2.4.7. Використання дисперсних барвників

Мета: вивчити використання дисперсних барвників, основні терміни.

План:

1. Використання дисперсних барвників.

2. Технологія фарбування тканин.

Дисперсні барвники — це барвники відносно нового кла­су. Перші їх представники з'явились у 20-х роках XX сто­ліття. Виникнення і формування нового класу барвників було пов'язано з прогресом в галузі хімії і виробництва хі­мічних волокон.

Дисперсні барвники призначені для фарбування гідрофоб­них штучних і синтетичних волокнистих матеріалів: ацета­тних, триацетатних, поліамідних, поліефірних, поліакрилонітрильних. При синтезі цих барвників були враховані особливості будови і властивостей даних волокнистих мате­ріалів, які відрізняють їх від природних і гідратцелюлозних волокон: високий ступінь кристалічності і компактність структури, гідрофобність, занижена хімічна активність.

За хімічною будовою дисперсні барвники відносяться до барвників різних класів. Більшість їх складають азо- і антра­хінонові барвники. Азобарвники забезпечують гаму відтінків від жовтого до червоного, фіолетового, темно-синього і корич­невого кольорів. Більш високої вартості антрахінонові барв­ники використовуються для отримання яскравих і світлостій­ких рожевих, блакитних, синіх і фіолетових кольорів.

Загальним для всіх дисперсних барвників є: 1) відсутність в їх структурі сульфо-, карбокси- та інших іоногенних груп, які надають барвникам розчинність у воді; 2) невелика моле­кулярна маса і відносна простота будови молекул; 3) у проце­сі фарбування з барвниками не відбувається ніяких хіміч­них змін.

Дисперсні барвники погано розчиняються у воді і вод­них розчинах: від часток міліграма до декількох міліграм в 1 л при кімнатній температурі і до 50-350 мг/л при 80°С.

Водночас вони досить добре розчинні в багатьох органіч­них розчинниках: в ацетоні, спирті, етилцелозольві, диметилформаміді, фурфуролі. Досить мала розчинність дисперсних барвників у воді зумовлює необхідність використання їх у процесах фарбування лише у вигляді водних суспензій, з розмірами часточок від 0,2 до 2 мкм. У зв'язку з цим осо­бливе значення набуває ступінь дисперсності, однорідність і стійкість дисперсійного складу цих барвників у випускних формах.

Вітчизняні дисперсні барвники випускаються у вигляді тонкодисперсних порошків і паст. Порошки містять 15-50 % забарвлюючої речовини, диспергатори і змочувачі. Основна маса часточок має розміри до 2 мкм, але окремі часточки можуть мати розмір до 15 мкм. Від дисперсності барвника залежить ступінь його використання при фарбуванні. Наяв­ність грубодисперсних часточок може бути причиною нерів­номірного забарвлення, крапу та інших дефектів фарбування.

Пасти дисперсних барвників містять у 2-3 рази менше забарвлюючої речовини, ніж відповідні порошки. Крім ба­рвника до складу пасти входять диспергатор, змочувач, вода і антифриз. Температура замерзання паст — 10÷—12°С.

Вітчизняний асортимент налічує понад 40 дисперсних барвників, більшість з яких використовується для фарбу­вання ацетатних волокон. Однак деякі барвники рекомен­дуються тільки для фарбування поліефірних волокон (в їх назву вводиться слово "поліефірний") або тільки для фар­бування поліамідних волокон (їх відзначають словом "по­ліамідний").

Забарвлення одними і тими ж дисперсними барвниками на різних волокнах може мати різні відтінки і відрізнятись за стійкістю. Причиною цього можуть бути різні фактори: 1) природа волокнистого матеріалу, 2) агрегація молекул барвни­ка у волокні, яка залежить від щільності і пористості во­локна; 3) полярність барвника. Так, більшість дисперсних барвників утворює на поліамідних волокнах забарвлення, менш стійке до дії світла, ніж на ацетатних. Світлостійкість забарвлення на поліефірних волокнах близька до світло­стійкості забарвлення на ацетатних волокнах і значною мі­рою залежить від будови барвника. Низьку світлостійкість має забарвлення антрахіноновими барвниками синіх кольо­рів. Стійкість забарвлення дисперсними барвниками до мокрих обробок на поліефірному волокні досить висока і в декілька разів перевищує аналогічні показники на інших волокнах.

Важливе практичне значення має стійкість дисперсних барвників до сублімації, так як у процесі фарбування і опоряд­ження хімічні волокна часто піддають високотемпературним обробкам (>180°С). Більшість дисперсних барвників відзначається незадовільною стійкістю до сублімації; деякі барвники починають сублімувати уже при 130-150°С. Стій­кість барвника до сублімації підвищують шляхом збіль­шення його молекулярної маси або введенням в його молекулу певних груп (-SO₂NН₂, -СОNН₂, -СN, -ОН, -Сl).

Фарбування ацетатних і синтетичних волокон дисперс­ними барвниками здійснюють із високодисперсних водних суспензій, які містять ПАР і диспергатори. При цьому лише невелика частина барвника утворює істиний розчин. Між істино- і колоїдною розчинністю існує рухома рівновага. В міру переходу молекул барвника у волокно розчинена фрак­ція поповнюється за рахунок диспергованої фракції барв­ника. Таким чином, процес фарбування здійснюється зав­жди із розчину барвника, начебто насиченого при певній температурі.

Від розчинності барвника у воді значною мірою зале­жить швидкість фарбування. Ступінь дисперсності і роз­чинність барвника можна збільшити шляхом підвищення температури розчину, введення в фарбувальну ванну ТДР, деяких органічних розчинників, гідротропних речовин.

Існує дві точки зору на механізм фарбування хімічних волокон дисперсними барвниками. Згідно з однією із них барвник у процесі фарбування розчиняється у волокноутворюючому полімері як у твердому розчиннику; згідно з другою, — процес фарбування слід розглядати як адсорбцію і дифузію барвника в порах волокна і закріплення його на специфічних ділянках доступної внутрішньої поверхні полімера.

Дисперсний барвник закріплюється в гідрофобному во­локні за допомогою сил Ван-дер-Ваальса і шляхом утворен­ня водневих зв'язків.

При фарбуванні синтетичних волокон дисперсними барв­никами виникають значні труднощі, зумовлені будовою і властивостями цих волокон. Найбільшою мірою ці труднощі проявляються при фарбуванні поліефірного волокна, яке характеризується значною упорядкованістю і щільністю упакування макромолекул, виключно високою гідрофобністю. Швидкість дифузії дисперсних барвників у поліефірні волокна приблизно в 10-50 разів нижче, ніж у поліамідні і ацетатні. В зв'язку з цим виникла необхідність створення спеціальних способів фарбування, які дозволяють полегши­ти проникнення барвника в синтетичні волокна. Основни­ми напрямками вирішення цієї проблеми є: використання високотемпературних способів фарбування і застосування при фарбуванні спеціальних хімічних речовин-інтенсифікаторів. На практиці частіше використовується інтенсифіка­ція технологічного процесу шляхом підвищення темпера­тури фарбування (>100 °С). Як уже відзначалось, при підвищенні температури в середині волокна виникає віль­ний об'єм, необхідний для проникнення і розміщення моле­кул барвника. Крім того, збільшуються розчинність і вміст мономолекулярної форми барвника в фарбувальній ванні. Все це сприяє різкому підвищенню швидкості дифузії дис­персних барвників у гідрофобне волокно. Поряд з приско­ренням дифузії збільшується глибина профарбовування елементарних волокон, а відповідно і стійкість забарвлення.

Введенням у фарбувальну ванну інтенсифікаторів також можна досягти прискорення фарбування і підвищення інтен­сивності забарвлення. Швидкість дифузії молекул барвни­ка під впливом різних інтенсифікаторів зростає в 10—100 разів. Використання цих речовин дозволяє проводити фар­бування при температурах до 100°С. Як інтенсифікатори використовують різні хімічні сполуки: феноли, ароматичні кислоти і їх похідні, ароматичні кетони, альдегіди, первинні аміни, ароматичні вуглеводні і їх похідні і деякі інші сполуки. Всі ці продукти або зовсім нерозчинні, або дуже мало розчинні у воді, тому їх використовують у вигляді водних дисперсій або емульсій.

Ефективність дії інтенсифікаторів залежить від їх хіміч­ної природи, концентрації, від будови барвника. Проника­ючи всередину волокна, інтенсифікатори послаблюють між­молекулярну взаємодію у волокноутворюючому полімері, при цьому підвищується рухомість сегментів полімерних ланцюгів, отже, і швидкість дифузії барвника у волокно. Відома також властивість інтенсифікаторів підвищувати розчинність дисперсних барвників. Тому вони можуть утво­рювати у волокні висококонцентровані фарбувальні мікро-ванни, із яких барвник швидше дифундує вглиб волокна.

Використання вищенаведених органічних сполук як ін­тенсифікаторів процесу фарбування пов'язано з рядом труд­нощів. Більшість інтенсифікаторів відноситься до летючих токсичних сполук, що сприяє забрудненню робочої атмосфе­ри фарбувальних цехів, ускладнює очищення стічних вод і вимагає дуже ретельного відмивання забарвлених матеріа­лів від залишків цих речовин. Присутність деяких з них у матеріалі знижує світлостійкість забарвлення. Тому правиль­ний вибір препарату, його концентрації, дотримання правил безпеки є обов'язковими для успішного використання інтен­сифікаторів у практиці фарбування.

Для забарвлення хімічних волокон дисперсними барвни­ками частіше використовують періодичні способи, однак не виключено використання безперервних поточних способів фарбування.

Фарбування поліамідних і ацетатних волокон періодич­ним способом здійснюють без інтенсифікаторів, при темпе­ратурі 100°С. Барвник диспергують у теплій воді і вводять у фарбувальну ванну, яка містить неіоногенний диспергатор (1—2 г/л). Фарбування починають при 30—40°С, поступово ванну нагрівають до 80—90°С, фарбують при цій температу­рі не менше 1—1,5 год. і ще 15 хв. в охолоджуючій ванні. Далі забарвлене волокно промивають у розчині миючого засобу, теплою і холодною водою.

Для фарбування поліефірних волокон найчастіше вико­ристовують високотемпературний процес, який здійснюється в апаратах автоклавного типу, працюючих під надлишко­вим тиском. Фарбування під тиском при 120—130°С забез­печує отримання забарвлення будь-якої інтенсивності. До складу фарбувальної ванни, крім барвника, вводять диспер­гатор НФ і оцтову кислоту (до рН 5—5,5). Фарбування по­чинають при 40°С, за 30—45хв. ванну нагрівають до 130°С і фарбують при цій температурі 45-60 хв. Після фарбування волокно промивають і обробляють лужним розчином відновника, наприклад дітіоніту і гідроксиду натрію. Обробка відновником з подальшим промиванням забарвленого ма­теріалу забезпечують найбільш повне видалення з поверхні волокна незафіксованого барвника і підвищення стійкості забарвлення до тертя.

Фарбування поліефірного волокна з використанням інтенсифікаторів звичайно здійснюють при температурі кипіння. Процес триває 1,5-2 год. Як інтенсифікатори час­тіше використовують хлорбензол, саліцилову і бензойну кислоти.

При здійсненні безперервних способів фарбування виро­бів із гідрофобних синтетичних волокон дисперсними барв­никами особливого значення набуває швидке розпушення структури волокна під дією високих температур або органіч­них розчинників.

Серед безперервно-поточних способів фарбування найбіль­ше поширення дістав спосіб термозоль, в основу якого по­кладена термічна дія на структуру волокна (нагрівання до 180—220°С). В цих умовах збільшується частота і амплі­туда теплових коливань відрізків ланцюгів макромолекул, що викликає збільшення числа і об'єму пор у структурі во­локна. Одночасно значно зростає кінетична енергія молекул барвника, що також сприяє їх переходу з поверхні вглиб во­локна.

Тканину просочують при 80°С складом, що містить дис­персний барвник (20-25 г/л), згущувач (альгінат натрію, карбоксиметилцелюлоза) і диспергатор, рівномірно висушу­ють з метою виключення міграції барвника і піддають тер­мообробці в середовищі гарячого повітря при 180-220°С протягом 30—90 сек., промивають і сушать.

Згущувач вводять у ванну для збільшення кількості на­несеного на тканину фарбувального розчину і попереджен­ня міграції барвника в процесі сушки забарвленого матері­алу. Даний спосіб придатний для фарбування текстильних матеріалів із поліамідних і поліефірних волокон в основно­му в світлі і середні тони. Для фарбування слід використо­вувати дисперсні барвники, стійкі до сублімації при 180— 220°С.

На сьогодні розроблені способи фарбування синтетичних волокон дисперсними барвниками в середовищі органічних розчинників. Створення таких способів викликане необхід­ністю економії води для технологічних цілей, а також під­вищенням вимог до очищення стічних вод виробництва. Використання органічних розчинників забезпечує: 1) високу швидкість фарбування; 2) швидке і рівномірне змочування волокна; 3) можливість суміщення технологічних операцій підготовки, фарбування і заключної обробки волокнистих матеріалів; 4) скорочення витрат барвника при роботі в за­мкнутих системах, в яких передбачена регенерація органіч­них розчинників; 5) економію електроенергії.

Розвиток таких способів фарбування дозволить впрова­дити в текстильну промисловість нові синтетичні волокна, для яких забарвлення у водному середовищі не завжди дає позитивні результати.

Незважаючи на те, що теоретичні основи фарбування із органічних розчинників розроблені досить повно, промислове впровадження технології фарбування із неводного середо­вища стримується рядом об'єктивних факторів: 1) необхідні­стю створення безперервно діючого обладнання з високим ступенем герметизації і досконалого регенераційного облад­нання, 2) розробкою спеціального асортименту барвників для фарбування текстильних матеріалів у середовищі розчинни­ків та ін.