Основы крашения текстиля: адсорбция, диффузия, фиксация — практическое руководство для фабрик

Крашение текстиля снаружи выглядит просто: окуните ткань в красильную ванну, вытащите, цвет останется. На практике этот процесс представляет собой четко спланированную последовательность физической адсорбции, молекулярной диффузии и химической фиксации, а способ связывания красителя с волокном значительно различается в зависимости от класса. В этом руководстве рассматриваются основные принципы крашения текстиля и восемь основных классов красителей, используемых в отрасли, поэтому технические специалисты фабрик и группы снабжения имеют общий справочный материал.

Три этапа крашения

В реальных циклах окрашивания три приведенных ниже этапа не выполняются изолированно. Они перекрываются, дополняют друг друга и работают непрерывно с момента поступления товаров в ванну до момента их выхода. Рассматривать их как отдельные шаги — полезное упрощение, а не буквальное описание того, что происходит на машине.

Поглощение

Краситель выходит из раствора и прикрепляется к поверхности волокна. Действующая сила является физической: взаимодействия Ван-дер-Ваальса, электростатическое притяжение между заряженными ионами красителя и заряженными участками волокна, а также водородные связи. Краситель удерживается на поверхности, но еще не проник в волокно.

Насколько быстро и насколько полно это произойдет, зависит от сродства красителя, концентрации красителя в ванне, температуры и наличия электролитов.

Диффузия и проникновение

Сама по себе адсорбция не обеспечивает быстрого окрашивания. Краситель должен проникнуть внутрь волокна, чтобы зафиксироваться. Как только поверхность покрыта, молекулы красителя мигрируют с поверхности в аморфные области волокна под действием градиента концентрации между поверхностью с высокой концентрацией и внутренней частью с более низкой концентрацией.

Диффузия продолжается до тех пор, пока концентрация красителя в ванне, на поверхности волокна и внутри волокна не достигнет равновесия. Скорость диффузии регулируется в основном температурой — для того, чтобы протекать с полезной скоростью, большинству этапов, контролируемых диффузией, требуется настоящее тепло.

Фиксация

Фиксация – это то, где быстрота выигрывается или теряется. Внутри волокна краситель связывается с полимерными цепями посредством одного из трех механизмов:

• Ковалентные связи (самые прочные). Реактивные красители образуют ковалентные связи с функциональными группами на волокне.

• Ионные связи (среда). Кислотные красители связываются с протонированными аминогруппами белковых волокон; катионные красители связываются с анионными участками акрила.

• Силы Ван-дер-Ваальса и водородные связи (самые слабые). Прямые, кубовые и дисперсионные красители основаны на этих физических взаимодействиях.

Тип связки напрямую определяет стойкость красителя к стирке, свету и истиранию. Краситель, удерживаемый только физическими силами, всегда будет более уязвим к влажной обработке и истиранию, чем краситель, удерживаемый ковалентными или ионными связями.

Четыре основные концепции

Эти четыре идеи определяют каждое решение по окрашиванию. Это язык, на котором завод и поставщик красителей обсуждают рецепт.

Сродство и субстантивность

Говорят, что краситель, который «хочет» переместиться из ванны на данное волокно, имеет сродство к этому волокну или является существенным для него. Чем быстрее исчерпывается краситель и чем выше равновесное истощение, тем выше сродство.
Эти два термина описывают одно и то же основное свойство на разных уровнях строгости:

• Сродство — это термодинамическая величина, имеющая определенное числовое значение.

• Субстантивность – это качественное описание без фиксированной шкалы.

На практике высокая аффинность — палка о двух концах: она приводит к быстрому истощению, но повышает риск неравномерного окрашивания (краситель схватывается до того, как успевает выровняться). Низкое сродство требует использования промоторов или более длительных циклов, чтобы ускорить истощение, и часть красителя теряется в сточных водах.

Скорость истощения (скорость нанесения краски)

Процент красителя, первоначально находившегося в ванне, который перешел на волокно после того, как система достигла равновесия. Скорость истощения — это стандартная мера того, насколько эффективно рецепт использует входящий в него краситель.

Скорость крашения

Насколько быстро краситель впитывается в волокно. Условно выражается как время полукрашения — время, необходимое для достижения половины равновесного истощения при заданных условиях.

• Слишком быстро → неравномерное окрашивание

• Слишком медленно → время цикла теряется, производительность падает

Миграция (Прокачка)

После того, как краситель адсорбируется на волокне, в некоторых случаях он может десорбироваться обратно в ванну и повторно адсорбироваться в другом месте ткани. Краситель с хорошей миграцией будет перемещаться из областей с высокой локальной концентрацией в области с низкой локальной концентрацией, в конечном итоге сглаживая различия в оттенках в партии.

Миграция — это физический механизм выравнивания. Красители с плохой миграцией (например, катионные красители на акриле) требуют тщательного контроля скорости нагрева и подходящего замедлителя, чтобы избежать неравномерности.

Обзор красильного оборудования

Красильные машины обычно классифицируются по трем осям:

Обычные машины в цехах: красильные машины с лебедкой (канатом), отсадочные машины, струйные красильные машины HT-HP, переливные красильные машины HT-HP, пропариваемые линии непрерывного действия и машины для окраски упаковки. Синтетические волокна, такие как полиэстер, обычно требуют оборудования HT-HP; Целлюлозные и белковые волокна обычно перерабатываются на атмосферных машинах.

Восемь основных классов красителей

1. Прямые красители

Подложка: Хлопок, вискоза (иногда шелк как дополнительный оттенок).
Механизм: Прямые красители ионизируются в воде с образованием окрашенных анионов, которые связываются с целлюлозными волокнами посредством сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей. Никакой протравы не требуется.
Типичный процесс:

• Предварительно намочите ткань

• Войдите в ванну и поднимите температуру до 95 °C.

• Добавьте нейтральную соль (NaCl или Na₂SO₄) в качестве стимулятора истощения.

• Держите 60 мин.

• Промойте и нанесите фиксирующий агент, если необходима более высокая стойкость.

Нанесение шелка: Прямые красители с высокой степенью истощения и приемлемой стойкостью (обычно коричневые, черные, темно-зеленые) используются для заполнения пробелов в оттенках кислотных красителей на шелке. Ванна нейтральная или слабокислая, а полоскание разбавленной уксусной кислотой после окрашивания улучшает состояние рук.

2. Човые красители

Субстрат: Целлюлозные волокна (краска премиум-класса).
Механизм действия: Красители в поставляемом виде нерастворимы в воде. Их восстанавливают гидросульфитом натрия (сильный восстановитель) и гидроксидом натрия до лейкоформы, растворимой в щелочах. Растворимый лейкокраситель попадает на волокно, а затем повторно окисляется до исходного нерастворимого пигмента, который механически задерживается внутри волокна.
Два основных маршрута процесса:

• Истощение лейко (периодия): краситель восстанавливается до лейкоформы в ванне, вводится субстрат, контролируются температура и добавление соли, при необходимости используется выравнивающий агент. За стадией истощения следуют окисление и мылообразование.

• Подвеска (непрерывная): краситель диспергируется в виде тонкой суспензии без предварительного восстановления, наносится на ткань, сушится, затем наносится щелочным восстанавливающим раствором и пропускается через пароварку, где происходят восстановление, растворение, диффузия и фиксация. Окисление и намыливание осуществляются на моечной установке открытой ширины.

Характеристики: Яркие оттенки, полная цветовая гамма и отличная стойкость — краситель премиум-класса для целлюлозных волокон.
Растворимые кубовые красители: большинство из них представляют собой сульфатные эфиры лейкоформ кубовых красителей и непосредственно растворимы в воде, минуя стадию восстановления. После нанесения разбавленная серная кислота гидролизует их до лейкокислоты, а окисление придает окончательный цвет.

3. Серные красители

Подложка: Хлопок (в основном насыщенного черного и темно-синего цветов).

Механизм: Принципиально аналогичен кубовым красителям — восстанавливается до растворимой формы, выводится, а затем снова окисляется до нерастворимого пигмента. Восстановителем является сульфид натрия, который дешевле гидросульфита натрия и легче окисляется, чем кубовые красители.

Типичный процесс (отсадочное крашение хлопка): Вытяжка в лейкованной ванне при высокой температуре, промывка и окисление, затем обработка ацетатом натрия в качестве антитендерной обработки.

Характеристики: Низкая стоимость; ограничивается глубокими оттенками; не подходит для светлых тонов.

4. Азокрасители (нерастворимые азо)

Подложка: Целлюлозные волокна (яркие, глубокие оттенки).
Механизм: цвет формируется на волокне in situ за счет реакции двух водорастворимых промежуточных продуктов — нафтола (связующего компонента) и соли диазония (проявителя) — с образованием нерастворимого азопигмента внутри волокна.
Типичный процесс (двухэтапный):

• Нафтолирование: пропитайте ткань щелочным раствором нафтола, затем высушите при низкой температуре.

• Проявка: Протрите раствором соли диазония, воздухом или паром, затем промойте и намылите.

Выпускные (периодические) процессы следуют той же двухэтапной логике.

5. Реактивные красители

Субстрат: Целлюлозные волокна, шерсть, шелк, нейлон.
Механизм: Реактивные красители содержат реакционноспособную группу, которая образует ковалентную связь с функциональными группами волокна. Ковалентная связь – это то, что придает реактивным красителям исключительную стойкость к воздействию влаги, намного превышающую ту, которую могут обеспечить физические связи.

5.1 Целлюлозные волокна

Гидроксильные группы целлюлозы реагируют с реактивным красителем только в щелочных условиях. Периодические и непрерывные процессы имеют общую логику: сначала распыляют краситель на волокно в нейтральной или слабощелочной ванне, затем добавляют щелочь, чтобы ускорить реакцию фиксации, затем тщательно промывают и намыливают, чтобы удалить нефиксированный краситель.

Холодная подушечка (CPB) является энергосберегающей альтернативой: нанесите на ткань высокореактивный краситель и щелочь вместе, намотайте на рулон и выдержите при комнатной температуре в течение времени, необходимого для завершения диффузии и фиксации. Никакого подвода тепла не требуется. Последнее полоскание и мыло завершают замес.

5.2 Шерсть, шелк и нейлон

Белковые и нейлоновые волокна несут множество групп, которые могут реагировать с реактивными красителями, и некоторые из этих групп активны в слабокислых или нейтральных условиях — в отличие от целлюлозы, которой нужна щелочь.

• Шерсть: окрашена в слабокислых условиях уксусной кислотой для стабилизации pH и глауберовой солью в качестве замедлителя. Нейтрализуйте и промойте после окрашивания.

• Шелк: можно красить в слабой кислоте, нейтральной или щелочной среде; альтернативно, откачивайте в условиях слабой кислоты или нейтральной среды и фиксируйте в отдельной щелочной ванне.

• Нейлон: имеет меньше реакционноспособных участков, чем шерсть или шелк, поэтому добиться глубоких оттенков сложно; процесс напоминает процесс обработки шелка.

6. Кислотные красители, кислотные протравочные красители и предварительно металлизированные кислотные красители.

Подложка: Шерсть, шелк, нейлон.
Все три водорастворимы и предназначены для белковых волокон и нейлона, но различаются по структуре и применению.

6.1 Кислотные красители

Классифицируется по размеру молекул:

• Сильнокислотные (выравнивающие) красители: небольшие молекулы, наносимые на шерсть из сильнокислой ванны. Яркие оттенки и хорошее выравнивание.

• Слабокислотные (фрезерные) красители: более крупные молекулы, наносимые из нейтральной или слабокислой ванны на шерсть, шелк и нейлон. Лучшая стойкость, чем у выравнивающих красок, но менее блестящая и ее труднее выравнивать.

6.2 Кислотные протравливающие красители

Несущие группы, образующие координатный комплекс с ионами хрома. Используется в основном для шерсти. Устойчивость к влаге и свету лучше, чем у обычных кислотных красителей, но оттенки более тусклые. После истощения субстрат обрабатывают дихроматом калия для выработки протравного комплекса.

6.3 Предварительно металлизированные кислотные красители

Комплекс хрома уже встроен в молекулу красителя, поэтому отдельный этап протравки не требуется. Два типа:

• Тип 1:1: Нанесение аналогично сильнокислотным красителям; в основном для шерсти.

• Тип 1:2 (также называемый нейтральными красками): наносится в нейтральной ванне на шерсть, шелк и нейлон. Более высокая стойкость, более тусклые оттенки.

7. Дисперсные красители

Субстрат: Синтетические волокна, преимущественно полиэстер.
Механизм действия: Дисперсные красители не несут ионизирующих групп — они неионогенны, гидрофобны и не растворяются в воде. Их измельчают в мелкие частицы и удерживают в ванне в виде стабильной водной дисперсии с помощью диспергаторов. Молекулы красителя достаточно малы, а сродство к гидрофобным волокнам достаточно велико, чтобы обеспечить диффузию в плотно упакованную полиэфирную структуру, что приводит к сильному истощению.

Почему необходима высокая температура: при 120 °C и выше сегментальное движение в полиэфирной цепи открывает временные микропустоты, через которые должны пройти молекулы красителя. Ниже этой температуры истощение слишком мало, чтобы его можно было использовать на практике.
Три варианта процесса:

• Окрашивание носителя: используйте носитель (например, метилсалицилат), чтобы набухнуть волокно и снизить необходимую температуру.

• Окрашивание HT-HP (наиболее распространенное): окрашивание в закрытом сосуде при температуре до 130 °C для максимального истощения. Для контроля оттенка и равномерности обычно добавляют уксусную кислоту и выравнивающее средство.

• Термозоль (непрерывный): Промокните и высушите, затем запекайте при высокой температуре для закрепления.

8. Катионные красители

Основа: акрил (основной класс красителей для акриловых волокон).
Механизм: Акриловые волокна содержат кислотные группы, которые ионизируются в воде, образуя анионные центры, которые сильно притягивают катионные ионы красителей. Как скорость истощения, так и равновесное истощение высоки.
Основная проблема: катионные красители плохо мигрируют по акрилу и быстро истощаются, поэтому неравномерность представляет собой постоянный риск, если процесс не контролируется жестко.
Типичный процесс:

• Добавляют замедлители действия: уксусную кислоту, глауберову соль, катионные ПАВ.

• Установите pH ванны на 4,5.

• Вводить при комнатной температуре

• Строго контролируйте скорость нагрева (это самый важный параметр)

• Подержите при кипении необходимое время.

• Медленно охладить, затем промыть

Краткое сравнение

О Тянькуне

Это руководство опубликовано Тианкуном, специалистом по текстильной химии с почти тридцатилетним опытом разработки рецептур в области предварительной обработки, крашения, печати, смягчения и функциональной отделки. Изложенные выше принципы являются рабочим ориентиром для технической группы, поддерживающей клиентов завода по всему миру. Чтобы получить рекомендации по рецептуре или обсудить конкретную комбинацию волокна/красителя/процесса, свяжитесь с технической командой Tiankun.