Красители для целлюлозных волокон и способы крашения
Крашением называется процесс нанесения на текстильный материал красящих веществ (красителей) для придания ему окраски того или иного цвета.
Сведения об окрашивании одежды и других предметов обихода относятся к самой глубокой древности. Известно, что крашение развилось ранее других в Индии и Китае.
Крашение текстильных изделий позволяет улучшить их внешний вид, сообщить защитную окраску и др.
Красители прочно удерживаются волокном текстильного материала, благодаря действию различных сил взаимодействия между красителем и волокном.
Цвет красителей, как и всяких других окрашенных тел, является результатом поглощения ими определенных участков в непрерывном спектре падающего белого света. Тело называется белым, если от него отражаются все падающие лучи, содержащиеся в белом свете и, наоборот, черным, когда все падающие на него лучи белого света им поглощаются.
Между телами, полностью поглощающими и полностью отражающими белый свет, находится большое количество и таких, которые обладают способностью поглощать лишь часть простых лучей, падающих на их поверхность, одновременно отражая другие. Такие тела человеческий глаз воспринимает как тела окрашенные, или цветные. Цвет зависит от качества поглощенных и соответственно отраженных лучей: например, если тело поглощает красные лучи, то отраженные создают впечатление сине-зеленого цвета и, наоборот, в случае поглощения сине-зеленых лучей тело приобретает красный цвет; тело, поглощающее желтые лучи, кажется окрашенным в синий цвет, а при поглощении синих лучей тело кажется окрашенным в желтый цвет.
Цвет красителей зависит от химической структуры их молекул.
Зависимость между окраской химических соединений и их строением впервые была замечена А. М. Бутлеровым. Он нашел, что наличие групп NO2, NO придает окраску органическому соединению. Позднее П. П. Алексеев развил учение Бутлерова и установил, что нитрогруппа, азогруппа, две карбонильные группы сообщают соединению лишь слабую окраску и только при введении в органическое соединение окси- или аминогрупп образуется краситель. Указанные Бутлеровым и Алексеевым ненасыщенные группы О. Виттом были названы «хромофорами», а вся теория цветности - хромофорно-ауксохромной теорией. Согласно этой теории важнейшие хромофоры:
- СН = СН-, - N = N -, - NО2, -NO,
-CH = N-, -СО -
в составе сложных химических молекул дают окрашенные химические соединения хромогены (R-СН = СН-R, R-N = N-R, R-NО2 и т. д.), но они не являются еще красителями. Хромогены становятся красителями при введении в молекулу определенных групп ауксохромов, важнейшие из которых следующие:
-ОН, - NH2, -N(CH3)2, N(С2H5)2.
Существует целый ряд теорий цветности.
Выпускаемые заводами технические красители представляют собой не химически чистые соединения, а смеси, в которые входят исходные не прореагировавшие вещества, минеральные соли, различные добавки, вода. Из солей присутствуют главным образом хлористый или сернокислый натрий, так как с помощью этих солей производится выделение красителей, а также установка концентрации красителя по отношению к типовому. Если краситель имеет обозначение 100%-ный, то это не означает, что он содержит 100% красящего вещества. Такое обозначение указывает на соответствие данного красителя по красящей силе типовому образцу, принятому за 100%-ный. Если же краситель сильнее типового образца, скажем, вдвое, то он будет обозначен как 200%-ный.
Если краситель не соответствует типовому образцу по оттенку, то при установлении на «тип» к нему может быть добавлен краситель другого цвета, но того же класса.
Красители выпускают в виде сухих измельченных порошков, содержащих незначительное количество влаги (до 15%) и в виде паст с содержанием влаги 70-80%. Пастообразными чаще выпускают пигменты и кубовые красители, для устойчивости паст кубовых красителей при хранении в них добавляют диспергаторы, глицерин, салициловую кислоту, а в пигментные красители - диспергаторы и пленкообразующие вещества.
Для нанесения красителей на текстильный материал их переводят в растворимое состояние непосредственно растворением в воде (прямые, основные, активные, протравные) или после химического изменения - восстановления (кубовые, сернистые).
Пигментные красители приклеивают к текстильному материалу при помощи пленкообразующих веществ.
Для приготовления растворов красителей применяют умягченную воду или умягчают ее гексаметафосфатом или содой, так как иначе неизбежны потери красителей.
Классификация красителей для ткани и их номенклатура
Для облегчения пользования красителями созданы две системы классификации - химическая и техническая. Первую, основанную на сходстве химического строения, применяют чаще всего при изготовлении красителей. В основу второй, технической, классификации положен способ или область применения красителей. По этой классификации в отдельные группы могут входить красители, относящиеся к различным классам органических соединений, но сходные по применению.
Согласно принятой в нашей стране технической классификации красители подразделяются на группы (ниже приводятся: лишь те классы или труппы красителей, которые применяют для крашения целлюлозных волокон.):
Прямые красители - хорошо растворимы в воде, имеют сродство к целлюлозным волокнам, благодаря чему окрашивают их непосредственно из нейтральной или слабощелочной ванны.
Протравные красители - растворимы в воде, не имеют сродства к целлюлозным волокнам и окрашивают их после предварительной обработки солями тяжелых металлов (алюминия, хрома, железа), с которыми красители образуют труднорастворимые комплексы - лаки.
Основные красители - растворимы в воде (лучше с добавками спирта, уксусной кислоты, резорцина), не имеют сродства к целлюлозным волокнам и окрашивают их с предварительной обработкой волокна танино-сурьмяной протравой, с которой красители образуют труднорастворимую соль основания красителя - лак.
Кубовые красители - в воде нерастворимы. Для крашения переводятся в растворимое состояние путем восстановления красителя гидросульфитом в щелочной среде; образовавшаяся при восстановлении натриевая соль лейкосоединения из раствора, сорбируется целлюлозными волокнами. Окисляясь кислородом воздуха или другими окислителями на волокне, лейкосоединение вновь превращается в исходный нерастворимый краситель, прочно удерживаясь в порах волокна.
Сернистые красители - нерастворимы в воде; для крашения переводятся в растворимое состояние путем восстановления сернистым натрием. При окислении на воздухе на волокне вновь образуется исходный нерастворимый краситель.
Нерастворимые азокрасители (азоидные красители) - красители, образующиеся на волокне. Окраска получается с помощью двух последовательных операций: пропитки волокна или ткани в щелочном растворе азосоставляющей (азотола) и последующей пропитки их в растворе диазосоединения.
Оксидационные красители - нерастворимы в воде; образуются на целлюлозном волокне путем окисления химическими окислителями некоторых легко окисляемых аминов (черный анилин, параминовый коричневый).
Активные красители - растворимы в воде. Красители прочно закрепляются на волокне, образуя с ним химическую связь.
Пигменты - представляют собой нерастворимые в воде органические красители или неорганические соединения. Выпускаются в виде порошков или паст. Крашение осуществляется приклеиванием их к волокну с помощью связующих веществ.
Для применения красителей на практике большое значение имеет рациональное их название, которое давало бы указание на способ применения красителя и характеризовало его цвет. Согласно принятой в нашей стране номенклатуре, названия красителей состоят из двух или более слов, буквенных и цифровых обозначений. В названии указывается: принадлежность красителя к группе классификации, цвет, в некоторых случаях для более точной характеристики цвета перед названием цвета стоят обозначения, указывающие на особенность оттенка (чисто, ярко, темно). Первая буква марки указывает на оттенок (О - основной оттенок данного цвета, Ж - желтоватый, К - красноватый, С - синеватый, 3 - зеленоватый), а цифра - на глубину этого оттенка. Например, название «прямой коричневый К» означает, что краситель принадлежит к группе прямых, окрашивает в коричневый цвет с красноватым оттенком; «кубовый ярко-зеленый С» означает, что краситель принадлежит к группе кубовых, имеет ярко-зеленый цвет с синеватым оттенком. Если необходимо подчеркнуть, что тот или иной оттенок цвета выражен резко, то перед буквой ставится четная цифра. Например, прямой розовый 2С. Если в названии прямого красителя есть приставка диазо, то это указывает, что краситель способен диазотироваться на волокне и затем сочетаться с различными азосоставляющими. Например, прямой диазосиний означает, что краситель принадлежит к группе прямых, диазотируется на волокне и сочетается с азосоставляющей. Для некоторых красителей сохранены старые, исторически сложившиеся названия, например хризофенин, аурамин, индиго.
К названию прямых красителей, обладающих повышенной прочностью окраски к свету (выше четырех баллов, а для упрочняемых препаратами меди или никеля не ниже пяти баллов по восьмибалльной шкале) добавляется слово светопрочный, например: прямой красный светопрочный 2С - краситель относится к группе прямых, окрашивает в красный цвет с ярко выраженным синеватым оттенком и прочность к свету имеет не ниже четырех баллов. Слово прочный добавляется к названию прямых красителей, обладающих прочностью окраски к воздействию воды, раствора мыла температурой 40° С и пота - не ниже трех баллов.
Для обозначения способа применения красителя введены следующие буквы:
X - для прямых красителей показывает, что прочность окраски возрастает после обработки окрашенного волокна солями хрома; для кубовых красителей - что краситель способен восстанавливаться в лейкосоединение и окрашивать волокно при комнатной температуре; для активных красителей - что краситель окрашивает целлюлозные волокна при обычных температурах.
У - для прямых красителей показывает, что окраска должна быть упрочена препаратами меди.
Д - для кубовых красителей указывает, что краситель обладает высокой степенью дисперсности и предназначен для суспензионного крашения.
П - указывает на то, что краситель предназначен для печати.
Буква М - для прямых красителей указывает на наличие металла в молекуле красителя.
Основные понятия о теории крашения ткани
Техническая ценность красителя определяется способностью его прочно удерживаться на окрашиваемых волокнах, а также способностью молекулы красителя противостоять атмосферным воздействиям. Способность молекулы красителя противостоять атмосферным воздействиям зависит в основном от химического строения последнего, способность же его прочно удерживаться волокном зависит от характера связи окрашиваемого материала с молекулой красителя.
Механизм взаимодействия красителей с волокнами в водных средах сводится к тому, что частицы красителя проникают в субмикроскопические поры волокон, поглощаются высокоразвитой поверхностью и удерживаются возникающими силами межмолекулярной связи на тех участках макромолекул, куда они проникли. Между красителями и окрашиваемыми волокнами могут возникать межмолекулярные связи различных видов. Так, ионная связь, образующаяся при взаимодействии противоположно заряженных ионов, приводит к сильному притяжению и образованию химической связи (например, между кислотными красителями и волокном шерсти).
Ковалентная - химическая связь близких между собой по сродству атомов, осуществляемая общей парой электронов. Примером такой связи могут служить активные красители, которые химически связаны с целлюлозой. При водородной связи в процессе образования химического соединения связанный с молекулой красителя ион Н+ притягивается свободными электронами кислородного атома гидроксильной группы целлюлозы и образует как бы побочную валентность. Прямые, кубовые, сернистые красители и азотолы удерживаются целлюлозой в основном водородными связями, а также электрическими силами межмолекулярного притяжения Ван-дер-Ваальса.
Все красители, растворимые в воде и применяемые для крашения волокнистых материалов, являются электролитами. Как и все электролиты, в водных растворах они диссоциируют на положительно и отрицательно заряженные ионы:
1) на окрашенный ион красителя с отрицательным зарядом при наличии сульфо- или карбоксильных групп и положительным зарядом при наличии аминогрупп;
2) на противоположно заряженный, обычно бесцветный ион, например катион натрия или анион галоида.
Краситель в воде находится, как правило, не в виде отдельных ионов, а в виде частиц, состоящих из нескольких ионов (2-4), так называемых ионных мицелл.
Процесс крашения не протекает мгновенно. Скорость крашения зависит от температуры, сродства красителя к волокну, скорости перемешивания, концентрации, среды, содержания электролитов, структуры материала.
Процесс крашения можно представить себе как состоящий из четырех основных частей:
1) проникания (диффузии) красителя из водной красильной ванны к поверхности волокна;
2) поглощения (адсорбции) красителя наружной поверхностью волокна;
3) диффузии красителя из поверхностного слоя внутрь волокна по направлению к центру;
4) закрепления (фиксации) красителя внутренней поверхностью волокна.
Все названные процессы проходят одновременно, но с неодинаковыми скоростями и рассматриваются раздельно только для удобства изложения.
Скорость диффузии красителя из водной красильной ванны к поверхности волокна относительно высокая и зависит в основном от степени перемешивания красильного раствора.
Вторая стадия, т. е. процесс адсорбции красителя внешней поверхностью волокна, протекает мгновенно, если частица его в растворе близко находится от поверхности волокна. Мгновенным процессом является также и фиксация красителя волокном, т. е. связывание молекулы красителя с макромолекулой целлюлозы.
Наиболее медленным и решающим процессом является скорость диффузии красителей внутрь волокна. Скорость диффузии красителя в волокне и определяет в основном скорость крашения.
Скорость диффузии прямых красителей в целлюлозе, например, приблизительно в 10000 раз меньше, чем в воде.
В начальной стадии крашения краситель распределяется неравномерно, имея более высокую концентрацию на поверхности и более низкую внутри волокна; по мере увеличения времени крашения концентрации красителя на поверхности и внутри волокна выравниваются.
Скорость диффузии увеличивается при увеличении концентрации красителя, температуры и содержания электролита в ванне. Так, если время для установления равновесия при крашении прямыми красителями при температуре 100° С принять за единицу, то при 80° С будет - 3; при 60° С - 10; при 40° С - 40; при 20° С - 180. Скорость диффузии зависит также от величины молекулы красителя и состояния волокна; чем частицы красителя меньше, чем больше краситель диссоциирован и чем больше набухает волокно, тем они подвижнее и быстрее проникают в толщу волокон и, наоборот, чем крупнее частицы красителя и чем меньше способность волокна к набуханию, тем медленнее частицы красителя диффундируют. Красители, которые быстро диффундируют в волокно, имеют хорошую способность к выравниванию, лучше прокрашивают волокно, и применение их в крашении не вызывает особых затруднений.
В конце успешно проведенного процесса крашения неровнота в распределении красителя в различных участках, а также внутри и на поверхности волокна исчезает и получается совершенно однородная, или выровненная, окраска. Такое выравнивание, или миграция, является следствием перемещения красителя из более интенсивно окрашенных частей волокна к более светло окрашенным участкам волокнистого материала.
Равномерно окрашенное волокно показывает более высокую прочность окраски к водным обработкам и трению, чем волокно, окрашенное тем же самым красителем, но распределенным главным образом на наружной поверхности волокна.
Виды крашения ткани
В практике получили распространение четыре основных вида крашения.
1. Крашение, когда краситель непосредственно закрепляется на волокне.
2. Крашение, при котором закрепление красящего вещества происходит при помощи вспомогательных веществ - протрав.
3. Образование на волокне нерастворимых красителей из растворимых соединений.
4. Механическое закрепление нерастворимых цветных веществ на поверхности волокна.
Крашение текстильных материалов производится как в различные цвета, так и в один и тот же цвет, но в тона, различные по интенсивности. Для крашения применяют красители отдельных марок и смеси нескольких красителей. Таким образом, возможно окрашивать текстильные материалы в бесчисленное количество цветов. В целях упорядочения и создания удобств в пользовании красителями Всесоюзным институтом ассортимента и культуры одежды разработан цветник, включающий 280 эталонов. Стандартный цветник гладких цветов содержит всю гамму цветов, а именно: желтые, розовые, красные, сиреневые, синие, коричневые и серые, различных оттенков и интенсивности, а также черный цвет. Цветник разработан художниками-колористами и отвечает эстетическим требованиям. Цветник ограничивает количество цветов каким-то целесообразным минимумом и способствует упорядочению взаимоотношений между потребителем и производителем ткани.