Les matriaux de la couleur I Colorants et

Les matériaux de la couleur

I- Colorants et pigments 1 - Les pigments a)- Définition : Ce sont des poudres colorées qui sont insolubles dans le milieu où elles sont utilisées. La taille des grains varie de 0, 01 à 1 micromètre. Les pigments peuvent être d’origine naturelle ou de synthèse.

Les pigments naturels : Ils peuvent provenir de terres, de roches ou de pierres. Ex : L’un des oxydes de fer appelé hématite fournit des teintes selon la taille du grain allant du pourpre violacé (0, 5 mm) au rouge (0, 1 mm) à l’orangé (0, 05 mm). Un autre oxyde de fer, la limonite est une roche dont la couleur va du jaune au brun. Les pigments de synthèse sont obtenus en mélangeant des minerais dans des proportions bien précises et en chauffant. Les premiers pigments de synthèse ont été élaborés par les Egyptiens. Fort de leur maîtrise des arts du feu, ils mettent au point au IIIe millénaire la fabrication d’un silicate double de cuivre et de calcium de couleur bleue, qui a eu beaucoup de succès auprès des romains « bleu d’Alexandrie » .

b)- Utilisation : Pour disperser les pigments dans le milieu on utilise des liants : -dans la peinture à l’huile, le liant est de l’huile de lin ou d’œillette par exemple. - dans la peinture à l’eau on peut utiliser de la gomme arabique, comme pour la gouache et l’aquarelle.

Remarque : Les encres sont colorées grâce à des pigments. Les Egyptiens grâce à une dispersion de noir de fumée dans l’eau ont été les premiers à inventer l’encre. (2600 av. J. -C. ). 3000 ans plus tard les chinois inventent une encre qui diffère par la nature du liant qui est à base de colle de peau. Le tracé est noir mat.

2 - Les colorants a)- Définition : Ce sont des composés colorés solubles dans le milieu où ils sont utilisés. Il existe des colorants naturels et de synthèse. Les colorants naturels sont d’origine végétale ou animale. Il est possible d’avoir à peu près toutes les teintes sauf les verts. Origine végétale Bleu : indigo Rouge : garance Origine animale Pourpre : murex Rouge écarlate : cochenille

b)- Utilisation : Utilisation en peinture : Leur utilisation en peinture est possible sous forme de laques ; pour cela l’extrait tinctorial est fixé à des substances minérales qui ont pour effet de rendre le colorant insoluble. Utilisation en teinture : Les colorants sont essentiellement utilisés dans les teintures. Teindre une fibre, c’est fixer le plus solidement possible à sa surface des molécules de colorants. L’étape de fixation est appelée mordançage et elle est particulière à chaque couple fibre-colorant. L’espèce chimique qui permet de faire le lien est appelée mordant. Remarque : parfois il est inutile de rajouter un mordant comme dans le cas de l’indigo, qui se fixe directement et sans intermédiaire sur la fibre.

3 – chimie de synthèse et couleur Aujourd’hui en dehors des ocres, tous les pigments et colorants sont produits par des industries chimiques. Durant le premier tiers du XIX e siècle, divers scientifiques s’efforcent d’extraire des plantes leurs principes colorant afin de les identifier. Etape essentielle avant la synthèse de ces colorants. La mauvéine : Perkin, Londres 1856 Le rouge fuchsia : Verguin, Lyon 1859 Le vert à l’aldéhyde : Charpin 1862 Le vert à l’iode : Hofmann 1866, Berlin Le violet : Hofmann moins coûteux Le violet de Paris : 1866 moins coûteux L’alizarine : Graebe et Liebermann, 1869 (fabriqué par la B. A. S. F pésidé par Caro) (catastrophe économique pour la Hollande, l’alsace et le midi de la France, qui en 1881 produit plus de la moitié de la production mondiale) Rouge écarlate : Hofmann 1878 (évince le rouge de cochenille de Pologne, Indochine, Mexique) L’indigo de synthèse : Baeyer, 1880 synthèse au laboratoire. Les firmes allemandes MLB et BASF après 22 ans de travail et une vingtaine de millions de marks, aboutissent à la production industrielle. (en Inde des régions entières sont ruinées)

II- Structure des colorants Ils exitent plusieurs paramètres influençant la couleur -La nature du milieu (p. H, solvant, fibre, mordant) -Les paramètres extérieurs: température, lumière. -La nature du colorant (structure, chromophore…)

1 - Les groupes chromophores Un chromophore est un groupement d'atomes comportant une ou plusieurs doubles liaisons, et formant avec le reste de la molécule une séquence de doubles liaisons conjuguées, c'est-à-dire une alternance de doubles et de simples liaisons. Ce groupe va ainsi absorber des radiations dans le domaine du visible. (entre 400 et 800 nm).

2 -Les groupements auxochromes Un auxochrome (gr auxanein « augmenter » ) est, dans une molécule, un groupement d'atomes ionisables pouvant changer la fréquence d'absorption d'un chromophore. Si la fréquence d'absorption est diminuée, l'effet est dit bathochrome. L'absorption se déplace alors vers les grandes longueurs d'onde, vers l'infrarouge. Si la fréquence d'absorption est augmentée, l'effet est dit hypsochrome. L'absorption se déplace vers les petites longueurs d'onde, vers l'ultraviolet.

III- Classification chimique des colorants Les principaux modes de classification des colorants reposent soit sur leur constitution chimique, soit sur leurs méthodes d'application aux différents substrats que sont les fibres textiles, le papier, le cuir, les matières plastiques, etc. Le classement d'après la structure chimique s'appuie principalement sur la nature du chromophore, qui constitue le squelette nécessaire à la coloration de la molécule. .

1 - Classification selon la structure : - Les azoïques : ils sont caractérisés par la présence du chromophore azoïque reliant deux noyaux benzéniques. Couleur : jaune ou rouge. Ex : l’hélianthine -Les anthraquinoniques : ils ont en commun le groupement anthraquinone. Couleur : ils couvrent une gamme variée de couleurs très résistantes (bleu, turquoise, jaune, rouge et orange).

-Les indigoïdes : ils sont utilisés notamment pour la teinture indigo. On les trouve aussi dans les coquilles de certains escargots de mer, ainsi que certaines plantes et animaux. Ils ont en commun le groupement suivant : -Les anthocyanines, cyanines : ce sont des colorants naturels. On les trouve dans les plantes et sont à l’origine de la couleur rouge des feuillages d’automne lorsqu’ils se combinent aux caroténoïdes. Couleurs : violette, mauve, bleue, rose et rouge -Les caroténoïdes : ce sont les pigments naturels les plus répandus. Couleurs : jaune et rouge. Ex : le Béta-Carotène (carottes, citrouilles, orties et brocolis)

2 - La classification tinctoriale des colorants : Elle se compose des familles suivantes : -colorants de cuve. -colorants à mordant. -colorants directs. -colorants acides : ils peuvent réagir avec les fonctions chimiques basiques des fibres en particulier les fibres protéiniques (laine, soie…) et les polyamides. Ils sont solubles dans l’eau. -colorants réactifs : ils se fixent sur la fibre par une réaction chimique. -colorants plasto-solubles ou dispersés: insolubles dans l’eau, ils se dissolvent dans les fibres synthétiques et les acétates de céllulose. -colorants azoïques insolubles : ils sont directement synthétisés sur la fibre par deux réactions successives. En premier il y a une réaction entre la fibre et le naphtol. Ensuite la fibre est immergée dans une solution contenant un sel de diazonium qui réagit pour produire un composé azoïque coloré. -colorants au soufre : ils subissent une oxydation après teinture pour les rendre insolubles. Ils sont généralement employés sur le coton pour produire des teintes foncées économiques dont la solidité au lavage et à la lumière va de moyenne à bonne. -colorants basiques ou cationiques : ils peuvent réagir avec les fonctions acides fibres. Ils sont solubles dans l’eau. -colorants métallifères 1. 1 ou 1. 2 : ils contiennent un ou deux cation métalliques. Ils sont utilisés dans des applications semblables au mordançage.

-Colorants pigmentaires : Ce sont des cristaux finement broyés. Ils sont insolubles et sont appliqués sur la fibre à l’aide d’un liant résine synthétique thermodurcissable). Le liant ne se contente pas de mouiller le pigment mais il tisse autour de lui au séchage un réseau fibreux ou cristallin. C’est ce que l’on nomme la réticulation résine (thermodurcissables). Ils sont sensibles aux frottements.

IV- Les teintures La teinture des textiles doit résister à l’air, à la lumière, à l’eau, aux frottements et à l’action de certains produits chimiques, notamment lors du nettoyage des textiles. Ainsi le colorant doit adhérer à la fibre de manière homogène et durable. Une des principales utilisations des colorants est la teinture des fibres textiles. Ces fibres peuvent être d’origines très diverses : -Naturelle, animale (laine, soie, cheveux, cuir…) ou végetales (coton, lin, jute…) -Synthétique (polyamide tel que le nylon, polyester tel que le tergal…)

1 - Principe de la teinture : Le textile à colorer est immergé dans une solution de colorant. Les fibres se gonflent dans l’eau : les pores se dilatent et les molécules de colorants viennent se loger dans ces pores. La teinture correspond à la fixation du colorant sur la fibre grâce à la formation de liaisons entre les molécules de colorant et la fibre. Chaque colorant est utilisé pour teindre certains types de fibre et pas tous. Il existe aussi différentes techniques de teinture. - La fixation des colorants dépend de nombreux paramètres : température du bain, acidité et présence d’ions. On peut aussi modifier l’affinité de la fibre avec le colorant en changeant le p. H et la concentration en ions. -La fixation du colorant dépend aussi de processus chimiques complexes. Une fibre est composée de zones cristallines plutôt hydrophobes et de zones amorphes plutôt hydrophiles. Le colorant doit être soluble dans l’eau mais son affinité pour la fibre doit être plus grande que celle pour l’eau. Plus le colorant est hydrophobe plus il se fixe durablement sur la partie cristalline. Il y a donc un équilibre à trouver entre hydrophobie et hydrophilie. -La fixation dépend finalement des groupements que possède le colorant. . Des groupements polaires sont capables de réagir avec ceux de la fibre. Ex : des groupements acides ou basiques peuvent former des liaisons ioniques avec les groupements chargés positivement ou négativement des fibres protéiniques. . Les groupements auxochromes en dehors de leur rôle de coloration, ils peuvent aussi servir à fixer la molécule sur la fibre. Remarque : dans les colorants de synthèse, il est possible de modifier à volonté les groupements réactifs greffés (hydrophobes ou hydrophiles), ce qui permet d’adapter l’affinité du colorant au type de fibre.

2 - Quelques techniques de teinture 2 -1 - Teinture directe La teinture directe permet de teindre un textile par simple immersion dans une solution. Il s’établit des liaisons entre les fibres textiles et le colorant. Les colorants directs sont solubles dans l’eau et teignent les fibres par simple trempage en présence d’ions. Les colorants ou substantifs permettent de teindre directement les fibres d'origine cellulosique. Les teintures n'offrent généralement qu'une solidité, une résistance limitée aux épreuves humides : eau, lavage et à la sueur. Quelques colorant directs peuvent également teindre la laine et les polyamides avec de bonnes solidités. Pour des raisons écologique, la teinture avec des colorants directs à diazote n'ont plus cours dans certains pays. Ex : le rouge Congo permet de teindre le coton par simple immersion dans une solution aqueuse chaude en présence de chlorure de sodium.

2 -2 - Teinture par mordançage Les colorants se fixent rarement directement sur les fibres. Souvent les colorants n’ont que peu d’affinité avec les fibres et nécessitent un mordant qui sert d’intermédiaire ou de lien entre le colorant et la fibre. Cette technique de mordançage consiste à déposer, au sein des fibres, le mordant, souvent un oxyde métallique (K 2 Cr 2 O 7). Le mordant se fixe sur la fibre et se combine avec le colorant pour donner un composé insoluble appelé laque. Le mordant ne doit pas altérer la couleur du colorant. Cependant suivant le sel fixé, un colorant donné produira une nuance différente.

Ex: pour teindre du coton avec du vert de malachite, on utilise comme mordant l’acide tannique. Appliqué sur coton on parle de colorants d'Alizarine. Appliqué sur laine on parle de colorants au chrome ; les colorants au chrome sont des colorants solubles utilisés en teinturerie pour la teinture des fibres animales. Les teintures avec les colorants au chrome sont très tenaces, mais elles ont des nuances plutôt ternes. La famille des colorants au chrome se compose de différentes classes suivant le moment d'application du chrome.

2 -3 - Teinture en cuve Certains colorants sont insolubles dans l’eau, souvent utilisés comme solvant dans la teinture. Cette technique consiste à solubiliser provisoirement le colorant avant de l’insolubiliser une fois qu’il a pénétré la fibre. Ils sont rendu solubles après avoir subi une réduction dans un milieu réducteur et fortement alcalin appelé cuve. Le produit de cette réduction s’appelle un leucodérivé, peu coloré. Il se fixe alors sur la fibre et lorsque celle-ci est exposée au dioxygène de l’air ou à tout autre oxydant, il devient insoluble dans l’eau et reprend sa couleur d’origine. Ces colorants résistent bien à l’eau. Ex : l’indigo forme un agrégat insoluble dans la fibre, il s’agit donc d’un pigment au sens strict du terme. L’indigo étant insoluble dans l’eau, la coloration résiste bien à l’eau. Cependant, le colorant formant des agrégats à la surface des fibres est sensible à l’abrasion. Les genoux des jeans, teints à l’indigo, deviennent ainsi avec le temps blancs.

2 -4 - Colorants sublimables et leurs applications Le principe de la sublimation est comparable à une impression par transfert sous l’effet conjugué de la pression et de la chaleur. Les colorants sublimables ont la propriété de devenir gazeux à une température d’environ 200°C. Leurs molécules vont s’allier avec celles du support hydrophobe à imprimer et donc véritablement pénétrer dans sa surface. Le tissu doit faire partie de la famille des polymères (polyester, lycra…) et être de couleur claire. Les fibres naturelles comme le coton ne sont pas réceptives à ces colorants. L’impression par sublimation a pour résultat une image brillante et durable d’une très grande qualité. L’image est indécelable au toucher.

V- Classification des pigments selon leur mécanisme de coloration : 1 - Les pigments classiques qui absorbent la lumière Les pigments absorbent des radiations du visible pouvant aller de 400 à 800 nm. 2 - Les pigments métalliques Ces pigments provoquent un éclat métallique en réfléchissant la lumière. 3 - Les pigments interférentiels Ils procurent au tissu un effet nacré; Cet effet est obtenu par un phénomène d’interférence de la lumière. Ces pigments sont constitués d’un support (mica, silice, alumine, borosilicate) enrobé d’un oxyde métallique ou d’une combinaison à base d’oxyde. Les paramètres qui peuvent influencer l’effet sont la nature du support et la taille des particules. Plus les particules sont fines , plus l’effet sera soyeux avec pouvoir opacifiant. Pour des tailles plus grandes l’effet sera scintillant. L’épaisseur et le nombre de couches peuvent influencer la teinte finale. 4 - Les pigments chromatiques Ce sont des pigments dont la couleur change en fonction de la température. Ils sont mélangés à une résine pour former une résine thermosensible.