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Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Veranstaltung: Übungen im Experimentalvortrag
WS 2007/08
Protokoll
zum Experimentalvortrag
Textilfärberei
vom 29.11.2007
vorgelegt von
Franziska Behrmann
Zwischenhausen 5
35037 Marburg
Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht heruntergeladen werden, unter anderem hunderte
von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung
S. 03
2. Geschichte der Textilfärberei
S. 03
3. Textilfarbstoffe und Färbeverfahren
S. 05
3.1. Küpenfärbung
S. 09
3.2. Direktfärbung
S. 14
3.3. Entwicklungsfärbung
S. 16
3.4. Reaktivfärbung
S. 19
3.5. Transferdruck
S. 23
4. Waschen
S. 24
5. Schulrelevanz
S. 26
6. Literatur
S. 26
2
1. Einleitung:
Die Textilfärberei ist eines der Themen, die die Menschen schon seit langer Zeit
interessieren und welches noch heute von enormer Bedeutung für das alltägliche
Leben ist. Dieser Vortrag soll einen Einblick in die geschichtliche Entwicklung der
Textilfärberei geben und zudem verschiedene Färbeverfahren explizit vorstellen.
2. Geschichte der Textilfärberei:
Schon sehr früh gab es bei den Menschen den Wunsch, dass die Kleidung neben
Schutz auch Farben besitzt. So wird vermutet, dass Beobachtungen, dass Früchte,
Beeren, Wurzeln und ähnliches bleibende Flecken auf Fasern und Gewebe
hinterlassen, zur Erforschung der Textilfärberei führten. Zunächst war es jedoch nur
möglich, zum Färben Pflanzen- und Tierextrakte zu verwenden. Die Entwicklung der
Textilfärberei bis heute sei in der folgenden Übersicht gezeigt.
3000
Färbung von Textilien und Leder mit Pflanzen- und Tierextrakten in
v. Chr.
Ägypten (z.B. Indigo = blau, Safran = gelb)
1100
v. Chr.
Verbreitung der Farbengewinnung im Mittelmeerraum
(Karmin (rot) aus Kermesschildläusen, Purpur aus Purpurschnecken,
Schellack aus asiatischen Lackschildläusen)
550
farbig bedrucktes Gewebe in Persien
ab
Anlegung von Rezeptsammlungen (Vorschriften zur Herstellung und
8. Jh.
Anwendungen von Farbstoffen)
1400 1600
1771
1828
ab
1827
Entdeckung neuer Rohstoffe für Farbgewinnung
Pikrinsäure als erster synthetischer Farbstoff
Patent auf die Abscheidung eines roten Farbstoffes aus Krappwurzeln =
Alizarin
Industrielle Verfahren zur Gewinnung von Naturfarbstoffen aus
Naturprodukten = Extraktion
Entstehung der ersten Extraktionsfabriken für Farbstoffe ( MERCK in
Darmstadt, RIEDEL in Berlin, GEIGY in Basel)
1834
Anilin aus Schwarzkohleteer
1856
Entdeckung des leuchtend violetten Farbstoffes Mauvein aus Teer
3
1859
Entdeckung der färbenden Wirkung von Diazoverbindungen (ab 1861
industrielle Herstellung)
1863
Gründung der Farbwerke Hoechst bei Frankfurt
1864
Synthese des ersten Nitrofarbstoffs
6. April
Gründung der Aktiengesellschaft „Badische Anilin- und Soda-Fabrik“
1865
(BASF) in Mannheim
1870
Technische Synthese von Krapprot oder Alizarin
1871
Entdeckung des Fluoresceins (BAEYER)
1877
Erstes deutsches Farbstoff-Patent (Methylenblau)
1880
BAEYER erhält das erste Patent zur Herstellung von Indigo
1901
1925
1950
BASF entdeckt neuen blauen Farbstoff Indanthren-Blau, der Indigo in
Wasch- und Lichtechtheit übertrifft
Erste Rapidecht-Entwicklungsfarben für Textildruck
Erste Oniumfarbstoffe (Entwicklungsfarbstoffe), die direkt auf der Faser
erzeugt werden können
1954
Einsatz der ersten Reaktivfarbstoffe
1960
Entwicklung neuer Farbstoffe für vollsynthetische Fasern
1966
Cottestren-Farbstoffe für Mischgewebe aus Baumwolle und Polyester
Heute
Etwa 7000 Farbstoffe bekannt (für spezielle Einsatzzwecke abgestimmt)
545000 t Textilfarbstoffe zum Färben von Fasern verbraucht,
1990
2/3 davon allein für Baumwolle
lediglich 46000 t Farbstoffe zum Färben von Papier
4
3. Textilfarbstoffe und Färbeverfahren:
Um über Textilfarbstoffe reden zu können braucht man jedoch zunächst eine
Definition:
Ganz allgemein kann alles, was dem menschlichen Auge farbig erscheint, zu den
Farbstoffen gezählt werden.
Genauer betrachtet können die Farbstoffe als eine Sammelbezeichnung für in einem
Anwendungsmedium lösliche Farbmittel, die sich mit den zu färbenden Stoffen
verbinden, aufgefasst werden. Dabei handelt es sich bei den Farbstoffen meist um
organische Substanzen
Im Gegensatz dazu stehen die Pigmente. Sie sind unlösliche anorganische oder
organische Substanzen und den Farbstoffen an Strukturvielfalt, Anzahl und
Leuchtkraft, jedoch nicht absatzmäßig unterlegen. Es sind heutzutage beispielsweise
über 7000 Farbstoffe, jedoch nur etwa 100 Pigmente bekannt.
Zusätzlich unterscheidet man die Farbstoffe nach ihrer Herkunft in synthetische oder
natürliche Farbstoffe.
Doch wie kommt die Farbe überhaupt zustande? Dazu gibt es eine Theorie der
Farbe und Konstitution. Farbigkeit entsteht zunächst durch Absorption von Licht einer
bestimmten Wellenlänge. Das restliche Licht wird reflektiert, wobei nun der
absorbierte Anteil fehlt, so dass das menschliche Auge die Komplementärfarbe
wahrnimmt. Zudem überträgt das absorbierte Licht Energie auf das Molekül
( E  h  ). Dadurch kommt es zur Anregung von Elektronen. Elektronen aus  Bindungen anzuregen benötig sehr viel Energie, wohin gegen die Anregung von
Elektronen aus  -Bindungen leichter ist. Farbigkeit ist demzufolge eine Anregung
von  -Elektronen aus dem HOMO in das LUMO. Benötigt werden dafür konjugierte
Doppelbindungen im Molekül. Je ausgedehnter das  -Elektronensystem ist, also je
mehr Doppelbindungen in Konjugation zueinander stehen, desto geringer sind die
HOMO-LUMO-Abstände und desto leichter können die Elektronen angeregt werden
(s. Bild 1: Vergleich zwischen Ethylen und Butadien).
5
Butadien
Ethylen
*
*
LUMO

HOMO
*
*



Bild 1: geringerer HOMO – LUMO- Abstand bei ausgedehnterem
 -System
Zudem bestimmt der HOMO-LUMO-Abstand die längerwellige Absorption, das heißt
je geringer die HOMO-LUMO-Abstand sind, desto längerwellig ist das absorbierte
Licht. Dadurch wird eine Verschiebung der Wellenlängen in den für das menschliche
Auge sichtbaren Bereich erzielt, so dass Farbe wahrnehmbar wird (bathochromer
Effekt).
Heutzutage sind über 7000 Farbstoffe bekannt. Um diese einzuteilen gibt es
verschiedene Möglichkeiten.
a) Chemiker nehmen eine Einteilung der Farbstoffe nach rein chemischen
Aspekten vor. Dabei achten sie auf chromophoren, also farbgebenden,
Gruppen und nehmen keine Rücksicht auf den Verwendungszweck.
z.B.: Azo-, Anthrachinon-, Cyaninfarbstoffe, etc.
b) In der Färbepraxis werden Farbstoffe hingegen nach ihrem Verhalten
gegenüber der Faser eingeteilt, ohne auf die Konstitution zu achten.
z.B.: Direkt-, Dispersions-, Entwicklungsfarbstoffe, etc.
c) Der Colour-Index gibt in einer fünfstelligen Zahl und / oder einer
Buchstabenfolge ebenfalls Informationen über Konstitution, Namen oder
Trivialnamen von Farbstoffen wieder.
d) Im Vertrieb können Farbstoffe nach ihren Handelnamen eingeteilt werden.
Dieser Vortrag wird sich im Folgenden an der Einteilung, die in der Färbepraxis
gängig ist, orientieren.
6
Dabei gibt es verschiedene Färbetechniken, für die sich unterschiedliche Farbstoffe
eignen.
a) Färbebad: unter anderem geeignet für Küpen-, Entwicklungs- und
Reaktivfarbstoffe.
b) Auftrag: geeignet für Dispersions- und Pigmentfarbstoffe.
c) Direkte Einfärbung: einzig für substantive Farbstoffe geeignet.
Jedoch sind nicht alle Farbstoffe und Färbetechniken für jede Faserart geeignet. Um
dies zu verdeutlichen folgt
Versuch 1: Xanthoproteinreaktion
Geräte:
2 Demoreagenzgläser
Glasstab
Pinzette
Baumwolle
Wolle
Chemikalien:
Konz. Salpetersäure
Durchführung:
In das erste Demoreagenzglas gibt man eine Probe des Baumwollstoffs und in das
zweite Reagenzglas ein Stück der Wolle. Anschließend werden beide Proben jeweils
mit 50 mL konzentrierter Salpetersäure übergossen.
Beobachtung:
Während bei der Wolle eine Gelbfärbung eintritt bleibt der Baumwollstoff
unverändert.
7
Auswertung:
Es werden zunächst die in diesem Vortrag verwendeten Fasern Wolle, Baumwolle
und Polyester betrachtet.
1) Baumwolle: Baumwolle ist eine Cellulosefaser oder genauer ein
Polysaccharid. Diese ist aus ß-D-Glucosemolekülen aufgebaut, welche durch
1, 4 – Verknüpfungen zu faserförmigen Makromolekülen verbunden sind.
HO
O
O
OH
HO
O
O
OH
HO
OH
Bild 2: Ausschnitt aus einer Cellulosefaser
2) Polyester: Bei Polyester handelt es sich um durch Polykondensation
mehrbasiger Säuren mit mehrwertigen Alkoholen hergestellte
makromolekulare Stoffe mit der Gruppe –O-CO-.
O
O
O
R1
R2
O
n
Bild 3: Ausschnitt einer Polyesterfaser wobei z.B.: R 1= -CH2-CH2- oder R2= -C6H4-
3) Wolle: Wolle ist ein Polypeptid mit folgendem Aufbau (s. Bild 3), wobei es sich
bei den Resten um jeweils unterschiedliche Aminosäurereste handelt.
O
...
R
O
NH
NH
O
R
O
NH
NH
R
O
...
R
Bild 4: Ausschnitt einer Wollfaser
Bei der Xanthoproteinreaktion handelt es sich nun um eine
Proteinnachweisreaktion, das heißt es ist eine Nachweisreaktion für aromatische
Reste. Wie oben gezeigt besitzt Baumwolle keine aromatischen Reste, so dass
keine Reaktion mit dieser Faser stattfindet.
8
Bei der Wolle jedoch sind 3 aromatische Aminosäurereste bekannt, so dass die
Nachweisreaktion in diesem Fall positiv ausfällt.
NH
OH
Phenylalanin
Tryptophan
Tyrosin
Bild 5: Die drei bekannten aromatischen Aminosäurereste
Der Mechanismus der Xanthoproteinreaktion soll im Folgenden am Beispiel von
Tyrosin erklärt werden, wobei die restliche Cellulosefaser durch R ersetzt sei.
OH
OH
+ NO2 +
R
f arblos
OH
NO 2
H
R
NO 2
H
R
 - Komplex
+
OH
OH
NO 2
H
R
R
OH
NO 2
H
NO 2
- H+
R
gelb
Diese Reaktion ist eine elektrophile aromatische Substitution. Zunächst kommt es
zu einem nukleophilen Angriff des Aromaten an das Nitrosylkation, welches in der
konzentrierten Salpetersäure enthalten ist. Dadurch kommt es zur Ausbildung des
σ – Komplexes, in dem das Kation in vier mesomeren Grenzformeln vorliegen
kann. Durch anschließende Deprotonierung kommt es zur Rearomatisierung und
zur Ausbildung der gelben Farbe.
9
3.1 Küpenfärbung:
Der bekannteste Küpenfarbstoff ist Indigo, welcher jedoch Anfang des
20.Jahrhunderts durch die Indanthrenfarbstoffe in Licht- und Waschechtheit
übertroffen wurde.
Im Mittelalter gab es eine so genannte Blaulücke, das es nicht möglich war, klare
und tiefe Blautöne aus Pflanzen- oder Tierextrakten zu gewinnen. Die einzige
Möglichkeit solche Farbtöne zu erzielen war, Lapislazuli-Halbedelsteine aus
Übersee zu Pulver zu zermalen. Diese Halbedelsteine waren jedoch sehr teuer
und schwer zu beschaffen, so dass kräftige Blautöne eine Exklusivität waren,
welche für Madonnenfiguren oder Königsmäntel verwendet wurden.
Die Anfänge der Blaufärberei mit Indigo sind auf dem indischen Subkontinent zu
verzeichnen, daher stammt auch der Begriff Indigo = „der Indische“. Die
Portugiesen brachten das klare tiefe Blau des Indigos schließlich nach Europa. Zu
dieser Zeit war das Blau ein sehr kostbares Handelsgut und sogar wertvoller als
Gold.
Gewonnen werden kann Indigo dabei aus verschiedenen Pflanzen, in denen eine
Vorstufe des Indigos enthalten ist. Zum einen gibt es die Indigopflanze, welche in
tropischen – subtropischen Gebieten wächst und zum anderen den Färberwaid,
der auch in gemäßigten Zonen wie Deutschland wächst. Jedoch ist der
Farbstoffgehalt in der Indigopflanze ungefähr 30-mal höher als in der
Färberwaidpflanze. So war der indische Indigo noch immer billiger als der Indigo,
der aus dem heimischen Färberwaid gewonnen wurde, und es kam zum Ende
des 18. Jahrhunderts zur vollkommenen Verdrängung des Waidbaus durch den
Kolonial-Indigo.
Die Geschichte der Synthese beginnt im Jahre 1870 mit einem Wettstreit um die
erste Indigosynthese, da Indigo zu dieser Zeit sogar wertvoller als Gold war. Adolf
Baeyer gelang 1878 als erster die Indigosynthese. Jedoch war zu diesem
Zeitpunkt die Indigoformel noch nicht einmal entschlüsselt. Diese wurde erst 1883
aufgeklärt. Zwischen 1880 und 1883 gab es zwei Verfahren von Adolf Baeyer zur
Synthese von Indigo, zum einen auf Basis von Zimtsäure und zum anderen mit
ortho-Nitrobenzaldehyd. Jedoch waren beide Verfahren zu unwirtschaftlich, da
zum Beispiel der Ausgangsstoff für ortho-Nitrobenzaldehyd Toluol ist und davon
lediglich 5000 – 6000 Tonnen pro Jahr zu Verfügung standen, aber bereits 4
Tonnen Toluol für 1 Tonne Indigo benötigt wurde.
10
Im Jahre 1890 fand Karl Heumann heraus, dass beim Verschmelzen von
Phenylglycin oder auch Phenylglycin-ortho-carbonsäure mit festem
Kaliumhydroxid ebenfalls Indigo entsteht. BASF erwarb beide Patente und konnte
diese Verfahren sehr schnell umsetzten, da alle Ausgangsstoffe von ihnen selbst
produziert wurden. Jedoch stellte sich bald heraus, dass das Verfahren mit
Phenylglycin lediglich eine Indigoausbeute von 10 % ergab.
So konnte am 10. Juli 1897 nach über 17 Jahren Forschungs- und
Entwicklungsarbeit das erste synthetisch hergestellte Indigo auf dem Markt
käuflich erworben werden. Das synthetische Indigo kostete bei der
Markteinführung 16 Mark / kg, das raffinierte Indigo hingegen 20 Mark / kg.
BASF hatte bis zu diesem Zeitpunkt bereits 18 Millionen Goldmark, mehr als das
gesamte Grundkapital, in die Erforschung von Indigo investiert, jedoch nach
bereits fünf Jahren wurden 30 % des BASF-Gesamtumsatzes durch die
Indigofabriken erwirtschaftet.
Kurz darauf fand Johannis Pfleger eine entscheidende Verbesserung des
Heumann-Verfahrens, indem er durch Einsatz von Natriumamid als
Kondensationsmittel den Ringschluss zum Indoxyl ermöglichte und somit eine
höhere Ausbeute ermöglichte.
Dieses Verfahren nach Heumann und Pfleger wird noch heute verwendet und die
Weltjahresproduktion liegt bei 17000 Tonnen. Davon werden 40 % bei BASF
hergestellt und 99 % der gesamten Indigoproduktion gehen in die Jeansindustrie.
Versuch 2: Indigosynthese nach Baeyer
Geräte:
50 mL Erlenmeierkolben
Messpipette
Glasstab
Chemikalien:
Ortho-NItrobenzaldehyd
Aceton
Dest. Wasser
Natronlauge (w = 10 %)
11
Ethanol
Diethylether
Durchführung:
In dem Erlenmeierkolben werden zunächst 1 g ortho-Nitrobenzaldehyd in 3 mL
Aceton gelöst und anschließend unter Umschwenken 3 mL ention. Wasser
zugegeben. Unter ständigem Umrühren mit dem Glasstab werden tropfenweise 4
mL Natronlauge zugegeben.
Die entstehenden Kristalle werden abfiltriert und mit Ethanol und Diethylether
gewaschen.
Beobachtung:
Die zunächst grüne Lösung wird dunkelblau – violett, erwärmt sich kräftig und es
fallen violette Kristalle aus.
Auswertung:
O
O
OH
O
O
O
+
H
H3C
CH3
CH3
+ O
N
O
O
+
O
+
N
-
O
O
H H
O
N
-
O
O
-
H
O
O
CH3
+ HO
O
-
O
-
O
CH3
- H2O
N
CH3
OH
N
CH3
O
N
O
OH
N
+ O-
CH3
H
N
2
N
N
H
O
Zunächst reagiert das ortho-Nitrobenzaldehyd in einer Aldolreaktion mit dem
Aceton und nach einer intramolekularen Redox-Reaktion wird das orthoNitrophenylmilchsäureketon gebildet. Nach zweimaliger Wasserabspaltung
kommt es anschließend zu einem Ringschluss.
Unter Einfluss von Hydroxidionen wird Acetat abgespalten und es entsteht
Indoxyl, welches zum gewünschten Produkt Indigo dimerisiert.
12
Wie die Färbung mit Indigo anschließend durchgeführt werden kann, zeigt der
nächste Versuch.
Versuch 3: Küpenfärbung mit Indigo
Geräte:
Porzellanmörser
Pipette
Messpipette
600 mL Becherglas
Magnetrührer mit Thermofühler und Rührfisch
Chemikalien:
Indigo
Ethanol
Natronlauge (c = 2 mol / L)
Ention. Wasser
Natriumdithionit
Baumwolle
Durchführung:
0,3 g Indigo werden im Porzellanmörser mit etwas Ethanol verrieben und
anschließend 10 mL Natronlauge zugegeben. Diese Suspension wir in ein
Becherglas mit 100 mL 70 ° C warmen ention. Wasser gegeben. Zusätzlich
werden 2 g Natriumdithionit zugefügt. Die Stoffprobe wird kurze Zeit in der gelbgrünen Lösung getränkt und anschließend unter fließendem Wasser gewaschen.
Beobachtung:
Nach kurzer Zeit fängt der Farbstoff an, sich zu lösen und die zuvor blaue Lösung
färbt sich gelb – grün. Die so genannte Indigoküpe ist entstanden. Taucht man
die Baumwollstoff in diese Lösung, so verfärbt er sich zunächst ähnlich gelb –
grün, jedoch beim Waschen unter fließendem Wasser nimmt der Stoff
zunehmend die typische blaue Farbe des Indigos an.
13
Auswertung:
Reduktion
O
+2
N
H
-
O Na+
Na2S2O4
H
N
0
+2
O
N
H
O2
Indigo:
Oxidation
H
N
0
-
+
O Na
Leuko - Indigo:
blau, unlöslich in Wasser
grün-gelb, löslich in Wasser
Bei der Küpenfärbung mit Indigo tritt das Problem auf, dass Indigo selbst
wasserunlöslich ist und somit nicht auf die Faser im Färbebad aufgezogen
werden kann. Daher muss eine wasserlösliche Form des Indigos, das so
genannte Leuko-Indigo, erreicht werden. Dies geschieht durch Reduktion mit
Natriumdithionit. Die Leuko-Form hat eine gelbe – grüne Farbe und kann im
Färbebad auf die Faser aufziehen. In der Faser wird der Farbstoff durch starke
van-der-Waals-Kräfte gebunden und durch den Luftsauerstoff schließlich wieder
zum blaugefärbten Indigo zurück oxidiert. Dieser Farbstoff ist schließlich sehr
wasch- und lichtecht, jedoch nicht sonderlich reibecht.
farblose Faser
gefärbte Faser
Oxidation
Reduktion
Indigo
Leuko - Indigo
Indigo
Bild 6: Schematische Darstellung der Küpenfärbung
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3.2 Direktfärbung:
Ein weiteres Färbeverfahren ist die direkte Einfärbung, die in der nächsten
Demonstration näher betrachtet werden soll.
Demonstration 1: Direktfärbung mit Kongorot
Geräte:
600 mL Becherglas
Magnetrührer mit Rührfisch und Thermofühler
Baumwolle
Wolle
Polyester
Chemikalien:
Kongorot
Natriumchlorid
Natriumcarbonat
Durchführung:
In 100 mL 60 ° C warmen Wasser 0,25 g Kongorot lösen. Anschließend 15 g
Natriumchlorid und 0,5 g Natriumcarbonat zugeben. Die Fasern in die Lösung
geben, die Lösung zum Kochen erhitzen und die Fasern 30 Minuten drin
belassen. Danach die Fasern unter fließendem Wasser abwaschen.
Beobachtung:
Die Baumwoll- und Wollefasern werden tiefrot gefärbt, wohingegen die
Polyesterfaser nur blassrot wird.
15
Auswertung:
Kongorot ist der erste substantive Azofarbstoff, der technisch von Bedeutung war.
Heute wird er jedoch als Abkömmling des Benzidins als krebserregend eingestuft
und daher nicht mehr verwendet.
Kongorot ist ein koplanarer Farbstoff, das bedeutet alle vier aromatischen
Systeme liegen in einer Ebene. Dadurch kann eine sehr große gegenseitige
Anziehung zwischen den Farbstoffmolekülen entstehen, so dass der Farbstoff
sehr gut für dieses Färbeverfahren geeignet ist.
+
Na
+
SO 3 Na
O 3S
N
N
N
N
NH2
H2N
Bild 7: Kongorot
Im Färbebad ist ein direktes Aufziehen des Farbstoffs ohne Vorbehandlung der
Faser möglich, da der Farbstoff in der Lösung in kolloidaler Form vorliegt. Dabei
lagern sich die Farbstoffmoleküle in den intermicellaren Räumen der Faser ein
und bilden dort so genannte Farbstoffassoziate, eine Zusammenlagerung
mehrere Farbstoffmoleküle zu größeren Molekülen. Jedoch ist der Farbstoff nur
durch schwache van-der-Waals-Kräfte in der Faser gebunden, so dass „freies“
Wasser die Assoziate aufheben kann und der Farbstoff relativ leicht aus der
Faser gewaschen werden kann. Aufgrund dieser geringen Waschechtheit ist das
Verfahren der Direktfärbung in der Industrie rückläufig.
farblose Faser
eingefärbte Faser
Aufziehen
Kongorot
Bild 8: Schematische Darstellung der Direktfärbung
16
3.3 Entwicklungsfärbung:
Ein weiters Färbeverfahren ist die Entwicklungsfärbung, welche im nächsten
Versuch näher betrachtet werden soll.
Versuch 4: Entwicklungsfärbung
Geräte:
Messzylinder
2 Bechergläser 250 mL
Eisbad
Magnetrührer mit Rührfisch
Baumwolle
Wolle
Polyester
Chemikalien:
ß-Naphthol
Ethanol
Natronlauge (c = 2 mol/L)
Sulfanilsäure
Natriumnitrit
Salzsäure (c = 2 mol/L)
Ention. Wasser
Durchführung:
In dem ersten Becherglas wird eine Spatelspitze ß-Naphthol in 10 mL Ethanol
gelöst. Es werden 40 mL ention. Wasser und 10 mL Natronlauge zugefügt.
In dem zweiten Becherglas wird zunächst eine Spatelspitze Sulfanilsäure in 10
mL Natronlauge gelöst. Zu dieser Lösung gibt man 1 Spatelspitze Natriumnitrit,
welches zuvor in 20 mL ention. Wasser gelöst wurde. Diese Lösung ist
anschließend auf unter 5 ° C zu kühlen. Ohne Überschreitung dieser Temperatur
werden langsam 20 mL Salzsäure zugefügt.
17
Alle Stoffproben sind nun gleichzeitig zunächst in das erste Becherglas und
danach in das zweite Becherglas zu geben und anschließend unter fließendem
Wasser zu waschen.
Beobachtung:
Aus den zuvor farblosen Lösungen entsteht nach Eintauchen der Stoffproben
eine orange Farbe im zweiten Becherglas, welche die Baumwoll- und Wollfaser
gut färbt, jedoch für die Polyesterfaser ungeeignet ist.
Auswertung:
Die Entwicklungsfärbung umfasst zunächst alle Verfahren, bei denen Farbstoffe
entstehen. In der Literatur wird jedoch häufig nur die Zweikomponentenfärbung in
diesem Zusammenhang erwähnt. Dabei wird durch Reaktion von zwei
verschiedenen Komponenten ein Farbstoff auf der Faser erzeugt, häufig handelt
es sich dabei um Erkupplung von Azofarbstoffen. Der neu gebildete Farbstoff wird
dabei durch Adsorption auf der Faser gebunden und somit entsteht eine hohe
Wasch- und Lichtechtheit.
In diesem Versuch wird die Faser zunächst in dem ersten Becherglas mit der
Kupplungskomponente ß-Naphthol getränkt.
HO
Bild 9: ß-Naphthol
In dem zweiten Becherglas wird zunächst ein Nitrosylkation gebildet.
HCl
N
-
O
O Na
+
-NaCl
O
N
H+
OH
O
N
O
+ H
H
N
O
O
+ H
N
+
O
N
+
O
+
H2O
H
Dabei wird das Natriumnitrit durch Säurezugabe zweimal protoniert und nach
anschließender Wasserabspaltung entsteht das Nitrosylkation, welches in zwei
mesomeren Grenzformeln vorliegt.
18
Gibt man nun Sulfanilsäure in die Lösung mit dem Nitrosylkation, so kommt es zu
einem nukleophilen Angriff. Anschließend finden zunächst eine Deprotonierung
und danach ein Protonentransfer satt, so dass nach erneuter Protonierung und
anschließender Wasserabspaltung das Diazoniumkation entsteht. Dieses liegt
wiederum in zwei mesomeren Grenzformeln vor.
H
H
HO 3S
+
N
N
+
O
+
HO 3S
N
H
N
O
H
-H+
HO 3S
N
HO 3S
N
N
N
O
H
+ H+
HO 3S
N
- H+
- H2O
H
N
+
O
OH
+
HO 3S
N
N
+ H2O
H
+
HO 3S
N
N
HO 3S
N
+
N
Trifft die mit der Kupplungskomponente ß-Naphthol getränkte Faser in diese
Lösung, so kommt es nach dem Mechanismus einer elektrophilen aromatischen
Substitution am aktivierten Aromaten zu einer Azokupplung und der orange
Azofarbstoff wird direkt auf der Faser erzeugt.
HO
HO
N
HO 3S
HO 3S
+
N
N +
N
H
HO
HO 3S
- H+
N
N
19
3.4 Reaktivfärbung:
Ein weiteres Färbeverfahren, die Reaktivfärbung, wird im nächsten Versuch
erläutert.
Versuch 5: Reaktivfärbung
Geräte:
2 600 mL Bechergläser
2 Magnetrührer mit Thermofühler und Rührfischen
Pipette
Glasstab
Baumwolle
Polyester
Chemikalien:
LEVAFIX Brillantblau
Eisessig
Natriumchlorid
Natriumcarbonat
Durchführung:
Es werden jeweils 0,5 g LEVAFIX Brillantblau in 100 mL Wasser bei
Raumtemperatur gelöst.
1. Becherglas:
Zu dem gelösten Farbstoff werden 4 - 5 Tropfen Eisessig (pH = 4 – 5), die
Faserproben und 5 g Natriumchlorid gegeben. Unter gelegentlichem Rühren wird
die Lösung 10 Minuten bei Raumtemperatur stehen gelassen. Danach wird die
Lösung auf 40 – 50 ° C gewärmt und erneut 20 Minuten stehen gelassen.
2. Becherglas:
Zu der Farbstofflösung werden die Stoffproben und 5 g Natriumchlorid gegeben
und das Ganze unter gelegentlichem Umrühren 10 Minuten bei Raumtemperatur
stehen gelassen.
20
Anschließend werden 2 g Natriumcarbonat (pH = 6 – 7) zugegeben, die Lösung
auf 40 – 50 ° C erhitzt und erneut 20 Minuten stehen gelassen.
Danach werden die Stoffproben jeweils unter fließendem kaltem Wasser
gewaschen und danach kurz in kochendem Wasser aufgekocht, bevor sie erneut
unter fließendem Wasser gewaschen werden.
Beobachtung:
Die Baumwollfaser wird in dem ersten Becherglas, in dem die saure Lösung
enthalten ist, hellblau gefärbt, in dem zweiten Becherglas, welches eine alkalische
Lösung enthält, wird die Faser hingegen tiefblau gefärbt.
In beiden Fällen jedoch ist das Färbeverfahren für Polyester ungeeignet.
Auswertung:
Reaktivfarbstoffe sind nach folgendem Prinzip aufgebaut:
hydrophile
Brückenglied/
Chromophor
Elektrophil
Abgangsgruppe
direkte Bindung
Gruppe
farbgebende Komponente
Reaktivkomponente
Bei dem hier verwendeten LEVAFIX Farbstoff gilt:
Hydrophile Gruppe = Sulfonsäuregruppe
Chromophor = Anthrachinongerüst
Brückenglied = aromatisches Amin
Reaktivgruppe = Schwefelsäureester
O
NH2
SO 3H
O
HN
O
HO
S
O
O
S
O
O
Bild 10: LEVAFIX Brillantblau
21
Es genügt für den Reaktionsmechanismus die Reaktivkomponente zu betrachten
(restlicher Farbstoff wird mit F abgekürzt).
F
H
F
+ OH
OH
O
S
O
-
S
S
O
- HSO4
O
O
S
O
CH2
+
H
CH2
O
F
HO
F
O
-
O
O
S
H
OH H
O
H
H
O
H
O
OH
O
H
OH H
H
H
OH
Im basischen Milieu kommt es zuerst zu einer Eliminierung von Hydrogensulfat,
so dass das Vinylsulfon gebildet wird. Dieses ist der Reaktivanker des Farbstoffs
und reagiert im nächsten Schritt in einer Additionsreaktion unter Ausbildung eine
Etherbrücke mit der Cellulosefaser. In dieser Ausbildung einer kovalenten
Bindung zwischen dem Farbstoff und der Faser besteht zudem der Unterschied
zu den zuvor vorgestellten Färbeverfahren.
O
NH2
SO3H
Farbstoff
O
HN
HO
O
OO
HO
OH
S
OO
O
O
H
OH
OH
OO
HO
OH
OH
OH
OH
H
OO
Cellulosefaser
O
OH
Bild 11: Prinzip der Reaktivfärbung
Damit es zu einer solchen Reaktion kommen kann, benötigen die Fasern reaktive
Gruppen. Somit ist es notwendig die unterschiedlichen Fasern auf ihre
Tauglichkeit hin zu betrachten.
Baumwolle besitzt primäre und sekundäre Alkoholgruppen. Jedoch sind die
primären Alkoholgruppen reaktiver, so dass dies die reaktiven Stellen der
Baumwolle sind.
22
Wolle besitzt ebenfalls sekundäre und primäre Alkoholgruppen und zudem noch
Amingruppen, welche die reaktiven Stellen der Wollfaser darstellen.
Polyester jedoch besitzt keine reaktiven Gruppen, so dass es zu keiner Färbung
kommen kann.
HO
OH
OH
OH
NH
OO
OH
OH
HO
O
OO
NH
O
O
O
NH
NH
NH2
,
OH
CH3
O
O
R1
R2
O
n
,
Bild 12: Reaktive Gruppen der Baumwolle, Wolle und des Polyesters
Neben den Vinylsulfonen, die wie oben erläutert nach einer Additions-Reaktion
mit der Faser reagieren, gibt es noch weitere Reaktivanker.
Halogensubstituierte Heterocyclen gehen Substitutionsreaktion mit der Faser ein,
wobei Halogenide als Abgangsgruppe abgespalten werden.
Cl
F
F
NH
S
O
N
CH2
O
Bild 13: Vinylsulfon
F
F
N
N
NH
N
N
Cl
Cl
F
Bild 14: Halogensubstituierte Heterocyclen
23
3.5 Transferdruck:
Nachdem die zuvor erwähnten Färbeverfahren jeweils für Polyester ungeeignet
waren, soll im Folgenden ein Verfahren für diese Faserart vorgestellt werden.
Demonstration 2: Transferdruck
Geräte:
Bügeleisen
Polyester
Chemikalien:
Edding T-Shirt-Marker
Durchführung:
Mit den Markern wird eine Polyesterfaser eingefärbt. Anschließend wird eine
Hälfte der Faser mit dem Bügeleisen gebügelt und die Faser unter warmem
Wasser gewaschen.
Beobachtung:
Die ungebügelte Hälfte der Faser wird beim Waschen entfärbt, wohingegen die
gebügelte Hälfte gefärbt bleibt.
Auswertung:
Das Verfahren des Transferdrucks ist besonders für Synthetikfasern geeignet.
Der Polyester zum Beispiel ist eine hydrophobe Faser ohne jene funktionellen
Gruppen, mit denen eine Reaktion mit den obigen Farbstoffen stattfinden würde.
In diesem Fall werden kleine unpolare Farbstoffmoleküle verwendet (Pigmentoder Dispersionsfarbstoffe). Diese werden zunächst in einem Farbfilm auf die
Faser aufgetragen. Durch Bügeln, also Einwirken von Druck und Hitze, wird
Energie übertragen, so dass die Farbstoffmoleküle in die Faser hineinsublimieren
und dort gelöst werden.
24
Druck + Wärme
Farbfilm
farblose Faser
eingefärbte Faser
Bild 15: Schematische Darstellung des Transferdrucks
4. Waschen:
Nachdem nun ausführlich die verschiedenen Verfahren zur Färbung von Textilien
eingegangen wurde, so sollte der Aspekt, dass bunte Kleidung doch möglichst
lange so frisch und leuchtend bleiben soll, nicht vernachlässigt werden.
Demonstration 3: Waschen von Bunt- und Weißwäsche
Geräte:
Bechergläser
Magnetrührer mit Thermofühler und Rührfischen
Bunte Stoffproben
Weiße Baumwolle
Weiße Wolle
Chemikalien:
Vollwaschmittel
Durchführung:
In zwei Bechergläsern werden jeweils 2 g Vollwaschmittel in 200 mL Wasser
gelöst und jeweils bunte und weiße Stoffproben zugegeben.
Das erste Becherglas wird nun auf 95 ° C erhitzt und das zweite Becherglas
lediglich auf 40 ° C. Die Lösungen werden anschließend 30 Minuten unter
ständigem Rühren bei den entsprechenden Temperaturen belassen.
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Beobachtung:
Im ersten Fall tritt eine deutliche bunte Färbung der Waschflotte auf, zudem sind
die zuvor weißen Fasern stark gefärbt und die bunten Fasern haben deutlich an
Farbe verloren.
Im zweiten Fall tritt ebenfalls eine Verfärbung der Waschflotte, sowie der
Kleidungsstücke ein, jedoch in deutlich geringerem Maße.
Auswertung:
Durch Einwirken von Wärme und Bewegung werden Farbpigmente beim
Waschvorgang von den Stoffoberflächen gelöst. Diese gelangen in die
Waschflotte und verursachen dort eine Verfärbung. Zudem setzen sich die
gelösten Farbpigmente auf anderen Fasern wieder ab, so dass es zum einen zum
Ergrauen oder Verfärben von hellen oder weißen Stoffen kommt und zum
anderen die Farbbrillanz der zuvor bunten Stoffe verloren geht. Daher ist es
notwendig, dass Weiß- und Buntwäsche vor dem Waschgang getrennt wird.
Zudem ist es sinnvoll neben umwelttechnischen Aspekten auch aus Rücksicht auf
die Farben der Kleidungstücke die Waschtemperatur niedrig zu halten.
Bild 16: Schematische Darstellung eines Waschvorgangs
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5. Schulrelevanz:
Obwohl nach dem hessischen G8-Lehrplan im LK 11G.2 der zweite Teil der
Kohlenstoffchemie behandelt werden soll, ist das Thema der Textilfarbstoffe dort
nur fakultativ erwähnt. Ebenso gibt es in Klassenstufe 12 einen Bereich der
angewandten Chemie, doch auch hier muss die Textilfärberei nicht behandelt
werden.
Diese Tatsache finde ich persönlich sehr schade, da das Thema nicht nur einen
hohen Alltagsbezug bietet, sondern durch einfache Anwendung und wunderbar
schönen und bunten Ergebnissen die Schüler motivieren wird und ihr Interesse
am Chemieunterricht sicher gut wecken könnte. Sicherlich ist nicht zu verachten,
dass eine gewisse chemische Vorkenntnis bestehen muss, um die einzelnen
Mechanismen verstehen zu können, doch zudem bietet das Thema viel
Möglichkeiten bereits bekannte Themen, wie van-der-Waals-Kräfte, Löslichkeiten
oder ähnliches, zu wiederholen und mit praktischen Bezügen zu festigen. Und es
besteht zusätzlich die Möglichkeit fächer- und themenübergreifend zu arbeiten.
So könnten die Bedeutung der Farbstoffe in Geschichte und Wirtschaft oder
angrenzende Themen wie Waschmittel in diesem Zusammenhang besprochen
und recheriert werden. Leider dauern die einzelnen Versuche relativ lange, so
dass sie in einer Einzelstunde nicht und in einer Doppelstunde immer noch
schwer zu schaffen sind, wenn man die Versuche und Mechanismen mit den
Schülern ordentlich vor- und nachbereiten möchte. Daher denke ich, dass es zwei
sehr schöne Alternativen gäbe, indem man entweder einen Lernzirkel oder eine
Projektwoche oder –arbeit zu diesem Thema veranstalten würde. Denn es wäre
sehr schade, dieses schöne und auch dankbare Thema im Schulunterricht völlig
zu vernachlässigen.
6. Literatur:

Addendum 2: Unterricht Chemie – Textilien und Kleidung, S. 75 – 95

Karl, Paul: Einfache chemischen Experimente für die Schule, Klett 1993

Chemie in unserer Zeit, 31/1997: Indigo – 100 Jahre industrielle Synthese

Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, Bd. 22, 1982

Römpp – Chemie Lexikon, Thieme
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