Крашение тканей из синтетических и ацетилцеллюлозных волокон

 

Синтетические и ацетилцеллюлозные волокна, не­смотря на различный химический состав, характеризуются ря­дом общих свойств, которые и определяют выбор классов кра­сителей и условий крашения. Этими свойствами являются: вы­сокая плотность волокон, сильно развитое межмолекулярное взаимодействие между полимерными цепями, низкая способность взаимодействовать с полярными молекулами воды, малая склон­ность к набуханию в водных растворах, т.е. гидрофобные свой­ства, малое содержание групп, способных взаимодействовать с красителями.

Конечно, эти свойства у волокон различной природы прояв­ляются в разной степени: ацетатное волокно менее гидрофобно, чем триацетатное, так как содержит определенное количество по­лярных гидроксильных групп; полиамидное и модифицированное полиакрилонитрильное волокна содержат функциональные груп­пы, обеспечивающие химическое взаимодействие с некоторыми классами красителей; полиэфирное волокно обладает наивысшей плотностью структуры. Эти различия в свойствах волокон опре­деляют специфические условия крашения и дифференцирован­ный подход к выбору классов красителей.

Свойства красителей и общие закономерности процесса кра­шения. Свойства химических волокон обусловливают специфи­ческие требования, предъявляемые к красителям: они должны обладать сродством к гидрофобным полимерам, т.е. быть нера­створимыми в воде; должны иметь малые размеры молекул для обеспечения достаточной скорости диффузии в плотную структу­ру волокна. Этим требованиям отвечают дисперсные красители: они практически нерастворимы в воде, молекулярная масса боль­шинства красителей находится в пределах 200—600, в то время как другие классы красителей характеризуются значениями этой величины на уровне 800—1000 и более. Окраски дисперсными красителями, как правило, достаточно ярки и устойчивы к боль­шинству условий эксплуатации, за исключением устойчивости окраски к дымовым газам, которые содержатся в городском воз­духе, и высокой температуре. Последнее обстоятельство ограни­чивает возможность использования большого числа дисперсных красителей для крашения изделий из химических волокон, кото­рые в процессе крашения и отделки подвергаются высокотемпе­ратурным обработкам. Под действием высокой температуры дисперсные красители возгоняются (сублимируют), окраска из­делия при этом осветляется, загрязняются рабочие органы обо­рудования сконденсировавшимися парами дисперсных красите­лей. Характеристика технологических свойств дисперсных кра­сителей содержит показатель «устойчивость к сублимации», которым следует руководствоваться при выборе красителей для конкретных тканей и условий крашения.

Дисперсные красители закрепляются на волокне за счет во­дородных связей и межмолекулярного взаимодействия.

В случае крашения полиамидных волокон, имеющих свобод­ные аминогруппы, возможно применение активных красителей, способных ковалентно фиксироваться волокном. Причем наи­больший эффект дают активные красители, не имеющие групп, придающих им растворимость, так называемые дисперсные ак­тивные красители Кр—Cl (Кр — хромофорная система; С1 — ре-акционноспособная группировка). Ассортимент отечественных дисперсных активных красителей только начинает склады­ваться. В основном текстильщики пользуются красителями под названием процинайлы фирмы «Ай-Си-Ай» (Велико­британия).

Присутствие в полиамидном волокне аминогрупп создает предпосылки для использования анионных красителей в кислой среде: прямых, кислотных и особенно металлкомплексных ти­па 1 : 2. Хромовые красители практического значения не имеют, так как полиамидное волокно неустойчиво к окислению и обра-ботка его окислителем — бихроматом калия — при хромирова­нии нежелательна.

Особенного подхода к выбору класса красителей требует полиакрилонитрильное (ПАН) волокно. Дисперсные красители образуют на нитроне малоинтересную в колористическом отно­шении окраску. В настоящее время ПАН-волокно для текстиль­ной промышленности выпускается в виде тройного сополимера, содержащего помимо акрилонитрила метилметакрилат и итаконовую кислоту. В готовом волокне содержится карбоксильная группа ПАН — СООН. Это создает возможность получить менее плотное волокно и придает ему способность окрашиваться катионными красителями, растворимыми в воде

Ввиду того что условия крашения катионными красителями проще, качество окраски по яркости и устойчивости очень высо­кое, дисперсные красители для нитрона потеряли свое значение.

Итак, основной ассортимент красителей для химических во­локон: ацетилцеллюлозных и полиэфирных — дисперсные; поли­амидных— дисперсные, дисперсные активные, прямые, кислот­ные КМК. 1 : 2, полиакрилнонитрильных — катионные.

Дисперсные красители практически нерастворимы в воде — всего около 10—40 мг красителя в 1 л красильной ванны нахо­дится в растворимом состоянии. Растворение происходит благо­даря малому размеру красителей и наличию в их молекуле не­большого числа полярных групп (—ОН, —NH₂), способных вза­имодействовать с водой. Синтетические и ацетилцеллюлозные Волокна, для крашения которых применяются дисперсные кра­сители, представляют собой труднопроницаемую для химичес­ких соединений систему. Поэтому основные усилия при крашении указанных полимеров направлены на повышение диффузи­онной способности красителей и диффузионной проницаемости Волокна.

Красильная ванна при крашении дисперсными красителями является сложной системой, содержащей небольшую долю мономолекулярной фракции (часть растворимого красителя), аг­регированную форму красителя (другая часть растворимой фра­кции), нерастворимую часть (осадок), которая является резер­вом для пополнения растворимой фракции красителя по мере ее расходования. Все формы красителя находятся в равновесии и могут переходить одна в другую. В плотные химические волокна способны проникать только отдельные молекулы красителя. Ввиду того что концентрация мономолекулярной фракции мала, процесс перехода красителя в волокно протекает медленно. Для увеличения концентрации мономолекулярной формы дисперсных Красителей в воде в красильную дисперсию вводят диспергаторы, например диспергатор НФ. При этом ускоряется переход красителя в волокно. Для облегчения использования дисперсных красителей их выпускают в виде порошков или паст, содер­жащих тонкодиспергированный краситель (размер частиц 0,5— 2 мкм) и диспергаторы в достаточно большом количестве — до 50—80 % от общей массы.

Для ускорения диффузии красителя в волокне помимо воз­действия на краситель используют технологические приемы, по­вышающие проницаемость волокна. Для этой цели применяют температурную активацию процесса, когда крашение проводят при температуре существенно выше 100˚С. При этом разрыхля­ется структура волокна и облегчается проникновение красите­лей внутрь полимера. Объясняют это частичным нарушением взаимодействия между полимерными цепями, увеличением под­вижности отдельных участков полимерной цепи, что способству­ет более свободному продвижению красителя внутрь волокна. Для реализации высокотемпературного крашения требуется спе­циальное оборудование. Кроме того, на ускорение диффузии красителя в волокне влияет введение в красильную ванну спе­циальных веществ, называемых интенсификаторами процесса или ускорителями. Это обычно нерастворимые в воде соедине­ния— производные бензола, с меньшими размерами молекул, чем дисперсные красители. Обладая сродством к гидрофобному полимеру, эти вещества поглощаются волокном, разрывают меж­молекулярные связи внутри полимера, разрыхляют структуру волокна, облегчают диффузию в волокно дисперсных красите­лей. По механизму воздействия на волокно интенсификаторы аналогичны действию температуры: они повышают диффузион­ную проницаемость субстрата. Достоинством крашения с интен­сификаторами является возможность проведения процесса при температуре до 100°С, что существенно улучшает технико-эко­номические показатели. Однако большинство используемых пре­паратов токсичны или обладают неприятным запахом. Это затрудняет их использование. Кроме того, они трудно удаляются из волокна при промывке и понижают устойчивость окраски го­товых изделий к мокрым обработкам, а иногда и свету. Имея в виду высокую экономическую целесообразность крашения в при­сутствии ускорителей, расширяются исследования по созданию интенсификаторов, свободных от отмеченных недостатков.

Переход активных дисперсных красителей на полиамидное волокно подчиняется закономерностям, свойственным обычным дисперсным. После распределения красителей в полимере про­исходит химическая реакция с аминогруппами аналогично обыч­ным активным красителям

Устойчивость окраски выше, чем у обычных дисперсных кра­сителей.

Полиамидные волокна можно окрашивать водорастворимы­ми красителями анионного типа, используя наличие NН₂-группы. Управление крашением полиамидных волокон анионными кра­сителями осуществляется аналогично процессу крашения этой группой красителей белковых волокон: кислотными и прямыми красителями окрашивают в присутствии уксусной кислоты, КМК 1:2 — в присутствии кислых солей (NH₄)₂SO₄ или CH₃COONH₄. В кислой среде аминогруппы полиамидных волокон заряжаются положительно и обеспечивают ионное взаимодействие с рас­сматриваемыми красителями

Существует закономерность: сродство хорошо растворимых кислотных красителей, содержащих ионизирующиеся сульфо-группы в виде натриевых солей, к полиамидным волокнам ни­же, чем к шерсти. Прямые красители, обладающие вытянутой конфигурацией молекулы, что обеспечивает ей энергетически выгодное размещение вдоль линейной цепи полиамида и образо­вание достаточно сильного межмолекулярного взаимодействия хромофорной системы с полимером, имеют более высокое срод­ство к полиамидам, чем к шерсти, примерно на уровне сродства к натуральному шелку. В сравнении с кислотными и даже пря­мыми красителями КМК 1 : 2, являющиеся солями комплексных кислот и обладающие пониженной растворимостью, имеют самое высокое сродство к полиамидам из всех анионных красителей. Устойчивость окраски также возрастает в этом же ряду. Это доказывает, что при фиксации анионных красителей на полиа­мидном волокне существенную роль играет межмолекулярное взаимодействие. Для обеспечения более быстрого проникновения анионных красителей внутрь волокна применяют те же приемы активации процесса, что и при крашении дисперсными краси­телями: высокотемпературное крашение и интенсификаторы.

ПАН-волокно (нитрон) окрашивают катионными красителя­ми. Управляют скоростью перехода красителей в полимер, варь­ируя рН красильной ванны и температуру. Причем в отличие от большинства рассмотренных ранее случаев основные усилия технологов направлены на замедление процесса крашения для обеспечения более равномерной окраски.

Катионные красители фиксируются на нитроне за счет элек­тростатического взаимодействия, т. е. ионными связями. Так как карбоксильная группа волокна в красильном растворе диссоции­рована ПАН —СООН ПАН —СООˉ+Н⁺, то между разнои­менными группами волокна и красителя взаимодействие проте­кает очень быстро:

Для замедления процесса и получения более равномерной окраски в красильную ванну вводят кислоту, которая подавля­ет диссоциацию карбоксильной группы. Под действием кислоты диссоциация карбоксильных групп может быть подавлена полностью, процесс крашения может прекратиться. Для исключения этой возможности часть кислоты заменяется нейтральным электролитом, обычно сульфатом натрия. При диссоциации соли об­разуется катион натрия (I), который конкурирует с катионом красителя (ІІ) за место у диссоциированных карбоксильных групп, процесс крашения замедляется, окраска получается бо­лее ровной

После фиксации катионного красителя на нитроне за счет ионных сил между хромофорной системой и полимером разви­вается межмолекулярное взаимодействие, повышающее устойчи­вость окраски в целом.

Основной переход катионных красителей на волокно проис­ходит в узком интервале температуры (80—100°С), что также осложняет получение равномерной окраски, так как разница температуры отдельных участков красильной системы даже в 1°С изменяет скорость диффузии красителя в несколько раз.

Для обеспечения высококачественных результатов предложе­но два варианта температурного режима крашения нитрона катионными красителями: во-первых, быстрый нагрев красильной ванны до максимальной температуры (100°С) и крашение в этих условиях. График процесса изображен на рис. 43 пунктиром. При таком режиме исключается нежелательное воздействие не­равномерного разогрева красильной системы, возникающего при медленном повышении температуры; во-вторых, ступенчатый разогрев красильной ванны, предполагающий прекращение по­вышения температуры на 15—30 мин при определенном уровне и быстрое повышение температуры между этими областями (сплошная линия на рис. 43).

 

Крашение тканей из полиэфирных материалов дисперсными красителями.

Дисперсные красители — основной класс, применяемый для крашения по­лиэфирных волокон, на которых они образуют достаточно яркую и устой­чивую окраску. Наилучший результат дают красители, специально выпускае­мые для этих волокон и отмеченные индексом «полиэфирный», например дисперсный желтый 23 полиэфирный, синий полиэфирный. В небольшом ко­личестве отечественная промышлен­ность применяет импортные дисперс­ные красители: синтены Р (ПНР), остацеты (ЧССР).

Крашение дисперсными красителями полиэфирных волокон или тканей производят периодическим способом в водной среде при температуре кипения в присутствии интенсификаторов или при избыточном давлении и температуре до 140°С в аппаратах под давлением. Ткани можно окрашивать, используя в качестве теплоносителя сухой нагретый воздух при температуре 190— 200 °С — непрерывный термозольный способ. Волокно в виде комплексных нитей в жгуте окрашивают в среде перегретого па­ра при температуре до 140°С на непрерывнодействующем обору­довании.

Красильная ванна для крашения по периодическому способу в водной среде содержит: красителя до 10%, диспергатора 1— 2 г/л и при необходимости интенсификатора 3—5 г/л. Длитель­ность процесса при температуре 100°С около 1—2 ч. При кра­шении под давлением (аппараты АКД, эжекторные красильные машины) скорость возрастает в 1,5—2 раза.

Термозольный способ крашения осуществляют только для тканей или трикотажных полотен (рис. 44). При этом изделия в плюсовке 1 обрабаты­вают водной суспензией, содержащей, г/л: красителя до 50, диспергатора 2—5; подсушивают с помощью ИК-подогревателя 2 и подвергают их термо­обработке 3 в течение 60—120 с при температуре на 30—40 °С более низкой, чем температура плавления волокна (190—200 °С). Полиэфирное волокно в этих условиях размягчается, увеличивается его диффузионная проницаемость и краситель легко диффундирует в волокно. После термообработки ткань охлаждают в специальной зоне 4. Завершают крашение обработкой ткани щелочно-восстановительным раствором, при которой с поверхности ткани уда­ляется краситель, ухудшающий устойчивость окраски.

Крашение химических волокон жгутом в аппарате для плюсовочно-запарного способа крашения в среде перегретого пара проводится аналогично, но длительность обработки в среде пе­регретого пара составляет 30—60 мин за счет более низкой тем­пературы теплоносителя (140°С).

Крашение изделий из полиамидных волокон. Для этих целей используют дисперсные и растворимые в воде красители.

Дисперсные красители. Ассортимент отечественных дисперс­ных красителей для полиамидных волокон весьма разнообразен и помимо обычных дисперсных содержит: металлкомплексные красители типа 1 : 2, маркируемые буквами МП (металлсодер­жащие для полиамида), например дисперсный коричневый МП; дисперсные активные красители.

Окрашивают полиамидные материалы в виде волокна, три­котажных штучных изделий или полотен и тканей в основном по периодическому способу в водной среде при температуре ки­пения или при повышенной температуре до 140°С. В красиль­ную ванну вводят помимо красителя диспергаторы, иногда интенсификаторы. Термозольный способ крашения применяют ред­ко, так как большинство устойчивых к сублимации дисперсных красителей на полиамидах дают малоинтересные в колористи­ческом отношении окраски. При крашении дисперсными активными красителями процесс завершают слабощелочной обработ­кой для обеспечения более полной ковалентной фиксации кра­сителя.

Растворимые в воде красители. При крашении полиамидных материалов существенное значение имеют некоторые классы растворимых в воде красителей: прямых, кислотных, КМК 1 : 2, обычных активных. Технология крашения этими классами кра­сителей аналогична технологии крашения изделия из белковых волокон.

 

 

Ионное и дополнительное межмолекулярное взаимодействие хромофорной системы с полимером обеспечивает высокий уро­вень устойчивости окрасок. При использовании обычных актив­ных красителей после щелочной обработки возникает ковалентная связь красителя с волокном.

Общим недостатком использования водорастворимых кра­сителей при крашении полиамидных материалов является то, что эти красители подчеркивают неоднородность структуры химиче­ских волокон, что проявляется в виде неравномерной, полосатой «зебристой» окраски. Поэтому эти классы красителей применя­ют в основном при крашении штучных трикотажных изделий, где указанный дефект проявляется в меньшей степени.

Крашение изделий из ацетилцеллюлозных волокон. Для кра­шения изделий из ацетилцеллюлозных волокон применяют прак­тически только дисперсные красители, но ввиду существенной разницы в химическом строении и надмолекулярной структуре ацетатные и триацетатные волокна требуют различных условий крашения.

Ацетатные волокна, имеющие недостаточно плотную струк­туру обладают высокой диффузионной проницаемостью уже при температуре 70—80°С. При более высокой температуре возмож­ны необратимые изменения волокна, поэтому крашение прово­дят при температуре не выше 80 °С.

Крашение триацетатного волокна проводят при более высо­кой температуре. По периодическому способу более эффектив­ным является крашение под давлением при температуре до 140°С. Используют термозольный способ крашения при темпе­ратуре 190—200°С. При необходимости для крашения триаце­татного волокна применяют интенсификаторы.

В составе красильных дисперсий при крашении ацетилцел­люлозных волокон не должны содержаться щелочные агенты, так как волокна, являясь сложными эфирами целлюлозы и ук­сусной кислоты, легко омыляются в щелочной среде (см. с. 14).

Крашение ПАН-волокон катионными красителями. Катионные красители для волокна нитрон создают яркую и устойчивую окраску полной гаммы цветов. Отечественная анилинокрасочная промышленность полностью удовлетворяет потребность текстиль­щиков в этих красителях. Крашению в основном подвергают во­локно или трикотажные изделия.

Для облегчения приготовления красильного раствора раство­рение катионных красителей производят в кислой среде, для че­го используют часть кислоты, необходимой по рецепту для кра­шения. Крашение проводят при рН 4,5—5,5 в присутствии ней­трального электролита.

В зависимости от скорости взаимодействия катионных кра­сителей с волокном их разделяют на две группы: быстровыбирающиеся, для которых содержание кислоты и электролита в ванне высоко; медленновыбирающиеся, содержание замедляю­щих процесс добавок заметно меньше.

Максимальная температура крашения катионными красите­лями не превышает 100°С, так как большинство красителей это­го класса неустойчиво к высокой температуре.

Ввиду того что сродство катионных красителей к ПАН-волокну очень велико, для получения равномерной окраски необ­ходимо хорошо растворить краситель, с учетом скорости пере­хода красителя на волокно составить красильную ванну, точно выдержать оптимальный температурный режим крашения. Пе­рекрашивание изделия, окрашенного неравномерно, представля­ет большую трудность и не всегда эффективно, так как число —СООН-групп в волокне ограниченно и предельное количест­во химически чистого красителя, способного присоединиться к волокну, составляет не более 3 %. Если учесть, что технические красители обычно содержат около 50 % красящего вещества, то при первом крашении даже в темные цвета предел насыщения редко достигается, но активных центров на волокне для повтор­ного перекрашивания остается мало.

Особое внимание следует уделять подбору катионных краси­телей в красильную ванну для крашения смесями красителей в целях обеспечения модной гаммы цветов и оттенков: они обяза­тельно должны входить в одну группу по скорости крашения, в противном случае разнооттеночности окраски избежать не уда­ется.