Класифікація та характеристика барвників

Велика кількість і різноманіття барвників викликало необхідність створення класифікації, яка б відповідала цілям вивчення властивостей барвників. Існують дві системи класифікації барвників – хімічна та технічна. Хімічна класифікація заснована на подібності хімічної будови барвників (індигоїдні, антрахінонові та ін), або спільності способів їх отримання та хімічних властивостей (сірчисті барвники), або на наявності характерних хімічних угруповань (азобарвники, нітробарвники). Ця класифікація необхідна щодо хімії і технології барвників, і навіть їх виробництві. Вона не відображає ні технічних властивостей барвників, ні їх призначення та способів застосування.

За хімічною класифікацією барвники ділять на такі групи: нітробарвники, нітрозобарвники, азобарвники, арилметанові, кетонімінові, хінакридони, хінонімінові, антрахінонові, індигоїдні, сірчисті, фталціанові, поліметинові, азометинові.

Технічна класифікація враховує чинники, що визначають технологічні принципи, способи та сфери застосування барвників, тобто. їх хімічний характер, розчинність і ставлення до субстрату різної природи, що фарбується. До груп, що визначають вищезазначені властивості барвників, відносяться: -NH₂; -ВІН; -S0₃H; -СООН; -С1 та ін.

Барвники, що застосовуються для фарбування природних волокон, а саме шкіряного та хутряного напівфабрикату, поділяють наступним чином: кислотні, прямі основні, протруйні, металовмісні, кубові, активні, дисперсні, окисні.

Кислотні (аніонні) барвники фарбують білкові (вовна, шовк, хутро, колаген шкіри) та поліамідні волокна у присутності мінеральних або органічних кислот. Кислотні барвники, будучи натрієвими солями ароматичних сульфокислот, добре розчиняються у воді, дисоціюючи на іони:

Вони надають волокнам забарвлення широкої гами кольорів і відтінків, що мають чистоту і яскравість, відносно високу стійкість до мокрих обробок, дію кислот і лугів, задовільну стійкість до світла. Кислотні барвники рівномірно забарвлюють шкіряний та хутряний напівфабрикати (у тому числі і волосяний покрив) у різні тони із задовільною глибиною фарбування. Зважаючи на високий ступінь дисперсності, вони легко дифундують у товщу дерми.

Прямі барвники – Аніонні барвники, що фарбують волокна безпосередньо з нейтральних або слаболужних ванн у присутності електролітів (хлориду або сульфату натрію). Вони також є солі ароматичних сульфокислот або карбонових кислот R-S0₃Na і за хімічною природою аналогічні кислотним барвникам, але мають велику молекулярну масу, що іноді випускаються у вигляді амонійних або калієвих солей.

У розчинах вони мають сильно виражену здатність до асоціації. Внаслідок цього дифузійна здатність прямих барвників менша, ніж кислотних. Завдяки нескладній технології отримання, невисокої вартості, легкості та універсальності застосування прямі барвники набули широкого поширення у фарбуванні текстильних та шкіряно-хутряних матеріалів.Для отримання більш глибокого фарбування прямі барвники можна застосовувати в комбінації з кислотними, так як прямі барвники фарбують рівномірно шкіру, проте при самостійному застосуванні не дають глибокого фарбування.

Протравні барвники мають здатність до комплексу з іонами металів: хромом(Ш), міддю(Н), залізом(Н) і білком. Ознакою протравних барвників є вміст в їх молекулах двох гідроксильних або гідроксильної та карбоксильної груп в стані одна до іншої в ароматичному ядрі барвника.

Для протруювання застосовують солі хрому (VI), зазвичай біхромат натрію (калію). Тому процес протруєння називають хромуванням, а барвники, що застосовуються, — хромовими.

Фарбування проводиться у кислому середовищі (pH 4-6). Забарвлення, що виходять, виключно стійкі до всіх видів фізикохімічних впливів. Взаємодія барвників з атомами хрому супроводжується поглибленням кольору та зміною відтінку забарвлення, що створює певні труднощі отримання забарвлень, що відтворюються. Забарвлення світлостійке, стійке до мокрого і сухого тертя і в процесі облагородження фарбованого волосся. Значення цих барвників зменшилося у зв'язку з використанням шкідливих для здоров'я сполук Cr(VI) і з появою металовмісних барвників.

Кислотні та металокомплексні барвники (КМК) є внутрішньокомплексними сполуками, що містять атом металу. Як комплексоутворювач зазвичай застосовують солі хрому (Ш), рідше – солі кобальту, нікелю і міді. Вибір металу для комплексоутворення залежить від властивостей та будови барвників.Залежно від числа молекул барвника, які припадають однією атом металу, розрізняють комплекси складу 1:1 чи 1:2, котрий іноді 2:3.

КМК складу 1:1 містять одну або дві сульфогрупи і належать до сильнокислотних барвників. Фарбують волокна відносно рівномірно тільки в сильнокислому середовищі і в присутності ПАВ, що вирівнюють. Барвники добре комбінуються і забезпечують фарбування шкіряної тканини хутряного напівфабрикату та шкіри з високою світлостійкістю, а також стійкістю до мокрого тертя.

Фіксація барвників у дермі здійснюється не тільки за рахунок утворення сукупності зв'язків, що виникають між звичайними кислотними барвниками та білком, а й у результаті входження у внутрішню сферу комплексної сполуки карбоксильних та аміногруп колагену.

КМК складу 1:2 містять один атом металу на дві молекули моноазобарвника. У комплексах містяться групи алкілсульфонільні -S0₂CH₃, сульфоамідні -S0₂NH₂, які утворюють водневі зв'язки з молекулами води та сприяють розчиненню барвників. Деякі барвники містять також сульфогрупу – вони використовуються для фарбування волосяного покриву хутряних шкірок.

Широка кольорова гама і висока якість забарвлень, технологічність роблять металовмісні барвники одним з найперспективніших класів фарбуючих речовин, що застосовуються для фарбування шкіри та хутра.

Основні (катіонні) барвники є солі ароматичних основ, що гідролізуються у водному розчині на пофарбований катіон і аніон (R-NH₂HX). При фарбуванні білкових волокон у слабокислій або нейтральній ванні відбувається взаємодія (солеутворення) між негативно зарядженим волокнистим матеріалом та катіоном барвника.Аніонами в основних барвниках зазвичай є хлориди, гідросульфати та оксалати.

Основні барвники не можна застосовувати у суміші з прямими та кислотними барвниками, оскільки це призводить до коагуляції. Недоліком основних барвників є слабка стійкість до дії світла і жорсткої води, «бронзування» забарвлень при великих концентраціях барвника. Дані застосовуються для поглиблення фарбування після фарбування шкіри хромового дублення прямими або кислотними барвниками.

активними називаються барвники, що вступають у процесі фарбування у міцний ковалентний зв'язок із волокном. Завдяки хімічному зв'язку, при якому активний барвник стає частиною макромолекул волокна, забарвлення стійкі до мокрих обробок, тертя та дії розчинників.

Активні барвники мають комплекс властивостей, що відрізняють їх від інших класів барвників: яскравістю та чистотою кольору, гарною розчинністю у воді, простотою та різноманітністю методів їх застосування. Висока спорідненість барвників з волокном ускладнює вирівнювання забарвлень, тому при використанні активних барвників розчин додають вирівнювачі.

Цей комплекс цінних властивостей активних барвників робить їх найбільш перспективними для фарбування шкіряного та хутряного напівфабрикату.

У загальному вигляді схему будови молекул активних барвників можна виразити загальною формулою S-Kp-ZX, де S – Група (або групи), що обумовлює розчинність барвника у воді; Кр – частина молекули, від якої залежить колір барвника, хромофорна система; ZX — реакційна група, завдяки якій активний барвник зв'язується з волокном, в якій Z – Носій активної групи, X – Активна група.

Активні барвники відрізняються природою реакційноздатних заступників та угруповань, що містять ці заступники (ZX). Для фарбування шкіряного та хутряного напівфабрикату практичний інтерес становлять нині хлортріазинові та вінілсульфонові активні барвники.

Хлортріазинові активні барвники містять як реакційноздатний заступник триазиновое кільце, що несе один або два рухомих (активних) атома хлору. Залежно кількості атомів хлору в молекулі барвника розрізняють ди- і монохлортриазиновые барвники.

Вінілсульфонові активні барвники у загальному вигляді мають будову S-Kp-SC-CHj-CHj-O-SC^Na і можуть розглядатися як похідні сірчанокислих ефірів р-оксиэтилсульфонов. Барвники, що випускаються в такій формі, неактивні, що дозволяє зберігати їх тривалий час без ознак будь-яких хімічних перетворень. Переведення цих барвників у активну вінілсульфонову форму здійснюється в умовах фарбування введенням у розчин фарби лугу.

Активні барвники за наявності спільності властивостей завдяки їх різноманітній будові мають різні хімічні та фізико-хімічні властивості та різну здатність зв'язуватися з певними волокнами.

Кубові барвники нерозчинні у воді, слабких лугах та кислотах. Однак вони здатні відновлюватися дитіонітом натрію та іншими відновниками в лужному середовищі з утворенням лейкосполуків, здатних розчинятися у воді. При фарбуванні лейкосполуки сорбуються волокном (волосом), а потім, піддаючись окисленню киснем повітря або іншими окислювачами, перетворюються на волокні на вихідний нерозчинний барвник.

Забарвлення хутра відрізняється гарною світлостійкістю, стійкістю до мокрого та сухого тертя. Не всі кубові барвники підходять для фарбування хутра, тому що для збереження властивостей волосяного покриву (шовковистості, пружності, розсипчастості та ін) процес слід проводити при незначних концентраціях лугу та невисокій температурі.

У молекулі дисперсних барвників відсутні сульфо-, карбоксильні та інші групи, що сприяють розчиненню їх у воді. Тому такі барвники відносять до гідрофобних. Вони дуже слабо дисоціюють у воді та погано вибираються волокном із водних суспензій. У барвниках містяться групи, що полегшують їх диспергування у воді, вільні, алкільовані (-NH₂, -NHR, -NR₂) і особливо оксоалкіловані (NHCH₂-CH₂OH та ін) аміногрупи.

Фарбування відбувається у тонкодисперсному розчині. Однак у волокно проникають лише молекули, а не агрегати дисперсних барвників.

Для підвищення стійкості суспензії дисперсних барвників у воді та поліпшення розчинності барвників у водний розчин додають ПАР.

Молекули дисперсних азобарвників невеликі, містять одну чи дві азогрупи. У складі молекул дисперсних барвників похідних бензолу, нафталіну міститься зазвичай не більше одного кільця. У молекулі дисперсних барвників знаходяться електронодонорні заступники -ОН або -NR'R", де R' і R" – алкіл, рідше Н або арил, що збільшують спорідненість барвників до волокна та інтенсивність забарвлення. Гідроксильні групи покращують розчинність дисперсних барвників у гарячій воді. Електроноакцепторні групи -N0₂, -CN, -CF₃, -S0₂, -СН₃ і атоми С1, Вг підвищують міцність фарб, зменшують сублімацію барвників при високій температурі або термічних обробках забарвленого волокна.

Дисперсні барвники можна поділити на такі групи: дисперсні звичайні та діазотовані; дисперсні металовмісні.

Дисперсні барвники фарбують волокно в більш менш рівномірний колір, що володіє задовільною стійкістю до дії світла, сухого і мокрого тертя і термомеханічним обробкам.

На відміну від органічних пофарбованих сполук (готових барвників) окислювані барвники є безбарвними або пофарбованими органічними сполуками – напівпродуктами, нездатними безпосередньо фарбувати. Фарбуючі речовини з цих сполук утворюються лише в результаті їх окислення на волоссі пероксидом водню (іноді біхроматом) при температурі 30 ° С і pH 8,0

8,5. В результаті окислення утворюються пофарбовані сполуки великої молекулярної маси, нерозчинні у гарячій воді та органічних розчинниках. Таким чином, синтез барвника здійснюється на волокні.

Окислювані барвники — органічні сполуки, напівпродукти ароматичного ряду, що є похідними головним чином бензолу (аміни, феноли, амінофеноли), рідше нафталіну (нафтоли, амінонафтоли).

За допомогою окислюваних барвників можна отримати забарвлення, характерне для природного забарвлення волосяного покриву хутрових шкурок, а також інтенсивні чорні, коричневі та жовті кольори.

Барвники можна класифікувати як за способом застосування, так і хімічною структурою. Технологи, що займаються фарбуванням, класифікують барвники за способом застосування.Фахівці-хіміки, які займаються синтезом барвників та вивчають взаємозв'язки між структурою та властивостями речовин, класифікують барвники за хімічною структурою.

Класифікація за способом застосування.

У текстильній промисловості зазвичай використовують барвники восьми основних класів. Перші п'ять класів барвників (прямі, сірчисті, азоїдні, реактивні та кубові) використовуються в основному для фарбування волокон целюлозних, наприклад бавовняних і віскозних. Останні три класи барвників (кислотні, основні та дисперсні) застосовуються для фарбування інших натуральних та синтетичних волокон.

Ці аніонні водорозчинні барвники називаються так тому, що мають високу спорідненість до целюлозних волокон і можуть застосовуватися без допоміжних хімічних засобів. Однак на практиці швидкість фарбування та інтенсивність фарбування можуть бути збільшені добавками неорганічних солей, наприклад, хлориду або сульфату натрію. Прямі барвники широко використовуються для фарбування бавовняних та віскозних тканин. Їхня найбільша перевага – простота застосування, а недолік у тому, що в ряді випадків вони нестійкі до мокрих обробок. Стійкість прямих барвників до мокрих обробок підвищують введенням закріплювачів та за допомогою різних технологічних прийомів.

Сірчисті барвники? це органічні сполуки, одержувані нагріванням сполук групи амінів або фенолів у присутності сірки. Сірчисті барвники існують у формі пігментів, що не мають спорідненості до целюлози. У процесі обробки сірчистими барвниками використовуються хімічні реакції відновлення та окислення. Шляхом відновлення сірчисті барвники переводяться у водорозчинну форму, що має спорідненість до целюлози.Після їх поглинання волокнами сірчисті барвники треба окислити для зворотного перетворення пігментну форму. Найбільша перевага сірчистих барвників – низька вартість. До недоліків відносяться невисока яскравість і, в деяких застосуваннях, низька стійкість до мокрих обробок та дії світла.

Ці барвники синтезуються всередині волокон у ході реакції двох компонентів, жоден з яких не є барвником. Оскільки один із компонентів – нафтол, азоїдні барвники іноді називають нафтоловими. Речовина, що утворюється при азоїдному фарбуванні є пігментом. Однак азогени класифікуються як барвники, тому що окремі компоненти діють як такі перед тим, як вони прореагують всередині волокна з утворенням пігменту. Важлива перевага азоїдних барвників полягає в тому, що вони забезпечують дешевий спосіб одержання відтінків деяких кольорів, особливо червоного. Їхній недолік – не завжди достатня стійкість до тертя.

Реактивні барвники, які іноді називають активними або волоконно-реактивними, розроблені в 1950-х роках. Реактивні барвники утворюють хімічну сполуку з волокном і стають його частиною. Оскільки зв'язок між барвником і волокном міцна, реактивні барвники дуже стійкі до мокрих обробок, що є основною перевагою. Реактивні барвники, як правило, дорожчі за прямі, сірчисті й азоїдні. Стійкість реактивних барвників до дії хлору та інших відбілювачів іноді буває невисокою.

Ці барвники схожі на сірчисті тому, що є пігментами, тобто. у процесі обробки спочатку мають бути відновлені, а потім окислені. На цьому, однак, їхня схожість закінчується.Кубові барвники мають, як правило, дуже високу стійкість до мокрих обробок і впливу світла; виняток становить індиго. Великий недолік кубових барвників – висока вартість.

Кислотні барвники називаються тому, що містять у структурі кислотні групи. Кислотні групи барвника реагують з основними групами білкових (вовна та шовк) та поліамідних (найлон) волокон з утворенням зв'язків між барвником та волокном через органічні сольові групи. Ці зв'язки міцні та надають фарбуванню високу стійкість до мокрих обробок.

Ці барвники іноді називають катіонними, оскільки молекула барвника містить позитивний заряд. Основні групи барвника реагують із кислотними групами акрилових, поліефірних та поліамідних волокон, що піддаються фарбуванню катіонними барвниками, а також білкових волокон. При цьому між барвником і волокнами утворюються зв'язки приблизно таким самим шляхом, як у реакціях між кислотними барвниками та волокнами (див. вище). Недолік основних барвників – низька стійкість фарбування до світла, особливо для білкових волокон.

Дисперсні барвники використовуються в основному для фарбування поліефірних, поліамідних та ацетилцелюлозних волокон, хоча вони можуть фарбувати інші волокна. Дисперсні барвники майже нерозчинні у воді і мають бути дисперговані в ній для утворення ванни для фарбування. Ці барвники були розроблені у 1920-х роках спеціально для фарбування ацетилцелюлозних волокон. Дисперсні барвники – єдиний вид барвників, придатних для фарбування ацетатних та немодифікованих поліефірних волокон.

Отримання фталоціанінових барвників

Синтез солей фталоціаніну виробляється кількома методами, найчастіше з яких використовують запікання фталату міді та сечовини у присутності каталізатора – молібденовокислого амонію. Далі його переосаджують із концентрованої сірчаної кислоти. Залежно від умов одержують різні за відтінком та барвними властивостями продукти.

Отримання кубових барвників

У лабораторії отримують по-різному і в різній апаратурі, що зазвичай обігрівається масляною лазнею. Індигоїдні барвники одержують запіканням з лугами у вакуум-апаратах з подальшим окисленням розчину в скляній колбі киснем повітря.

Представників групи ідантрону отримують сплавленням 2-аміноантрахінону з сумішшю NaOH і CH3COONa при 2250С у присутності окислювача, наприклад, NaNO3, з подальшим окисленням повітрям.

Бензантронові барвники одержують конденсацією кількох молекул бензантрону, залежно від умов отримують віолантрон та ізовіолантрон. Наступними стадіями є реакції заміщення. Обидві речовини разом з їх різноманітними похідними – кубові барвники, що відрізняються дуже високою міцністю, різноманітністю та яскравістю тонів забарвлення; деякі з них застосовують також як міцні пігменти. Віолантрон – кубовий темно-синій, отримують сплавленням бензантрону з КОН або з сумішшю КОН і NaOH при 225°С. Лужний розчин продукту його відновлення гідросульфітом (т. зв. куб) – червонувато-фіолетового кольору. Він забарвлює бавовну у темно-синій колір, дуже міцний до дії світла та хлору. Диметоксивіолантрон – кубовий яскраво-зелений С, одержують окисленням віолантрону до 16, 17-діоксивіолантрону і метилюванням оксигруп. Його куб синього кольору забарвлює бавовну в дуже живий синювато-зелений колір.Дібромдіметоксивіолантрон – кубовий яскраво-зелений Ж, одержують бромуванням диметоксивіолантрону; дає забарвлення з жовтуватим відтінком. Ізовіолантрон – червоно-фіолетового кольору; отримують його при нагріванні 3-хлорбензантрона або 3,3'-дибензантронілсульфіду серед спиртів з КОН. З похідних изовиолантрона найбільше значення мають галогенопохідні, наприклад дихлоризовіолантрон – кубовий яскраво-фіолетовий; його куб синього кольору з червоною флуоресценцією забарвлює бавовну у фіолетовий колір. Всі Б. до. у воді нерозчинні і на тканині наносяться у вигляді лейкосполук Фарбування).

Пігмент хлорин та літоль міцно-жовтий 2Ж отримують взаємодією формальдегіду з ароматичними амінами.

Отримання нітрозобарвника: пігменту зеленого-Б

Для отримання пігменту в-нафтол розчиняють у їдкому натрі (н.у.), піддають дії нітриту натрію і сірчаної кислоти, жовтий осад, що випав, розчиняють у бісульфіті натрію, додають заліза(II) сульфат і осаджують содою.

Косметична промисловість практично не може існувати без барвників: декоративна косметика, фарби для волосся і навіть шампуні чи креми – все це має мати колір. Барвник забезпечує та гарантує косметичному виробу заявлений колір, він має бути чистим та стійким протягом усього терміну придатності продукції. Колір та здатність фарбувати інші речовини знаходяться у прямій залежності від складу та будови молекул барвника.

Барвники поділяються залежно від сфери свого застосування, від фізичних та хімічних властивостей, а також від природи свого походження. У зв'язку з цим є кілька класифікацій барвників.

• 1.По розчинності розрізняють водорозчинні, маслорозчинні та нерозчинні барвники.
• 2. По рН розрізняють кислотні, лужні та нейтральні пігменти.
• 3. Органічні та неорганічні.
• 4. Барвники класифікують за сферою застосування: для харчової, фармацевтичної та косметичної промисловості;
• 5. За хімічною будовою барвники класифікують таким чином: індиго та індеїгові барвники – один з найдавніших барвників, який отримували з рослинної сировини – тропічної рослини Indigofera, в соку якої міститься індикан – глікозид індоксилу; нітробарвники – вони є токсичними; азобарвники – отримують зі сполук фенолу та азонієвих основ; трифенілметанові барвники – найбільш поширена група барвників, що можуть викликати алергічні реакції; ксантанові барвники можуть бути кислотними та основними, широко застосовують у декоративній косметиці; Антрахінонова барвники – барвники на основі анграхінону, високо стійкі до дії світла, можуть викликати подразнення шкіри, алергічні реакції, дерматити.

Природні барвники – органічні сполуки, які виробляються живими організмами та фарбують тварини та рослинні клітини та тканини. В основному з'єднання жовтих, коричневих, чорних та червоних кольорів різних відтінків, дуже мало синіх та фіолетових, зелені, як правило, відсутні. Містять корисні біологічно активні добавки, вітаміни, глікозиди, органічні кислоти, ароматичні речовини, мікроелементи.Барвників природного походження безліч, але найчастіше використовувані барвники – це куркумін, лютеїн, каротини, аннато, паприка, кармін, буряковий барвник, антоціани, хлорофіл та його похідні, блакитний карнін та карамельний відтінок.

Синтетичні барвники – це барвники, отримані хімічним шляхом з органічних і неорганічних речовин, що є сполуками, добре розчинними у воді, і за результатами досліджень, дозволені для використання в харчовій промисловості. Вміст у них основного барвника зазвичай 70-95%. Синтетичні харчові фарбники застосовують індивідуально.