LUMIERE ET COULEURS ; COLORANTS ET TEINTURE. par M André RIO

 

LUMIERE ET COULEURS ; COLORANTS ET TEINTURE.

par M André RIO

Première partie: Lumière et couleurs.

Qu’est-ce que la lumière?

Comment nous voyons les couleurs.

Comment créer de la lumière.

Comment obtenir des couleurs à partir de lumière blanche.

Méthodes physiques.

Les substances colorées.

Deuxième partie: Colorants et teinture.

Colorants naturels et synthétiques.

Deux colorants célèbres: l’Alizarine et l’Indigo.

Les autres colorants.

Les techniques de teinture.

Lumière et couleurs, qu’est-ce que la lumière?

La lumière est émise par des sources: soleil, flammes, lampes, phénomènes physiques, chimiques et biologiques(les vers luisants et le plancton). Renvoyée par les objets qu’elle frappe, elle est perçue par l’œil. Elle est indispensable à la vision. Elle se propage en ligne droite à la vitesse d’environ 300 000 km par seconde, mais elle peut être déviée par réfraction ou par réflexion au moyen de lentilles ou de miroirs.

Propagation de la lumière11-tableau

Quelle est sa nature, est elle formée de particules ou est-ce une onde comme les ondulations à la surface de l’eau ou comme le son? Les phénomènes d’interférence, qui recombinent deux faisceaux issus d’une même source, montrent qu’elle se propage comme une onde et permettent de mesurer sa longueur d’onde qui est comprise entre 0,4 µm(micromètre) pour le violet et 0,7 µm pour le rouge. La lumière blanche est en effet un mélange des différentes couleurs de l’arc en ciel qui sont déviées inégalement par un prisme.22-propagation-lumiere

Interférence et dispersion de la lumière

Cependant, la lumière apparaît aussi comme formée de particules, les photons, quand elle est émise ou absorbée par la matière. Emetteurs et capteurs sont les atomes et les molécules. Les électrons des atomes sont répartis sur des niveaux distincts. L’émission ou l’absorption de photons correspondent à des sauts d’un niveau à un autre. Dans les molécules, les liaisons entre les atomes sont analogues à des ressorts qui peuvent aussi capter ou émettre des photons en modifiant leur niveau d’énergie, comme une corde sonore émet un son ou entre en résonance avec un son produit par une source voisine qui vibre à la même fréquence.33-atome-molecule

Absorption et émission de lumière

Quelle est la nature de l’onde lumineuse? Maxwell a montré au siècle dernier que la lumière est une onde électromagnétique, mais elle ne représente qu’une très petite partie du spectre électromagnétique, avec l’infrarouge et les ondes hertziennes(ondes radio)vers les plus grandes longueurs d’onde, l’ultraviolet, les rayons X et gamma vers les plus petites.44-longueur-d-ondes

Le spectre électromagnétique

.Toute matière émet une large gamme de rayonnement électromagnétique dont le maximum d’intensité correspond à une longueur d’onde d’autant plus petite que sa température est plus élevée. Ainsi, la surface du soleil, à la température de 6000°, émet principalement de la lumière visible55-rayonnement-du-corps-noir

Rayonnement du corps noir

Comment nous voyons les couleurs.

La rétine de l’oeil renferme deux sortes de cellules sensibles à la lumière: les bâtonnets qui donnent la vision en noir et blanc et sont essentiels à la vision nocturne, et les cônes dont une sorte est sensible au bleu, autour de la longueur d’onde de 0,420 µm, une autre au vert(0,535 µm),et une troisième au rouge(0,565 µm) .L’insuffisance de certains cônes provoque une vision déficiente des couleurs correspondantes comme le daltonisme.66-daltonisme

Absorption des couleurs par les cônes de la rétine

La vision des couleurs est subjective. Ce qui nous parait blanc est un mélange de couleurs, et des combinaisons de longueurs d’onde différentes peuvent donner une même sensation: un mélange de bleu et de jaune nous parait vert comme une lumière authentiquement verte.77-vert

Deux façons de voir du vert88-voir-du-vert

Comment créer de la lumière?

Les atomes et les molécules peuvent être à la fois émetteurs ou récepteurs de lumière. Pour qu’ils soient émetteurs, il faut les exciter en leur fournissant de l’énergie. On peut l’apporter sous forme de chaleur. On a vu plus haut que les corps émettent des longueurs d’onde d’autant plus petites(des photons d’autant plus énergétiques)que leur température est plus élevée, et que la surface du soleil émet principalement de la lumière visible. de lumière: les flammes des bougies, des lampes à huile ou à pétrole et les filaments des lampes à incandescence. Le grand inconvénient de ces sources est qu’elles émettent aussi beaucoup de chaleur sous forme d’infrarouge, ce qui représente un gros gaspillage d’énergie, mais on peut exciter les atomes et les molécules par d’autres moyens plus sélectifs, par exemple les décharges électriques dans les tubes fluorescents, les impacts d’électrons sur les écrans de télévision ou dans les aurores boréales. C’est ce qu’on appelle de la lumière froide. L’émission stimulée dans les lasers produit de son coté un rayonnement monochromatique, c’est à dire une longueur d’onde unique.

Certaines réactions chimiques produisent également de la lumière; c’est le cas de la luminescence du phosphore exposé à l’air provoquée par son oxydation et de l’émission de lumière de certains organismes vivants qui utilisent une substance appelée luciférine.

Comment obtenir des couleurs à partir de lumière blanche.

La plupart des objets paraissent colorés quand ils sont éclairés en lumière blanche, parce qu’ils absorbent inégalement les différentes couleurs. Différent phénomènes peuvent en être la cause:

L’iridescence se produit quand une couche mince transparente recouvre une surface de nature différente. Les rayons lumineux réfléchis par les deux surfaces interfèrent, et le décalage entre eux élimine certaines couleurs. C’est ce qui se produit avec une très fine couche d’huile sur l’eau, sur les ailes des papillons, les plumes d’oiseaux, es cristaux liquides et sur certaines algues dans l’eau.

La fluorescence est due à l’absorption d’une partie des couleurs par une substance en solution comme la fluorescéine, la chlorophylle, ou à des cristaux, t à sa réémission avec une longueur d’onde, donc une couleur, différente. Dans deux directions différentes, on peut observer deux couleurs, ’une due à la lumière non absorbée, ’autre à la lumière absorbée et réémise. Les rayons ultraviolets peuvent être réémis sous forme de lumière visible colorée99-irisdescence

                                                                     Iridescence et fluorescence

La phosphorescence est une fluorescence retardée: la substance préalablement éclairée réémet une couleur différente avec un retard plus ou moins long. Il faut noter que la luminescence du phosphore n’est pas une phosphorescence.

Les substances colorées. Une substance paraît colorée si elle absorbe une partie de la lumière blanche. Les molécules sont analogues aux instruments de musiques accordés pour absorber et émettre des sons définis. Ces substances ne renvoient donc que les couleurs qu’elles n’ont pas absorbé: si par exemple elles absorbent le rouge, elles paraîtront vertes. Les substances qui paraissent blanches renvoient intégralement toutes les couleurs.

Il existe quelques molécules colorées simples comme le peroxyde d’azote(NO2), l’ozone (O3),l’iode, qui selon le solvant paraît rose ou brun. Il existe aussi beaucoup de pigments minéraux colorés: des sels et oxydes de fer, cuivre, chrome; le vermillon, le bleu de Prusse, les ocres, les émaux. Ils sont utilisés dans les peintures, les céramiques, les matières plastiques.

Les composés organiques sont le plus souvent incolores. Ils n’absorbent pas la lumière visible, mais l’infrarouge. Ceux qui sont colorés renferment généralement des doubles liaisons qui déplacent leurs bandes d’absorption vers les longueurs d’onde de la lumière visible.

Spectre infrarouge de l’acétanilide1010-spectre-infra

 Colorants et teinture.

Un colorant organique doit être coloré, mais aussi pouvoir se fixer solidement sur les fibres que l’on désire teindre, résister au lavage, à la lumière et si possible à des produits nettoyants comme l’eau de Javel(colorants grand teint). Jusqu’au XIXème siècle, on ne connaissait que des colorants “naturels”extraits de végétaux ou d’animaux comme l’indigo de l’indigotier, l’alizarine de la garance ou la pourpre du murex. Les recettes de teinture étaient empiriques et compliquées.

Les premiers colorants “artificiels”ont été obtenus par hasard comme la mauvéine de Perkins en 1856 et la fuchsine de Verguin en 1859.En 1869, l’alizarine devient le premier pigment naturel à être reproduit synthétiquement quand les chimistes allemands Graebe et Lieberman  , employés chez BASF  , trouvèrent un moyen de l’obtenir à partir de l’anthracène,ruinant la culture de la garance.

La synthèse industrielle de l’indigo, plus laborieuse, a été réussie par Baeyer en 1900.Des modifications de ces deux molécules ont permis d’obtenir une foule d’autres colorants aux teintes et aux propriétés tinctoriales variées, auxquels sont venues s’ajouter d’autres familles de colorants de nature complètement différentes.

Les procédés empiriques de teinture ont été remplacés par des techniques plus rationnelles et plus simples utilisant des colorants teignant la laine, la soie et le coton sans traitements préalables. Nylon);polyesters,(Tergal;Terylene; Dacron);acryliques,(Orlon;Crylor) ont exigé de nouveaux colorants ou de nouvelles techniques.

Synthèse des colorants.

La synthèse des colorants a été la première application industrielle de la chimie organique. Jusqu’en 1914,elle a été une exclusivité allemande. Les grandes sociétés chimiques ont souvent été à l’origine des fabricants de colorants(Baeyer; Rhône Poulenc; BASF; IG Farben; CIBA),et elles se sont ensuite diversifiées dans d’autres domaines: pharmacie, parfums, matières plastiques, textiles synthétiques, etc.

La matière première a longtemps été le goudron de houille, résidu des cokeries et des usines à gaz, avant qu’il soit remplacé au moins en partie par des produits pétroliers. Ces goudrons sont des mélanges de nombreuses substances, mais, contrairement à ce qu’on croit parfois, les colorants ne préexistent pas dans les goudrons, pas plus qu’aucun autre produit de synthèse. On en extrait un petit nombre de substances définies et incolores :le benzène(benzine) le toluène, le naphtalène(la naphtaline),l’anthracène, le phénol, molécules assez simples qui vont servir de squelettes pour synthétiser des milliers de colorants.(fig.10)

Deux colorants célèbres: L’alizarine et l’indigo.

Ces colorants extraits de plantes étaient connus dès l’Antiquité. L’alizarine, colorant pour mordant, exige un traitement préalable des fibres, le mordançage, au moyen de sels métalliques. Connue aussi sous le nom de rouge turc, elle donnait sa couleur aux pantalons de l’armée française. isolée pure en 1826,sa constitution avait été établie en 1868 et sa synthèse réalisée en 1870.Il en existe actuellement de très nombreux dérivés .

L’indigo a été introduit en Europe au XVIème siècle. Il était extrait de l’indigotier, plante tropicale originaire des Indes, de la Chine et du Japon. C’est ce qu’on appelle un colorant de cuve: on le dissout dans un bain sous une forme soluble et incolore, on en imprègne les fibres ou les étoffes qu’on expose ensuite à l’air. Par oxydation, l s’insolubilise, se fixe, et retrouve sa couleur bleue. C’est le colorant des “Blue Jeans”.

La détermination de sa constitution, réalisée par Baeyer entre 1841 et 1870,a été laborieuse car les moyens de l’époque étaient rudimentaires(celle du camphre avait demandé une cinquantaine d’années)De nombreuses tentatives de synthèse industrielles n’ont abouti qu’en 1900. Ensuite, comme pour l’alizarine, de très nombreux dérivés ont été synthétisés1111-alizarine

Les colorants azoïques.

Obtenus dès 1875,ils sont purement synthétiques, et ce sont actuellement les plus importants et les plus nombreux. Appelés aussi colorants à la glace, ils se forment par mélange de deux réactifs incolores en solution refroidie vers 0°.Insolubles, ils se séparent immédiatement du liquide. La réaction mise en jeu s’appelle copulation. Pour les fixer sur une fibre, on l’imprègne d’un des réactifs et on la plonge dans l’autre, mais il existe aussi des colorants azoïques solubles utilisables tels quels.(fig.12).

Colorants divers.

Il existe bien d’autres familles de colorants. Les plus utilisés sont les noirs et les bleus, certains très anciens comme le noir d’aniline(1862),les colorants au soufre(cachou de Laval,1873)et des colorants plus spécialisés comme les cyanines utilisées pour la photographie en couleurs, les phtalocyanines, très stables, les dérivés du triphénylméthane, etc.

Les techniques de teinture.

On a déjà cité les colorants pour mordant comme l’alizarine, les colorants de cuve comme l’indigo et les azoïques insolubles, mais on utilise surtout des colorants solubles capables de se fixer directement sur les fibres au moyen d’un bain de teinture: ce sont les colorants directs, d’utilisation beaucoup plus simple. Pour que le colorant se fixe, il faut qu’il puisse établir des liaisons suffisamment solides avec la structure moléculaire des fibres. La laine, constituée d’acides aminés, renferme des groupements d’atomes capables de fixer aussi bien des colorants acides ou basiques. Elle se teint facilement et peut même épuiser les bains de teinture. Il en est de même de la soie, de composition analogue.

Le coton, composé de cellulose, est plus difficile à teindre. Il ne fixe pas tous les colorants et n’épuise généralement pas les bains. La rayonne viscose, également constituée de cellulose est analogue au coton, tandis que la rayonne acétate(constituée d’acétate de cellulose)exige des colorants spéciaux solubles dans les solvants organiques.

Parmi les fibres synthétiques, les polyamides peuvent se teindre avec des colorants acides, mais les polyesters et les acryliques exigent des colorants spéciaux, à moins qu’on les modifie en introduisant dans leur structure des groupes d’atomes capables de se lies à des colorants classiques.

La teinture par les colorants directs se fait généralement à chaud. Elle doit être progressive pour obtenir une fixation régulière du colorant, l’unisson. Dans ce but, on ajoute au bain de teinture divers adjuvants et des mouillants. Parmi les procédés modernes, on peut citer la teinture sous pression qui permet d’opérer au dessus de 100° et la teinture dans des solvants organiques qui utilise des colorants insolubles dans l’eau.

En résumé, la teinture est un art compliqué et ses techniques sont très nombreuses. Elle permet aussi d’imprimer des dessins colorés en utilisant successivement et localement plusieurs colorants.

La photographie en couleurs est aussi utilisatrice de colorants organiques, mais son mécanisme fondamental repose toujours sur l’utilisation de sels d’argent, avec emploi de filtres sélectifs(trichromie).

Conclusions.

Les atomes et les molécules sont les instruments qui produisent et absorbent la lumière et toutes ses couleurs. La couleur est la sensation par laquelle notre œil et notre cerveau traduisent les différentes longueurs d’onde de la lumière visible. Pour créer ces couleurs, la teinture, longtemps empirique, est devenue une application pratique de la chimie, établie sur des bases théoriques solides et précises.

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