Красители - химические соединения, используемые для придания окраски различным материалам, например текстилю, бумаге, мехам, волосам, коже и древесине. Крашение - процесс придания окраски таким материалам. Ежегодное мировое потребление красителей составляет около полумиллиона тонн; свыше двух третей этого количества идет на окраску текстильных материалов. В этой статье описываются красители для текстильных волокон и крашение текстильных материалов.
Качество крашения. Окраска - первейшее соображение, возникающее у потребителя при выборе ткани или другого изделия. Глаз человека способен обнаружить малые различия в окраске ткани, поэтому производитель ткани должен обеспечить равномерность (ровноту) ее окраски. Как правило, свойство равномерности гораздо важнее для окраски, чем для любого другого вида химической отделки. Например, если распределение мягчителя в ткани неравномерно, то потребитель этого не заметит, поскольку такая неравномерность не сказывается на свойствах ткани, важных для потребителя. С другой стороны, даже неискушенный наблюдатель заметит неравномерность окраски. Кроме того, важен контроль постоянства окраски при переходе от одной партии красителя к другой или в пределах одного куска ткани, поскольку различия в окраске соседних элементов швейного изделия проявятся почти неизбежно. Отсутствие метамеризма, т.е. свойства двух цветовых оттенков совпадать при освещении одним источником света и различаться при освещении другим источником, также должно учитываться при крашении материалов.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦВЕТА
Устойчивость окраски определяет, насколько охотно будет пользоваться данным текстильным изделием потребитель. Окраска ткани должна сохраняться в течение срока службы изделия, но в некоторых случаях она может блекнуть, оставаясь приятной на вид. Важна также устойчивость окраски материала при мокрых обработках, стирке, химической чистке, трении, воздействии света, пота, атмосферных загрязнителей, погодных условий и других неблагоприятных факторов. Назначение конкретного текстильного изделия определяет требуемые степень, характер и устойчивость его окраски. Например, для обивки автомобильных сидений устойчивость окраски к химической чистке не так важна, как устойчивость к световому воздействию, которая имеет для нее первостепенное значение. Ровнота окраски и ее устойчивость - главные факторы в выборе красителей и методов крашения для текстильных материалов. Для достижения приемлемых ровноты и устойчивости окраски надо учитывать такие переменные, как температура, давление, количества красителей и текстильно-вспомогательных веществ, а также свойства волокон.
КЛАССИФИКАЦИЯ КРАСИТЕЛЕЙ
Средства для окрашивания текстильных материалов можно классифицировать на красители и пигменты. Термины "краситель" и "пигмент", хотя их часто используют как равнозначные, обозначают четко различающиеся функции при окрашивании текстильных материалов. Краситель - это вещество, которое - по крайней мере на какой-то стадии обработки - обладает внутренним сродством к окрашиваемому материалу (притяжением к нему). Красители растворимы в красильной среде на некоторой стадии процесса крашения. Они проникают внутрь материала и образуют более или менее прочную связь с волокнами. Все текстильные красители - органические вещества. Пигмент - это вещество, применяемое для придания окраски поверхности ткани. Пигменты не обладают внутренним сродством с текстильными материалами и удерживаются на них с помощью специальных химических препаратов. Пигменты могут быть как органическими, так и неорганическими веществами. Красители можно классифицировать как по способу применения, так и по химической структуре. Технологи, занимающиеся крашением, классифицируют красители по способу применения. Специалисты-химики, занимающиеся синтезом красителей и изучающие взаимосвязи между структурой и свойствами веществ, классифицируют красители по химической структуре.
Классификация по способу применения. В текстильной промышленности обычно используются красители восьми основных классов. Первые пять классов красителей (прямые, сернистые, азоидные, реактивные и кубовые) используются в основном для крашения целлюлозных волокон, например хлопковых и вискозных. Последние три класса красителей (кислотные, основные и дисперсные) применяются для крашения других натуральных и синтетических волокон.
Прямые красители. Эти анионные водорастворимые красители называются так потому, что обладают высоким сродством к целлюлозным волокнам и могут применяться без вспомогательных химических средств. Однако на практике скорость крашения и интенсивность окраски могут быть увеличены добавками неорганических солей, например хлорида или сульфата натрия. Прямые красители широко используются для крашения хлопковых и вискозных тканей. Их наибольшее достоинство - простота применения, а недостаток в том, что в ряде случаев они неустойчивы к мокрым обработкам. Устойчивость прямых красителей к мокрым обработкам повышают введением закрепителей и с помощью различных технологических приемов.
Сернистые красители. Сернистые красители - это органические соединения, получаемые нагревом соединений из группы аминов или фенолов в присутствии серы. Сернистые красители существуют в форме пигментов, не обладающих сродством к целлюлозе. В процессе обработки сернистыми красителями используются химические реакции восстановления и окисления. Путем восстановления сернистые красители переводятся в водорастворимую форму, обладающую сродством к целлюлозе. После их поглощения волокнами сернистые красители надо окислить для обратного преобразования в пигментную форму. Наибольшее достоинство сернистых красителей - низкая стоимость. К недостаткам относятся невысокая яркость и, в некоторых применениях, низкая устойчивость к мокрым обработкам и воздействию света.
Азоидные красители. Эти красители синтезируются внутри волокон в ходе реакции двух компонентов, ни один из которых не является красителем. Поскольку один из компонентов - нафтол, азоидные красители иногда называют нафтоловыми. Вещество, образующееся при азоидном крашении, является пигментом. Однако азогены классифицируются как красители, потому что отдельные их компоненты действуют как таковые перед тем, как они прореагируют внутри волокна с образованием пигмента. Важное достоинство азоидных красителей состоит в том, что они обеспечивают дешевый способ получения оттенков некоторых цветов, особенно красного. Их недостаток - не всегда достаточная устойчивость к трению.
Реактивные красители. Реактивные красители, иногда называемые активными или волоконно-реактивными, разработаны в 1950-х годах. Реактивные красители образуют химическое соединение с волокном и становятся его частью. Поскольку связь между красителем и волокном прочна, реактивные красители очень устойчивы к мокрым обработкам, что является их основным достоинством. Реактивные красители, как правило, дороже прямых, сернистых и азоидных. Устойчивость реактивных красителей к воздействию хлора и других отбеливателей иногда бывает невысокой.
Кубовые красители. Эти красители похожи на сернистые в том отношении, что они являются пигментами, т.е. в процессе обработки сначала должны быть восстановлены, а потом окислены. На этом, однако, их сходство заканчивается. Кубовые красители обладают, как правило, очень высокой устойчивостью к мокрым обработкам и воздействию света; исключение составляет индиго. Большой недостаток кубовых красителей - высокая стоимость.
Кислотные красители. Кислотные красители называются так потому, что содержат в своей структуре кислотные группы. Кислотные группы красителя реагируют с основными группами белковых (шерсть и шелк) и полиамидных (найлон) волокон с образованием связей между красителем и волокном через органические солевые группы. Эти связи прочны и придают окраске высокую устойчивость к мокрым обработкам.
Основные красители. Эти красители иногда называют катионными, потому что молекула красителя содержит положительный заряд. Основные группы красителя реагируют с кислотными группами акриловых, полиэфирных и полиамидных волокон, поддающихся крашению катионными красителями, а также белковых волокон. При этом между красителем и волокнами образуются связи примерно таким же путем, как в реакциях между кислотными красителями и волокнами (см. выше). Недостаток основных красителей - низкая устойчивость окраски к свету, особенно для белковых волокон.
Дисперсные красители. Дисперсные красители используются в основном для крашения полиэфирных, полиамидных и ацетилцеллюлозных волокон, хотя они могут окрашивать и другие волокна. Дисперсные красители почти нерастворимы в воде и должны быть диспергированы в ней для образования красильной ванны. Эти красители были разработаны в 1920-х годах специально для крашения ацетилцеллюлозных волокон. Дисперсные красители - единственный вид красителей, пригодных для крашения ацетатных и немодифицированных полиэфирных волокон.
Классификация по химической структуре. В молекулах красителей присутствуют разнообразные структурные группы. Однако свыше половины всех красителей можно классифицировать как азокрасители или антрахиноновые красители.
Азокрасители. Азогруппы, т.е. два атома азота, соединенные двойной связью, обусловливают цвет свыше половины всех промышленно производимых красителей. Азогруппа -N=N- является сильным хромогеном (источником цвета), и поэтому азокрасители обычно обладают высокой красящей способностью. Молекулы азокрасителей могут содержать от одной до четырех, а иногда и больше азогрупп. Моноазокрасители (одна азогруппа) наиболее важны, дисазокрасители (две азогруппы) - вторые по значению. Азогруппы соединены с ароматическими ядрами, например бензолом или нафталином, которые в качестве заместителей могут содержать хлор и бром, а также нитро-, амино- и другие группы. Общая структурная формула моноазокрасителя может быть записана в виде A-N=N-B, где A и (или) B - ароматические ядра. Все азокрасители - синтетические соединения, не имеющие натуральных аналогов. Число теоретически возможных молекул с азогруппами чрезвычайно велико.
Антрахиноновые красители. По своему практическому значению антрахиноновые красители уступают только азокрасителям. Хотя антрахиноновые красители имеют более яркий цвет, чем азокрасители, они дороже их и слабее по красящей способности.
ПОДГОТОВКА МАТЕРИАЛОВ
Большинство текстильных материалов и тканей требует обработки перед крашением и отделкой. Степень и тип предварительной обработки зависят от типов волокон и выбранных процессов крашения и отделки. Большинство процессов предварительной обработки включает нагрев и мокрую или химическую обработку. Следовательно, существует возможность теплового и химического повреждения материала. В процессах подготовки ткани могут быть нанесены и механические повреждения.
ЛАБОРАТОРНЫЙ КРАСИЛЬНЫЙ АППАРАТ
ПРОЦЕССЫ КРАШЕНИЯ
Текстильные материалы окрашивают с использованием периодического, непрерывного или полунепрерывного процесса. Выбор способа крашения зависит от типа материала, химической природы волокна, размера партии красителя и требований к качеству окрашенного изделия. Красильное оборудование должно быть устойчиво к действию кислот, щелочей, других вспомогательных химических препаратов и красителей. Все части оборудования, контактирующие с красителем, обычно изготавливаются из нержавеющей стали.
Периодическое крашение. Аппараты периодического действия наиболее распространены в текстильном крашении. Масса окрашиваемых изделий в одной партии может достигать 500 кг. Периодическое крашение иногда называют вытяжным, т.к. краситель постепенно переходит из красильной ванны в материал. Текстильные полуфабрикаты могут окрашиваться периодическим способом почти на любой стадии их превращения в текстильный продукт. Общее правило таково: чем ближе стадия крашения к концу производственного процесса, тем больше возможностей для выбора цвета продукта и ниже стоимость крашения. Некоторые красильные аппараты периодического действия работают при температурах вплоть до 100° С. Если корпус красильного аппарата герметичен, то, поднимая давление, можно проводить крашение при больших температурах. Хлопок, вискоза, найлон, шерсть и некоторые другие волокнистые материалы хорошо окрашиваются при температурах 100° С или ниже. Полиэфирные и некоторые другие синтетические волокна лучше окрашиваются при температурах выше 100° С. Существуют три типа красильных аппаратов периодического действия: 1) с перемещением изделия; 2) с циркуляцией красителя; 3) с перемещением изделия и циркуляцией красителя. В процессе крашения тканей и предметов одежды, как правило, перемещаются изделия; краситель взбалтывается при движении окрашиваемого материала. Волокна, пряжа и ткани могут окрашиваться в аппаратах, где циркулирует краситель. Струйное крашение в аппаратах эжекторного типа - наилучший пример процесса, при котором находятся в движении и изделие, и краситель. Аппараты струйного крашения наиболее подходят для вязаных изделий, однако в них можно окрашивать и тканые изделия.
ПАКОВОЧНЫЙ КРАСИЛЬНЫЙ АППАРАТ используется для крашения пряжи, намотанной на сетчатую полую шпулю. Краситель закачивается из красильной ванны в шпули, проходит через мотки (паковки) и отсасывается. Затем направление потока изменяется. Процесс повторяется до тех пор, пока не получается требуемый цветовой оттенок. На фотографии показан вертикальный барабан с мотками пряжи.
Непрерывное крашение. Непрерывное крашение лучше всего подходит для тканых изделий. Большинство установок непрерывного крашения предназначено для окрашивания материалов, сотканных из смеси полиэфирных и хлопковых волокон. Найлоновые ковры иногда окрашиваются непрерывным способом, однако предназначенные для этого аппараты конструктивно отличаются от аппаратов для крашения безворсовых материалов. Оборудование для непрерывного крашения эффективно и экономично при крашении длинных полос тканей с целью получения определенного однородного цвета (гладкое крашение). Поскольку для загрузки установки непрерывного крашения требуется 450-720 м ткани, этот способ не подходит для коротких полос. Установка непрерывного крашения окрашивает до 9000 м ткани в час. Допуск на изменение цвета должен быть больше для непрерывного крашения, чем для периодического, ввиду большей скорости процесса и большего числа переменных, влияющих на нанесение красителя. Смешанная полиэфирно-хлопковая ткань может быть окрашена за один проход. Полиэфирные волокна окрашиваются в первых ступенях установки посредством процесса термофиксации (при высокой температуре); хлопковые и вискозные волокна окрашиваются в последующих ступенях с использованием пара для закрепления красителя. Незакрепленный краситель и вспомогательные химические препараты вымываются из ткани после окончания процесса. Обычно ткань сушится на горячих каландрах перед выводом из красильного аппарата.
ПРОЦЕССЫ ПЕЧАТАНИЯ
С помощью печатания (набивки) получают окрашенный рисунок на тканях или предметах одежды. Каждый цвет наносится отдельно. Методы печатания делятся на прямые, вытравные и резервные. При прямом печатании краситель наносится на определенные участки ткани. При вытравном печатании вытравляющее вещество разрушает краситель на определенных участках ткани, которая предварительно была сплошь окрашена. При резервном печатании краситель наносится на ткань, а резервирующий состав, нанесенный печатанием на определенные области ткани, препятствует фиксации красителя. Незакрепленный краситель удаляется промывкой, а на его месте остается белый рисунок. Если резервирующий агент наносится до красителя, то метод называется резервным предпечатанием, а если после - то резервным послепечатанием. Цвет рисунка, нанесенного печатанием, может создаваться либо пигментом, либо красителем. Пигмент не проникает в волокна, а закрепляется на поверхности ткани связующим веществом. Процесс печатания пигментом прост, так как по его окончании не требуется промывки ткани. Один из недостатков печатания пигментом состоит в том, что в этом случае не всегда достигается желаемое "качество ткани на ощупь" (мягкость, гибкость). Улучшение качества ткани и устойчивости рисунка с помощью современных связующих увеличило популярность печатания пигментом. Печатание красителем - более сложный процесс, поскольку краситель надо фиксировать в зрельнике воздействием пара или нагрева, а затем промывать ткань для удаления незакрепленного красителя. Среди достоинств печатания красителем - мягкость ткани, яркость цветов и хорошая устойчивость рисунка. Методы печатания тканей можно также классифицировать по технологии нанесения рисунка. В этой связи можно указать два метода, наиболее широко применяемые в текстильной промышленности: печатание сетчатыми шаблонами и печатание гравированными валами. Для печатания рисунков на тканях применяются также печатание рельефными шаблонами, струйное печатание и термопечатание.
Печатание сетчатыми шаблонами. Печатание сетчатыми шаблонами использует принцип трафарета. Оно является резервным методом в том смысле, что сетчатый шаблон препятствует попаданию краски в те места ткани, где не должно быть рисунка. Краситель или пигмент продавливается с помощью пластины или валка (ракеля) через открытые ячейки сетки на прижатую к ней ткань. В печатании сетчатыми шаблонами могут использоваться круглые или плоские шаблоны. Круглый шаблон при нанесении рисунка вращается. Такой шаблон позволяет непрерывно печатать проходящую под ним ткань. Шаблоны представляют собой тонкие сетчатые металлические цилиндры, отверстия в которых образуют определенный рисунок. Рисунок создается путем замазывания определенных участков сетки. Печатание вращающимся шаблоном - непрерывный, высокопроизводительный процесс. Машины вращательной печати имеют отдельный шаблон для каждой цветовой составляющей рисунка. Ткань фиксируется на ленточном транспортере и подается к печатному станку. При этом каждая цветовая составляющая наносится на заданные места в определенном порядке. Длина окружности сетчатого шаблона определяет интервал повторяемости рисунка. Печатающая машина может быть настроена на прерывистое печатание рисунка, когда шаблон периодически поднимается, с тем чтобы набивались только определенные участки ткани. Плоскими шаблонами печатают вручную на столах или специальных машинах. Плоские сетчатые шаблоны изготавливаются из плотно сотканных материалов - обычно полиэфирных или полиамидных моноволоконных нитей (процесс иногда называют печатанием с шелковой сеткой, поскольку первые плоские шаблоны часто изготавливались из шелка). Краска продавливается на ткань через шаблон с помощью плоского ракеля. Печатание с плоским сетчатым шаблоном - полунепрерывный процесс, поскольку шаблон надо поднимать после печатания участка ткани, чтобы подать новый участок в положение для печати. С помощью плоского сетчатого шаблона можно наносить рисунки на ткани или предметы одежды; процесс может управляться автоматически.
Печатание гравированными валами. Краска наносится на ткань печатным валом, на котором выгравирован нужный рисунок. Краска из резервуара поступает на щетку, а с нее переносится на печатный вал. Ракель удаляет краску с гладких, не подвергнутых гравировке частей вала; краска, остающаяся в канавках, переносится на ткань. Ракель очищает печатный вал от ниток, соринок и краски, попавшей с уже отпечатанных участков ткани. Поверхность каландра, на который накладывается ткань при печатании, имеет упругое покрытие, которое обеспечивает необходимое прижатие ткани к гравированному валу, и на нее переносится краска из канавок. Упругое покрытие защищается чехлом от попадания краски, которая может проходить через ткань.
Печатание рельефными шаблонами. Печатание деревянными брусками с выступающим над их поверхностью рисунком (метод ксилографии) практиковалось уже сотни лет назад. Хотя теперь печатание деревянными брусками для нанесения рисунков на текстильные материалы осталось уделом ремесленников, шаблоны с выступающими пористыми поверхностями применяют для печатания ковров. Используется также флексографическое печатание, где рельефный рисунок создается на резиновом покрытии печатного вала. Флексографическое печатание применяется также в полиграфии.
Струйное печатание. Данный метод, известный также как краскоструйное печатание, используется главным образом для печатания ковров. Рисунки создаются путем нанесения мельчайших капель красителя на ковер по предварительно составленной программе. Применяются два основных способа. В одном из них форсунки, которые быстро открываются и закрываются по команде компьютера, выбрасывают мельчайшие капли краски на ковер. В другой технологии струя красителя вытекает из резервуара и, дробясь на капли под действием воздушных струй, падает на ковер. Компьютер управляет струями воздуха, распределяющими капли красителя по поверхности ковра. Когда печатание не требуется, струи воздуха направляют капли в ловушку.
СТРУЙНАЯ КРАСИЛЬНАЯ МАШИНА
Термопечатание. В этом методе рисунок печатается на бумаге, а затем переносится на ткань путем пропускания сложенных вместе бумаги и набивной ткани через горячий каландр.
См. также
ХИМИЯ;
ПОЛИГРАФИЯ;
ТЕКСТИЛЬ.
ЛИТЕРАТУРА
Мельников Б.Н., Морыганов П.В. Применение красителей. М., 1971 Мельников Б.Н., Блиничева И.Б. Теоретические основы технологии крашения волокнистых материалов. М., 1978 Манджини А. Цвет и красители. М., 1983 Краткий курс химической технологии волокнистых материалов. М., 1984 Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей. М., 1984