18 Farbstoffe und optische Aufheller - gruberscript.net

1 E. Gruber : Papier- und Polymerchemie Vorlesungsskriptum zum Lehrgang Papiertechnik an der Dualen Hochschule Karlsruhe Version 2011-12 letzte Aktualisierung: 17:40 Seite 18 - 1 18 Farbstoffe und optische Aufheller Farbmittel werden bei der Papierherstellung zum F rben, Nuancieren und Aufhellen benutzt. Die Stoffe, die die Ver nderung des farblichen Eindrucks bewirken nennt man allgemein Farbmittel . Die Bezeichnung Farbstoff bezieht sich im engeren Sinn auf einen l slichen Stoff, der zum F rben eingesetzt wird. Art und Verwendung von Farbmitteln Einsatzgebiete von Farbmitteln F rbung Herstellung von deutlich farbigem Papier mit Hilfe von Farbmitteln.

2 Solche Papiere werden zu k nstlerischen Zwecken, zum Basteln und zur Erzielung besonderer Werbeeffekte verwendet. Nuancierung Gegenf rbung, um einen leichten Farbstich zu berdecken und einen wei en Farbeindruck zu erreichen ( geringe Blauf rbung, um einen im Papier vorhandenen Gelbstich zu kompensieren). Der Wei grad sinkt dabei etwas, aber das Papier wirkt insgesamt frischer. Aufhellung Verst rkung der Lichtremission des Papiers durch Verwendung von optischen Aufhellern (Wei machern), die UV-Licht absorbieren und sichtbares Licht ausstrahlen (durch Fluoreszenz) Arten von Farbmitteln unl sliche, feink rnige, tief gef rbte Pigmente ( K rperfarben ) o anorganische fein gemahlene Mineralien ( Erdfarben ).

3 Beispiele sind Ocker, R tel und Zinnober Baustein 18: Farbstoffe und optische Aufheller E. Gruber : Papier- und Polymerchemie Vorlesungsskriptum zum Lehrgang Papiertechnik an der Dualen Hochschule Karlsruhe Version 2011-12 letzte Aktualisierung: 17:40 Seite 18 - 2 o synthetisch organische Pigmente (getrocknete, gef llte Niederschl ge stark gef rbter organischer Verbindungen) l sliche Farbstoffe ( Saftfarben ) o Naturfarben (aus Organismen, vor allem Pflanzen isoliert) Indigo aus der Indigopflanze oder dem F rberwaid (deutsches Indigo) o Chemisch synthetisierte, l sliche Farben ( synthetisches Indigo) Wirkungsmechanismus von Farbstoffen Spektrale Natur des Lichts Licht besteht aus einem Strom von Lichtquanten.

4 Diese Quanten k nnen als schwingende Wellenz ge aufgefasst werden, genauer gesagt handelt es sich um elektromagnetische Transversalwellen). Die Energie eines einzelnen Lichtquants E ist umso h her, je schneller es als Welle schwingt, je h her seine Frequenz ist. (Frequenz = Schwingungen pro Sekunde) E = h Der Proportionalit tsfaktor h hei t Plank sches Wirkungsquantum. Es ist eine universelle Konstante (4,136 eVs) Wellenl nge und Frequenz sind verkehrt proportional =c/ c ist die Vakuumlichtgeschwindigkeit ( 3 108 m/s) Licht ist geb ndelte Energie. Im sichtbaren Bereich des Wellenl ngenspektrums (siehe Abbildung 1) entspricht die Energie eines Lichtquants ca.

5 1 Elektronenvolt, der Energie, die ein Elektron (das gegen ber einem Photon riesengro ist) beim Durchtreten eines elektrischen Feldes der Spannung von 1 V in Form von kinetischer Energie aufnimmt. An thermisch wirksamer Energie entspricht dies einer Gr enordnung von E. Gruber : Papier- und Polymerchemie Vorlesungsskriptum zum Lehrgang Papiertechnik an der Dualen Hochschule Karlsruhe Version 2011-12 letzte Aktualisierung: 17:40 Seite 18 - 3 10000 K. Dies ist auch der Grund, warum relativ wenige Lichtquanten gen gen, um ber das Sonnenlicht die ganze Erde mit Energie zu versorgen.

6 F r den Menschen ist nur ein relativ enger Ausschnitt des Spektrums sichtbar. Nur Licht mit einer Wellenl nge zwischen 400 nm und 700 nm sind mit dem Auge als Licht erkennbar. Kurzwelligere elektromagnetische Wellen hei en ultra-violett, l ngerwellige infrarot (Abbildung 1). Abbildung 1: Spektrum des sichtbaren Lichts Warum sind manche Verbindungen farbig? Stoffe erscheinen farbig, wenn sie Licht nur in einem Teilbereich des sichtbaren Spektrums absorbieren. Eine farbige Verbindung absorbiert Quanten ganz bestimmter Energie bzw. Wellenl nge. Dabei spielt sich im Atom folgender Vorgang ab: Ein Lichtquant trifft auf ein Elektron und verschmilzt mit diesem, wodurch das Elektron heftiger zu schwingen beginnt.

7 Es wird dabei auf eine Bahn h herer Energie gehoben (Abbildung 2). In einem Atom sind nur ganz bestimmte Energieniveaus m glich, so dass nur dann eine solche Anregung erfolgt, wenn die Anregungsenergie (=Energie des eingestrahlten Lichtquants) gleich gro ist wie die Energiedifferenz zum n chst-h heren Energieniveau im Atom. Nur Licht von genau passender Wellenl nge kann also mit der Materie auf diese Weise in Wechselwirkung treten. IRUVQ uantenenergieWellenl nge400 nm700 nm1 m ~ 1,24 eV~ 14900 KIRUVQ uantenenergieWellenl nge400 nm700 nmIRUVIRUVQ uantenenergieWellenl nge400 nm700 nm1 m ~ 1,24 eV~ 14900 K1 m ~ 1,24 eV~ 14900 KE.

8 Gruber : Papier- und Polymerchemie Vorlesungsskriptum zum Lehrgang Papiertechnik an der Dualen Hochschule Karlsruhe Version 2011-12 letzte Aktualisierung: 17:40 Seite 18 - 4 Abbildung 2: Absorption eines Lichtquants durch ein Atom In Atomen und einfachen Molek len unterscheiden sich die Energieniveaus der Elektronen sehr deutlich, die Orbitale haben relativ gro e Energieunterschiede. Die Lichtquanten, die absorbiert werden k nnen, m ssen eine vergleichsweise gro e Energie besitzen. In der Regel wirkt auf diese Weise bei Atomen und kleinen Molek len nur das kurzwellige (und daher energiereiche) UV-Licht oder gar R ntgenlicht.

9 Komplexe Molek le haben dagegen sehr viele Unterbringungsm glichkeiten (Molek lorbitale) f r angeregte Elektronen. Zwischen einzelnen dieser Elektronenauf-enthaltsr ume sind nur geringe Unterschiede an Energie. Hier kann also schon eine Anregung durch energiearme Quanten erfolgen (Nahes UV- bis sichtbares Licht). Dies reicht aus, um ein Elektron auf das benachbarte Energie-Niveau zu hieven. Den Teil eines gro en Molek ls, der durch sichtbares Licht angeregt wird, nennt man Chromophor (aus griechisch Farbtr ger). Besonders geeignet dazu sind komplexe Molek le mit vielen -Elektronen in einem konjugierten Bindungssystem.

10 E. Gruber : Papier- und Polymerchemie Vorlesungsskriptum zum Lehrgang Papiertechnik an der Dualen Hochschule Karlsruhe Version 2011-12 letzte Aktualisierung: 17:40 Seite 18 - 5 Abbildung 3: Anregung eines komplexen Molek ls mit vielen -Elektronen in einem konjugierten Bindungssystem Der Zusammenhang zwischen Molek lstruktur und Farbigkeit wurde schon in der Vorlesung Faserstofftechnologie bei den Grundlagen der Bleiche besprochen. Aufbau von Farbmitteln Farbstoffe Farbstoffmolek le enthalten wie alle farbigen Verbindungen Chromophore. Aber damit eine farbige Verbindung auch zum Farbstoff taugt, muss sie auch gute f rberische Eigenschaften ( Aufzieh- und Bindeverm gen, Farbnuancierung) und Echtheiten (Lichtechtheit, Wasserbest ndigkeit, Fett- und Wasserbest ndigkeit, Ausbleichresistenz etc.)