Kleurstoffen worden in vele industrieën gebruikt – om kleding, verf, kunststoffen, foto’s, afdrukken en keramiek te kleuren. Kleurstoffen worden nu ook gebruikt in nieuwe toepassingen en worden functioneel (hoogtechnologisch) genoemd, omdat zij niet alleen om esthetische redenen in het product worden opgenomen, maar ook voor specifieke doeleinden, bijvoorbeeld in de chirurgie.

Kleurstoffen kunnen kleurstoffen of pigmenten zijn. Kleurstoffen zijn oplosbare gekleurde organische verbindingen die gewoonlijk vanuit een oplossing in water op textiel worden aangebracht. Zij zijn bedoeld om zich sterk te binden aan de polymeermoleculen waaruit de textielvezel is opgebouwd.

Pigmenten zijn onoplosbare verbindingen die worden gebruikt in verf, drukinkt, keramiek en kunststoffen. Zij worden aangebracht door middel van een dispersie in een geschikt medium. De meeste gebruikte pigmenten zijn eveneens organische verbindingen.

Manipulatie van de kleur en toepassing van kleurstoffen

Dit hoofdstuk behandelt een deel van de chemie achter de kleur van kleurstoffen en hoe het doelmateriaal, bijvoorbeeld een vezel, de methode van het verven en de gebruikte kleurstof beïnvloedt.

Een kleurstof in oplossing wordt gekleurd door de selectieve absorptie van bepaalde golflengten van het licht door specifieke bindingen in het molecuul. Het doorgelaten licht wordt door de waarnemer gezien en lijkt gekleurd omdat sommige golflengten van het zichtbare spectrum nu ontbreken.

Figuur 1 Mauveine was de allereerste synthetische kleurstof. Het werd in 1856 bij toeval geproduceerd door William Perkin, die kinine probeerde te synthetiseren. Het werd bijzonder populair toen Koningin Victoria op de Koninklijke Tentoonstelling van 1862 in Londen een met mauveine geverfde zijden japon droeg.
Met vriendelijke toestemming van de Society of Dyers and Colourists.

De absorptie van zichtbare lichtenergie door de verbinding doet elektronen in het molecuul van een lage energietoestand, de grondtoestand, overgaan naar een hogere energietoestand, de aangeslagen toestand. Men zegt dat het molecuul tijdens dit excitatieproces een elektronische transitie heeft ondergaan. Bepaalde excitatie-energieën corresponderen met bepaalde golflengten van zichtbaar licht.

Het is een n-elektron (een elektron in een dubbele of drievoudige binding) dat naar de aangeslagen toestand wordt bevorderd. Er is nog minder energie nodig voor deze overgang als er afwisselend enkele en dubbele bindingen (d.w.z. geconjugeerde dubbele bindingen) in hetzelfde molecuul voorkomen. De excitatie van het elektron wordt nog vergemakkelijkt door de aanwezigheid van aromatische ringen vanwege de versterkte delokalisatie van de n-elektronen.

Door de structuur van de verbinding te wijzigen, kunnen kleurchemici de golflengte van het geabsorbeerde zichtbare licht en daardoor de kleur van de verbinding wijzigen.

De moleculen van de meeste gekleurde organische verbindingen bestaan uit twee delen:

(i) een enkele aryl (aromatische) ring zoals benzeen of een benzeenring met een substituent. Als alternatief kan er een gefuseerd ringsysteem zijn, zoals naftaleen (twee samengesmolten ringen) of antraceen (drie samengesmolten ringen).

Waar de ringen samenkomen, delen ze twee koolstofatomen en dus heeft naftaleen met twee ringen 10 koolstofatomen in plaats van 12. Evenzo heeft antraceen 14 koolstofatomen in plaats van 18. Aangezien naftaleen en antraceen over alle ringen gedelokaliseerde elektronen bevatten, is het niet juist om het gedelokaliseerde symbool te gebruiken dat in de andere eenheden voor benzeen wordt gebruikt, want dat zou duiden op twee of drie afzonderlijke gedelokaliseerde systemen. In deze eenheid worden dus Kekule-structuren gebruikt.

(ii) een uitgebreid geconjugeerd dubbelebindingenstelsel met onverzadigde groepen, chromoforen genoemd, zoals:

De intensiteit van de kleur kan in een kleurstofmolecuul worden verhoogd door toevoeging van substituenten die eenzame elektronenparen aan de arylring bevatten, zoals:

Deze groepen staan bekend als hulpchromenen.

Soms wordt de hele structuur van de kleurstof chromogeen genoemd.

Om de kleurstof industrieel van belang te maken, moeten kleurchemici ook in staat zijn de oplosbaarheid van de verbinding te veranderen, en er kunnen groepen worden toegevoegd om de kleurstof oplosbaar te maken in water. Voorbeelden hiervan zijn de sulfonzuurgroep, -SO3H, of de carbonzuurgroep, -COOH, of, wat gebruikelijker is, het natriumzout van deze zuren, respectievelijk -SO3-Na+ en -COO-Na+.
Een ander belangrijk punt voor chemici die kleurstoffen ontwikkelen, is het verbeteren van de reactiviteit met het voorwerp dat zij willen kleuren, bijvoorbeeld de moleculen van de vezel. Dit wordt hieronder besproken en overal in de unit worden voorbeelden gegeven.

De kleuring van textiel

De chemische aard van een kleurstof wordt bepaald door de chemische en fysische eigenschappen van de vezels van het textiel dat moet worden gekleurd. De vier voornaamste soorten vezels (tabel 1) zijn eiwitvezels, cellulosevezels, geregenereerde vezels (op basis van cellulose of derivaten) en synthetische vezels.

Tabel 1 Indeling van textielvezels.

Tijdens het verven van textiel wordt de kleurstof verdeeld over de twee fasen, de vaste vezelfase en de waterige fase, en aan het eind van het verfproces is de oplossing uitgeput en is het grootste deel van de kleurstof met de vezel verbonden. Zodra de kleurstofmoleculen de vezel zijn binnengedrongen, is er een onmiddellijke wisselwerking tussen de twee componenten, waardoor desorptie van de kleurstofmoleculen terug in de oplossing wordt voorkomen. Het soort interactie, fysisch of chemisch, zal afhangen van de groepen op de kleurstofmoleculen en in de vezelketens (tabel 2).

.0

Tabel 2 Benaderende relatieve sterkten van de binding tussen een kleurstof en een weefsel.

Figuur 2 Voordat een kleurstof wordt gebruikt, moet de lichtechtheid ervan worden bepaald. Deze
rekken, gelegen aan de noordoostkust van Australië, worden gebruikt voor veel
weerstandstests, waaronder kleurechtheid. De positie van de rekken kan worden
veranderd, maar op de foto staan zij onder een hoek van 45° ten opzichte van de horizontaal.
Met vriendelijke toestemming van het Allunga Exposure Laboratory.

De kleurechtheid van een gekleurd textiel wordt gedefinieerd als de weerstand tegen verandering wanneer het aan een bepaalde reeks omstandigheden wordt onderworpen. De kleurstof mag niet sterk worden aangetast door zonlicht (lichtechtheid), warmte wanneer de stof wordt gestreken (hittevastheid), transpiratie (transpiratievastheid) en bij wassen (wasvastheid).

Kwalificatie van kleurstoffen

De Colour Index International, opgesteld door de Society of Dyers and Colourists, in Bradford, is een uitgebreide lijst van bekende commerciële kleurstoffen en pigmenten en wordt regelmatig bijgewerkt. Elke kleurstof krijgt een Colour Index (C.I.) naam en nummer. Bijvoorbeeld:

Alle kleurstoffen op de lijst zijn ingedeeld naar hun chemische structuur en naar hun wijze van toepassing.

Kwalificatie van kleurstoffen naar hun chemische structuur

De kleurindex deelt de kleurstoffen waarvan de structuur bekend is, in één van de 25 structuurklassen in, naar gelang van het chemische type. Tot de belangrijkste behoren:

a) azokleurstoffen
b) anthrachinon-kleurstoffen
c) ftalocyanines

a) Azokleurstoffen

De azokleurstoffen vormen de grootste chemische klasse, die ten minste 66% van alle kleurstoffen bevat. Kenmerkend is de aanwezigheid in de structuren van een of meer azogroepen,

samen met hydroxylgroepen, amine- en gesubstitueerde aminogroepen als auxochromen.

Aromatische azoverbindingen worden geproduceerd uit aromatische aminen via het bijbehorende diazoniumzout.

Een diazoniumzout wordt gevormd wanneer een aromatisch amine wordt behandeld met salpeterigzuur (salpeter(III)). Het salpeterzuur wordt in situ gevormd door verdund zoutzuur toe te voegen aan een koele oplossing van natriumnitriet bij ca. 278 K. In het volgende voorbeeld is een oplossing van benzeendiazoniumchloride gevormd uit fenylamine (aniline), het eenvoudigste aromatische amine:

Een oplossing van een andere verbinding, zoals een ander aromatisch amine of een fenol, wordt vervolgens aan de koele oplossing toegevoegd en levert een azoverbinding op die gekleurd is. Een voorbeeld is de vorming van een rode kleurstof wanneer een waterige oplossing van 4-aminonaftaleensulfonzuur (naftionzuur) wordt toegevoegd aan een oplossing van 4-nitrobenzeendiazoniumchloride om C.I. te vormen. Zuurrood 74:

Azobenzeen is de chromofoor van deze azokleurstoffen,

en de kleur van het molecuul kan worden gewijzigd en de intensiteit van de kleur kan worden verhoogd door de auxochromen te variëren (tabel 3).

Structuur	Waargenomen kleur
	geel-groen
	geel
	rood
	blauw

Tabel 3 De moleculaire structuren van enkele azokleurstoffen met de auxochromen.

Sommige azokleurstoffen, die welke een hydroxygroep ortho (of para) aan de azogroep bevatten, bijvoorbeeld C.I. Acid Orange 7, vertonen tautomerisme, een proces waarbij het molecuul als twee of meer verschillende structuren in evenwicht bestaat. Het waterstofatoom op de hydroxylgroep kan migreren naar het stikstofatoom van de azogroep en omgekeerd:

Bij dit type tautomerisme is er sprake van een evenwicht tussen een hydroxyazo-tautomeer en een ketohydrazonetautomeer, hoewel het ketohydrazonetautomeer in het algemeen overheerst en de waargenomen kleur van langere golflengte is (een badochromische verschuiving).

b) Antrachinon-kleurstoffen

Anthrachinon-kleurstoffen maken ongeveer 15% van de kleurstoffen uit en hebben een structuur op basis van chinonen. De eenvoudigste chinon is benzochinon, dat twee isomeren heeft:

Anthrachinon, de eenvoudigste van de anthrachinonen, is gebaseerd op antraceen:

Twee bekende voorbeelden van anthrachinonen die als kleurstof worden gebruikt zijn C.I. Disperse Red 60 en C.I. Disperse Blue 60:

c) Ftalocyaninen

Phthalocyaninen zijn in wezen opgebouwd uit vier moleculen isoindool:

Deze moleculen zijn in een ftalocyanine met elkaar verbonden door stikstofatomen. De structuur van ftalocyanine is:

Deze moleculen zijn in een ftalocyanine met elkaar verbonden door stikstofatomen. De structuur van ftalocyanine is:

Phthalocyanines coördineren met metaalatomen. De belangrijkste, met een aandeel van ongeveer 2% in alle kleurstoffen, zijn de koperftalocyaninen, die worden gebruikt vanwege hun briljante blauwe en groene kleuren. Een voorbeeld is C.I. Direct Blue 86:

De sulfonzuurgroepen dragen bij tot de oplosbaarheid van de kleurstof in water.

De formule geeft aan dat de sulfonzuurgroepen zich op verschillende plaatsen aan de aromatische ringen kunnen bevinden.

Inschaling van kleurstoffen naar toepassingswijze

Inschaling naar toepassingswijze is van belang voor de textielverver die de kleurstof aanbrengt om de gewenste kleur te verkrijgen. Om de gewenste kleur te verkrijgen moet de verver gewoonlijk mengsels van kleurstoffen maken en zich ervan vergewissen dat deze verenigbaar zijn.

De basiskenmerken die de verfoverdracht van oplossing naar vezel regelen, zijn:

• de pH van de oplossing in het verfbad (voor zure en basische kleurstoffen)
• een elektrolyt (een oplossing van natriumsulfaat of -chloride)
• de temperatuur (binnen het bereik van omgevingstemperatuur tot 400 K)
• chemicaliën, zogenaamde dispergeermiddelen, die een stabiele waterige dispersie van zeer slecht oplosbare kleurstoffen opleveren

Tabel 4 vermeldt de kleurstoffen onder hun technologische namen die aangeven hoe ze worden toegepast, samen met de vezels waarop ze worden aangebracht.

Tabel 4 Technologische classificatie van kleurstoffen.

Kleurstoffen van groep 1

De kleurstoffen van deze groep worden gekenmerkt door hun oplosbaarheid in water. Bijgevolg zijn zij bij het wassen niet bijzonder snel. Ze kunnen in één enkele fase worden aangebracht.

(i) Zure kleurstoffen

De belangrijkste chemische soorten zijn azo-, anthrachinon- en ftalocyaninekleurstoffen, die het hele zichtbare spectrum bestrijken en dus een volledig kleurengamma geven. Deze kleurstoffen zijn oplosbaar in water en geven anionische soorten. Zij worden gewoonlijk toegepast bij ca. 373 K. Terwijl wol en andere eiwitvezels boven deze temperatuur gemakkelijk worden afgebroken, kunnen polyamidevezels (bij voorbeeld de nylons) bij 393 K worden behandeld zonder dat zij daar schade van ondervinden (tabel 4).

De pH die voor de oplossing in het verfbad wordt gekozen, hangt af van de individuele eigenschappen van de kleurstoffen. De lagere waarden worden verkregen door zwavelzuur toe te voegen en de hogere waarden door oplossingen van ethaanzuur en ammoniumsulfaat of ammoniumethanoaat toe te voegen. Natriumsulfaat kan worden toegevoegd om de diffusie van de kleurstofanionen in de vezelstructuur te regelen.

Door de aard van de kleurstofstructuur zullen zich tussen de kleurstof en de vezel ionische bindingen, waterstofbruggen en andere intermoleculaire interacties (tabel 2) vormen, waardoor de kleurstoffen snel worden. Een voorbeeld van een typische zure kleurstof is C.I. Acid Red 73:

Een van de azogroepen in deze tautomeer is aanwezig als de ketohydrazonvorm.

(ii) Metaalcomplex-kleurstoffen

De chemische typen zijn azo- en anthrachinon, die een volledig kleurengamma opleveren. Zij zijn echter doffer dan de zure kleurstoffen wegens de aanwezigheid in de kleurstofstructuur van een metaalatoom. Vaak worden chroomzouten gebruikt, hoewel ook de voorkeur wordt gegeven aan kobalt- en nikkelzouten.

Het metaalatoom vormt een coördinatiecomplex met twee moleculen van een monoazo-verbinding die hydroxyl-, carboxyl- of aminogroepen bevat in de 2,2′-posities ten opzichte van de azogroep. Deze verbindingen worden “1:2 metaalcomplex”-kleurstoffen genoemd. Een voorbeeld is C.I. Acid Violet 78:

Hun toepassing op wol is vergelijkbaar met die van zure kleurstoffen, maar de pH-waarde is beperkt tot het bereik van 4,5 tot 6,0 (tabel 4).

(iii) Directe kleurstoffen

Directe kleurstoffen zijn bijzonder geschikt voor het verven van vezels gemaakt van cellulose (tabellen 1 en 4).

Zij worden gesynthetiseerd met sulfonzuurgroepen om hun oplosbaarheid in water te geven, waarbij zij uiteenvallen om natriumkationen en de anionogene kleurstofsoort te geven. Zij worden ook zo ontworpen dat zij een zo lineair en vlak mogelijke structuur hebben. Hierdoor kan de kleurstof aan de celluloseketens in de vezel worden gebonden, vaak via intermoleculaire (inclusief waterstof) binding.

Zij worden in het verfbad aangebracht in een waterige oplossing die natriumchloride bevat. Het zout vermindert de elektrische afstotingskrachten tussen de negatieve lading op het vezeloppervlak en de anionogene kleurstofsoorten.

De meeste directe kleurstoffen zijn azoverbindingen, die vaak twee of drie azogroepen bevatten. Voorbeelden hiervan zijn C.I. Direct Orange 25, dat -OH-, -NHCO- en -N=N-groepen heeft, die alle de potentie hebben waterstofbruggen te vormen met de hydroxylgroepen in cellulose:

De kleurstof vertoont tautomerisme, aangezien er twee hydroxylgroepen ortho ten opzichte van de azogroepen zijn. Een van de tautomeren in evenwicht met deze vorm is

waar er twee ketohydrazonegroepen zijn.

Een ander voorbeeld, C.I. Direct Blue 71, heeft drie azogroepen, waarvan er één als ketohydrazonetautomeer aanwezig is:

(iv) Basische kleurstoffen

Basische kleurstoffen behoorden tot de vroegste synthetische kleurstoffen. Mauveine is inderdaad een basische kleurstof. De chromofoor is aanwezig als kation en zij worden tegenwoordig gebruikt voor het verven van acrylvezels (gewoonlijk een copolymeer met propenonitril (acrylonitril) en een kleine hoeveelheid van een co-monomeer die sulfonaat-, -SO3-, en carboxylaat-, -CO2-, groepen bevatten). Dit zijn ion-ion interacties (tabellen 2 en 4).

Er zijn ongeveer 100 basische (kationische) kleurstoffen waarvan de kleuren rood, geel en blauw omvatten, met heldere sterke tinten. Sommige zijn gebaseerd op de chromofoorsystemen azo en anthrachinon. Vele zijn ook gebaseerd op arylcarbonium-ionen. Voorbeelden hiervan zijn C.I. Basic Green 4 (bekend als Malachite Green) en C.I. Basic Red 9.

Dit zijn beide triarylmethanen, een groep kleurstoffen die met betrekkelijk kleine structuurveranderingen een scala van rode, groene en violette tinten opleveren.
Andere, zogenoemde polymethine-kleurstoffen (zij bevatten een of meer -CH= groepen) worden ook gebruikt. Zij danken hun kleur aan de aanwezigheid van een geconjugeerd systeem. Een voorbeeld van een dergelijke kleurstof is C.I. Basic Yellow 28, dat een diazacyanine is:

De kleurstoffen worden dikwijls aangebracht in een oplossing van een elektrolyt, dat de diffusiesnelheid in de vezelstructuur regelt, bij temperaturen van ongeveer 370 K.

(v) Disperse kleurstoffen

Deze kleurstoffen zijn in wezen hydrofoob en zijn vrijwel onoplosbaar in water. Zij hebben echter affiniteit met hydrofobe vezels, bijvoorbeeld polyesters, en worden toegepast als zeer fijne dispersies in water (tabel 4).

De meeste disperse kleurstoffen zijn azoverbindingen en kunnen over het hele spectrum kleuren geven. Sommige zijn op anthrachinon gebaseerde kleurstoffen voor rood, violet, blauw en groen.

Polyestervezels kunnen bij 400 K onder druk worden geverfd, waardoor kleurstofstructuren met een grotere molecuulgrootte kunnen worden gebruikt die een betere echtheid opleveren, bijvoorbeeld:

De afgebeelde structuur is de ketohydrazonetautomeer.

Kleurstoffen van groep 2

Hoewel de kleurstoffen van deze groep in twee fasen worden opgebracht (dit in tegenstelling tot het eenfasige proces voor kleurstoffen van groep 1), bieden deze kleurstoffen voordelen, met name bij de vastheid.

i) Reactieve kleurstoffen

Reactieve kleurstoffen zijn van eminent belang voor het verven van katoen, omdat zij een heldere intense kleuring met hoge vastheid mogelijk maken. Ongeveer 95% van de reactieve kleurstoffen zijn azokleurstoffen die het hele kleurengamma bestrijken. Blauw en groen worden ook geleverd door antrachinon- en ftalocyaninestructuren.
Zoals de naam van deze kleurstoffen al aangeeft, reageren zij met de vezel, of het nu gaat om cellulose (katoen) of eiwit (wol) om covalente verbindingen te vormen (tabel 4). De twee fasen, eerst verven en dan reactie, kunnen afzonderlijk of gelijktijdig plaatsvinden. Kenmerkend voor de structuur is de aanwezigheid van een of meer reactieve groepen. Gewoonlijk worden de kleurstoffen weergegeven als

D-B-RG

waarbij D het chromogeen is, B een bruggroep en RG de reactieve groep.

De belangrijkste reactieve groepen zijn de gechloreerde triazinen en vinylsulfonen.

Een van de drie isomeren van de eenvoudigste triazine is:

Een voorbeeld van een kleurstof met een dichlorotriazinegroep is C.I. Reactive Blue 109:

De reactie tussen de -OH-groepen van de cellulose in de vezel en de -C-Cl-groepen in het chloortriazine vindt plaats door een (nucleofiele) substitutiereactie waarbij covalente bindingen worden gevormd.

Een ethenyl(vinyl)sulfon bevat de CH2=CHSO2-groep en de eenvoudigste is diethenylsulfon (divinylsulfon). De sulfongroep is te zien in C.I. Reactive Blue 19:

In dit voorbeeld is er geen bruggroep.

De kleurstof reageert met cellulose door additie aan de zwavel-zuurstof dubbele binding.

Reactieve kleurstoffen kunnen in de waterige oplossing hydrolyse van de sulfon ondergaan waardoor deze niet meer reactief is met de cellulose. Dit betekent dat de niet gereageerde kleurstof, indien zij niet op de juiste wijze wordt afgewassen, op het oppervlak van het weefsel achterblijft en een kleur geeft die er na verloop van tijd weer uit zal wassen. Om dit probleem te verminderen, zijn kleurstoffen ontworpen met twee verschillende reactieve groepen met een verschillende reactiviteit. Deze kleurstoffen bieden een betere echtheid omdat, als een van de groepen in oplossing wordt gehydrolyseerd, de andere zal reageren met de hydroxylgroepen in het weefsel. De eerste bevatte zowel een chloortriazinegroep als een vinylsulfongroep en een voorbeeld is C.I. Reactive Red 194:

Naast de twee verschillende reactieve groepen is er een chromogeen en een overbruggingsgroep.

Alle reactieve kleurstoffen hebben een betrekkelijk kleine molecuulgrootte en ze hebben ook twee of meer sulfonzuurgroepen in het chromogeen, wat leidt tot een hoge oplosbaarheid in water. Een deel van de verfsoorten (anionische) reageert niet met de vezel en wordt gehydrolyseerd; het product moet door wassen worden verwijderd.

Figuur 3 Spijkerbroeken worden geverfd met indigo en een verscheidenheid van zwavelkleurstoffen, waarbij de keuze afhangt van de gewenste kleur.
Met vriendelijke toestemming van Lizzie Hubbard.

(ii) Vatkleurstoffen

Bijna 80% van de vatkleurstoffen behoort tot de chemische klasse van de anthrachinonkleurstoffen en bestrijkt het volledige kleurengamma. Eén soort, de indigoïde kleurstoffen, omvat indigo:

Alle vatkleurstoffen zijn onoplosbaar in water. Om ze op een vezel, bijvoorbeeld katoen, aan te brengen, worden ze in een alkalische oplossing gebracht (tabel 4). De onoplosbare kleurstof wordt gereduceerd tot een kleurloos (leuco)anion, dat oplosbaar is en affiniteit heeft met de vezel. Dit wordt vervolgens door de vezel geadsorbeerd, soms in aanwezigheid van natriumchloride, omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die voor directe kleurstoffen. Na het verfproces wordt de oorspronkelijke onoplosbare moederkleurstof in de vezel geregenereerd door oxidatie, gewoonlijk met behulp van een oplossing van waterstofperoxide of gewoon met lucht:

De kleurstoffen zijn onoplosbaar in de vezelstructuur en hebben daarom een goede wasechtheid en zij bezitten ook een hoge lichtechtheid.

(iii) Zwavelhoudende verfstoffen

Zwavelhoudende verfstoffen worden evenals kuipkleurstoffen als oplosbare anionische vorm op textiel (cellulose, tabel 4) aangebracht en vervolgens tot de onoplosbare vorm geoxideerd.

C.I. Sulphur Black 1 en C.I. Sulphur Blue 7 behoren tot de meest gebruikte zwavelhoudende verfstoffen. Evenals andere zwavelkleurstoffen is hun structuur variabel en grotendeels onbekend. Zij leveren een scala van zwarten, bruinen en dof blauwen op. Zij zijn echter veel goedkoper te produceren dan kuipkleurstoffen omdat de bereiding ervan door verhitting van verschillende organische verbindingen met zwavel, eenvoudig is.

Pigmenten

Pigmenten worden gebruikt bij de kleuring van verven, drukinkten, keramiek en kunststoffen. Zij kunnen op veel meer verschillende stoffen worden gebruikt dan kleurstoffen, omdat zij voor hun toepassing niet afhankelijk zijn van de oplosbaarheid in water. Een pigment is een fijn verdeelde vaste stof die in wezen onoplosbaar is in het medium waarop zij wordt aangebracht. In de meeste gevallen wordt het pigment toegevoegd aan een vloeibaar medium, b.v. natte verf of een gesmolten thermoplast. Vervolgens laat men het medium stollen door verdamping van het oplosmiddel of door afkoeling, zodat de pigmentmoleculen in vaste toestand mechanisch worden gefixeerd.

De in pigmenten gebruikte chromoforen zijn gewoonlijk dezelfde als die welke in kleurstoffen worden gebruikt, maar de pigmenten zijn grote moleculen en hebben geen oplosbaar makende groepen. Zij bevatten groepen die intermoleculaire bindingen vormen die helpen de oplosbaarheid te verminderen. Hoe groter het molecuul, hoe ondoorzichtiger het pigment.

Figuren 4 en 5 De rode en gele kleurstoffen zijn azo-pigmenten (C.I. Pigment Rood 57 en C.I. Pigment Geel 13). Het blauw is het pigment koperftalocyanine. Met vriendelijke toestemming van BASF.

Organische pigmenten geven in het algemeen een hogere intensiteit en helderheid van kleur dan anorganische pigmenten zoals chroomgeel (lood(II) chromaat(VI)).

Organische pigmenten vertonen een reeks echtheidseigenschappen die afhankelijk zijn van de moleculaire structuur en de aard van de intramoleculaire associatie in de vaste toestand. Een toename van de molecuulgrootte van een pigment vermindert over het algemeen de oplosbaarheid van het pigment. Ook is in veel pigmenten de amidegroep (-NHCO-) verwerkt, waardoor de oplosbaarheid nog verder afneemt omdat de moleculen in grote structuren bijeen worden gehouden door waterstofbruggen (tussen de N-H groep in het ene molecuul en een C=O-groep in het andere).

Veel organische pigmenten zijn gebaseerd op azo-chemie en domineren de gebieden met gele, oranje en rode tinten. Een voorbeeld van een eenvoudig monoazo pigment is C.I. Pigment Yellow 1:

Deze vorm is de ketohydrazone tautomeer.
Koperen ftalocyaninen leveren het merendeel van de blauwe en groene pigmenten. Ze zijn structureel complex maar relatief goedkoop te maken. Ze zijn uitstekend bestand tegen licht, warmte, zuren en alkaliën.

Een voorbeeld is C.I. Pigment Blue 15:

Eerder in de eenheid werd de structuur van een kleurstof, C.I. Direct Blue 86, getoond en is te zien hoe de sulfonzuurgroepen in die structuur een pigment in een kleurstof omzetten.

Functionele (hoogtechnologische) kleurstoffen en pigmenten

Functionele kleurstoffen en pigmenten worden in kleine hoeveelheden geproduceerd in vergelijking met verbindingen die voor het verven van textiel worden gebruikt. Er wordt echter veel onderzoek naar gedaan en er bestaat veel belangstelling voor; zij worden voor uiteenlopende doeleinden ontwikkeld. Enkele daarvan worden hieronder geïllustreerd.

(a) Vloeibare-kristaldisplays

Liquid crystal displays spelen al vele jaren een belangrijke rol in ons leven in verschillende vormen van informatiedisplays, b.v. rekenmachines. Aanvankelijk konden zij alleen verschillen tussen licht en donker weergeven. Men ontdekte dat door het gebruik van kleurstoffen dit contrast kon worden verhoogd en gekleurde schermen konden worden geproduceerd. Zij hebben thans de traditionele weergavetechnologieën van lichtgevende diodes en kathodestraalbuizen grotendeels vervangen. De gebruikte kleurstoffen zijn speciaal ontworpen om van oriëntatie te veranderen met de vloeibare kristalmoleculen en bieden daardoor een hogere kleurintensiteit. Van deze kleurstoffen wordt gezegd dat zij dichroïsme vertonen.

(b) Laserkleurstoffen

De term laser is een acroniem dat verwijst naar lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling.

Gewoonlijk werden anorganische lasers gebruikt, maar deze konden slechts straling produceren bij een paar geselecteerde golflengten en in zeer smalle banden. Het gebruik van kleurstoffen heeft het mogelijk gemaakt licht te produceren in het gehele spectrum van golflengten van 320 tot 1200 nm. Tot de toepassingen van kleurstoflasers behoren communicatietechnologie en microchirurgie.

(c) Inktstraaldruk

Inktstraaldruk is een techniek om beelden te produceren door kleine inktdruppeltjes, idealiter onder computercontrole, snel na elkaar op een substraat te richten. Het heeft vele toepassingen gevonden. Wegens de vereiste grootte van de druppeltjes om een goede definitie te bereiken, werd de voorkeur gegeven aan het gebruik van kleurstoffen boven pigmenten. De druppels zijn kleiner (pigmenten hebben de neiging de spuitdoppen te verstoppen) en de oplosbaarheid in water vermindert het milieu-effect en houdt de prijs laag. De eerste kleurstoffen waren die welke reeds in andere industrieën werden gebruikt, maar werden gekenmerkt door een slechte watervastheid. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van specifieke kleurstoffen en unieke vloeistofsystemen. Deze kleurstoffen zijn zo ontworpen dat zij oplosbaar zijn in licht alkalische systemen (pH 7,5 tot 10) die onoplosbaar worden gemaakt door de licht zure omstandigheden (pH 4,5 tot 6,5) op het papier of een ander substraat. Deze technologie heeft grote gevolgen voor industriële druk in grote hoeveelheden voor verpakkingen, textiel, wandbekleding en reclamedisplays.

(d) Fotodynamische therapie

Dit is een behandeling voor kanker waarbij gebruik wordt gemaakt van een combinatie van laserlicht, een fotosensibiliserende verbinding (de kleurstof) en moleculaire zuurstof. De kleurstof wordt intraveneus aan de patiënt toegediend en dringt na verloop van tijd de kankercellen binnen. Bestraling van de cellen met laserlicht kan hun vernietiging inleiden.

De laser heeft een wisselwerking met de kleurstof en brengt deze in zijn aangeslagen toestand. Via een complex proces worden aangeslagen (meer reactieve) zuurstofmoleculen geproduceerd die reageren met onverzadigde centra in de eiwitten en lipiden in het celmembraan. Deze behandelingsmethode vermijdt het gebruik van invasieve chirurgie.