Koloranty są stosowane w wielu gałęziach przemysłu – do barwienia ubrań, farb, tworzyw sztucznych, fotografii, druków i ceramiki. Barwniki są również obecnie wykorzystywane w nowych zastosowaniach i są określane jako funkcjonalne (wysoka technologia), ponieważ nie są one po prostu zawarte w produkcie ze względów estetycznych, ale do konkretnych celów, na przykład w chirurgii.

Koloryny mogą być barwnikami lub pigmentami. Barwniki są rozpuszczalnymi barwnymi związkami organicznymi, które zwykle nakłada się na wyroby włókiennicze z roztworu w wodzie. Są one zaprojektowane tak, aby silnie wiązały się z cząsteczkami polimeru, z których zbudowane są włókna tekstylne.

Pigmenty są nierozpuszczalnymi związkami stosowanymi w farbach, tuszach drukarskich, ceramice i tworzywach sztucznych. Stosuje się je za pomocą dyspersji w odpowiednim medium. Większość stosowanych pigmentów to również związki organiczne.

Manipulowanie kolorem i stosowanie barwników

Ta sekcja rozważa niektóre z chemii stojącej za kolorem barwników i jak materiał docelowy, na przykład włókno, wpływa na metodę barwienia i stosowany barwnik.

Barwnik w roztworze jest zabarwiony z powodu selektywnej absorpcji pewnych długości fal światła przez specyficzne wiązania w cząsteczce. Światło, które jest transmitowane jest widziane przez obserwatora i wydaje się kolorowe, ponieważ niektóre długości fal widma widzialnego są teraz brakujące.

Rysunek 1 Mauveine był pierwszym w historii syntetycznym barwnikiem. Został wyprodukowany przypadkowo przez Williama Perkina w 1856 roku, który próbował zsyntetyzować chininę. Stał się on szczególnie popularny, gdy królowa Wiktoria nosiła jedwabną suknię barwioną mauveine na Royal Exhibition of 1862 w Londynie.
Za uprzejmą zgodą Society of Dyers and Colourists.

Pochłanianie energii światła widzialnego przez związek promuje elektrony w cząsteczce z niskiego stanu energetycznego, stanu podstawowego, do wyższego stanu energetycznego, stanu wzbudzonego. Mówi się, że cząsteczka przeszła przejście elektroniczne podczas tego procesu wzbudzenia. Poszczególne energie wzbudzenia odpowiadają poszczególnym długościom fali światła widzialnego.

Jest to elektron n (elektron w podwójnym lub potrójnym wiązaniu), który jest promowany do stanu wzbudzonego. Jeszcze mniej energii potrzeba do tego przejścia, jeśli w tej samej cząsteczce występują naprzemiennie wiązania pojedyncze i podwójne (tj. sprzężone wiązania podwójne). Wzbudzenie elektronu jest jeszcze łatwiejsze dzięki obecności pierścieni aromatycznych z powodu zwiększonej delokalizacji elektronów n.

Zmieniając strukturę związku, chemicy barwników mogą zmienić długość fali absorbowanego światła widzialnego, a tym samym kolor związku.

Cząsteczki większości barwnych związków organicznych zawierają dwie części:

(i) pojedynczy pierścień arylowy (aromatyczny), taki jak benzen lub pierścień benzenowy z podstawnikiem. Alternatywnie może występować układ pierścieni stopionych, taki jak naftalen (dwa pierścienie stopione razem) lub antracen (trzy pierścienie stopione razem).

Gdzie pierścienie się łączą, dzielą dwa atomy węgla i dlatego naftalen z dwoma pierścieniami ma 10 atomów węgla, a nie 12. Podobnie antracen ma 14, a nie 18 atomów węgla. Ponieważ naftalen i antracen zawierają elektrony zdelokalizowane na wszystkich pierścieniach, niewłaściwe jest używanie symbolu zdelokalizowanego, który jest używany dla benzenu w innych jednostkach, ponieważ wskazywałoby to na dwa lub trzy oddzielne systemy zdelokalizowane. Dlatego w tej jednostce stosuje się struktury Kekulego.

(ii) rozbudowany układ sprzężonych wiązań podwójnych zawierający grupy nienasycone, znane jako chromofory, takie jak:

Intensywność barwy można zwiększyć w cząsteczce barwnika przez dodanie podstawników zawierających samotne pary elektronów do pierścienia arylowego, takich jak:

Grupy te znane są jako auksochromy.

Aby barwnik miał znaczenie przemysłowe, chemicy zajmujący się barwnikami muszą również być w stanie zmienić rozpuszczalność związku, a grupy mogą być włączone w celu uczynienia barwnika rozpuszczalnym w wodzie. Przykłady obejmują grupę kwasu sulfonowego, -SO3H, lub grupę kwasu karboksylowego, -COOH, lub bardziej zazwyczaj, sól sodową tych kwasów, -SO3-Na+ i -COO-Na+, odpowiednio.
Innym kluczowym problemem chemików opracowujących barwniki jest zwiększenie jego reaktywności z obiektem, który chcą zabarwić, na przykład z cząsteczkami włókna. Jest to omówione poniżej, a przykłady są podane w całej jednostce.

Barwienie tekstyliów

Chemiczna natura barwnika jest określona przez chemiczne i fizyczne właściwości włókien tekstylnych, które mają być barwione. Cztery główne typy włókien (tabela 1) to włókna białkowe, celulozowe, regenerowane (na bazie celulozy lub pochodnych) i syntetyczne.

.

Tabela 1 Klasyfikacja włókien tekstylnych.

Podczas procesu barwienia tekstyliów barwnik jest rozprowadzany pomiędzy dwiema fazami, fazą stałą włókna i fazą wodną, a pod koniec procesu barwienia roztwór jest wyczerpany i większość barwnika jest związana z włóknem. Po wniknięciu cząsteczek barwnika do włókna następuje natychmiastowa interakcja między dwoma składnikami, która zapobiega desorpcji cząsteczek barwnika z powrotem do roztworu. Rodzaj interakcji, czy to fizycznej czy chemicznej, będzie zależał od grup na cząsteczkach barwnika i w łańcuchach włókien (Tabela 2).

Tabela 2 Przybliżone względne siły wiązania między barwnikiem a tkaniną.

Rysunek 2 Przed zastosowaniem barwnika należy określić jego odporność na światło. Te regały, znajdujące się na północno-wschodnim wybrzeżu Australii, są używane do wielu badań odporności na warunki atmosferyczne, między innymi odporności koloru. Pozycja stojaków może
być zmieniona, ale na zdjęciu, są one pod kątem 45° do poziomu.
Za uprzejmą zgodą Allunga Exposure Laboratory.

Trwałość koloru kolorowych tkanin jest określona jako ich odporność na zmiany, gdy poddane szczególnym zestawem warunków. Na barwnik nie powinno mieć dużego wpływu światło słoneczne (odporność na światło), ciepło, kiedy tkanina jest prasowana (odporność na ciepło), pot (odporność na pot) i kiedy jest prana (odporność na pranie).

Klasyfikacja barwników

The Colour Index International, produkowany przez Society of Dyers and Colourists, w Bradford, jest wyczerpującą listą znanych komercyjnych barwników i pigmentów i jest regularnie aktualizowany. Każdy barwnik posiada nazwę i numer Indeksu Kolorów (C.I.). Na przykład:

Wszystkie barwniki na liście zostały sklasyfikowane według ich struktury chemicznej i metody stosowania.

Klasyfikacja barwników według ich struktury chemicznej

Indeks Kolorów przypisuje barwniki o znanej strukturze do jednej z 25 klas strukturalnych według typu chemicznego. Do najważniejszych należą:

a) barwniki azowe
b) barwniki antrachinonowe
c) ftalocyjaniny

(a) Barwniki azowe

Barwniki azowe stanowią największą klasę chemiczną, zawierającą co najmniej 66% wszystkich barwników. Cechą charakterystyczną jest obecność w ich strukturze jednej lub więcej grup azowych,

wraz z grupami hydroksylowymi, grupami aminowymi i podstawionymi grupami aminowymi jako auksochromami.

Aromatyczne związki azowe są wytwarzane z amin aromatycznych poprzez odpowiednią sól diazoniową.

Sól diazoniowa powstaje, gdy amina aromatyczna jest traktowana kwasem azotawym (azotowym(III)). Kwas azotawy tworzy się in situ przez dodanie rozcieńczonego kwasu solnego do chłodnego roztworu azotynu sodu w temperaturze około 278 K. W poniższym przykładzie roztwór chlorku benzenodiazoniowego został utworzony z fenyloaminy (aniliny), najprostszej aminy aromatycznej:

Roztwór innego związku, takiego jak inna amina aromatyczna lub fenol, jest następnie dodawany do chłodnego roztworu i tworzy związek azowy, który jest barwny. Jednym z przykładów jest tworzenie się czerwonego barwnika, gdy wodny roztwór kwasu 4-aminonaftalenosulfonowego (kwasu naftonowego) dodaje się do roztworu chlorku 4-nitrobenzenodiazoniowego, tworząc C.I. Czerwień kwasowa 74:

Azobenzen jest chromoforem tych barwników azowych,

i barwa cząsteczki może być modyfikowana, a intensywność barwy zwiększana przez zmianę auksochromów (Tabela 3).

.

Struktura	Barwa obserwowana
	żółty-.zielony
	żółty
	czerwony
	niebieski

Tabela 3 Struktury molekularne niektórych barwników azowych przedstawiające auksochromy.

Niektóre barwniki azowe, te zawierające grupę hydroksylową orto (lub para) do grupy azowej, na przykład C.I. Acid Orange 7, wykazują tautomeryzm, czyli proces, w którym cząsteczka istnieje jako dwie lub więcej różnych struktur w równowadze. Atom wodoru na grupie hydroksylowej jest w stanie migrować do atomu azotu grupy azowej i odwrotnie:

Ten typ tautomeryzmu obejmuje równowagę pomiędzy tautomerem hydroksyazowym i tautomerem ketohydrazonowym, chociaż tautomer ketohydrazonowy zazwyczaj dominuje, a obserwowany kolor ma większą długość fali (przesunięcie batochromowe).

(b) Barwniki antrachinonowe

Barwniki antrachinonowe stanowią około 15% barwników i mają strukturę opartą na chinonach. Najprostszym chinonem jest benzochinon, który ma dwa izomery:

Antrachinon, najprostszy z antrachinonów, jest oparty na antracenie:

Dwa dobrze znane przykłady antrachinonów, które są stosowane jako barwniki to C.I. Disperse Red 60 i C.I. Disperse Blue 60:

(c) Ftalocyjaniny

Ftalocyjaniny składają się zasadniczo z czterech cząsteczek izoindolu:

Cząsteczki te są połączone ze sobą w ftalocyjaninie przez atomy azotu. Struktura ftalocyjaniny jest:

Cząsteczki te są połączone ze sobą w ftalocyjaninie przez atomy azotu. Struktura ftalocyjaniny to:

Ftalocyjaniny koordynują się z atomami metali. Najważniejsze, przyczyniając się do około 2% wszystkich barwników, są miedziane ftalocyjaniny, używane do ich wspaniałych niebieskich i zielonych kolorów. Przykładem jest C.I. Direct Blue 86:

Grupy kwasu sulfonowego wspomagają rozpuszczalność barwnika w wodzie.

Wzór wskazuje, że grupy kwasu sulfonowego mogą znajdować się w różnych pozycjach na pierścieniach aromatycznych.

Klasyfikacja barwników według metod stosowania

Klasyfikacja według metody stosowania jest istotna dla barwiarza włókienniczego stosującego barwnik w celu uzyskania wymaganego koloru. Aby uzyskać wymagany odcień, barwiarz zazwyczaj musi sporządzać mieszaniny barwników i musi zapewnić ich zgodność.

Podstawowymi cechami, które kontrolują przenoszenie barwnika z roztworu na włókno są:

• pH roztworu w kąpieli farbiarskiej (dla barwników kwaśnych i zasadowych)
• elektrolit (roztwór siarczanu lub chlorku sodu)
• temperatura (w zakresie od otoczenia do 400 K)
• związki chem, znane jako środki dyspergujące, które wytwarzają stabilną wodną dyspersję barwników o bardzo niskiej rozpuszczalności

W tabeli 4 wymieniono barwniki pod ich nazwami technologicznymi, które wskazują sposób ich stosowania, wraz z włóknami, na które są stosowane.

Tabela 4 Klasyfikacja technologiczna barwników.

Barwniki grupy 1

Barwniki z tej grupy charakteryzują się rozpuszczalnością w wodzie. W związku z tym nie są one szczególnie szybkie w praniu. Metoda stosowania obejmuje tylko proces jednoetapowy.

(i) Barwniki kwasowe

Ważnymi typami chemicznymi są barwniki azowe, antrachinonowe i ftalocyjaninowe, które pokrywają całe spektrum widzialne i w ten sposób dają pełną gamę kolorów. Barwniki te rozpuszczają się w wodzie, dając formy anionowe. Zazwyczaj stosuje się je w temperaturze ok. 373 K. Podczas gdy wełna i inne włókna białkowe łatwo ulegają degradacji powyżej tej temperatury, włókna poliamidowe (na przykład nylon) można poddawać obróbce w temperaturze 393 K bez żadnej szkody dla nich (tabela 4).

PH wybrane dla roztworu w kąpieli barwiącej zależy od indywidualnych właściwości barwników. Niższe wartości uzyskuje się przez dodanie kwasu siarkowego, a wyższe przez dodanie roztworów kwasu etanowego i siarczanu amonu lub etanianu amonu. Siarczan sodu może być dodawany w celu kontroli dyfuzji anionów barwnika w strukturze włókna.

Z samej natury struktury barwnika wynika, że między barwnikiem a włóknem tworzą się wiązania jonowe, wodorowe i inne oddziaływania międzycząsteczkowe (tabela 2), dzięki czemu barwniki są szybkie. Przykładem typowego barwnika kwasowego jest C.I. Acid Red 73:

Jedna z grup azowych w tym tautomerze występuje w postaci ketohydrazonu.

(ii) Barwniki metalokompleksowe

Typami chemicznymi są azo i antrachinon dające pełną gamę barw. Jednakże są one bardziej matowe niż barwniki kwasowe z powodu obecności atomu metalu w strukturze barwnika. Sole chromu są często używane, chociaż sole kobaltu i niklu są również preferowane.

Atom metalu tworzy kompleks koordynacyjny z dwoma cząsteczkami związku monoazowego zawierającego grupy hydroksylowe, karboksylowe lub aminowe w pozycjach 2,2′ w stosunku do grupy azowej. Związki te nazywane są barwnikami typu „1:2 metalokompleks”. Przykładem jest C.I. Acid Violet 78:

Ich zastosowanie do wełny jest podobne jak w przypadku barwników kwasowych, ale wartość pH jest ograniczona do zakresu od 4,5 do 6,0 (tabela 4).

(iii) Barwniki bezpośrednie

Barwniki bezpośrednie są szczególnie przydatne do barwienia włókien wykonanych z celulozy (tabele 1 i 4).

Syntetyzuje się je z grupami kwasu sulfonowego, aby nadać im rozpuszczalność w wodzie, dysocjując w celu uzyskania kationów sodu i anionowych form barwnika. Są one również zaprojektowane tak, że są one tak liniowe i planarne w strukturze, jak to możliwe. Pozwala to na przyłączenie barwnika do łańcuchów celulozowych we włóknie, często poprzez wiązanie międzycząsteczkowe (w tym wodorowe).

Są one stosowane w kąpieli barwiącej w roztworze wodnym, który zawiera chlorek sodu. Sól ta zmniejsza siły elektryczne odpychania między ładunkiem ujemnym na powierzchni włókna a anionowymi formami barwnika.

Większość barwników bezpośrednich to związki azowe, często zawierające dwie lub trzy grupy azowe. Przykłady obejmują C.I. Direct Orange 25, który posiada grupy -OH, -NHCO- i -N=N, z których wszystkie mają potencjał do tworzenia wiązań wodorowych z grupami hydroksylowymi w celulozie:

Barwnik wykazuje tautomeryzm, ponieważ istnieją dwie grupy hydroksylowe orto do grup azowych. Jednym z tautomerów w równowadze z tą formą jest

gdzie występują dwie grupy ketohydrazonowe.

Inny przykład, C.I. Direct Blue 71, ma trzy grupy azowe, z których jedna jest obecna jako tautomer ketohydrazonu:

(iv) Barwniki zasadowe

Barwniki zasadowe należały do najwcześniejszych barwników syntetycznych. Mauveine jest rzeczywiście barwnikiem podstawowym. Chromofor występuje jako kation i są one obecnie stosowane w barwieniu włókien akrylowych (zwykle kopolimer z propenonitrylem (akrylonitryl) i niewielką ilością komonomeru, który zawiera grupy sulfonianowe, -SO3-, i karboksylanowe, -CO2-). Są to oddziaływania jon-jon (tabele 2 i 4).

Istnieje około 100 barwników zasadowych (kationowych), których barwy obejmują czerwienie, żółcie i błękity, z jaskrawymi mocnymi odcieniami. Niektóre z nich oparte są na układach chromoforów azowych i antrachinonowych. Wiele z nich opartych jest również na jonach arylowęglowych. Przykłady obejmują C.I. Basic Green 4 (znany jako Malachite Green) i C.I. Basic Red 9.

Oba są triarylometanami, grupą barwników, które przy stosunkowo niewielkich zmianach w strukturze wytwarzają gamę odcieni czerwieni, zieleni i fioletu.
Stosowane są również inne, zwane barwnikami polimetinowymi (zawierają jedną lub więcej grup -CH=). Swoją barwę zawdzięczają one obecności układu sprzężonego. Przykładem takiego barwnika jest C.I. Basic Yellow 28, który jest diazacyaniną:

Barwniki te często stosuje się w roztworze elektrolitu, który kontroluje szybkość dyfuzji w strukturze włókna, w temperaturze około 370 K.

(v) Barwniki dyspersyjne

Barwniki te są zasadniczo hydrofobowe i są prawie nierozpuszczalne w wodzie. Jednakże mają one powinowactwo do włókien hydrofobowych, na przykład poliestrów, i są stosowane jako bardzo drobne dyspersje w wodzie (Tabela 4).

Większość barwników dyspersyjnych to związki azowe i mogą dawać kolory w całym spektrum. Niektóre z nich to barwniki na bazie antrachinonu dla czerwieni, fioletów, błękitów i zieleni.

Włókna poliestrowe mogą być barwione w temperaturze 400 K pod ciśnieniem, co pozwala na zastosowanie barwników o większych rozmiarach cząsteczek, które osiągają lepszą trwałość, na przykład:

Przedstawiona struktura jest tautomerem ketohydrazonu.

Barwniki z grupy 2

Choć barwniki z tej grupy są stosowane w procesie dwustopniowym (co kontrastuje z procesem jednostopniowym dla barwników z grupy 1), barwniki te mają zalety, w szczególności w zakresie trwałości.

i) Barwniki reaktywne

Barwniki reaktywne mają wybitne znaczenie w barwieniu bawełny, umożliwiając uzyskanie jasnych, intensywnych barw o wysokiej trwałości. Około 95% barwników reaktywnych to barwniki azowe obejmujące całą gamę kolorów. Niebieskości i zieleni dostarczają również struktury antrachinonowe i ftalocyjaninowe.
Jak wskazuje nazwa tych barwników, reagują one z włóknem, celulozowym (bawełna) lub białkowym (wełna), tworząc wiązania kowalencyjne (tabela 4). Te dwa etapy, najpierw barwienie, a następnie reakcja, mogą przebiegać oddzielnie lub jednocześnie. Charakterystyczną cechą strukturalną jest obecność jednej lub więcej grup reaktywnych. Typowo barwniki przedstawia się jako

D-B-RG

gdzie D jest chromogenem, B grupą mostkową, a RG grupą reaktywną.

Najważniejszymi grupami reaktywnymi są chlorowane triazyny i winylosulfony.

Jednym z trzech izomerów najprostszej triazyny jest:

Przykładem barwnika z grupą dichlorotriazynową jest C.I. Błękit reaktywny 109:

Reakcja pomiędzy grupami -OH celulozy we włóknie a grupami -C-Cl w chlorotriazynie zachodzi na drodze reakcji substytucji (nukleofilowej) tworząc wiązania kowalencyjne.

Sulfon etenylowy (winylowy) zawiera grupę CH2=CHSO2, a najprostszym z nich jest dietenylosulfon (diwinylosulfon). Grupa sulfonowa może być widoczna w C.I. Błękit reaktywny 19:

W tym przykładzie nie ma grupy mostkującej.

Barwnik reaguje z celulozą poprzez addycję do podwójnego wiązania siarka-tlen.

Barwniki reaktywne, w roztworze wodnym, mogą ulegać hydrolizie sulfonu czyniąc go niereaktywnym w stosunku do celulozy. Oznacza to, że nieprzereagowany barwnik, jeśli nie zostanie odpowiednio wyprany, pozostanie na powierzchni tkaniny, dając pozorny kolor, który z czasem się wypłucze. Aby zmniejszyć ten problem, opracowano barwniki z dwiema różnymi grupami reaktywnymi o różnej reaktywności. Barwniki te oferują lepszą trwałość, ponieważ jeśli jedna z grup zostanie zhydrolizowana w roztworze, druga zareaguje z grupami hydroksylowymi w tkaninie. Pierwszy z nich zawierał zarówno grupę chlorotriazynową, jak i grupę winylosulfonową, a przykładem jest C.I. Reactive Red 194:

Oprócz dwóch różnych grup reaktywnych, istnieje chromogen i grupa pomostowa.

Wszystkie barwniki reaktywne mają stosunkowo mały rozmiar cząsteczki i mają również dwie lub więcej grup kwasu sulfonowego w chromogenie, co prowadzi do wysokiej rozpuszczalności w wodzie. Część gatunków barwników (anionowych) nie reaguje z włóknem i ulega hydrolizie, a produkt musi być usunięty przez pranie.

Ryc. 3 Jeansy farbuje się indygo i różnymi barwnikami siarkowymi, których wybór zależy od pożądanego koloru.
Za uprzejmą zgodą Lizzie Hubbard.

(ii) Barwniki kadziowe

Około 80% barwników kadziowych należy do chemicznej klasy barwników antrachinonowych i obejmuje pełną gamę kolorów. Jeden rodzaj, barwniki indygoidalne, obejmuje indygo:

Wszystkie barwniki kadziowe są nierozpuszczalne w wodzie. Aby nanieść je na włókno, na przykład bawełnę, umieszcza się je w roztworze alkalicznym (tabela 4). Nierozpuszczalny barwnik ulega redukcji, tworząc bezbarwny anion (leuko), który jest rozpuszczalny i wykazuje powinowactwo do włókna. Jest on następnie adsorbowany przez włókno, czasami w obecności chlorku sodu, w warunkach podobnych do tych, jakie panują w przypadku barwników bezpośrednich. Po procesie barwienia oryginalny nierozpuszczalny barwnik macierzysty jest regenerowany we włóknie poprzez utlenianie, zwykle przy użyciu roztworu nadtlenku wodoru lub po prostu powietrza:

Barwniki są nierozpuszczalne w strukturze włókna i dlatego mają dobrą odporność na pranie i wysoką odporność na światło.

(iii) Barwniki siarkowe

Barwniki siarkowe, podobnie jak barwniki kadziowe, nanosi się na wyroby włókiennicze (celuloza, tabela 4) w postaci rozpuszczalnej formy anionowej, a następnie utlenia do formy nierozpuszczalnej.

C.I. Sulphur Black 1 i C.I. Sulphur Blue 7 należą do najczęściej stosowanych barwników siarkowych. Podobnie jak inne barwniki siarkowe, ich struktury są zmienne i w dużej mierze nieznane. Zapewniają one gamę czerni, brązów i matowych błękitów. Są one jednak znacznie tańsze niż barwniki kadziowe do produkcji, ponieważ ich przygotowanie przez ogrzewanie różnych związków organicznych z siarką, jest proste.

Pigmenty

Pigmenty są używane w barwieniu farb, farb drukarskich, ceramiki i tworzyw sztucznych. Mogą być stosowane na znacznie szerszą gamę substancji niż barwniki, ponieważ nie są zależne od rozpuszczalności w wodzie do ich stosowania. Pigment jest drobno podzielonym ciałem stałym, które jest zasadniczo nierozpuszczalne w medium, w którym jest stosowany. W większości przypadków pigment jest dodawany do płynnego medium, np. mokrej farby lub roztopionego tworzywa termoplastycznego. Medium jest następnie pozwolić, aby zestalić przez odparowanie rozpuszczalnika lub chłodzenia i tak cząsteczki pigmentu stają się ustalone mechanicznie w stanie stałym.

Chromofory stosowane w pigmentach są zwykle takie same jak te stosowane w barwnikach, ale pigmenty są duże cząsteczki i nie mają grup rozpuszczających. Zawierają one grupy tworzące wiązania międzycząsteczkowe, które pomagają zmniejszyć rozpuszczalność. Im większa cząsteczka, tym bardziej nieprzezroczysty pigment.

Rysunki 4 i 5 Czerwony i żółty barwnik to pigmenty azowe (C.I. Pigment Red 57 i C.I. Pigment Yellow 13). Niebieski to pigment ftalocyjanina miedzi. Za uprzejmą zgodą BASF.

Pigmenty organiczne generalnie dają wyższą intensywność i jasność koloru niż pigmenty nieorganiczne, takie jak żółcień chromowa (chromian(VI) ołowiu(II)).

Pigmenty organiczne wykazują szereg właściwości trwałości, które są zależne od struktury molekularnej i charakteru asocjacji wewnątrzcząsteczkowej w stanie stałym. Wzrost wielkości cząsteczki pigmentu generalnie zmniejsza rozpuszczalność pigmentu. Również wiele pigmentów ma włączoną grupę amidową (-NHCO-), która dodatkowo zmniejsza jego rozpuszczalność, ponieważ cząsteczki są utrzymywane razem w dużych strukturach przez wiązanie wodorowe (między grupą N-H w jednej cząsteczce i grupą C=O w innej).

Wiele pigmentów organicznych jest opartych na chemii azowej i dominują w obszarach żółtych, pomarańczowych i czerwonych odcieni. Przykładem prostego pigmentu monoazowego jest C.I. Pigment Yellow 1:

Ta forma jest tautomerem ketohydrazonu.
Ftalocyjaniny miedziowe dostarczają większość niebieskich i zielonych pigmentów. Są one strukturalnie złożone, ale są stosunkowo niedrogie w produkcji. Zapewniają doskonałą odporność na światło, ciepło, kwasy i zasady.

Przykładem jest C.I. Pigment Blue 15:

Wcześniej w jednostce, struktura barwnika, C.I. Direct Blue 86, i można zobaczyć, jak grupy kwasu sulfonowego w tej strukturze przekształcają pigment w barwnik.

Barwniki i pigmenty funkcjonalne (wysokiej technologii)

Barwniki i pigmenty funkcjonalne są produkowane w niewielkich ilościach w porównaniu ze związkami stosowanymi do barwienia tekstyliów. Są one jednak przedmiotem wielu badań i zainteresowania i są opracowywane do różnych celów. Niektóre z nich przedstawiono poniżej.

(a) Wyświetlacze ciekłokrystaliczne

Ciekłe kryształy odgrywają ważną rolę w naszym życiu od wielu lat w różnych formach wyświetlaczy informacyjnych, np. w kalkulatorach. Początkowo mogły one wyświetlać tylko różnice między światłem a ciemnością. Okazało się, że dzięki zastosowaniu barwników można zwiększyć ten kontrast i produkować kolorowe ekrany. Obecnie w znacznym stopniu zastąpiły one tradycyjne technologie wyświetlania, takie jak diody elektroluminescencyjne i kineskopy. Stosowane barwniki zostały specjalnie zaprojektowane tak, aby zmieniały orientację wraz z cząsteczkami ciekłego kryształu i dlatego oferują większą intensywność koloru. Mówi się, że barwniki te wykazują dichroizm.

(b) Barwniki laserowe

Termin laser jest akronimem odnoszącym się do wzmocnienia światła przez stymulowaną emisję promieniowania.

Powszechnie stosowano lasery nieorganiczne, ale miały one zdolność wytwarzania promieniowania tylko przy kilku wybranych długościach fali i w bardzo wąskich pasmach. Zastosowanie barwników pozwoliło na wytwarzanie światła w całym spektrum od długości fali 320 do 1200 nm. Zastosowanie laserów barwnikowych obejmuje technologie komunikacyjne oraz mikrochirurgię.

(c) Druk strumieniowy

Druk strumieniowy jest nieudarową techniką wytwarzania obrazów poprzez kierowanie małych kropel atramentu, najlepiej pod kontrolą komputera, w szybkim tempie na podłoże. Znalazła ona wiele zastosowań. Ze względu na wymagania dotyczące wielkości kropli, aby uzyskać dobrą definicję, preferuje się stosowanie barwników zamiast pigmentów. Kropelki są mniejsze (pigmenty mają tendencję do blokowania dysz), a rozpuszczalność w wodzie zmniejsza wpływ na środowisko i utrzymuje cenę na niskim poziomie. Wczesne barwniki to te, które były już stosowane w innych gałęziach przemysłu, ale charakteryzowały się słabą odpornością na działanie wody. Doprowadziło to do opracowania specyficznych barwników i unikalnych systemów płynów. Barwniki te są zaprojektowane tak, aby były rozpuszczalne w lekko alkalicznych systemach (pH 7,5 do 10), które stają się nierozpuszczalne w lekko kwaśnych warunkach (pH 4,5 do 6,5) na papierze lub innym podłożu. Technologia ta ma ogromny wpływ na wysokonakładowe drukowanie przemysłowe opakowań, tekstyliów, oklein ściennych i wyświetlaczy reklamowych.

(d) Terapia fotodynamiczna

Jest to metoda leczenia nowotworów wykorzystująca połączenie światła laserowego, związku fotouczulającego (barwnika) i tlenu cząsteczkowego. Barwnik jest podawany pacjentowi dożylnie i z czasem wchodzi do komórek nowotworowych. Napromieniowanie komórek światłem lasera może rozpocząć ich niszczenie.

Laser oddziałuje z barwnikiem i promuje go do stanu wzbudzonego. W wyniku złożonego procesu powstają wzbudzone (bardziej reaktywne) cząsteczki tlenu, które reagują z nienasyconymi centrami w białkach i lipidach błony komórkowej. Ta metoda leczenia pozwala uniknąć stosowania inwazyjnych zabiegów chirurgicznych.