Властивості барвників

Мета: вивчити властивості барвників; групи барвників; основні терміни.

План:

1. Властивості барвників.

2. Групи барвників.

Нині в текстильній промисловості використовуються різноманітні класи барвників, що дозволяє одержувати на різних волокнах забарвлення будь-якого кольору необхід­ної яскравості і стійкості. Число марок барвників, викори­стовуваних у колоруванні текстильних матеріалів, складає кілька тисяч.

Виробництво текстильних барвників у світовому масш­табі характеризується високими темпами розвитку, що обу­мовлено відповідними темпами зростання промисловості хімічних волокон. Світова тенденція переважного розвитку і споживання синтетичних волокон у порівнянні з природ­ними і хімічними волокнами обумовлює розвиток переду­сім класів барвників (дисперсні, катіонні, пігментні), при­значених для колорування виробів із синтетичних волокон. Однак барвники, які використовуються для целюлозних і білкових волокон (кубові, активні, кислотні), будуть відігравати як завжди, важливу роль у загальному балансі вироб­ництва і споживання в текстильній промисловості.

У загальній собівартості текстильної продукції вартість барвників не перевищує 4—5 %, однак якість готової текстиль­ної продукції значною мірою визначається саме якістю ба­рвників. У зв'язку з цим очевидна доцільність у багатьох випадках використання більш дорогих барвників, що забез­печує високу яскравість і стійкість забарвлення.

Для повного забезпечення текстильної галузі промислово­сті барвниками і текстильно-допоміжними речовинами (ТДР) необхідно, щоб темпи розвитку їхнього виробництва випере­джали темпи розвитку виробництва текстильних волокон.

Для всіх текстильних барвників, що мають різну хіміч­ну будову, загальними є дві властивості:

1) Колір, обумовлений специфічною будовою.

Текстильний барвник не тільки повинен бути забарвле­ною сполукою, але й забезпечувати високу інтенсивність за­барвлення при відносно невисокій концентрації його у во­локні (1—3 % маси). Ця умова виконується для забарвлених сполук з високими значеннями молекулярного коефіцієнта екстинції (поглинання), що визначається будовою хромо­форної системи і ауксохромних груп;

2) Здатність міцно утримуватися внутрішньою поверх­нею елементарних волокон за рахунок специфічних (фізич­них чи хімічних) сил взаємодії з волокноутворюючим по­лімером.

З хімії барвників відома хімічна і технічна класифікація текстильних барвників. Відповідно до хімічної класифіка­ції барвники залежно від будови хромофорних систем і ауксохромних груп поділяються на азобарвники, антрахінонові, фталоціанінові й ін. В основу технічної класифікації покладені технологічні принципи застосування барвників у фарбуванні і друкуванні, їхня розчинність, загальні хімічні властивості, характер взаємодії з волокном.

Розчинність барвників у воді, їхній стан у фарбувальній ванні чи друкувальній фарбі диктують характер і послідов­ність технологічних операцій у процесах фарбування і дру­кування, визначають механізм фіксації барвників волок­ном. Залежно від розчинності можна виділити такі групи барвників:

1. Барвники, розчинні у воді. До них відносяться прямі, кислотні, катіонні, активні, кубозолі, азо- і диазоскладові азоїдних барвників. Розчинність у воді барвникам надають солюбілізуючі іоногенні групи: —SO₃Н; —СООН, —N(R)₂, —ОН. Розчинність цих барвників залежно від умов засто­сування коливається від З0 до 100 г/л.

2. Барвники, яким надається тимчасова розчинність на стадії їхнього використання. До них відносяться кубові і сірчисті барвники. Тимчасова розчинність забезпечується утворенням іоногенних груп: С-ОNа (кубові) і -SNa (сірчисті). Розчинність цих барвників в умовах використан­ня досягає 30-50 г/л.

3. Барвники, малорозчинні у воді (до 50-350 мг/л при температурі 80 °С). До них відносяться дисперсні барвники. Обмежена розчинність цих барвників у воді обумовлена наявністю полярних груп: —NН₂, —NHR, -ОН, —SO₂NН₂, —NO₂.

4. Барвники, нерозчинні у воді. До них відносяться піг­ментні барвники. Барвники цього класу через нерозчин­ність у воді і значні розміри часток нездатні проникати в структуру елементарних волокон і зв'язуватися з ними специфічними міжмолекулярними зв'язками. Тому технологія застосування принципово відрізняється від технології за­стосування барвників перших трьох груп. Вона полягає в адгезійному приклеюванні барвників до поверхні волокон спеціальним полімерним сполучним.

Приведена вище класифікація барвників за розчинністю застосована до водної технології використання і зміниться у випадку переходу до неводної технології, тобто при викорис­танні органічних неполярних розчинників, наприклад, хлоро­ваних вуглеводнів. Так, водорозчинні барвники практично в них нерозчинні, а дисперсні барвники, малорозчинні у воді, мають порівняно високу розчинність у пер- і трихлоретилені (0,3-150 г/л при температурі кипіння цих розчинників). Фіксація волокном барвників перших трьох груп як одну з основних стадій включає дифузію барвників у воло­кно. При цьому дуже важливими є геометричні розміри і форма молекули чи іона барвника, оскільки вони значною мірою визначають швидкість його дифузії у волокні. Роз­міри молекул барвника не повинні перевищувати розмірів пор волокна. В іншому разі барвник не буде мати можли­вості дифундувати у волокні, яку б високу спорідненість він до нього не мав. Як було зазначено раніше, текстильні волокна, маючи досить розвинуту внутрішню поверхню, характеризуються відносно малим середнім розміром пор для гідрофільних волокон, що і визначає вимоги до геомет­рії молекул барвників. Вибір барвників для текстильних волокон за молекулярними розмірами протягом тривалого часу розвитку технології колорування здійснювався емпі­рично. У результаті цього вибору барвники, використовува­ні у фарбуванні і друкуванні виробів із природних волокон, мають більш широкий діапазон змін молекулярних розмірів, ніж барвники, використовувані для синтетичних волокон.

Оскільки молекули барвників і пори волокон мають близь­кі розміри (порівнянні), то для виникнення умов проникно­сті волокна стосовно до молекул барвника необхідна їхня стерична сумісність подібна тій, яка виникає при суміщенні ключа з замковою шпарою. При відсутності такого стеричного суміщення виникають істотні складності у фіксації барвників волокном.

Практично у всіх способах фарбування і друкування пред'являються вимоги до розчинності барвників. Чим бі­льша розчинність барвника, тим зручніше його використо­вувати в технології фарбування і друкування. Розчинність водорозчинних барвників визначає інтенсивність забарвлен­ня, яка досягається в плюсовочних способах фарбування. У випадку дисперсних барвників розчинність їх у воді деякою мірою визначає кінетику фарбування з водних дисперсій. Проте висока розчинність барвників призводить до знижен­ня стійкості забарвлення при експлуатації виробів (за виня­тком активних барвників). Необхідно підкреслити, що не слід прагнути до дуже високої розчинності барвників, оскі­льки це може призвести не тільки до зниження стійкості забарвлення до мокрих обробок, але і до низького коефіцієн­та розподілу барвника між волокном і зовнішнім середови­щем, тобто до низької ефективності використання барвника. У випадку водорозчинних барвників число солюбілізованих груп, які визначають розчинність, повинно бути оптималь­ним, що забезпечує необхідну розчинність барвника, але не призводить до значного зниження його спорідненості до во­локна.

Розчини барвників у воді звичайно являють собою полідисперсні системи, де в стані рухомої рівноваги одночасно знаходяться молекули, іони і їх змішані асоціати різного складу. Стан рухомої рівноваги в таких системах залежить, перш за все, від природи барвника, здатності молекул до електролітичної дисоціації на іони, від наявності або відсутно­сті в складі молекул груп, що визначають тенденцію дисоційованих або недисоційованих забарвлених часток до асоціації.

Зміщення рухомої рівноваги в розподілі забарвлених ча­сточок у розчині за їх дисперсністю можливе і при дії зов­нішніх факторів, таких, як: 1) температура, 2) концентрація барв­ника і електроліту в розчині, 3) наявності або відсутності в ньому текстильно-допоміжних речовин (ТДР), розчинників та інших реагентів, використовуваних при фарбуванні.

На стан рухомої рівноваги в розчині суттєвий вплив має текстильний матеріал, що забарвлюється. Занурене в розчин барвника волокно діє як молекулярне сито, вибірково поглинаючи тільки іони і молекули барвника, так як обмежений розмір субмікроскопічних пор у волокні не дає можливості для проникнення в нього великих асоціатів барвника. Змен­шення концентрації іонів і молекул барвника в розчині порушує стан рівноваги в статистичному розподілі забарвле­них часточок за їх розмірами і призводить до розпаду вели­ких асоціатів барвника на більш мілкі, майже до молекул або іонів.

Сили, що викликають асоціацію барвника, багато в чому аналогічні тим силам, які діють між волокном і барвником, обумовлюючи вибіркову адсорбцію барвника із розчину во­локнистими матеріалами в процесах фарбування. Це сили Ван-дер-Ваальса, водневі зв'язки.

При збільшенні концентрації барвника в розчині і особ­ливо при введенні в нього стороннього електроліту (NаСІ), зростають розміри асоціатів і зменшується вміст іонів і окремих молекул, так як при цьому різко подавляється ди­соціація полярних груп, найчастіше сульфогруп у молекулі барвника. В результаті знижується однойменний заряд іо­нів барвника і слабшають сили їх взаємного відштовхуван­ня. Підвищення температури виявляє протилежну дію. При високих температурах відбувається розрив зв'язків між окремими молекулами або іонами барвника, які входять в асоціат.

Наявність в водних розчинах барвників текстильно-до­поміжних речовин і деяких гідрофільних органічних роз­чинників гальмує процеси утворення асоційованих часточок барвника навіть при високих концентраціях їх у розчині і при введенні в нього нейтрального електроліту.

Введення в водний розчин барвника гідрофільних роз­чинників або ТДР змінює природу асоційованих часточок. Високосольватовані іони і молекули барвників втрачають здатність до утворення великих асоціатів. Це, в свою чергу, впливає на дифузійну рухомість барвника в розчині і на його здатність взаємодіяти з волокнистими матеріалами. Спочатку під впливом гідрофільних розчинників дифузій­на рухомість барвників зростає, досягнувши максимума, по­вільно знижується. Це пояснюється тим, що вже невеликі добавки розчинників руйнують великі асоціати барвників.

Збільшення вмісту розчинників у розчині призводить до зростання ступеня сольвації молекул або іонів барвника, вилучених із складу асоціатів, і до сповільнення внаслідок цього дифузії сольватованих часточок.