Nhuộm sợi protein: Thuốc nhuộm, phương pháp và ứng dụng

Khi nhuộm len, lụa và các loại sợi lông đặc biệt để may vải và quần áo, cấu trúc sợi có ảnh hưởng trực tiếp đến độ đậm nhạt, độ đều màu và độ bền giặt. Sợi protein có đặc tính khác biệt so với các loại sợi dệt khác vì các nhóm amino, carboxyl và chuỗi bên của chúng có thể tham gia vào quá trình nhuộm. Len là loại sợi lông động vật chính trong nhóm này, nhưng lụa và một số loại sợi lông động vật đặc biệt khác cũng rất quan trọng trong thực tế. Do đó, việc lựa chọn thuốc nhuộm phụ thuộc chặt chẽ vào loại sợi, điều kiện dung dịch nhuộm và mục đích sử dụng cuối cùng của vật liệu.

Sợi protein và cấu trúc của chúng​

Protein là các polyme tự nhiên có khối lượng phân tử tương đối cao, được hình thành do sự ngưng tụ của các axit α-amino thông qua nhóm carboxyl và nhóm amino của chúng. Chúng phổ biến trong tự nhiên và là thành phần thiết yếu của mô động vật và thực vật. Các axit α-amino có công thức chung và được phân biệt với nhau bởi nhóm R, có thể là bazơ, axit hoặc không phân cực. Ví dụ bao gồm các axit amin proline và cystine.

Mỗi chuỗi protein chứa một nhóm amin bậc nhất ở một đầu và một nhóm axit cacboxylic ở đầu kia. Len thuộc một lớp protein được gọi là keratin. Cystine đóng vai trò quan trọng trong các đặc tính của len, nhưng lại không có trong cấu trúc của tơ tằm. Các chuỗi bên có tính kiềm và axit xuất hiện ít thường xuyên hơn dọc theo các chuỗi peptide fibroin của tơ tằm, và các liên kết tĩnh điện giữa chúng đóng góp rất ít vào cấu trúc bên trong của sợi.

Len là loại sợi lông động vật quan trọng nhất trong nhóm sợi protein, nhưng một số loại khác cũng rất đáng quan tâm. Chúng bao gồm lông dê Mohair và cashmere từ các loài dê, lông lạc đà Alpaca và Vicuna từ các loài lạc đà, lông thỏ Angora, len từ loài lạc đà Llama bản địa của cao nguyên Andes, và lông bò Tây Tạng (loài bò có bướu). Hầu hết các loại sợi đặc biệt này, đặc biệt là cashmere, Angora và Mohair, đều tương đối khan hiếm và đắt tiền, nhưng chúng có thể được pha trộn với len chất lượng cao để tăng độ bóng và tạo vẻ ngoài đặc biệt. Nhu cầu đối với các loại sợi pha trộn này phần lớn phụ thuộc vào xu hướng thời trang.

Thuốc nhuộm được sử dụng cho sợi protein​

Các loại thuốc nhuộm dùng để nhuộm sợi protein bao gồm thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm crom, thuốc nhuộm phức hợp kim loại và thuốc nhuộm phản ứng . Mỗi loại có tác dụng khác nhau trên sợi len, lụa và lông, vì vậy phương pháp nhuộm phải phù hợp rất chặt chẽ với từng loại sợi.

Thuốc nhuộm axit​

Thuốc nhuộm axit là thuốc nhuộm anion và sẽ nhuộm bất kỳ loại sợi nào chứa các ion mang điện tích dương. Loại thuốc nhuộm này được sử dụng để nhuộm len, lụa và polyamide. Chúng ion hóa trong dung dịch để tạo thành các ion natri và các ion màu mang điện tích âm lớn. Len chứa nhiều vị trí nhuộm tiềm năng hơn polyamide, và do đó, có thể đạt được các sắc độ đậm hơn.

Thuốc nhuộm axit dùng cho len có thể được phân loại thành một số nhóm riêng biệt. Theo truyền thống, chúng chủ yếu có hai loại: thuốc nhuộm axit làm đều màu và thuốc nhuộm axit làm chậm quá trình nhuộm. Thuốc nhuộm axit làm đều màu có ái lực tương đối thấp với len trong điều kiện trung tính, trong khi đó, trong điều kiện axit, chúng có xu hướng tạo ra màu nhuộm không đều do tốc độ phản ứng nhanh. Trên thực tế, người ta thường nhuộm trong sự hiện diện của axit như axit sulfuric, giúp tăng ái lực của thuốc nhuộm với sợi, cộng với natri sunfat, còn được gọi là muối Glauber, giúp làm chậm tốc độ nhuộm. Thuốc nhuộm axit làm đều màu thường có độ bền kém khi giặt và xử lý bằng kiềm, nhưng chúng thường được ưa chuộng vì đặc tính làm đều màu tốt.

Các loại nhuộm sử dụng axit có độ bền giặt tốt hơn. Việc phân loại thành các loại nhuộm cân bằng axit và nhuộm sử dụng axit không được định nghĩa rõ ràng, và phương pháp dựa trên độ axit của dung dịch nhuộm thường được sử dụng. Các loại nhuộm sử dụng axit có ái lực cao hơn với len và do đó được áp dụng từ dung dịch axit yếu hơn nhiều, ví dụ, sử dụng amoni sulfat hoặc axetat. Phương pháp nhuộm điển hình tương tự như phương pháp được sử dụng cho các loại nhuộm cân bằng, nhưng axit được thay thế và muối Glauber được bỏ qua.

Thuốc nhuộm crom​

Thuốc nhuộm crom ngày nay ít phổ biến hơn chủ yếu do những hạn chế về sức khỏe và môi trường. Chúng có thể được coi là thuốc nhuộm axit chứa các nhóm có khả năng tạo phức chất ổn định với crom. Có ba phương pháp chính để nhuộm len: dùng chất cố định màu crom, crom sau xử lý (hoặc crom trên bề mặt) và crom tổng hợp (meta-chrome). Crom vẫn là một vấn đề đối với người nhuộm, đặc biệt khi các giới hạn xả thải ngày càng nghiêm ngặt. Ngay cả với việc kiểm soát nước thải nghiêm ngặt và các phương pháp nhuộm được tối ưu hóa, tương lai của thuốc nhuộm crom vẫn có thể bị đặt dấu hỏi.

Phương pháp cố định crom​

Đây là kỹ thuật lâu đời nhất, mặc dù không phải là quan trọng nhất. Kỹ thuật này bao gồm việc xử lý sơ bộ len bằng dung dịch kali dicromat từ 2% đến 4%, dung dịch được pha ở nhiệt độ khoảng 50°C với một lượng nhỏ axit. Sau đó, cho len vào, tăng nhiệt độ lên đến sôi và tiếp tục quá trình trong 1 đến 1,5 giờ. Sau khi xử lý sơ bộ, vải được nhuộm theo cách đã mô tả trước đó.

Quy trình sau mạ crom​

Len được nhuộm trước bằng thuốc nhuộm cộng với khoảng 10% muối Glauber trong 1 giờ ở nhiệt độ sôi. Bất kỳ thuốc nhuộm nào còn lại trong dung dịch sau đó được loại bỏ bằng cách thêm axit axetic. Tiếp theo, thêm 1% đến 2% kali dicromat và tiếp tục quá trình trong 30 phút. Đối với các màu đậm, chẳng hạn như màu đen, người ta thường thêm axit như axit sulfuric. Thay đổi nồng độ axit sẽ tạo ra các độ đậm nhạt khác nhau của màu đen.

Phương pháp Meta-Chrome​

Một số loại thuốc nhuộm crom có thể được nhuộm và xử lý cố định màu đồng thời trong cùng một bể, nhưng điều rất quan trọng là quá trình nhuộm phải diễn ra trong điều kiện trung tính, thuốc nhuộm không bị ảnh hưởng bởi muối trong bể, và dicromat hoặc cromat có trong bể phải được khử trên sợi vải. Nếu không, thuốc nhuộm sẽ bị kết tủa.

Trong phương pháp này, chất cố định màu metachrome được sản xuất trước, có thể bao gồm một phần natri cromat và hai phần amoni sulfat. Dung dịch nhuộm được điều chỉnh ở nhiệt độ khoảng 50°C với nước, thuốc nhuộm và 2% đến 8% chất cố định màu metachrome. Quá trình nhuộm diễn ra theo cách thông thường. Nồng độ chất cố định màu sẽ thay đổi tùy thuộc vào sắc độ mong muốn.

Thuốc nhuộm phức hợp kim loại dành cho len​

Thuốc nhuộm phức hợp kim loại bao gồm một cấu trúc thuốc nhuộm dạng axit tạo phức với ion kim loại. Ngoài các sợi tự nhiên như len và lụa, chúng còn có thể được ứng dụng trên polyamide. Có hai loại chính: thuốc nhuộm phức hợp kim loại 2:1, bao gồm hai phần thuốc nhuộm với một phần kim loại, và thuốc nhuộm phức hợp kim loại 1:1, bao gồm một phần thuốc nhuộm với một phần kim loại. Thuốc nhuộm phức hợp kim loại 2:1 là thuốc nhuộm trung tính, chủ yếu là các phức hợp của crom với thuốc nhuộm azo tan trong nước, trong khi thuốc nhuộm phức hợp kim loại 1:1 ít được sử dụng trên polyamide và chủ yếu được sử dụng trên len.

Trên vải len, thuốc nhuộm phức hợp kim loại tỷ lệ 1:1 được sử dụng từ dung dịch nhuộm có độ pH thấp, khoảng pH 2, với nồng độ axit sulfuric lên đến 8%. Vì quá trình nhuộm được thực hiện ở nhiệt độ sôi và độ pH thấp, cần phải hết sức cẩn thận vì có thể làm hư hại vải len. Trong điều kiện như vậy, màu sắc của thuốc nhuộm cũng có thể thay đổi rõ rệt.

Thuốc nhuộm phản ứng cho len​

Thuốc nhuộm hoạt tính là loại thuốc nhuộm tạo liên kết cộng hóa trị với sợi vải, do đó độ bền của chúng, đặc biệt là khi giặt, thường rất tốt. Phản ứng diễn ra trên len, cũng như trên bông, với các nhóm hydroxyl có trong sợi vải. Tuy nhiên, trên len, cả nhóm thiol và nhóm amino cũng có thể liên kết với thuốc nhuộm.

Việc sử dụng thuốc nhuộm hoạt tính trên len đòi hỏi phải thêm các chất phụ trợ để ngăn ngừa hiện tượng loang màu và nhuộm không đều. Các chất phụ trợ này bao gồm các chất hoạt động bề mặt có khả năng tạo phức hợp thuốc nhuộm-chất hoạt động bề mặt, giúp hỗ trợ quá trình nhuộm.

Nhuộm lụa​

Khả năng nhuộm màu của tơ tằm tương tự như len, nhưng tơ tằm thường cần lượng thuốc nhuộm gấp hai đến bốn lần so với len để đạt được độ đậm màu tương tự do độ mảnh của sợi tơ. Các loại thuốc nhuộm quan trọng nhất trong nhuộm tơ tằm bao gồm thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm phức hợp kim loại 2:1, thuốc nhuộm trực tiếp và thuốc nhuộm phản ứng.

Theo truyền thống, dung dịch xà phòng đậm đặc còn lại sau quá trình khử keo được sử dụng để tạo hệ thống cân bằng anion cho việc nhuộm trực tiếp và nhuộm axit. Phương pháp này đã được thay thế bằng phương pháp nhuộm sử dụng hỗn hợp thuốc nhuộm phức hợp kim loại và thuốc nhuộm axit theo tỷ lệ 2:1 với sự có mặt của chất cân bằng và chất thẩm thấu. Thông thường, quá trình nhuộm được bắt đầu ở 30°C với sự có mặt của 1% đến 2% chất cân bằng cation yếu ở pH 4,5 đến 5,0. Nhiệt độ được tăng lên 1°C mỗi phút đến nhiệt độ cao nhất trong khoảng 70°C đến 85°C, tùy thuộc vào độ hấp thụ thuốc nhuộm và loại thiết bị hiện có. Quá trình nhuộm được tiếp tục trong 45 đến 60 phút ở nhiệt độ cao nhất trước khi làm nguội và xả.

Nhuộm sợi tóc​

Ngoài sợi len , các loại sợi lông động vật khác đều là sợi protein trong tự nhiên, và tất cả các loại thuốc nhuộm dùng để nhuộm sợi len đều có thể dùng để nhuộm sợi lông động vật. Tuy nhiên, cần phải xem xét các đặc tính của sợi lông động vật trước khi tiến hành quá trình nhuộm . Ví dụ, lông angora chỉ được xử lý bằng cách pha trộn với len, đôi khi có thêm một lượng nhỏ nylon để tăng độ bền. Vì lý do kinh tế và kỹ thuật, thuốc nhuộm phức hợp kim loại 2:1 và thuốc nhuộm nghiền axit được ưa chuộng hơn.

Thuốc nhuộm crom và thuốc nhuộm phức hợp kim loại 1:1 hiếm khi được sử dụng vì dung dịch nhuộm có tính axit mạnh có thể làm hỏng lông dê Angora. Các thị trường chính cho hỗn hợp len và mohair là áo khoác ngoài và vải may vest. Những loại vải này có thể được làm từ sự pha trộn chặt chẽ giữa sợi dọc và sợi ngang, nhưng thường bao gồm sợi dọc mohair và sợi ngang len thực vật. Vải len và mohair có thể được nhuộm từng mảnh bằng thuốc nhuộm phức hợp kim loại 2:1 hoặc tiết kiệm hơn bằng thuốc nhuộm axit cân bằng.

Phần kết luận​

Sợi protein thể hiện nhiều đặc tính nhuộm khác nhau, mặc dù len, lụa và sợi lông động vật đều có chung nền tảng protein. Thuốc nhuộm axit, crom, phức hợp kim loại và thuốc nhuộm phản ứng đều có vai trò riêng trong việc nhuộm sợi protein, tùy thuộc vào loại sợi và màu sắc yêu cầu. Len chấp nhận nhiều phương pháp nhuộm nhất, trong khi lụa thường cần lượng thuốc nhuộm cao hơn do cấu trúc mịn hơn. Sợi lông động vật tuân theo các quy tắc chung tương tự, nhưng cần luôn lưu ý đến đặc tính riêng của từng loại sợi. Khi các hỗn hợp sợi và nhu cầu thời trang liên tục thay đổi, những lựa chọn nhuộm này sẽ vẫn rất quan trọng trong thực tiễn.

Nguồn: www.textileblog.com