgemeinen vorhandene starke Säure-, Laugen- und Lichtbeständigkeit aufweisen.

Schwefelfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schwefelfarbstoffe (Sulfinfarbstoffe) sind wasserunlösliche, schwefelhaltige Farbstoffe. Sie werden durch Schmelzen von Benzol-, Naphthalin- oder Anthrazenderivaten mit Schwefel gewonnen und sind von unbekannter Konstitution. Sie sind besonders geeignet zum Färben von Baumwolle. Der Farbstoff wird mit Natronlauge und Dithioniten oder Natriumsulfid in die wasserlösliche Form reduziert (Leukoverbindung) und nach Aufziehen auf die Faser durch Oxidation auf dieser unlöslich fixiert. Schwefelfarbstoffe sind besonders wasch- und lichtecht, die Farbtöne sind meist gedeckt.

Triphenylmethanfarbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Namensgebend ist der Grundbaustein Triphenylmethan. Mindestens zwei der aromatischen Ringe des Triphenylmethanfarbstoffs tragen elektronenliefernde Substituenten. Triphenylmethanfarbstoffe finden hauptsächlich in der Drucktechnik oder als Indikatoren Anwendung und sind im Allgemeinen wenig lichtecht. Vertreter hier sind Fuchsin, Kristallviolett, Phenolphthalein, Fluorescein, Eosin, Bromphenolblau.

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Farbstoffproduktion umfasst mehrere Arbeitsgänge nach der synthetischen Darstellung des entsprechenden Produktes. Die Operationen beinhalten die Filtration, Trocknung, Mahlung und Einstellung.

In der Pigmentindustrie oder bei schlecht wasserlöslichen Farbstoffen hat das Mahlen großen Einfluss auf den Färbungsprozess (Farbton, Farbstärke). Für wasserlösliche Farbstoffe sollte die Teilchengröße zwischen einem und 50 Mikrometer liegen. Durch das Einstellen können Farbton und Farbstärke den Erfordernissen angepasst werden. Zur Messung von Farbton, Farbstärke und Korngrößen gibt es heutzutage sehr preisgünstige Messgeräte.

In den 1960er und 1970er Jahren nahm auch der Einsatz von konzentrierten Farbstofflösungen zu, dadurch wurde die Staubbelastung in Färbereien geringer.

Funktionelle Farbstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Während konventionelle Farbstoffe etwa zur optischen Veränderung von Textilien, Leder und Papier eingesetzt werden, dienen funktionelle Farbstoffe in der Regel keinem ästhetischen Zweck.

Typische Einsatzgebiete sind Indikatorfarbstoffe, spannungsabhängige Farbstoffe[30] oder die Kennzeichnung von Heizöl durch Farbstoffe wie Sudanrot 7B oder Solvent Yellow 124.

Aus der Kenntnis der Farbabsorption von aromatischen oder mehrfach ungesättigten Verbindungen nach der Hückel-Regel können spezielle Farbstoffe hergestellt werden, welche

  • Licht bei einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und das absorbierte Licht in Wärme umwandeln (beispielsweise in DVDs, in der chemischen und biochemischen Analytik),[30]
  • das Licht bei einer anderen Wellenlänge wieder emittieren (als phosphoreszierende Biomarker oder Tinten, Fluoreszenz bei Farbstofflasern, Chemilumineszenz zum Brechen oder Neuknüpfung von chemischen Bindungen in der Biochemie),[30]
  • die Polarisationsrichtung des Lichts verändern (wie bei der Frequenzverdoppelung oder als optische Schalter),
  • elektrische Phänomene bewirken (in der Anwendung bei Laserdruckern),
  • fotochemische Prozesse ermöglichen.

Ökonomisch ist der Einsatz von funktionellen Farbstoffen für die Herstellung von CDs, DVDs besonders wichtig. Die Farbstoffmoleküle sind im Polycarbonat einer CD oder DVD enthalten. Durch den Laserstrahl des Brenners nehmen Farbstoffmoleküle Lichtenergie auf und setzen diese in Wärme um. Durch die Wärmeaufnahme schmilzt der Kunststoff, das Polycarbonat, an dieser Stelle. Die Oberfläche hat sich leicht verändert, die veränderte Oberflächenstruktur wird beim Leseprozess wahrgenommen.[31]

Gegenwärtige Farbstoff-Produktionsmengen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Zahl der neuentwickelten Farbstoffe ist in den letzten Jahren stark zurückgegangen. Zwischen 1995 und 1998 arbeiteten die europäischen Hersteller im Farbstoffsektor mit extrem schlechten Ergebnissen. Allein zwischen 1998 und 1999 sank der Umsatz um 20 %. Insbesondere Umweltkosten und Importdruck aus Asien führten zu erheblichen Umstrukturierungen in den USA und Westeuropa. Es kam zu vielen Fabrikschließungen.[22]

Der Weltumsatz für Farbstoffe (ohne Pigmente und optische Aufheller) betrug im Jahr 1999 6,6 Mrd. USD, das waren 0,7 % des Weltchemieumsatzes. Große Farbstoffhersteller sind Huntsman (ehemals Ciba) (15 %, Weltfarbstoffumsatz), DyStar (14 %, übernommen 2010 von Kiri Dyes and Chemicals, Indien), BASF (11 %, seit 2000 zu Dystar) und Clariant (8 %).[22]

Produktion von Farbstoffen in Deutschland 2007[32]
Substanzklasse Jahresproduktion in Tonnen Umsatz in Millionen Euro
Dispersionsfarbstoffe 3.911 31,0
Säure- und Beizenfarbstoffe 16.367 84,0
Basische Farbstoffe 9.084 32,3
Direktfarbstoffe 25.034 61,3
Andere Küpenfarbstoffe, Reaktivfarbstoffe, organische Pigmente 134.504 802,6
Optische Aufheller 102.295 111,3
Produktion von Farbstoffen in Westeuropa[22]
Substanzklasse Jahresproduktion in 1000 t 1998 Jahresproduktion in 1000 t 1999
Säure-, Metallkomplexfarbstoffe 23,0 18,9
Azo-, Naphtholfarbstoffe 6,5 2,9
Basische, kationische Farbstoffe 13,0 14,8
Direktfarbstoffe 16,0 8,6
Dispersionsfarbstoffe 24,0 23,5
Reaktivfarbstoffe 19,0 27,4
Küpenfarbstoffe, Indigo 11,0 5,5
Schwefelfarbstoffe 12,0 7,0
Sonstige 6,0 13,8

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • J. Fabian, H. Hartmann: Light Absorption of Organic Colorants. Theoretical Treatment and Empirical Rules. Springer, Berlin 1980, ISBN 3-540-09914-X.
  • Helmut Schweppe: Handbuch der Naturfarbstoffe. Vorkommen – Verwendung – Nachweis. ecomed, Landsberg/Lech 1993, ISBN 3-609-65130-X.
  • Lutz Roth, Kurt Kormann, Helmut Schweppe: Färbepflanzen – Pflanzenfarben. Botanik – Färbemethoden – Analytik – Türkische Teppiche und ihre Motive. ecomed, Landsberg/Lech 1992, ISBN 3-609-65490-2.
  • Heinrich Zollinger, A. Iqbal: Color Chemistry: Syntheses, Properties and Applications of Organic Dyes and Pigments. 3. Auflage. Helvetica Chimica Acta / Wiley-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-906390-23-3.
  • Sabine Struckmeier: Naturfarbstoffe: Farben mit Geschichte. In: Chemie in unserer Zeit. Band 37, Nr. 6, 2003, S. 402–409, doi:10.1002/ciuz.200300275.
  • Guido Ebner, Dieter Schelz: Textilfärberei und Farbstoffe. Springer-Verlag, Berlin 1989, ISBN 978-3-642-70172-6 (Reprint 2011).
  • Wilfried Kratzert, Rasmus Peichert: Farbstoffe. Quelle & Meyer, Heidelberg 1981, ISBN 978-3-494-01021-2.
  • Herbert Vogler: Gefärbt wird schon seit Jahrtausenden – ein Überblick über die Färberei der Antike. In: Textilveredlung. Band 21, 1986, S. 229–235.
  • Anthony Travis: The Rainbow Makers: The Origin of the Synthetic Dyestuff Industry in Western Europe. Bethlehem / London / Toronto 1993, ISBN 978-0-934223-18-8.
  • Herbert Vogler: 150 Jahre Farbstoffindustrie. In: Textilveredlung. Band 42, 2007, S. 11–14.
  • Herbert Vogler: 150 Jahre Farbstoffindustrie. In: Textilveredlung. Band 43, 2008, S. 10–14.
  • Martin Klessinger: Konstitution und Lichtabsorption organischer Farbstoffe. In: Chemie in unserer Zeit. Band 12, 1978, S. 1–11.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Farbstoff – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. DIN 55943. In: Deutsches Institut für Normung e. V. (Hrsg.): Farbmittel 1. 7. Auflage. DIN-Taschenbuch 49. Berlin, Wien, Zürich 2012, ISBN 978-3-410-23202-5, S. 509.
  2. a b c Wolfgang Glöckner, Walter Jansen, Rudolf G. Weißenhorn (Hrsg.): Handbuch der experimentellen Chemie Sekundarbereich II. Band 10, Aulis Verlag Deubner & Co. KG, Köln 2008, ISBN 978-3-7614-2388-2, S. 304–309.
  3. a b c d Christian-Herbert Fischer: Historische Farbstoffe. In: Spektrum der Wissenschaft. Nr. 10, 1997, S. 104 ff.
  4. Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie. 4. Auflage. Band 11, Stichwort: Farbstoffe, natürliche, S. 103.
  5. Karl Aloys Schenzinger: Anilin. Zeitgeschichte-Verlag Berlin, 1937, OCLC 6866470.
  6. Karl Hübner: Historie: 150 Jahre Mauvein. In: Chemie in unserer Zeit. Band 40, Nr. 4, 2006, S. 274–275, doi:10.1002/ciuz.200690054.
  7. Hans Joachim Störig: Kleine Weltgeschichte der Wissenschaft 2. 4. Auflage. Fischer Taschenbuch, 1982, ISBN 3-596-26399-9, S. 136–137.
  8. a b c d e f Hermann Raaf: Organische Chemie im Probierglas. 13. Auflage, Kosmos Verlag, Stuttgart 1975, ISBN 3-440-04266-9, S. 186.
  9. Joachim Rudolf: Knauers Buch der modernen Chemie. Th. Knauer Nachf., München/Zürich 1975, ISBN 3-426-00381-3, S. 257–263.
  10. a b c 1865–1901: Das Zeitalter der Farben. basf.com. Abgerufen am 9. November 2018.
  11. Renate Kaiser-Alexnat: Indigo – Der König der Farbstoffe. In: Südostasien Magazin. Ausgabe 3, 2008 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  12. Ernst Bäumler: Die Rotfabriker. R. Piper GmbH & Co. KG, München 1988, ISBN 3-492-10669-2.
  13. Unternehmensgeschichte Bayer AG, abgerufen am 8. November 2018
  14. Werner Abelshauser (Hrsg.): Die BASF: Eine Unternehmensgeschichte. 2. Auflage. C.H. Beck, München 2003, ISBN 3-406-49526-5 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  15. Klaus Hunger (Hrsg.): Industrial Dyes: Chemistry, Properties, Applications. WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2003, ISBN 978-3-662-01950-4 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  16. John Griffiths: Funktionelle Farbstoffe. Ein neuer Trend in der Farbstoffchemie. In: Chemie in unserer Zeit. Band 27, Nr. 1. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 1993, S. 21–31.doi:10.1002/ciuz.19930270104
  17. Funktionellen Farbstoffe – Von den Wurzeln der Farbstoffchemie bis hin zu HighchemProdukten. chemanager-online.com. Abgerufen am 13. November 2018.
  18. Friedrich Ische: Farbstoffe. In: Angewandte Chemie. 2, Fischer Taschenbuch, Frankfurt a. M. 1977, ISBN 3-436-02460-0, S. 174–192.
  19. K.Peter C. Vollhardt: Organische Chemie, VCH, Weinheim, 1. Auflage 1988, S. 618, ISBN 3-527-26912-6.
  20. Farbstoffe. In: Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik. Zweiburgen Verlag, Weinheim 1981, S. 1308.
  21. Kirk-Othmer, Jacqueline I. Kroschwitz: Encyclopedia of Chemical Technology. 5. Ausgabe, Vol. 9, 2005, ISBN 978-0-471-48494-3, S. 349.
  22. a b c d Roland Dittmeyer, Wilhelm Keim, Gerhard Kreysa, Karl Winnacker, Leopold Küchler: Chemische Technik, Prozesse und Produkte. Band 7, Industrieprodukte, 5. Auflage. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004, ISBN 3-527-30772-9, S. 397 ff.
  23. P. Rys, G. Zollinger: Leitfaden der Farbstoffchemie. 2. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim 1976, ISBN 3-527-25650-4, S. 181, 182.
  24. Bertram Philipp, Peter Stevens: Grundzüge der Industriellen Chemie. VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1987, ISBN 3-527-25991-0, S. 321.
  25. Wittko Francke, Wolfgang Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2004, ISBN 3-7776-1221-9, S. 684 f.
  26. H. Zollinger: Chemismus der Reaktivfarbstoffe. In: Angew. Chem. 73, Nr. 4, 1961, S. 125–136, doi:10.1002/ange.19610730402.
  27. Wittko Francke, Wolfgang Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie. 24. Auflage 2004. S. Hirzel Verlag, Stuttgart, ISBN 3-7776-1221-9, S. 640.
  28. J. Heyna: Reaktivfarbstoffe mit Vinylsulfongruppen. In: Angew. Chem. 74, Nr. 24, 1962, S. 966–969, doi:10.1002/ange.19620742403.
  29. K. G. Kleb: Levafix-Farbstoffe, Chemismus und Praxis. In: Angew. Chem. 74, Nr. 17, 1962, S. 698–699, doi:10.1002/ange.19620741722.
  30. a b c John Griffiths: Funktionelle Farbstoffe. Ein neuer Trend in der Farbstoffchemie. In: Chemie in unserer Zeit. 27, Nr. 1, 1993, S. 21–31, doi:10.1002/ciuz.19930270104.
  31. Klaus Roth: Die Chemie der schillernden Scheiben: CD, DVD & Co. In: Chemie in unserer Zeit. 41, Nr. 4, 2007, S. 334–345, doi:10.1002/ciuz.200700428.
  32. Statistisches Bundesamt, Fachserie 4, Reihe 3.1, Jahr 2008 online (PDF; 1,75 MB), auf destatis.de, abgerufen am 7. Januar 2017.