INTRODUCCIÓN Los colorantes son uno de los grupos de productos químicos industriales de mayor uso, producidos y utilizados en grandes cantidades bajo una gran variedad de denominaciones comerciales y químicas en casi todas las industrias. Un colorante es un compuesto que al aplicarse a un sustrato (casi siempre a una fibra textil, pero también a cuero, papel, algún material plástico o alimento) se le confiere un color mas o menos permanente. Un colorante se aplica en solución o dispersión y el sustrato debe tener cierta afinidad para absorberlo. Los colorantes en general son solubles en el medio en el que se aplican o en el producto final. Un pigmento, por el contrario, esta compuesto por partículas diminutas de un compuesto colorido disperso en un medio en el que es insoluble. Los pigmentos no se adhieren a los sustratos en la misma forma que los colorantes. En lugar de esto se, se dispersan en un vehículo adherente (casi siempre un polímero) que se adhiere al sustrato. Los pigmentos son importantes en las aplicaciones en que la insolubilidad e esencial, como son las tintas de impresión, donde un colorante se esparcía o “sangraría” sobre el área en que se aplica. Los pigmentos tienen también mayor opacidad, poder cubriente y resistencia al calor, por lo tanto es de valor en pinturas y en coloración de plásticos. Las principales propiedades de que los colorantes de colorantes buscan son color, resistencia a la luz y adherencia al sustrato para que el color no se desvanezca, se desgaste o se extraiga por lavado. También es importante el nivelado del colorante (la uniformidad de color en una gran área); se busca facilidad de aplicación, lo mismo que compatibilidad con otros colorantes. El colorante no debe dañar la fibra. El costo es relativamente poco importante por que los colorantes se usan en pequeñas cantidades.Un colorante es un compuesto que al aplicarse a un sustrato le confiere un color mas o menos permanente.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: • Describir a los colorantes OBJETIVOS ESPECIFICOS: • Estudiar los conceptos de los colorantes para lana, fibras celulósicas, fibras sinteticas y sus diversas aplicaciones. • Describir la fabricación de colorantes como: Azo, antraquinona y estilbeno y otros.
COLORANTES I.
HISTORIA DE LOS COLORANTES
El color destaca su presencia cotidiana en todo lo que rodea al hombre. Se prodiga tanto en los objetos de creación humana como en la naturaleza. Desde las etapas más tempranas de la cultura humana el hombre hizo uso consciente y variado del color, lo aplicó sobre las superficies rocosas de las cavernas e incluso, sobre su propia piel. Los servicios que el color ha brindado recorren una amplia gama de funciones, desde cubrir la superficie de un objeto, hasta representar simbólicamente una idea o un concepto. Hoy maravillan todavía los prodigios que en este arte decorativo realizaron los asirios y babilonios, y sobre todo los egipcios. Sorprende los numerosos productos colorantes que conocían y su habilísima manera de prepararlos para darles viveza, realce y hacerlos inalterables. Los egipcios conocían una técnica llamada de mordiente, a través de la cual conseguían teñir un tejido con matices diferentes empleando una misma materia colorante. Muchos de estos secretos de la antigüedad se han perdido, y hoy día no se saben preparar muchos de los tintes que para la decoración de las piedras, mosaicos y tejidos usaron los antiguos. En el año 1856 se inició la era de los colorantes sintéticos, El primer colorante sintético que se preparó fue la Mauvine que fue preparado por Willian Henry Perkin quién logró obtener el colorante púrpura por oxidación de la anilina con ácido crómico.. Esto marcó el inicio de la industria de los colorantes sintéticos.
Posteriormente al descubrimiento de la Mauvine se prepararon los colorantes Magenta, Anilina Azul, Violeta Metil, Violeta Hoffmann, Anilina Negra y Verde Aldehído. En 1859 se sintetizó la Fucsina, preparado por Verguin en Francia, y utilizada como colorante textil.
En 1868, Groebe y Lieberman anunciaron la primera síntesis de un colorante azul natural: Alizarina; y en 1869 Caro, Groebe, Lieberman y Perkin patentaron el proceso para su manufactura. El descubrimiento de Peter Griess en 1858 y 1865 de la reacción de diazotación de aminas aromáticas y la reacción de copulación de compuestos de diazonio fueron la base para la siguiente fase en la elaboración de colorantes y obtuvieron la base teórica que hacía falta. II.
EL COLOR
El mundo es de colores, donde hay luz, hay color. La percepción de la forma, profundidad o claroscuro está estrechamente ligada a la percepción de los colores. El color es un atributo que percibimos de los objetos cuando hay luz. La luz es constituida por ondas electromagnéticas que se propagan a unos 300.000 kilómetros por segundo. Esto significa que nuestros ojos reaccionan a la incidencia de la energía y no a la materia en sí. Las ondas forman, según su longitud de onda, distintos tipos de luz, como infrarroja, visible, ultravioleta o blanca. Las ondas visibles son aquellas cuya longitud de onda está comprendida entre los 380 y 770 nanómetros. Los objetos devuelven la luz que no absorben hacia su entorno. Nuestro campo visual interpreta estas radiaciones electromagnéticas que el entorno emite o refleja, como la palabra "COLOR". ÍNDICE DE COLOR El índice de color es la medida de color de una estrella y, por tanto, de su temperatura superficial. Las magnitudes visual y fotográfica de una estrella no suelen coincidir y a su diferencia se denomina índice de color. La escala se ajusta de forma que una estrella blanca, como Sirius, tenga un índice de color cero, una estrella azul lo tenga negativo y una estrella amarilla o roja, positivo. En el sistema normal UBV (ultravioleta, azul, visual) el índice de color se consigue restando la magnitud visual de la estrella de su magnitud en luz ultravioleta o azul.
PERCEPCIÓN DEL COLOR En la retina del ojo existen millones de células especializadas en detectar las longitudes de onda procedentes de nuestro entorno. Estas células fotoreceptoras, conos y los bastoncillos, recogen parte del espectro de luz solar y lo transforman en impulsos eléctricos, que son enviados al cerebro a través de los nervios ópticos, siendo estos los encargados de crear la sensación del color. Existen grupos de conos especializados en
detectar y procesar un color determinado, siendo diferente el total de ellos dedicados a un color y a otro. Por ejemplo, existen más células especializadas en trabajar con las longitudes de onda correspondientes al rojo que a ningún otro color, por lo que cuando el entorno en que nos encontramos nos envía demasiado rojo se produce una saturación de información en el cerebro de este color, originando una sensación de irritación en las personas. El mecanismo de mezcla y producción de colores producidos por la reflexión de la luz sobre un cuerpo no es el mismo al de la obtención de colores por mezcla directa de rayos de luz. III.
COLORANTE
Es cualquiera de los productos químicos pertenecientes a un extenso grupo de sustancias, empleados para colorear tejidos, tintas, productos alimenticios y otras sustancias. En la moderna terminología industrial se amplía el concepto de colorantes a los productos que contienen colorantes orgánicos puros junto con agentes reductores o de relleno que los hacen más manejables. El color de los compuestos orgánicos depende de su estructura. Generalmente, los compuestos empleados como tintes son productos químicos orgánicos insaturados. La característica del color es especialmente notable en productos químicos que contienen ciertos grupos insaturados bien definidos. Estos productos químicos, conocidos como cromóforos (portadores de color), tienen diferentes capacidades para dar color. Los radicales químicos llamados auxocromos, tienen la propiedad de fijar eficazmente el colorante deseado. Se trata de ácidos y bases que originan colorantes ácidos y básicos. En algunos compuestos, la presencia de un grupo auxocromo puede colorear compuestos incoloros.
CROMOFOROS Grupo etileno Grupo carbonilo
AUXOCROMOS C-C
Grupo sulfonico
- H2SO4
R-C=O
Grupo Carboxílico
R – COOH
Grupo nitroso Grupo nitro
-N=N-
Grupo Hidroxilo
R – OH
- NO2
Grupo Amino
- NH2
Grupo azo
Cloro
Cl2
Grupo azoxi
Bromo
Br2
Grupo quinoideo
IV.
CLASIFICACION DE COLORANTES COLORANTES:
CLASIFICACIÓN DE LOS COLORANTES COLORANTES NATURALES Orgánicos de origen animal
cochinilla púrpura
Orgánicos de origen vegetal
índigo palo campeche
Inorg. de origen mineral
cinabrio plomo cobalto
COLORANTES ARTIFICIALES Ácidos Básicos Directos Reactivos
a la tina de pigmentación Dispersos
sulfurosos de complejo metálico colorantes sobre mordiente
1. COLORANTES NATURALES: 1.1. Colorantes naturales de origen animal Por lo que se refiere a los colorantes animales, algunos que tuvieron tantísima importancia, como la cochinilla, han desaparecido de la tintura textil, dado que su naturaleza orgánica presenta muchos problemas de solidez; esa naturaleza orgánica, precisamente, es la que ha reclamado de nuevo para ellos la importancia de su aplicación en otras industrias (por ejemplo la alimentaría), donde los colorantes artificiales resultan
más dañinos que los naturales, que no producen perjuicio alguno. El colorante de la cochinilla, que procede del insecto del mismo nombre, se conoció en el mundo occidental después de la llegada de los españoles al territorio del actual México, ya que los aztecas la utilizaban abundantemente; fue a través de España que el uso de éste colorante pasó al resto del mundo. El colorante de la púrpura procede de una secreción del molusco marino que lleva este nombre; aunque hay otros que segregan una sustancia similar a la púrpura. Son abundantes los vestigios de su utilización en tiempos anteriores a la era cristiana. La utilización de este colorante no es sencilla, llegando a desconocerse durante largo tiempo después de la caída del Imperio Romano. A finales del siglo XVII se volvió a utilizar. Ciertamente el color púrpura tiene mucho de especial, y no sólo por sus connotaciones casi míticas. Es por ello que con el nacimiento de la química de laboratorio, a principios del siglo XX se aisló la sustancia colorante de la púrpura, encontrando que su composición química es C16H8O2N2Br2, que se corresponde con el dibromoíndigo. Hoy día, la púrpura es un colorante artificial sintético que se obtiene a partir del nitrobromobenzaldehído por tratamiento con sosa, acetona y alcohol etílico. 1.2. Colorantes naturales de origen vegetal El índigo es el colorante natural más utilizado en todos los tiempos, incluso actualmente, debido a su solidez; resiste bien a la luz, al lavado, a los álcalis y ácidos. Se utiliza en tintura textil como colorante a la tina. El índigo es el colorante de los jeans y prendas vaqueras azules. Esta sustancia se extrae de plantas del género indigofera (que se dan en el Asia Sur oriental, cultivadas y empleado como tal sobre todo en la India, para el algodón), que lo contienen en forma de glucósido; éste se hidroliza por ácidos o por fermentos en glucosa e indoxilo, se oxida de forma natural por el oxígeno del aire y se transforma en el colorante índigo o añil. Su composición química es C16H10O2N2 Una vez se consiguió aislar esta sustancia, su producción química ha hecho que el índigo como colorante artificial sea más barato y abundante que el natural. El palo campeche es un árbol leguminoso, de la familia de las papilionáceas, de madera muy dura y negra, algo aromático, cuya especie más importante se da en México y otras regiones de América Central. De esta especie se extrae la sustancia colorante hematoxilina o hemateína, de color típicamente encarnado, que se llama comúnmente campeche o palo campeche. 1.3. Colorantes minerales De los colorantes naturales, los minerales siguen utilizándose, pero no de la forma natural como se hizo en la antigüedad sino aprovechando sus propiedades químicas que la ciencia ha ido descubriendo, e incorporándolos así a la industria como colorante artificiales. Tal es el caso del blanco de plomo, el azul cobalto, el ocre del cinabrio, etc. 2. COLORANTES ARTIFICIALES Son los más importantes en la tintura textil. Muchos de ellos proceden de aislar en laboratorio las sustancias correspondientes a los mismos colorantes en estado natural, parte de los cuales hemos visto, y proceder posteriormente a sintetizar químicamente colorantes idénticos a sus correspondientes naturales. El hecho de proceder mediante
química a la obtención de colorantes da ocasión a que en tales procedimientos se busquen y consigan productos colorantes con cualidades apropiadas a los fines textiles que se les va a dar. GENERALIDADES Características que definen y clasifican a la mayoría de los colorantes artificiales.
Colorantes ácidos Empleados para tintura de lanas, seda, poliamidas.
Tienen diferentes grados de solideces. Colorantes básicos Empleados para tintura directa de lana, seda y, sobre todo, las acrílicas, en las que se obtienen colores vivos y brillantes y con muy buenas solideces. Colorantes directos (sustantivos) Empleados para la tintura de celulósicas, con muy buenas solideces. Colorantes a la tina Necesitan del oxígeno ambiental para ser efectivos. Su constitución química es análoga a la del índigo. Colorantes pigmentación Necesitan de aglutinantes para su fijación. Colorantes dispersos Fino grado de dispersión. Empleados para la tintura de rayón, acetatos y poliésteres. Se usan con auxiliares "carriers". Colorantes sulfurosos Empleados para fibras celulósicas. Muy económicos pero de resultados pobres de matices. Colorantes de complejo metálico Se emplean en la lana. De buena solidez. Colorantes sobre mordiente Poco empleados. Colorantes reactivos Empleados en la tintura de fibras celulósicas, mediante reacción química; producen matices de coloreado muy vivos y brillantes.
COLORANTES PARA LANA
1) Los colorantes acidos Son los utilizados para tintar la lana y fibras proteicas en medio ácido. Su grupo cromóforo es aniónico. De ellos, los azóicos son los tintes amarillos, anaranjados, rojos, escarlatas, marinos sólidos, algunos verde oscuros, y marrones (mezclas de varios azóicos).
De los colorantes ácidos, los antranoquinónicos son los azules de buena solidez a la luz y a tratamientos en húmedo. Corren peligro de volver a oxidarse con la humedad ambiental una vez teñidos. Los trifenilmetánicos son los violetas, azules y verdes de tonos muy brillantes y moderadamente sólidos a la luz, mejor a los tratamientos húmedos. Estos colorantes tienen su índice de solubilidad (en agua) y su índice de afinidad en relación inversa. Por otra parte, a mayor solubilidad, mayor igualación pero menor solidez ante agentes húmedos.
2) Los colorantes básicos Tiñen las fibras animales de forma directa; pero de entre las naturales vegetales, solo el yute tiene afinidad por estos colorantes. Tiñen las fibras artificiales celulósicas indirectamente, mordentadas con tanino; de entre ellas, sólo el rayón nitro-seda tiene afinidad por los colorantes básicos. El uso más común de los colorantes básicos se da en la tintura de las fibras acrílicas y de algunos poliésteres (los modificados). En la tintura de estas fibras para controlar el proceso de tintura con colorantes básicos se utilizan agentes catiónicos-aniónicos adicionales. Estos agentes son sales de bases orgánicas que fuerzan al grupo cromóforo a unirse al catión, resultando el anión incoloro. Esta reacción química da como resultado tres grupos de colorantes básico nuevo: ○
Colorantes con di/trifenilmetano.
carga
positiva
deslocalizada;
derivados
del
○
Colorantes con carga catiónica localizada; de tipo antraquinónico o azoico, que poseen elevada solidez a la luz y buena estabilidad al ph.
○
Colorantes con estructura heterocíclica, conteniendo nitrógeno cuaternario; estos son solubles en alcohol etílico; menos solubles en agua.
1) Colorantes premetalizados: Se trata de soluciones tintóreas creadas mediante un proceso químico previo a la fase de tintura; en este caso el procedimiento es el siguiente: una o varias moléculas de colorante, generalmente ácido, se asocian con un átomo metálico formando un complejo molecular con afinidad por las fibras proteicas y poliamídicas. La formación de este complejo químico se consigue calentando una solución acuosa del cromóforo con una sal de cromo trivalente, siempre en un medio de ph por debajo de 4. Si bien se obtiene con ellos una extensa gama de colores, estos adolecen de falta de brillo en azules, verdes y violetas. Suelen aplicarse a tejidos inencogibles.
COLORANTES PARA FIBRAS CELULOSICAS
1) Colorantes artificiales directos Los colorantes artificiales directos se llaman así porque tiñen la fibra sin necesidad de un segundo producto que actúe como mordiente de ésta. Existen dos familias de colorantes directos: a) Colorantes azóicos Los colorantes azóicos son derivados de las aminas del difenilo
en donde N puede ser -HN-NHarildiaminas, enlace simple de bencidínicos -CH=CH- etilbénicos -NH-O-S-CONH-NH-CO-NH-
R puede ser -H SO3Na -Cl -NO2 -OH -CH3 -OCH3 -OCH2CONa
b) Colorantes tiazólicos Los colorantes tiazólicos se llaman así porque en su molécula contienen el anillo tiazólico. Estos colorantes son solamente amarillos, anaranjados y pardos.
Características de los colorantes artificiales directos ○
Generalmente son solubles en agua, aunque algunos precisan para ello la presencia de carbonato sódico.
○
Su solubilidad aumenta con el número de grupos sulfónicos y disminuye al aumentar su peso molecular.
○
En frío forman soluciones coloidales.
○
Los colorantes directos resisten bien a los ácidos, aunque tienden a enrojecer.
○
En presencia de agentes reductores rompen su molécula hacia derivados aminados.
Resultado de colorantes directos con agentes reductores
Clasificación de los colorantes directos Según la Society of Dyers and Coulorists
•
Colorantes autorregulables
•
Colorantes controlables mediante la sal
Colorantes regulables por temperatura
Los colorantes autorregulables poseen buenas propiedades de igualación y dispersión. Pueden aplicarse por agotamiento, sin precaución especial, dentro de los límites normales de la tintura. Los colorantes controlables mediante la sal dan un índice de agotamiento de 50% en baño de solución 1/30, con contenido de sal inferior al 1%. Los colorantes regulables por temperatura son de gran sensibilidad, llegando a una absorción de un 50% de colorante, en soluciones de menos del 1% de sal. De esa forma la tintura es demasiado brusca y necesita, por tanto, ser controlada mediante su temperatura. Según su tratamiento posterior
•
Con sales de cobre
•
Con formaldehído
•
Dazotación
•
Acabado con resinas
Según se comercialice en
•
Directos
•
Directos sólidos a la luz
•
Directos con tratamiento de sales metálicas
•
Directos diazotables y copulables
1) Colorantes de tina Son colorantes que tienen entre sí diferente constitución química pero todos son insolubles en agua. Por su reducción en un medio alcalino se transforman en leucoderivados hidrosolubles. El proceso de reducción se fundamenta en la acción reductora del hidrógeno sobre el grupo carbonilo, trasfiriéndolo al grupo alcohólico.
Una vez realizada la tintura, es fácilmente oxidable por el oxígeno del aire. Estos colorantes dan tinturas más brillantes que los antraquinónicos, pero menos sólidos ante la luz y el lavado. Clasificación de los colorantes directos a la tina
Derivados del índigo: bromoíndigo, tioíndigo Derivados de la antraquinona Derivados y subderivados de la antraquinona Los derivados de la antraquinona tienen mayor importancia comercial. Se pueden dividir en tres subfamilias
Derivados de la antraquinona Derivados de la indantrona Derivados de la dibenzatrona y del perileno Características tintóreas de los derivados y subderivados de la antraquinona
•
Presentan buenas solideces en tonalidades intensas; no tan buenas en tonos pálidos
•
En tintura en floca son sólidos al lavado y menos en tintura en pieza
•
Son apreciados por su solidez al descrudado a presión y al blanqueo
•
Generalmente se usan para tonos intensos.
Métodos de tintura que se emplean en los derivados y subderivados de la antraquinona Dependiendo de la facilidad de reducción y la sustantividad del leucoderivado:
○ En solución caliente 60 ºC
(IN)
○ En solución tibia 45 ºC
(IW)
○ En solución fría 25 ºC
(IK)
En todos los métodos la tintura se realiza siguiendo los mismos pasos: 1: Reducción del colorante 2: Preparación de la tina de tintura 3: Tintura 4: Oxidación del leucoderivado 5: Tratamientos posteriores
1) Colorantes dispersos Estos colorantes son compuestos orgánicos no iónicos. Se aplican con un dispersante, porque son insolubles en agua, y se caracterizan fundamentalmente porque tienen un alto grado de dispersión. Se emplean para la tintura de rayón, acetatos y poliésteres; también se usan con auxiliares carriers.
2) Colorantes sulfurosos Se llaman sulfurosos porque en su molécula está presente el azufre, pero no como lo está en los colorantes directos, tiazólicos, etc., sino que aquí este azufre puede ser oxidado con facilidad. Por su aspecto, los colorantes sulfurosos son parecidos a los colorantes de tina y a los sustantivos; tiñen las fibras directamente en estado reducido y se combinan con los colorantes básicos para dar una laca insoluble; la cantidad de colorante absorbido
depende de su porcentaje en la solución, de la concentración de sal en el baño y de la temperatura. Lo mismo que los colorantes de tina, también son insolubles en agua pero solubles en medio alcalino y en presencia de sulfuro sódico como agente reductor.
En este proceso de reducción cambia la estructura molecular del colorante pero sin afectar al grupo -S-S- sulfuroso. El leucoderivado soluble resulta con un coloreando diferente al del colorante original y ya tiñe la fibra, comportándose como un colorante directo de baja afinidad por la fibra. Finalmente, mediante la oxidación queda convertido otra vez en colorante sulfuroso no soluble en el agua.
3) Colorantes reactivos Estos colorantes son empleados en la tintura de fibras celulósicas, mediante reacción química con las moléculas de celulosa.
○ Colorantes reactivos que forman ésteres de celulosa ○ Colorantes reactivos que forman éteres de celulosa Los primeros tienen anillos heterocíclicos en su molécula y su reacción se basa en sustitución nucleófila, como se expone en el gráfico que representa su estructura molecular.
De entre los segundos, unos son vinisulfónicos y otros acriloilamídicos. Su reacción se basa en el doble enlace -C=C- que son capaces de formar en un medio alcalino, adicionando núcleos. Colorante-SO2-CH2-CH2-O-SO3H ; [mediante OH-] produce: Colorante-SO2-CH(-DELTA)=CH2(+DELTA)+Cel-OColorante-SO2-CH-CH2-O-Cel; [Mediante H+] produce: Colorante tintóreo -SO2-CH2-O-Cel Ejemplos de colorantes reactivos Grupo reactivo
Año aparición
Nombre comercial
1956
Porción M (I.C.I.)
Diclorotriazinicos
Cibacron ( CIBA ) 1957 Proción H (I.C.I.) Monoclorotriazinicos Vinilsulfónicos Colorante - S02 - CH2 - CH2 - SO3H
Triclorotriazinicos Vinilsulfónamidicos Colorante - S02 - NH - CH2 - CH2 - OSO3H
1958
Remazol ( de Hoechst )
1960
Drimaren ( de Sandoz) Reacton ( de Geigy)
1960
Levafix (de Bayer )
1967
Solidazol N ( de C.F.M. )
1971
Drimaren R ( Sandoz)
Vinilsulfónicos
Monocloro-difluor-pirimidinicos COLORANTES PARA FIBRAS SINTETICAS Las fibras de rayón y acetato de celulosa tienen muchos grupos oxhidrilo libre y pueden teñirse por medio de técnicas y colorantes similares a los que se emplean en el algodón. El advenimiento de las otras fibras sintéticas presento grandes problemas a la industria del teñido y los colorantes. Las fibras tienden a carecer de grupos reactivos a los largo de
sus cadenas formando fibras relativamente gruesas que no tiene los intersticios de la lana y el algodón y, lo que es peor, son marcadamente hidrofóbicas. El poliéster y las fibras de triacetato de celulosa son más hidrofobicas que el nylon. En general se tiñen con colorantes dispersos. Los colorantes dispersos son hidrofóbicos y ligeramente solubles. Se aplican en forma de dispersión acuosa caliente estabilizada por un detergente aniónico o no iónico. El colorante se transfiere a la dispersión y forma una solución solida dentro de la fibra donde se retiene por medio de fuerzas de valencia secundarias. Su insolubilidad asegura su firmeza al lavado. Lo mismo que con los removedores de pintura, la penetración del polímero requiere de una molécula pequeña. Así los colorantes dispersos tienen las moléculas más pequeñas de todos los colorantes; con frecuencia son compuestos monoazoicos simples, insolubles en agua, como el Rojo disperso (1 CI 11110). I.
FABRICACION DE COLORANTES
En la fabricación de colorantes es necesario tener en mente varios factores con el propósito de obtener la mayor calidad y productividad posible. De entre éstos factores se pueden nombrar los siguientes: Materias primas e intermedios: Como primer punto podemos nombrar que deben de ser de la calidad adecuada para el colorante que se desea obtener, así como que su disponibilidad sea la más accesible posible debiéndose no perder la idea de racionalización de los mismos para evitar el manejo de gran número de ellos, que nos evitarán todo tipo de problemas tanto en el área técnica como administrativa. Tecnología. Los procedimientos de operación para la producción de colorantes deben de ser lo mas claro posible en cuanto a seguridad y variables del proceso como: temperatura, pH, exceso de reactivos, etc. debiendo de estar definidos en rangos que hayan sido estudiados detalladamente. Todo esto con el fin de tener una calidad reproducible, pues siendo la química de colorantes compleja, cualquier desviación en estas variables pueden dar por resultado una calidad fuera de las normas. Dos reacciones muy usadas para la fabricación de colorantes son las que se llevan a cabo entre una amina aromática con el ácido nitroso para producir un compuesto diazo, el cuál posteriormente se combinará con un "acoplador" y así formar dicho colorante. Estas reacciones son conocidas desde hace mucho tiempo (Griess, 1858), pero hasta los años recientes se ha clarificado su mecanismo. Los colorantes basados en esta reacción son considerados la clase química más grande que existe, con la gama de tonos más amplia y los más diversos usos. Debido a la facilidad y economía en la preparación de colorante por esta técnica, ha sido seleccionada en multitud de casos para su uso en escala industrial. Además de las dos reacciones mostradas, son usadas otra gran variedad de ellas como: adición, protonización, condensación, oxidación, etc., que para el objetivo del presente trabajo no existe fundamento para presentarlas. mucho muy general para dar una idea sobre este tipo de producción. COLORANTES DEL TIPO AZO:
Un grupo azo es un grupo funcional del tipo R-N=N-R', en donde R y R' son grupos que contienen átomos de carbono, y los átomos de nitrógeno están unidos por un enlace doble. Los compuestos que contienen el enlace -N=N- se denominan azoderivados, compuestos azoicos, o azocompuestos. Cuando el grupo azo está conjugado con dos anillos aromáticos, el compuesto que lo contiene absorbe radiación electromagnética en el espectro visible, por lo que presenta coloración y, además, ésta es intensa. Por esto son empleados como colorantes en la industria textil, papelera, alimentaría, etc. Por ejemplo, el p-dimetilaminoazobenceno se empleó como colorante en la margarina. La presencia de otros grupos en el compuesto puede provocar que éste absorba a distintas longitudes de onda (por tanto se obtienen distintos compuestos con distintos colores). También pueden provocar que el compuesto absorba la luz con mayor o menor intensidad. Asimismo, algunos grupos (por ejemplo grupos sulfónicos) sirven para que el compuesto sea soluble en el medio en el que se va a aplicar. En 1884 se sintetizó el rojo congo, un colorante azoico que se empleó para teñir algodón, y actualmente los colorantes azoicos son los más empleados en la industria textil.
Naranja de metilo Estos compuestos también se utilizan como indicadores en volumetrías ácido-base. Por ejemplo, el naranja de metilo (o anaranjado de metilo). Según el pH el naranja de metilo puede tener el grupo azo protonado o no, presentando de esta forma diferentes colores según el pH. Constituye el grupo individual más numeroso, comprendiendo más de la mitad del número de colorantes sintéticos de estructura conocida. Se preparan por copulación de una amina aromática diazotada como componente primario con un fenol o una amina aromática como componente secundario.los colorantes azoicos pueden ser: • Monoazoicos [a su vez, éstos pueden ser: básicos (como el anaranjado básico 2, que se usa para teñir el cuero y el papel ); ácidos (como el anaranjado ácido 7, que se usa para teñir lana, seda, nylon, cuero y papel ); azoicos (que se emplean no sólo para el teñido sólido de la tela sino también en el estampado); colorantes dispersos y solubles en aceite (como, respectivamente, el amarillo disperso 3 y el amarillo solvente 14 ); mordientes (como el negro mordiente 11); reactivo para las fibras (como el rojo porción)]. • Diazoicos [que pueden ser: básicos (como el pardo básico 4); ácidos (como el negro ácido 1); directos para el algodón (como el rojo congo, el rojo directo 2 o el azul directo 2); desarrollados (como el negro desarrollado BH)].
• Triazoicos (como el negro directo 38 ) • Colorantes del estilbeno (varían entre el amarillo y el anaranjado) • Pirrazolonas (como el amarillo ácido 23, que se usa para teñir la lana, el cuero y el papel y en la preparación de filtros de luz amarilla para fotografía). Estos colorantes se preparan copulando una amina aromática diazotada con un fenol o una amina aromática. El más sencillo de estos colorantes es el “amarillo de anilina”, que corresponde al “para-amino azo-benceno”. C6H5 - N == N - C6H4NH2 Se usa para teñir lana y seda, su color es fugaz. Se emplea para preparar otros colorantes con dos grupos azo.
La Crisoidina: Pertenece al mismo grupo. Se requiere para la preparación del prontosil (con un grupo SO2NH2), que es una sulfamina que se utiliza contra los estretococos. El Pardo de Bismark: Se emplea para teñir el cuero. Rojo de Metilo: ES un valioso indicador. El Rojo Congo: Tiñe el algodón de color rojo, pero el color cambia a azul por la acción de los ácidos minerales. Se emplea por ello como indicador.
Métodos de aplicación • Colorantes azoicos: son compuestos azoicos, insolubles en agua que se forman sobre la fibra. Genelamente se utilizan para el algodón. En la aplicación de los colorantes al hielo, la tela se impregna con un compuesto capaz de copularse con una sal de diazonio y luego se sumerge en una solución de una amina diazotada enfriada al hielo. De esta manera se forma un colorante azoico insoluble en agua. En el teñido por revelado la tela se colorea con un colorante directo que contenga un grupo amino libre. El colorante luego se diazota sobre la fibra y se revela al copularlo con una amina o un fenol. EL nuevo colorante, debido a su mayor peso molecular se fija más sobre la fibra y es más resistente al lavado. COLORANTES DEL TIPO ANTRAQUINONA: La antraquinona o 9,10-dioxoantraceno es un compuesto orgánico aromático, derivado del antraceno. Sus sinónimos en la industria y el comercio son 9,10-antraceno diona, antradiona, antraceno-9,10-quinona, etc.
Es un polvo cristalino amarillento o de un color que varia del gris claro al gris verduzco. Es insoluble en agua y alcohol, pero se disuelve fácilmente en nitrobenceno y anilina. Químicamente es bastante estable en condiciones normales La antraquinona se encuentra en forma natural en algunas plantas (Ruibarbo, Espino Cerval y el género Áloe), hongos, liquenes e insectos, donde sirve como esqueleto básico para sus pigmentos. Estos derivados naturales de la antraquinona son glucósidos con acción laxante y purgante sumamente potente. Hay varias maneras de obtención de la antraquinona: Oxidación del antraceno: Condensación del benceno con anhídrido ftálico, en presencia de AlCl3 (Acilación de Friedel-Crafts). El ácido o-benzoil benzoico generado, sufre un proceso de ciclación, formando la antraquinona. Reacción del Diels-Alder (Utilizando naftoquinona y un 1,3-dieno : En una reacción orgánica clásica llamada síntesis de Bally-Scholl (1905), la antraquinona se condensa con el glicerol, formando benzantreno. En esta reacción, el primer paso es la reducción de la quinona con cobre en ácido sulfúrico (Convirtiendo un grupo carbonilo en un grupo metileno) después del cual, le es adicionado el glicerol.
Colorantes derivados de la antraquinona: • Colorantes a mordiente: el compuesto más conocido es la alizarina, otro colorante natural conocido por los antiguos persas y egipcios. La alizarina es poligenética, es decir, da distintos colores con diferentes mordientes. Así, con un mordiente a base de magnesio produce un color violeta; con calcio, un rojo púrpura; con bario, azul; con aluminio, un rojo rosado; con cromo, un marrón violáceo y con hierro ferroso, un negro violáceo. La alizarina se utilizó principalmente para producir un color conocido como rojo turco sobre el algodón mordentado con hidróxido de aluminio en presencia de aceite de castor o de oliva sulfatados. • Colorantes ácidos (como el azul ácido 45 y el verde ácido 25, que producen sobre la lana una pureza de tonalidad igual a la de los colorantes del trifenilmetano y son muy resistentes a la acción de la luz) • Colorantes dispersos (usados para el acetato de celulosa, el nylon y las fibras de poliésteres, son en general aminoantraquinonas simples o sus derivados que tienen uno o más átomos de hidrógeno de los grupos amino reemplazado por otros grupos) • Colorantes reactivos para las fibras (como el azul proción)
• Colorantes a la tina: las antraquinonas, al igual que el índigo, dan por reducción derivados dihidrogenados que son solubles en álcali y que al ser expuestos al aire o a agentes químicos oxidantes se oxidan formando nuevamente las antraquinonas insolubles. Las quinonas simples no se fijan en las fibras vegetales o animales pero sí lo hacen los compuestos más complejos. a) Antraquinonas: son ejemplos el rojo a la tina 42 y el violeta a la tina 17 b) Hidroacinas (como el azul a la tina 4 o el azul a la tina 6) c) Derivados carbazólicos (como el pardo a la tina 1 y el verde a la tina 8) d) Compuestos carbocíclicos complejos (como el verde a la tina 1, considerado como el mejor colorante para el algodón) COLORANTES DEL TIPO ESTILBENO: El primero de los colorantes del estilbeno fue el amarillo directo 11 y todavía se emplea mucho. Se obtiene por acción del calor sobre una solución de acido 4- notrotoluen-2sulfonico en hidróxido de de sodio acuoso o por oxidación del mismo compuesto con hipoclorito. Se forma una mezcla de colorantes amarillos. Dependiendo de las condiciones. El principal producto es tal vez la curcumina S. Los colorantes del estilbeno son todos colorantes directos y la mayoría se basan en acido 4-notrotoluen-2-sulfónico.
TECNOLOGÍA EN COLORANTES Los procedimientos de operación para la producción de colorantes deben de ser lo mas claro posible en cuanto a seguridad y variables del proceso como: temperatura, pH, exceso de reactivos, etc. debiendo de estar definidos en rangos que hayan sido estudiados detalladamente. Todo esto con el fin de tener una calidad reproducible, pues siendo la química de colorantes compleja, cualquier desviación en estas variables pueden dar por resultado una calidad fuera de las normas. Los ciclos de proceso en lo que se refiere a cargos, calentamientos, enfriamientos, reflujos, destilaciones, filtraciones, secado y molido; deberán ser determinados en planta y establecidos dentro de rangos que permitan una calidad aceptable al más bajo costo. En cada uno de los pasos más importantes de los procesos, deben existir pruebas de control que nos indiquen que la calidad del colorante va por la ruta correcta o en su defecto, poder realizar algún cambio para dirigirlo hacia ella. Dos reacciones muy usadas para la fabricación de colorantes son las que se llevan a cabo entre una amina aromática con el ácido nitroso para producir un compuesto diazo, el cuál posteriormente se combinará con un "acoplador" y así formar dicho colorante. Estas reacciones son conocidas desde hace mucho tiempo (Griess, 1858), pero hasta los años recientes se ha clarificado su mecanismo. Los colorantes basados en esta reacción son considerados la clase química más grande que existe, con la gama de tonos más amplia y los más diversos usos. Además de las dos reacciones mostradas, son usadas otra gran variedad de ellas como: adición, protonización, condensación, oxidación, etc. A continuación se darán unas breves descripciones de diagramas de flujo generales. CONTROL DE CALIDAD EXIGENCIAS A LOS COLORANTES Solidez a los álcalis El colorante soluble debe ser resistente a álcalis diluidos, como soluciones de carbonato sódico o amoníaco y no debe presentar cambios repentinos del tono del color. Rendimiento El teñido es determinado por la composición química de los colorantes y de las propiedades del cuero a teñir. La capacidad de rendimiento de un colorante, es transmitida por tinturas en diversas concentraciones y determinada con una curva de rendimiento. Cuando la intensidad de un teñido no aumenta más, es alcanzada la capacidad de saturación del colorante. El colorante sobrante se queda en el baño, se deposita, sin enlazarse en el sustrato o penetra profundamente en las zonas interiores. La curva de rendimiento, permite reconocer claramente, que un teñido más allá de la capacidad de saturación, es antieconómica. Un método de la capacidad de rendimiento, uniforme y oficial para cuero al cromo o cuero recurtido, no existe en estos momentos. Comportamiento de fijación El comportamiento de fijación de un colorante es transmitido y caracterizado por decoloraciones, cuanto colorante (%) en una unidad de tiempo (min) es fijado en el sustrato cuero. Junto a la estructura química del colorante, la velocidad de fijación,
determinada en gran parte por el tipo de curtición, el tipo y la cantidad de recurtientes aplicados, del valor de pH y de la temperatura del teñido. El comportamiento de fijación produce un debilitamiento de la combinabilidad con otros colorantes. Homogeneidad Un colorante es homogéneo desde el punto de vista de la fabricación si tiene menos del 5% de colorante de matizado, es decir cuando no se le adiciona ninguna otra sustancia colorante en cantidad importante. Esto se verifica realizando una prueba que consiste en humedecer un papel de filtro en el borde, se coloca una punta de espátula de colorante, se sopla y las partículas del colorante pasan por la zona húmeda, quedando adheridas y comienzan a disolverse. Al soplar se dispersan los distintos componentes de la mezcla y se ven los distintos colores. Lo grave sería que por ejemplo para hacer un verde haya un azul y amarillo, entonces en el teñido al cambiar los pH pueden obtenerse distintos colores finales. Si los componentes de la mezcla son similares no hay mayor problema. El mismo ensayo se puede hacer llenando una probeta con agua y espolvoreando el colorante, así se observarán sus componentes en el agua. Desde el punto de vista químico un colorante no es homogéneo ya que en toda reacción química de formación de un colorante se obtiene una mezcla de productos secundarios siempre. Intensidad de color Es una importante propiedad y es indagada con diversos métodos. De acuerdo a cada tipo de colorante y al tipo de curtición y recurtición, para un determinado teñido de profundidad se requieren diferentes cantidades de colorante. Estabilidad al agua dura El colorante disuelto, no debe enseñar ninguna floculación al diluirse con agua dura. Colorantes inestables a la dureza producen variadas coloraciones sobre todo en el lado de carne, desigualdades y desplazamientos de tonos. Solubilidad La solubilidad es importante para teñidos a baja temperatura, para teñidos con polvo y para teñidos sin baños. Colorantes difíciles de disolver, pueden conducir a formaciones de manchas como puntos y manchado en la flor y en el lado de la carne. En las mezclas de colorantes, se pueden presentar desplazamientos del tono. Colorantes altamente solubles pueden ocasionar un mal agotamiento del baño y luego de la desacidulación un muy fuerte teñido de la superficie. Se controla disolviendo el colorante en agua destilada a 20°C y a 60 °C y se observa la cantidad de colorante, que todavía se mantiene después de disolverse por hervirse y enfriarse, a la temperatura dada. La adición se efectúa, en gramo por litro. Estabilidad de complejo Algunos complejos colorantes de metal, especialmente el complejo de hierro, pueden ser desplazados de su combinación y producir desplazamientos del tono. No se debe poner en contacto con metales, al clavar el cuero para curtir, con por ejemplo cobre, placas de cubrir de cobre o tuberías de cobre.
Estabilidad a los ácidos El colorante disuelto, debe ser resistente a ácidos diluidos, como por ejemplo ácido fórmico o soluciones ácido sulfúrico y no debe flocular. Solidez a los ácidos El colorante disuelto, no debe conllevar a cambios repentinos de color con ácidos diluidos. Estandarización Los colorantes son diluidos al final del proceso de fabricación para obtener una estandarización comerciable. Los colorantes se comercializan con porcentajes referidos al estándar que pueden llegar a ser incluso superiores al 100%. Por ejemplo, si suponemos que el estándar es 30% y el fabricante lo vende al 60%, entonces este colorante será 200% respecto del estándar. Como diluyentes se utilizan sales neutras como el Na2SO4 o taninos sintéticos. COLORANTES EN EL MUNDO Aunque la preferencia por los tintes sintéticos en el sector textil a nivel global es notoria, algunos tintes naturales han mantenido una posición importante en este sector debido a sus características únicas. El sector alimenticio, por el contrario, presenta una tendencia hacia la utilización de colorantes naturales. Este cambio no sólo ha sido impulsado por la industria alimenticia, sino también por los consumidores, quienes han expresado su preocupación por los posibles riesgos de salud que se asocian con el consumo de aditivos sintéticos. Dentro del mercado internacional los principales colorantes, pigmentos y tintes naturales son: Semilla de Achiote (y sus extractos) La semilla seca de achiote se obtiene de la especie Bixa orellana L. (Bixaceae), un arbusto siempre verde, nativo de América Central y la zona tropical de Sur América. Generalmente se usa como extracto empleado en la industria alimenticia y es apreciada como fuente de pigmentos que dan color rojo o naranja matizado, dependiendo de su uso. Henna: La Henna comercial es la misma hoja seca de Lawsonia inermis l., un árbol pequeño proveniente de una zona entre Irán y el norte de la India. La extracción acuosa de esta hoja seca provee un tinte que va desde el negro hasta el amarillo (neutro) pasando por el rojo. Históricamente la henna ha sido utilizada como tinte para el cabello, la piel y las uñas. Recientemente en Europa Occidental y Estados Unidos su empleo como tinte para el cabello se ha incrementado notablemente. Campeche (y sus extractos) El campeche obtenido de la especie Haematoxylum campechianum L. (Caesalpinacae), es un pequeño árbol nativo de Centro América y la parte norte tropical de Sur América. Contiene alrededor del 10% de un compuesto incoloro: hematoxilina, la cual al oxidarse se transforma en una sustancia azul - violeta, (hematina); ésta se ha mantenido en el mercado pese a la creciente utilización de tintes sintéticos. Las aplicaciones principales del campeche son como tinte de telas naturales y sintéticas, tinte para cuero, pieles, plumas, papel, madera y la incorporación a otras tintas.
Sándalo rojo: Obtenido de la especie pterocarpus santalinus L., árbol de tamaño medio nativo de la India. El sándalo rojo en algunas comidas aporta un sabor agridulce con una coloración roja a naranja; debido a esto no es posible aplicarlo en todos los casos. Un gran número de colorantes y tintes son principalmente producidos en sistemas de horticultura. Entre los productos latinoamericanos que lideran el mercado se encuentran: la cochinilla y el carmín, el extracto de croco, el índigo, la caléndula y la turma, estos en cantidades no lo suficientemente representativas en un marco mundial. MERCADO DE COLORANTES NATURALES EN EL MUNDO Los principales productos son mencionados en la tabla siguiente, paralelamente se mencionan los principales países exportadores y sus cantidades más significativas. Principales productos y países importadores de colorantes, pigmentos y tintes naturales.
Fuente: estimados del Natural Resources Institute (NRI). Principales países productores.
Productos principales y cantidades anuales.
Los países destino más importante son Alemania y el Reino Unido, representando casi 40% del valor importado por la Unión Europea. Los proveedores líderes a la Unión Europea son España, Alemania, Francia, Perú y México, Kenya, India, Zimbabwe y Etiopía posicionaron cantidades por encima del millón de ECU (Unidad Monetaria Europea). En 1995, los países en vías de desarrollo consiguieron proveer el 28% de la totalidad de importaciones, consistente en su mayoría de ‘otros tintes de origen vegetal’. (Ottens, 1999). Una ligera revisión de las cifras puede indicarnos que se trata de un mercado creciente que merece el desarrollo de productos y alternativas capaces de contribuir al logro de mayores destinos y productos.
I.
CONCLUSIONES
○ Se describió los métodos de obtención industrial de los colorantes, de los cuales no existe solo uno, los métodos varían de acuerdo a los grupos funcionales y enlaces que estos tienen dentro de su composición química así que se hace mas complicado la manera de proceder, asimismo la tecnología es una ventaja muy grande de la cual dependemos para poder mejorar y obtener mejores colorantes. ○
También hemos descrito y aprendido los diferentes conceptos que involucra el mundo de los colorantes así como su clasificación y amplia aplicación industrial, del cual estamos rodeados y somos parte, ampliando nuestro conocimiento es este tipo de industria.
○ Los colorantes tienen dentro de sus características químicas la propiedad de colorear, de manera que ya sabemos como obtenerlas y de donde, el mercado mundial de los colorantes es un campo de constante desarrollo para el hombre, y si de alguna manera lo desarrollamos estaremos siendo participes de un gran proceso.
✔ Bibliografía • Biasioli, I., Witz N., Chandías C. : Química Orgánica . Ed. Kapelusz. Buenos Aires, 1993. • Henglein, R : Compendio de Química Orgánica. Segunda Edición. Ed. Marin. Barcelona, 1956. • Shreve, A. : Industrias de proceso químico. Ed. Dossat. Madrid, 1954. • T&T Ed. : La pintura, consideraciones generales. Buenos Aires, 1996. • Morrison : Química Orgánica.
