Popular Science | Klassifizierung und Eigenschaften von Farbstoffen für die Papierherstellung

Bei der Papierherstellung werden üblicherweise verschiedene Farbmittel eingesetzt, um dem Papier den gewünschten Farbton zu verleihen. Um Papier in der gewünschten Farbe herzustellen, werden die Farbmittel entweder in den Zellstoff eingearbeitet oder auf die Papieroberfläche aufgetragen; dieses Verfahren wird als Papierfärben oder -tönen bezeichnet. Dieser Artikel erläutert die grundlegenden Eigenschaften und Anwendungsmerkmale typischer Farbstoffe, die in der Papierindustrie weit verbreitet sind.

Die in der Papierherstellung üblicherweise verwendeten Farbstoffe lassen sich derzeit in drei Hauptkategorien einteilen: Direktfarbstoffe, basische Farbstoffe und Säurefarbstoffe. Hinzu kommen optische Aufheller und funktionelle Farbstoffe, deren Anwendung in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat.

1. Direktfarbstoffe

Direktfarbstoffe sind eine Klasse wasserlöslicher Farbstoffe, die neben wasserlöslichen Gruppen (Sulfonsäure- oder Carboxylgruppen) auch Hydroxyl- oder Aminogruppen zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen enthalten. Sie zeichnen sich durch eine hohe Affinität zu Fasern aus und können diese ohne Beizmittel direkt färben. Solche Farbstoffe werden häufig zum Färben von Zellulosefasern, Proteinfasern und Mischgeweben verwendet.

Direktfarbstoffe zeichnen sich durch ihre starke Affinität zu Cellulosefasern aus und ermöglichen so das direkte Färben von Fasern. Eine ungleichmäßige Vermischung mit Zellstoff führt zu ungleichmäßiger Färbung und Fleckenbildung. Sie sind im Allgemeinen ungeeignet für das Färben von Holzschliff: Der hohe Ligningehalt im Holzschliff führt zu einer schlechten Farbstoffaufnahme und folglich zu blassen Farbtönen.

Bestimmte leuchtend blaue Direktfarbstoffe können unter bestimmten Bedingungen als Papieraufhellungsmittel eingesetzt werden, beispielsweise Direktviolett. Gängige Handelsqualitäten sind Direktbrillantblau, Direkthimmelblau, Direktrotbraun, Direktscharlachrot, Direktgefriergelb, Direktdunkelbraun MM und Direktschwarz EX.

2. Basische Farbstoffe

Basische Farbstoffe dissoziieren in wässriger Lösung in Kationen oder bilden bei Ansäuerung kationische Salze; es handelt sich um organische Verbindungen mit basischen Aminogruppen. Da sie wasserlöslich sind, erzielen sie hervorragende Farbstärke und leuchtende Farbtöne und zählen daher zu den beliebtesten Farbstoffen in der Papierherstellung. Allerdings weisen sie eine geringe Licht- und Wärmebeständigkeit sowie eine geringe Resistenz gegenüber Säuren, Laugen und Chloridionen auf, wodurch das fertige Papier zum Ausbleichen neigt.

Sie weisen eine hohe Affinität zu ungebleichtem Zellstoff und Holzschliff auf und erzielen zufriedenstellende Färbeergebnisse ohne Zugabe von Kolophonium oder Alaun, zeigen jedoch eine schwache Substantivität gegenüber gebleichtem Zellstoff, die eine Beizmittelzugabe erforderlich macht.

Die Anwendungstemperatur sollte unter 70°C gehalten werden, um die Bildung unlöslicher Farblacke und Papierflecken zu vermeiden; der optimale pH-Wert für das Färben liegt zwischen 4,5 und 6,5.

Besondere Vorsicht ist beim Färben von Mischfasern aus gebleichtem Zellstoff und Holzschliff geboten, um eine ungleichmäßige Färbung zu vermeiden: Zwei praktikable Ansätze sind das Vorfärben des gebleichten Zellstoffs vor dem Hinzufügen des Holzschliffs oder das Hinzufügen von Kolophonium und Alaun zur Mischfaser vor der Farbstoffdosierung.

Basische Farbstoffe binden sich durch Ausfällung an die Zellstofffasern und ergeben in der Regel hellere Farbtöne als die Eigenfarbe des ursprünglichen Farbstoffpulvers.

3. Säurefarbstoffe

Säurefarbstoffe sind für das Färben unter sauren, wässrigen Bedingungen formuliert. Die meisten tragen Sulfonsäuregruppen, ein kleiner Teil enthält Carboxylgruppen. Chemisch werden sie in Azo-, Anthrachinon-, Triarylmethan- und Nitrofarbstoffe eingeteilt; nach Applikationsmethode unterscheidet man zwischen stark sauren, schwach sauren, sauren Beiz- und Säurekomplexfarbstoffen.

Säurefarbstoffe sind sehr gut wasserlöslich und werden kaum von der Wasserhärte oder Temperaturschwankungen im Zellstoff beeinflusst. Im Vergleich zu basischen Farbstoffen weisen sie eine geringere Farbkraft und weniger brillante Farbtöne auf, bieten aber eine überlegene Licht- und Wärmestabilität sowie eine moderate Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen und Chloridionen.

Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Affinität zu Proteinfasern werden sie hauptsächlich zum Färben von Leder verwendet. Da sie keine Substanz gegenüber Lignin aufweisen, besteht auf gemischtem Zellstoff keine Gefahr von Fleckenbildung.

Die Temperatur hat nur einen minimalen Einfluss auf die Leistung von Säurefarbstoffen; der optimale pH-Wert für die Färbung liegt zwischen 4,5 und 5,0.

Zu den typischen Säurefarbstoffen für die Papierherstellung gehören Acid Light Yellow G, Acid Anthraquinone Blue, Acid Sky Blue, Acid Scarlet G, Acid Scarlet GR und Acid Golden Yellow G.

4. Weiße Farbstoffe – Fluoreszierende Aufheller (FWAs)

Fluoreszierende Aufheller, auch als weiße Farbstoffe bezeichnet, sind Derivate oder Salze von Diaminostilben. Ihre Molekülstrukturen bestehen im Allgemeinen aus Sulfamatgruppen zur Fluoreszenzanregung, aromatischen/aliphatischen Amingruppen zur UV-Absorption und Cyanurchloridgruppen zur Verbesserung der Bindungsstabilität.

FWAs hellen gebleichten Zellstoff auf und erhöhen den Weißgrad von Papier durch einen optischen Effekt, anstatt den Zellstoff tatsächlich zu bleichen. Ihre Weißungswirkung ist bei Zellstoff mit niedrigem Weißgrad (unter 65 %) oder hohem Ligningehalt vernachlässigbar oder unwirksam. Stilbenbasierte FWAs (Disulfonat-, Tetrasulfonat- und Hexasulfonat-Typen) dominieren die Anwendung zur Papieraufhellung.

5. Andere Farbstoffvarianten

Neben den oben genannten Kategorien werden in der Papierindustrie auch Küpenfarbstoffe, Beizfarbstoffe, Azofarbstoffe, Schwefelfarbstoffe, Reaktivfarbstoffe und Dispersionsfarbstoffe eingesetzt. Mit dem rasanten Anstieg der Verwendung von Haft- und Thermopapier in den letzten Jahrzehnten haben funktionelle Farbstoffe, insbesondere schwarzbildende Druck-/Thermochromfarbstoffe, breite industrielle Aufmerksamkeit erregt.