Металокомплексні (металовмісні) барвники

Мета: вивчити металокомплексні (металовмісні) барвники; кислотні металовмісні барвники; основні терміни.

План:

1. Металокомплексні (металовмісні) барвники.

2. Кислотні металовмісні барвники.

До недолі­ків хромових барвників слід віднести складність технології фарбування (додаткова операція хромування), а також непов­не використання солей шестивалентного хрому. Останні потрапляють в стічні води і, будучи виключно шкідливими для життєдіяльності живих організмів водоймищ, окислю­ють їх, а самі переходять у форму тривалентного хрому. Цих недоліків не мають металокомплексні барвники, в мо­лекули яких атоми металу введенні ще на стадії їх синтезу на анілінофарбувальних заводах. Тобто металовмісні барв­ники — це готові внутришньокомплексні сполуки моноазобарвників з металами — хромом чи кобальтом. Залежно від кількості молекул барвника, що припадає на 1 атом ме­талу, розрізняють комплекси складу 1:1 або 1:2.

Особливості будови барвників цих типів знаходять відо­браження у властивостях і способах використання. Так, фарбування металокомплексними барвниками 1:1 прово­дять із сильно кислих розчинів, тоді як для барвників типу 1:2 характерне використання нейтральних або слабо кислих розчинів. Відповідно цього в буквені позначення барвників вітчизняного виробництва включають букви: для першого типу — М (металокомплексні), для другого — МН (метало­комплексні, які використовуються в нейтральному середо­вищі).

Металокомплексні барвники типу 1:1 — це комплекс­ні сполуки металу і деяких азобарвників, що містять комплексоутворюючі групи, а також сульфогрупи, які надають їм здатності розчинятись у воді, їх використовують для фарбування шерсті, поліамідного волокна та їх сумішей у середні та світлі тони.

Нижче наведена будова типового барвника цієї групи (кислотний синій ЗМ):

При загальній подібності способів фарбування барвника­ми цієї підгрупи і звичайними кислотними барвниками між ними виявляється все ж таки суттєва різниця. Так, рі­вномірність забарвлення шерсті при використанні металокомплексних барвників досягається лише при збільшених витратах сірчаної кислоти. Для звичайних кислотних барв­ників у цих умовах неминучий прояв досить швидкого ви­снаження фарбувального розчину і пов'язаної з цим не­рівномірності забарвлення.

Характер взаємодії з шерстю барвників співставлених груп (а звідси і стійкість отриманого забарвлення) має сут­тєві відмінності. При використанні звичайних кислотних барвників приєднання аніонів барвника БрSO₃^- відбувається в основному до позитивно заряджених груп -⁺NH₃ керати­ну. Фіксація на волокні кислотних металокомплексних ба­рвників типу 1:1 здійснюється не тільки за рахунок такого солеутворення але й в результаті виникнення додаткових більш міцних координаційних зв'язків між атомами хрому і вільними неіонізованими –NH₂ групами кератину. Таким чином, загальна схема одностадійної взаємодії цих барвни­ків з шерстю однакова зі схемою, приведеною вище для хро­мових барвників, процес фарбування якими включає окрему стадію хромування.

Виникнення міцного координаційного зв'язку між воло­кном і барвником позбавляє останнього можливості до мі­грації. А виникнення одночасно іонного і координаційного зв'язків призводить до того, що барвник міцно фіксується волокном, різко втрачаючи свою рухомість, у результаті чого отримується досить нерівномірне забарвлення.

Тому схема фарбування будується таким чином, що на першій стадії фарбування, коли закладаються умови для отримання рівномірного забарвлення, створюють умови для прояву іонної взаємодії, а на заключній стадії сприяють ви­никненню більш міцних координаційних зв'язків. Такої двоступінчастої взаємодії досягають за рахунок регулюван­ня рН середовища. Починаючи фарбування в сильно кислому середовищі (рН 1,9-2,2), створюють низьку концентра­цію незаряджених -NН₂ груп і високу концентрацію заряджених –N⁺Н₃ груп, здатних до іонної і нездатних до координаційної взаємодії з барвником типу 1:1. Завершу­ють фарбування промиванням у нейтральному або слабо-лужному середовищі, в якому більша частина аміногруп пе­реходить в незаряджену форму і координаційним зв'язком міцно зв'язує барвник.

Таким чином, для отримання рівномірного забарвлення процес фарбування здійснюють за режимом, який забезпечує послідовне утворення іонних і координаційних зв'язків.

На практиці фарбування шерстяного волокна проводять таким чином: у фарбувальну ванну при 40—50°С вводять вирівнювач і сірчану кислоту. Шерсть замочують в цій ван­ні, потім вливають розчин барвника. Протягом 30—40 хв. ванну нагрівають до температури кипіння і фарбують в цих умовах 1,5-2 години. Далі ванну охолоджують, забарвлене волокно ретельно промивають, причому в останню промив­ну ванну для нейтралізації залишків кислоти добавляють 25 % -ний водний аміак і 5 % -ний розчин ацетату натрію.

Кислотні металовмісні барвники складу 1:2 використо­вують для фарбування шерсті і поліамідного волокна. Фар­бування барвниками цієї групи проводять в нейтральному або слабо кислому середовищі, що сприяє збереженню меха­нічної міцності волокна. Забарвлення при цьому має висо­ку стійкість до світла навіть у світлих тонах. Вони стійкі до всіх мокрих обробок, крім заварювання. Дані барвники добре комбінуються між собою, а також з барвниками ін­ших класів, що дає можливість отримувати широку гаму кольорів. До недоліків цих барвників слід віднести невисо­ку яскравість отриманого забарвлення.

Схематично будову металокомплексного барвника типу 1:2 можна показати таким чином:

Суттєвою особливістю цих барвників є відсутність в мо­лекулі вільних сульфогруп, що підвищує їх гідрофобні вла­стивості і знижує розчинність у воді. При відносно невели­ких розмірах молекули в певних межах досягається можливість безпосереднього переводу барвників цього типу в розчин у вигляді натрієвих солей. Підвищенню розчинно­сті барвників сприяє введення в їх молекули сульфонамідних (-SO₂NH₂), або метилсульфонільних (-SO₂СН₃) груп.

Введений до складу молекули барвника атом хрому спо­лучений з двома молекулами барвника. З чотирма атомами кисню гідроксильних груп атом хрому утворює ковалент­ний зв'язок, а з двома атомами азогруп — координаційний. У результаті весь комплекс отримує негативний заряд, який рівномірно розподіляється на всю молекулу. Тому прийня­то позначати барвники цієї підгрупи у вигляді дисоційованої солі при включенні комплексного аніона в квадратні дужки і виділенні катіона Nа⁺.

Оскільки атом металу в комплексі координаційне наси­чений, при фарбуванні не відбувається комплексоутворення з волокном. Незважаючи на це, барвники комплексу 1:2 мають високу спорідненість до шерстяного волокна. Барв­ник утримується волокном силами Ван-дер-Ваальса і водневими зв'язками. В кислому середовищі утворюються також і іонні зв'язки між позитивними центрами волокна — N⁺Н₃ і негативно зарядженим комплексом барвника. Цей процес може здійснюватись при рН 5—6, що дуже важливо для попередження деструкції волокна.

З метою отримання рівномірного забарвлення при фар­буванні вовни і поліамідного волокна комплексами складу 1:2 використовують вирівнювачі типу препарату ОС—20. Крім того, повільне підвищення температури від 70 до 100°С забезпечує рівномірне забарвлення.

Фарбування такими барвниками проводять таким чи­ном. У фарбувальну ванну, нагріту до 30-40°С вводять роз­чини сульфату або ацетату амонію, або оцтову кислоту, вирівнювач і обробляють в ній волокнистий матеріал про­тягом 15 хв. Далі у ванну вливають розчин барвника, повіль­но нагрівають її до температури кипіння і фарбують при цих умовах не менше 1 год. Після фарбування волокнистий матеріал промивають теплою і холодною водою.

Слід враховувати, що дані барвники досить нестійкі в сильно кислому середовищі і можуть випадати в осад.

Уведення в фарбувальну ванну нейтральних електролітів також сприяє коагуляції барвника.