книги из ГПНТБ / Лифенцев, О. М. Крашение и печатание тканей путем синтеза пигментов на волокне

О.М. ЛИФЕНЦЕВ,

Б.Н. МЕЛЬНИКОВ

КРАШЕНИЕ И ПЕЧАТАНИЕ ТНАНЕЙ ПУТЕМ СИНТЕЗА ПИГМЕНТОВ НА ВОЛОКНЕ

Москва «Легкая индустрия»

1973

6П9.2 Л 63

УДК 677.027 : 677.84 677.027 : 677.85

Рецензент: канд. техн. наук Кричевский Г. Е.

Гос. публичная иаучно-технмч ,вная оиблиог . ка ссс - г»

ЧИТА.;-ЬКС

Лифенцев О. М., Мельников Б. Н.

Л63 Крашение и печатание тканей путем синтеза пиг­ ментов на волокне. М., «Легкая индустрия», 1973.

168 с.

Вмонографии рассматриваются вопросы крашения и печатания

вероятные схемы механизма взаимодействия исходных компонентов при синтезе ароиленимидазолов, фталоцианинов и'черного анилина. П о м и м о

© Издательство «Легкая индустрия», 1973 г.

ВВЕДЕНИЕ

Коллективы предприятий и научных организаций текстильной промышленности, решая задачи, поставленные XXIV съездом КПСС, основное внимание обращают на разработку и внедрение более эффективных технологических процессов, направленных на выпуск продукции лучшего качества при меньших затратах сырья, электроэнергии, без увеличения численности рабочих. Одним из таких процессов является колорирование тканей путем синтеза пигментов на волокне, основным положениям теории и практики которого до сих пор не уделялось должного внимания.

Под «истинным» крашением понимают [1] процесс, сопровож­ дающийся избирательной сорбцией волокнистым материалом окра­ шенного вещества из раствора. Такая интерпретация не охваты­ вает всего многообразия способов колорирования, применяемых в настоящее время отделочными производствами текстильной про­ мышленности. Например, если суспензионное крашение кубовыми красителями по своей сущности соответствует этому определению, то процессы черноанилинового крашения и пигментной печати ока­ зываются «отлученными» от истинного крашения со всеми выте­ кающими отсюда последствиями.

Число публикаций, посвященных теоретическим проблемам про­ цесса крашения путем синтеза пигментов на волокне, очень огра­ ничено. Столь важная в практическом отношении область текстиль­ ной технологии основывается в большинстве случаев на данных эмпирического характера. В то же время перенесение закономер­ ностей химического взаимодействия органических соединений в растворах на процессы, происходящие в толще волокна при спе­ цифических условиях обработки ткани, не всегда оказывается воз­ можным. Все это в значительной мере сдерживает развитие эконо­ мически перспективных процессов колорирования, находящихся на стыке двух областей технологии — синтеза и крашения.

Все известные способы крашения и печатания можно условно разделить на две большие группы с точки зрения момента образо­ вания хромофорной системы красителя относительно процесса об­ работки им волокнистого материала.

В первую группу целесообразно объединить все способы, пре­ дусматривающие использование красящих веществ, обладающих завершенной хромофорной системой до осуществления процесса крашения. К ней относятся способы крашения прямыми, кислот­ ными, активными, кубовыми, сернистыми, основными, дисперсными

и другими аналогичными красителями. Эта группа характеризуется полным разделением во времени процессов синтеза и крашения.

Способы колорирования, относящиеся к первой группе, обла­ дают некоторой парадоксальностью в своей сущности. При краше­ нии волокнистый материал обрабатывают раствором красителя, концентрация которого достигает нескольких десятков граммов в литре. Для придания красителю способности хорошо раство­ ряться в воде в его молекулы при синтезе вводятся различные группы (—S03 H, —СООН, — NH 2 ) . Однако получение окрашен­ ных изделий с высокой устойчивостью к действию мокрых обрабо­ ток (стирок) возможно лишь в том случае, когда растворимость красителя в воде ничтожно мала. При этом следует помнить, что «истинное» крашение является обратимым процессом, и силы срод­ ства, обусловливающие сорбцию красителя волокнистым материа­ лом, не обеспечивают практически полного сдвига равновесия в сто­ рону волокна. Короче говоря, все способы крашения, основанные только на явлении сорбции, будут характеризоваться относительно низкой устойчивостью окрасок к действию мокрых обработок.

Выход из создавшегося положения находят в применении спе­ циальных приемов крашения. Например, кубовые и сернистые кра­ сители для придания им растворимости переводят в форму лейкосоединения, а затем, действуя окислителем, возвращают в исходное нерастворимое состояние непосредственно на волокне. Высокую растворимость прямых красителей уменьшают путем обработки окрашенной ткани катионактивными закрепителями, при этом на

за счет образования ковалентных связей с макромолекулами во­ локна. Алциановым, кубозолевым и тиозолевым красителям при­ дают водорастворимость путем введения некоторых химических групп, удаляемых из молекулы в процессе крашения или последую­ щей обработки окрашенной ткани.

Таким образом, способы крашения первой группы требуют, как правило, применения дополнительных мер для придания красите­ лям временной растворимости или для резкого уменьшения раство­ римости после перехода красителя на волокнистый материал. От­ личительной особенностью способов второй группы является совме­ щение синтеза и крашения в едином технологическом процессе. Компоненты для химического взаимодействия на волокне подби­ рают с таким расчетом, чтобы образующиеся при реакции окра­ шенные соединения имели ничтожно малую растворимость в воде. Таким образом, получение окрасок, устойчивых к действию мокрых обработок, решается в этом случае естественным путем без допол­ нительных затрат химических материалов, времени и средств.

Производство красителей является сложным многостадийным технологическим процессом, качественное проведение всех стадий которого — необходимое условие соответствия готового продукта действующим стандартам. Вместе с тем с точки зрения конечного состояния красителя на волокне после крашения такие технологи-

4

ческие операции процесса синтеза, как выделение красителя из ре­ акционной массы, фильтрация, промывка, сушка, размол и уста­ новка на тип не имеют существенного значения. Применение со­ вмещенных способов синтеза и крашения позволяет резко сокра­ тить затраты общественного труда на выпуск единицы готовой про­ дукции в текстильной промышленности.

Крашение ткани путем синтеза пигментов на волокне известно давно. Однако все многообразие расцветок достигается за счет применения продуктов для образования на волокне нерастворимых оксиазокрасителей и черного анилина. За последние пять лет зна­ чительно усилился интерес к продуктам для синтеза на волокне фталоцианинов и пигментов ароиленимидазолового ряда. В перио­ дической литературе все чаще появляются сообщения о разработке новых способов крашения и печатания волокнистых материалов пу­ тем синтеза красящих веществ иных типов, чем указано выше.

Наличие азогрупп в молекулах нерастворимых оксиазокрасите­ лей обусловливает относительно низкие прочностные показатели получаемых с их помощью окрасок к действию света; окислением анилина и кватернизацией фталогенов получают прочные окраски узкой цветовой гаммы. В этой связи актуальной задачей является поиск новых пигментообразующих компонентов, способных обра­ зовывать на волокнистых материалах окраски широкой цветовой гаммы, прочные к воздействию различных физико-химических фак­ торов, в том числе и света. Синтез на волокне ароиленимидазоловых пигментов путем конденсации ароматических поликарбоновых кислот с диаминами [2] является одним из возможных вариантов решения поставленной задачи. Тем не менее рассчитывать на полу­ чение полной цветовой гаммы окрасок в пределах одного класса красящих веществ экономичным способом и в сжатые сроки вряд ли приходится.

Технолога отделочного производства мало беспокоит различие в химическом строении применяемых им красителей. Важнейшим показателем, которым он пользуется при подборе цветовой гаммы, является технологическая совместимость, т. е. способность краси­ телей одинаково вести себя на всех переходах технологического процесса, не влияя отрицательно друг на друга и не изменяя своего оттенка при максимально возможной степени фиксации каждого из них волокнистым материалом. В этом отношении трудности, свя­ занные с применением готовых форм красителей, хорошо известны и до сих пор полностью не преодолены. Использование пигменто­ образующих компонентов, обладающих простым строением и низ­ ким сродством к волокну, устраняет вопрос о диффузионной не­ совместимости, но выдвигает на первый план проблему химической совместимости вследствие высокой реакционной способности ис­ пользуемых соединений.

Применение волокнистого субстрата с его ограниченной устой­ чивостью к действию химических реагентов и температуры умень­ шает число реакций, пригодных для синтеза красящих веществ в процессе крашения. Природа окрашиваемого волокна имеет пер-

5

1. СИНТЕЗ ПИГМЕНТОВ НА ВОЛОКНЕ — ОДНО ИЗ НАПРАВЛЕНИЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ КРАШЕНИЯ

Современные теоретические воззрения в области крашения во­ локнистых материалов основываются на наличии функциональной зависимости между величинами сродства, коэффициента диффузии и скорости крашения. С уменьшением сродства и увеличением ко­ эффициента диффузии наблюдается повышение скорости проника­ ния красителя в толщу элементарного волокна. Сложность реаль­ ной системы красильный раствор — волокно не позволяет в настоя­ щее время привести строгое математическое описание взаимосвязи этих трех параметров. Но даже частные решения [3] служат пред­ посылками для научно обоснованного поиска путей интенсифика­ ции технологических процессов крашения и печатания тканей.

Учитывая, что скорость диффузии, например прямых красите­ лей, внутри целлюлозного волокна в 1000 раз меньше, чем в воде, а процесс сорбции молекул красителя активными центрами во­ локна протекает практически мгновенно, основой большинства спо­ собов крашения считают диффузию красящего вещества в толщу волокнистого субстрата. Отсюда первоочередной задачей интенси­ фикации процессов крашения является разработка технологиче­ ских приемов, обеспечивающих резкое увеличение скорости диффу­ зии красителя в волокно. В настоящее время эта задача решается путем использования в производственных процессах температур выше 100° С, применением органических растворителей и синтезом красителей непосредственно на волокне.

Интенсифицирующее влияние повышения температуры на диф­ фузию красителя в волокне обусловлено увеличением скорости дви­ жения как молекул самих красителей, так и участков макромоле­ кул в аморфных зонах полимерного субстрата в соответствии с ви­ доизмененным уравнением Аррениуса:

7

каждые 20° подъема температуры [4]. Аналогичные результаты были получены Б. Н. Мельниковым, М. Н. Кирилловой и И. Б. Котовой [5] при крашении целлюлозы прямыми красителями. Приве­ денная ими графическая зависимость изменения коэффициентов диффузии некоторых красителей с ростом температуры весьма близко напоминает экспоненту, соответствующую уравнению (1).

Экспоненциальный характер зависимости коэффициента диф­ фузии от температуры позволяет в принципе получить беспредель­ ное увеличение скорости крашения. В реальных условиях верхний предел достигаемых скоростей ограничивается температурой, при которой обрабатываемый материал или сам краситель начинают изменять свои свойства.

Наиболее перспективным является оформление этого метода интенсификации в виде процесса термофиксации, сущность кото­ рого заключается в обработке ткани в атмосфере перегретого пара, горячего воздуха, продуктов сгорания природного газа, облучении ИК-лучами или соприкосновении с поверхностью металлических барабанов, обогреваемых изнутри соответствующим теплоносите­ лем.

Высокотемпературный метод интенсификации эффективен в це­ лом ряде случаев колорирования как для первой, так и второй групп. В последнем случае с увеличением температуры происходит не только увеличение скорости диффузии исходных полупродуктов в толщу волокна, но и скорости их химического взаимодействия.

Сольватационный метод интенсификации процессов крашения [6] основан на взаимодействии гидрофильных органических раство­ рителей и некоторых других веществ с агрегированными частицами красителя и его молекулами в растворе с образованием лабильных соединений, обладающих пониженным сродством к волокну. Введе­ ние в красильный раствор триэтаноламина, пиридина, целлозольва или других аналогичных гидрофильных органических растворите­ лей в количествах до 50 г/л повышает, например, скорость диффу­

Сольватационный метод интенсификации привлекает внимание своей универсальностью по отношению к красящим веществам и волокнам различных классов, низкими энергетическими затратами, простотой аппаратурного оформления и отсутствием деструктирующего воздействия на окрашиваемый материал и красители.

Интересные возможности открываются при совместном исполь­ зовании обоих интенсифицирующих факторов — применения гидро­ фильных органических растворителей и температур выше 100° С. Особое значение при этом приобретает мочевина, ведущая себя как гидрофильный органический растворитель при температурах выше температуры плавления ее самой или ее эвтектических сме­ сей с водой или другими соединениями. Благотворное влияние мо­ чевины при крашении прямыми, дисперсными, кубозолевыми и кис­ лотными красителями [7] объясняется, по мнению А, Ньюсела [8],

8

глубоким прониканием ее в толщу элементарного волокна. Запол­ няя внутренний объем целлюлозы, расплав мочевины выполняет роль той среды, в которой происходит диффузия молекул краси­ теля. Считают, что основными сторонами воздействия мочевины при термофиксационных способах крашения являются набухание волокна и нарушение исходных систем водородных связей между молекулами воды, красителя и субстрата [9].

Для способов колорирования второй группы применение такого совмещенного метода интенсификации — с использованием моче­ вины и высоких температур — имеет первостепенное значение. Экс­ периментально установлено, что синтез на волокне нерастворимых оксиазокрасителей [10] и фталоцианина меди [11] в этом случае приводит к наилучшим результатам.

Оба метода интенсификации процесса крашения являются по существу единым методом целенаправленного воздействия на энер­ гетику взаимосвязи между молекулами воды, красителя и суб­ страта. Оба метода основываются на обратимом изменении вели­ чины сродства красителей к волокну и ограничены в своем дей­ ствии неизменностью молекулярного строения диффундирующих веществ.

На основании математической обработки диффузионной модели процесса крашения с использованием закона Фика и закона дей­ ствующих масс выведено уравнение [12]:

где D — коэффициент диффузии красителя в волокне;

ства до минимума скорость диффузии красителя в субстрате не превысит значения, определяемого химическим и пространствен­ ным строением диффундирующей молекулы. В то время как зна­ чения сродства большинства красителей в пределах красящих ве­ ществ одного класса выражаются величинами одного порядка, скорости крашения ими волокнистых материалов различаются в 1000 и более раз. Это подтверждает высказанное выше положе­ ние о главенствующей роли молекулярного строения (степень агре­ гации и геометрические размеры, химический состав) красителя на его диффузионные характеристики.

Положения коллоидно-химической теории об оптимальном раз­ мере частиц красителя в растворе, использовавшиеся 30—40 лет назад для описания процесса крашения, трансформировались ныне в достаточно стройную систему, в соответствии с которой краше­ ние осуществляется молекулами красителя, находящимися в дина­ мическом равновесии с его частицами разной степени дисперсно-

9