2.4.8. Використання катіонних барвників

Мета: вивчити використання катіонних барвників, основні терміни.

План:

1. Використання катіонних барвників.

Основні і катіонні барвники — це водорозчинні барвни­ки, які дисоціюють у воді на органічний забарвлений каті­он і неорганічний аніон: БрСl ↔ Бр⁺+С1.

Основні барвники відносяться до одних із перших синте­тичних барвників, які раніше широко використовувались в текстильній промисловості. Вони мають широку гаму кольорів, відзначаються виключною яскравістю і чистотою відтінків, високою фарбуючою здатністю, проявляють спорідненість до волокон амфотерного і кислотного характеру (білкових, по­ліамідних і поліакрилонітрильних) і забарвлюють їх безпосередньо із водних розчинів. До целюлозних волокон не проявляють спорідненість, але можуть забарвлювати їх піс­ля обробки волокнистого матеріалу таніновою протравою, яка надає волокну слабо кислий характер. Незважаючи на ряд позитивних властивостей, основні барвники на сьогодні втратили значення для текстильної промисловості через низьку стійкість отриманого забарвлення до фізико-хімічних дій, особливо до світла, їх використовують при виготов­ленні чорнила, паст кулькових ручок, у паперовій і полігра­фічній промисловості, в медицині.

У результаті пошуку більш світлостійких барвників бу­ли створені спеціальні барвники для фарбування поліакри­лонітрильних волокон, які дістали назву катіонних. Вони відзначаються яскравістю і чистотою кольору, достатньою фарбуючою здатністю, високою світлостійкістю забарвлення.

Більшість катіонних барвників — це солі четвертинних амонієвих основ. Загальну формулу їх можна показати та­ким чином: БрN Н₃Сl , де Бр — хромофорна система.

У водних розчинах катіонні барвники легко дисоціюють і утворюють забарвлений катіон і безбарвний аніон:

БрNН₃Сl^- ↔ БрNН₃ + Сl^-

Для них характерна невисока розчинність у водних роз­чинах — від 30 до 70 г/л.

З підвищенням температури ступінь дисоціації катіон­них барвників зростає і при температурах 80-85°С спосте­рігається швидкий перехід їх на волокно; пониження рН фарбувального розчину пригнічує дисоціацію барвників і цим самим сповільнює вибирання їх волокном.

У початковий період фарбування при занурюванні поліакрилонітрильних волокон у розчин катіонного барвника від­бувається адсорбція катіонів барвника, обумовлена в основному електростатичним притягуванням до негативно зарядженої поверхні волокна. Утворення адсорбованого шару створює зна­чний концентраційний градієнт, який сприяє дифузії барвника у волокно. Однак перерозподіл катіонів барвника із поверхне­вого шару всередину волокнистого матеріалу відбувається дуже повільно, так як поліакрилонітрильне волокно гідрофоб­не і практично не набрякає у воді. Вільний об'єм всередині во­локна, необхідний для дифузії і фіксації молекул барвника, ви­никає в результаті теплових коливань ділянок макромолекул полімеру. У поліакрилонітрильних волокнах така рухомість молекул починає проявлятись при 75-80°С; при досягненні цієї температури і починається процес фарбування.

Взаємодія катіонних барвників з поліакрилонітрильним волокном, яке містить кислотні групи, основана на утворен­ні іонних зв'язків між функціональними групами волокна і забарвленим катіоном:

БрNН₃Сl^- + НООС-Вол ↔ Вол-СОО^- NН₃-Бр+НСl

При високій концентрації барвника у ванні кількість ад­сорбованого барвника перевищує межу насичення волокни­стого полімеру. В цьому випадку фіксація барвника волок­ном здійснюється як шляхом утворення іонних зв'язків, так і за рахунок дії сил Ван-дер-Ваальса або дипольної взаємодії. При цьому зростає спорідненість барвника до волокна.

Висока світлостійкість забарвлення катіонними барвни­ками значною мірою обумовлена гідрофобним характером поліакрилонітрильного волокна, що обмежує участь у фото-деструкції молекул води, необхідної для здійснення цього процесу.

Міцний зв'язок катіонних барвників з волокном і, як наслідок, їх низька міграційна здатність, неоднорідність структури поліакрилонітрильного волокна ускладнюють отримання рівномірного забарвлення. Для усунення цього недоліку необхідно створити умови для повільного виби­рання барвника в процесі фарбування. З цією метою реко­мендують повільне підвищення температури фарбування в інтервалі 85—100°С, використання вирівнюючих речовин катіоно- і аніоноактивного характеру, введення в ванну ней­трального електроліту, підтримання значення рН ванни на оптимальному рівні.

Дія вирівнювачів катіонного типу ґрунтується на взає­модії з активними центрами волокна, "блокуванні" їх, що приводить до сповільнення швидкості фарбування. Анало­гічний вплив і нейтрального електроліту.

Аніоноактивні вирівнювачі утворюють з катіонами барв­ника лабільні комплексні сполуки, понижуючи тим самим концентрацію вільного барвника, здатного адсорбуватись волокном. Утворені комплекси електронейтральні і не ма­ють спорідненості до волокна; при підвищенні температури вони поступово розпадаються, звільняючи катіони барвника. Слід враховувати, що деякі катіонні барвники несуміс­ні з аніоноактивними вирівнювачами внаслідок можливос­ті утворення нерозчинних солей і випадіння їх в осад.

Зниження рН фарбувальної ванни також сприяє вирів­нюванню забарвлення. Тому фарбування повільновибираючими катіонними барвниками проводять в присутності оцтової кислоти при рН 4,5-5; фарбування швидковибираючими — при рН 3-4, додаючи у ванну, крім оцтової, сірча­ну кислоту.

Поліакрилонітрильні волокна фарбують катіонними барвниками найчастіше періодичним способом. Барвник замішують в пасту з 30 % -ною оцтовою кислотою і розво­дять гарячою водою (90°С). Волокно обробляють у ванні з водним розчином кислоти і вирівнювача при 50°С протя­гом 10 хв. Далі вводять розчин барвника, встановлюють не­обхідне значення рН і потім повільно нагрівають ванну до 85°С, далі ще повільніше продовжують нагрівати фарбува­льний розчин до температури кипіння і фарбують при цій температурі протягом 45-60 хв. Після фарбування ванну повільно (для збереження еластичних властивостей волокна) охолоджують до 70°С і потім промивають волокно водою.

Використовуються і безперервні способи фарбування поліакрилонітрильних волокон — це способи, що ґрунтують­ся на використанні інтенсифікаторів процесу, наприклад, резорцину, етиленкарбонату. Волокно просочують при 90-95°С в розчині, що містить барвник, оцтову кислоту (до рН 4,5), інтенсифікатор. Після віджимання волокно запарюють при 100-105°С протягом 1-2 хв., промивають гарячою водою (70-80°С), потім — розчином миючого засобу (70-75°С) і знову промивають гарячою (50-60°С), теплою і холодною водою.