Nhuộm vải cotton bằng thuốc nhuộm hoạt tính

Nhuộm vải cotton bằng thuốc nhuộm hoạt tính

Mustafizur Rahman,
Khoa Kỹ thuật Dệt may,
Đại học Quốc tế Port City,
Email: mdmustafiz898@gmail.com

Sự phát triển của thuốc nhuộm phản ứng:​

Nhuộm vải bông bằng thuốc nhuộm trực tiếp có độ bền màu khi giặt kém. Nguyên nhân là do liên kết giữa các phân tử thuốc nhuộm với chuỗi polymer cellulose rất yếu. Vì vậy, thuốc nhuộm trực tiếp dễ dàng bị phai ra khỏi các phân tử vải. Để đạt được độ bền màu tốt nhất khi giặt, người ta sử dụng chất màu không tan để gắn thuốc nhuộm vào sợi bông. Quá trình nhuộm bằng thuốc nhuộm vat và thuốc nhuộm azo này khó hơn nhiều so với nhuộm trực tiếp.

Ý tưởng tạo liên kết cộng hóa trị giữa phân tử thuốc nhuộm với nhóm phản ứng trong sợi vải bắt nguồn từ đầu những năm 1900. Nhiều hóa chất được tìm thấy có khả năng phản ứng với nhóm hydroxyl của cellulose và cuối cùng, chúng chuyển hóa thành các dẫn xuất cellulose có màu. Cellulose là một polyme tương đối không phản ứng. Do đó, một số loại thuốc nhuộm được biết là có khả năng tạo liên kết với len. Ban đầu, bông không được coi là loại sợi có thể nhuộm phản ứng, mặc dù nó có độ bền màu khi giặt tốt.

Hình: Thuốc nhuộm phản ứng

Năm 1955, người ta đã phát triển một quy trình nhuộm bông bằng thuốc nhuộm phản ứng với sợi. Họ xác định rằng việc nhuộm bông bằng các loại thuốc nhuộm này trong điều kiện kiềm nhẹ sẽ tạo ra các nguyên tử clo phản ứng. Vai trò của kiềm là gây ra sự phân ly axit của một số nhóm hydroxyl của cellulose và chính ion cellulosate phản ứng với thuốc nhuộm.

Thuốc nhuộm này có độ bền màu khi giặt rất tốt. Khả năng thuốc nhuộm bị phai màu khỏi bông chỉ xảy ra sau khi liên kết cộng hóa trị giữa thuốc nhuộm và cellulose bị thủy phân. Trong vòng năm năm kể từ khi phát triển này, tất cả các nhà sản xuất thuốc nhuộm lớn đều đã đưa ra thị trường thuốc nhuộm hoạt tính dành cho bông và cả len. Nhờ độ bền màu tốt khi giặt, màu sắc tươi sáng, phương pháp nhuộm đa năng theo mẻ và liên tục, thuốc nhuộm hoạt tính đã trở thành một trong những loại thuốc nhuộm chính.

Thuốc nhuộm hoạt tính dành cho vải cotton:​

Cấu trúc của thuốc nhuộm hoạt tính dùng cho vải cotton:​

Cấu trúc phân tử của thuốc nhuộm phản ứng tương tự như thuốc nhuộm axit và thuốc nhuộm trực tiếp đơn giản trên bông, nhưng có thêm nhóm phản ứng. Các cấu trúc điển hình như azo a) anthraquinone b) triphenodioxazine hoặc chất tạo màu đồng phthalocyanine.



Các đặc điểm cấu trúc chính của thuốc nhuộm hoạt tính bao gồm hệ thống sắc tố, nhóm sulphonate giúp hòa tan trong nước, nhóm phản ứng và nhóm cầu nối liên kết nhóm phản ứng trực tiếp với nhóm sắc tố hoặc với một phần khác của phân tử thuốc nhuộm. Mỗi đặc điểm cấu trúc này đều có thể ảnh hưởng đến tính chất nhuộm và độ bền màu trong quá trình sản xuất dệt may .

Hầu hết các loại thuốc nhuộm phản ứng thương mại đều có đầy đủ các gam màu, nhiều màu trong số đó đặc biệt tươi sáng. Thuốc nhuộm phản ứng thường có cấu trúc đơn giản, có thể được tổng hợp với số lượng tối thiểu các đồng phân màu và các sản phẩm phụ có xu hướng làm giảm độ đậm của màu so với các loại thuốc nhuộm trực tiếp polazo phức tạp hơn. Một số màu khó có thể thu được với các chất tạo màu đơn giản. Thuốc nhuộm phản ứng màu xanh đậm và xanh hải quân thường là các phức hợp đồng của thuốc nhuộm azo có độ đậm màu khá thấp, và việc sản xuất thuốc nhuộm phản ứng màu xanh lá cây tươi sáng vẫn còn là một vấn đề nan giải.

Các nhà sản xuất thuốc nhuộm đã xem xét và đánh giá toàn bộ các nhóm phản ứng sợi khả thi khác nhau. Sự lựa chọn cuối cùng cho các loại thuốc nhuộm thương mại bị hạn chế bởi một số yếu tố. Nhóm phản ứng phải thể hiện khả năng phản ứng đầy đủ với nước để có thể vô hiệu hóa nó bằng thủy phân. Sự thủy phân nhóm phản ứng của thuốc nhuộm tương tự như phản ứng của nó với cellulose nhưng liên quan đến ion hydroxyl trong nước thay vì ion cellulose trong sợi. Ngoài ra, liên kết giữa thuốc nhuộm và sợi, một khi đã hình thành, phải có độ bền đủ để chịu được nhiều lần giặt. Các yếu tố khác liên quan là sự dễ dàng trong sản xuất, độ ổn định của thuốc nhuộm trong quá trình bảo quản và chi phí của thuốc nhuộm phản ứng cuối cùng.

HO- + Thuốc nhuộm -Cl = Thuốc nhuộm-OH + Cl-

Các loại thuốc nhuộm phản ứng:​

1. Những chất phản ứng với cellulose bằng phản ứng thế nucleophilic của nhóm rời clo, flo, metyl sulphone hoặc nicotinyl được hoạt hóa bởi nguyên tử nitơ liền kề trong vòng dị vòng.
2. Những chất phản ứng với sự cộng hợp ái nhân vào liên kết đôi cacbon-cacbon, thường được hoạt hóa bởi một electron liền kề tấn công nhóm sunphotô. Loại nhóm vinyl sunphotô này thường được tạo ra trong dung dịch nhuộm bằng cách loại bỏ ion sunfat từ nhóm tiền chất 2-sulfatoethylsunphotô với kiềm.

Mặc dù nhiều loại thuốc nhuộm phản ứng ban đầu chỉ có một nhóm phản ứng trong phân tử thuốc nhuộm, nhưng nhiều loại thuốc nhuộm phản ứng mới hơn là thuốc nhuộm lưỡng chức với hai hoặc nhiều nhóm phản ứng giống nhau hoặc khác nhau. Một số loại sợi điển hình trong các nhóm phản ứng và các chữ viết tắt thường được sử dụng cho các nhóm này. Thuốc nhuộm có nhóm phản ứng nicotinyltriazine phản ứng với bông khi đun nóng trong điều kiện trung tính.

Nguyên tắc cơ bản của việc nhuộm vải cotton bằng thuốc nhuộm hoạt tính:​

Quy trình nhuộm hàng loạt tương đối đơn giản đối với vật liệu cotton bằng thuốc nhuộm hoạt tính vẫn được sử dụng cho tất cả các loại thuốc nhuộm hoạt tính bất kể nhóm hoạt tính cụ thể của chúng. Quá trình nhuộm được bắt đầu trong dung dịch trung tính, thường có thêm muối để thúc đẩy sự hấp thụ thuốc nhuộm vào cotton. Trong giai đoạn này, thuốc nhuộm không phản ứng với sợi và sự di chuyển từ sợi này sang sợi khác là có thể xảy ra. Sau đó, một lượng kiềm thích hợp được thêm vào dung dịch nhuộm để tăng độ pH. Điều này khởi đầu phản ứng giữa thuốc nhuộm và sợi theo mong muốn. Nhóm hydroxyl trong cellulose có tính axit yếu và sự hấp thụ các ion hydroxit gây ra một số phân ly, tạo thành các ion cellulosate. Chính những ion này phản ứng với thuốc nhuộm bằng phản ứng cộng hoặc thế nucleophilic. Nói chung, khả năng phản ứng của các nhóm hoạt tính với cellulose kiềm càng thấp thì nhiệt độ nhuộm cuối cùng càng cao và độ pH của dung dịch nhuộm càng cao.



Thật không may, trong điều kiện kiềm, các ion hydroxit cũng phản ứng với nhóm hoạt tính của thuốc nhuộm. Điều này tạo ra thuốc nhuộm bị thủy phân, không có khả năng phản ứng với sợi vải. Quá trình thủy phân thuốc nhuộm diễn ra chậm hơn so với phản ứng với bông trong môi trường kiềm, nhưng nó vẫn đáng kể và làm giảm hiệu quả của quá trình cố định màu. Sau khi nhuộm, thuốc nhuộm chưa phản ứng và bị thủy phân còn sót lại trong bông phải được loại bỏ bằng cách giặt kỹ. Điều này đảm bảo rằng màu sẽ không bị phai ra khỏi bông trong những lần giặt sau đó khi sử dụng. Độ bám màu của thuốc nhuộm hoạt tính đối với bông càng cao, thì việc giặt sạch thuốc nhuộm chưa bám màu khỏi vải càng khó khăn. Nhiều loại thuốc nhuộm hoạt tính đầu tiên có cấu trúc phân tử khá đơn giản và độ bám màu thấp đối với bông, do đó việc loại bỏ thuốc nhuộm bị thủy phân khỏi vải bằng cách giặt tương đối dễ dàng. Điều này không nhất thiết đúng đối với các loại thuốc nhuộm hoạt tính có cấu trúc phân tử phức tạp hơn.

Tính chất phản ứng, bảo quản và ứng dụng của thuốc nhuộm phản ứng:​

Các nhóm phản ứng của các loại thuốc nhuộm khác nhau có cấu trúc hóa học khác nhau và thể hiện phạm vi phản ứng rộng. Ban đầu chúng được chia thành hai loại nhuộm: nhuộm lạnh và nhuộm nóng, nhưng nhiều loại hiện nay nên được gọi là nhuộm ấm. Các loại thuốc nhuộm có tính phản ứng cao nhất, chẳng hạn như thuốc nhuộm phản ứng DCT, được sử dụng ở nhiệt độ thấp hơn (20-40)°C và chỉ cần kiềm yếu như NaHCO₃ hoặc Na₂CO₃ để cố định màu . Các loại thuốc nhuộm có tính phản ứng thấp hơn , chẳng hạn như thuốc nhuộm MCT, cần nhiệt độ cao hơn (80-90)°C và kiềm mạnh hơn như Na₂CO₃ cộng với NaOH . Nhiều nhà sản xuất thuốc nhuộm hiện nay bán ra thị trường một số dòng thuốc nhuộm phản ứng dành cho bông, mỗi dòng có quy trình nhuộm được khuyến nghị riêng. Dưới đây là một số ví dụ dựa trên loại nhóm phản ứng:

• Nhóm phản ứng (DCT) - Tên thương mại: (Procion MX) BASF – Khả năng phản ứng (Cao) – Nhiệt độ (25-40)°C
• Nhóm phản ứng (MCT) - Tên thương mại: (Procion H, Basilen) BASF & Cibacron (Ciba) – Khả năng phản ứng - Nhiệt độ (thấp) (80-85)°C
• Nhóm phản ứng (MFT) - Tên thương mại: (Cibacron F) Ciba - Khả năng phản ứng (Trung bình) - Nhiệt độ (40-60)°C
• Nhóm phản ứng (DCQ) - Tên thương mại: (Levafiz E) Dystar - Khả năng phản ứng (Thấp) - Nhiệt độ (50-70)°C
• Nhóm phản ứng (DFCP) - Tên thương mại: (Drimarene K) Clarient, (Levafix EA) Dystar - Khả năng phản ứng (trung bình đến cao) - Nhiệt độ (30-40)°C
• Nhóm phản ứng (VS) - Tên thương mại: (Remazol) Dystar - Khả năng phản ứng - (Trung bình) - Nhiệt độ (40-60)°C
• Nhóm phản ứng (TCP) - Tên thương mại: (Drimarene X) Clarient - Khả năng phản ứng - (Thấp) - Nhiệt độ (80-95)°C
• Nhóm phản ứng (NT) - Tên thương mại: (Kayacelon React) Nippon Kayaku - Độ phản ứng: (Trung bình đến cao) - Nhiệt độ: (100-130)°C

Các nhóm phản ứng nêu trên phản ứng trong điều kiện trung tính. Vì hầu hết các thuốc nhuộm phản ứng đều dễ bị thủy phân, nên việc xử lý và sử dụng chúng cần cẩn thận. Hầu hết chúng dễ tan trong nước và dung dịch thuốc nhuộm được pha chế theo cách thông thường bằng cách hòa tan thuốc nhuộm với nước rồi thêm nước vào. Nhiệt độ nước sử dụng phụ thuộc vào độ dễ hòa tan và khả năng phản ứng của thuốc nhuộm. Nước nóng không được khuyến khích để hòa tan các thuốc nhuộm có khả năng phản ứng cao, vì có nguy cơ thủy phân nhóm phản ứng, nhưng nó phù hợp với các thuốc nhuộm ít phản ứng hơn. Sau khi dung dịch thuốc nhuộm đã được pha chế, không thể bảo quản nó để sử dụng sau này mà không có nguy cơ thủy phân nhóm phản ứng. Điều này làm giảm khả năng cố định màu của thuốc nhuộm và đây là một vấn đề đặc biệt đối với hầu hết các thuốc nhuộm phản ứng. Tuy nhiên, các thuốc nhuộm chứa nhóm 2-sulfatoethylsulfone có thể được hòa tan trong nước trung tính ở nhiệt độ sôi mà không có nguy cơ thủy phân. Sự hình thành nhóm vinylsulfone phản ứng đòi hỏi phải thêm chất kiềm.

Thuốc nhuộm hoạt tính dùng trong in ấn thường là các loại thuốc nhuộm có độ hoạt tính thấp để hỗn hợp in có thể được bảo quản trong một thời gian ở nhiệt độ phòng mà không bị hư hỏng do thủy phân nhóm hoạt tính. Thuốc nhuộm hoạt tính có độ hoạt tính thấp và độ bám màu tương đối cao rất có giá trị khi nhuộm bằng tỷ lệ dung dịch dài, sử dụng máy tời. Nhuộm ngâm với thuốc nhuộm hoạt tính thấp ở nhiệt độ cao hơn cần thiết để cố định màu cho phép thuốc nhuộm thấm sâu hơn vào sợi bông. Đối với việc nhuộm liên tục bằng thuốc nhuộm hoạt tính, có sẵn các dạng lỏng ổn định. Mặc dù chúng chứa các chất đệm pH và chất ổn định đặc biệt để giảm thiểu phản ứng thủy phân, nhưng chúng chỉ có thời hạn sử dụng hạn chế.

Nhiều loại thuốc nhuộm hoạt tính thương mại ở dạng bột mịn, nhưng tất cả các dạng vật lý đều phải được xử lý cẩn thận. Các loại thuốc nhuộm này phản ứng với các nhóm amino trong protein trên da và niêm mạc. Hít phải bụi rất nguy hiểm và bắt buộc phải đeo khẩu trang chống bụi khi xử lý. Bột và hạt thuốc nhuộm hoạt tính đôi khi có tính hút ẩm và các thùng chứa phải được đóng kín cẩn thận. Hầu hết các loại thuốc nhuộm hoạt tính đều có thời hạn sử dụng hạn chế, sau đó có thể xảy ra sự hư hỏng. Việc chuẩn hóa và so sánh bột hoặc chất lỏng thuốc nhuộm hoạt tính không thể được thực hiện bằng quy trình đo quang phổ thông thường liên quan đến việc đo độ hấp thụ của các dung dịch chuẩn. Cả thuốc nhuộm hoạt tính và dạng thủy phân của nó đều có màu như nhau. Nhưng chỉ có dạng đầu tiên mới có khả năng phản ứng với cellulose trong quá trình nhuộm. Các kỹ thuật sắc ký thường cho phép tách và đo định lượng lượng tương đối của thuốc nhuộm hoạt tính và sản phẩm thủy phân của nó trong một loại thuốc nhuộm nhất định.

Tính chất bền màu của thuốc nhuộm hoạt tính trên sợi xenluloza:​

Nhìn chung, thuốc nhuộm hoạt tính trên sợi xenluloza cho màu nhuộm tốt với độ bền giặt và các quy trình ướt khác rất tốt. Độ bền giặt kém hơn thường là do thuốc nhuộm chưa phản ứng và bị thủy phân chưa được loại bỏ hoàn toàn khỏi vật liệu sau khi nhuộm. Có thể dễ dàng kiểm tra sự hiện diện của thuốc nhuộm chưa bám dính bằng cách ép nóng một mẫu vải ướt đã nhuộm, kẹp giữa hai miếng vải bông trắng khô. Sự chuyển màu sang vải trắng cho thấy sự hiện diện của thuốc nhuộm chưa bám dính. Điều này dễ gây ra vấn đề hơn đối với các quy trình nhuộm sâu.

Việc sử dụng thuốc nhuộm hoạt tính đang phát triển nhanh chóng, nhanh hơn bất kỳ loại thuốc nhuộm nào khác. Điều này là do các loại thuốc nhuộm này cũng cho độ bền màu khi giặt từ trung bình đến tốt, cho phép các phương pháp nhuộm tương đối đơn giản và đa dạng, đồng thời có sẵn trong nhiều màu sắc tươi sáng. Chúng đã góp phần đáng kể vào sự suy giảm của thuốc nhuộm trực tiếp cho vải cotton. Mặc dù nhìn chung độ bền màu của chúng tốt, nhưng không thể sánh bằng vải cotton nhuộm bằng thuốc nhuộm vat. Đặc biệt, độ bền màu khi tẩy trắng bằng clo và ở mức độ thấp hơn là bằng peroxide có trong các chất tẩy rửa gia dụng hiện đại, thường chỉ ở mức trung bình.

Bằng chứng về sự hình thành liên kết cộng hóa trị giữa nhóm phản ứng với cellulose:​

Khả năng bền màu tốt khi giặt của các sản phẩm nhuộm bằng thuốc nhuộm hoạt tính trên sợi xenluloza là kết quả của liên kết cộng hóa trị bền vững được hình thành giữa nhóm hoạt tính của thuốc nhuộm và polyme xenluloza. Có nhiều bằng chứng hỗ trợ cho sự hình thành liên kết thuốc nhuộm-sợi này. Sản phẩm nhuộm có khả năng chống lại sự tẩy màu bằng dung dịch pyridine nóng, một dung môi có hiệu quả trong việc loại bỏ thuốc nhuộm trực tiếp khỏi bông. Sản phẩm nhuộm bông thu được bằng thuốc nhuộm hai chức thường cho thấy sự giảm trương nở và giảm độ hòa tan trong dung dịch cuprammonium. Một phân tử thuốc nhuộm với hai nhóm hoạt tính liên kết chéo hai chuỗi xenluloza khác nhau có thể giải thích điều này. Nếu màu của sản phẩm nhuộm thu được bằng thuốc nhuộm azo-hoạt tính bị phá hủy bằng cách khử hóa học với natri hydrosulfite kiềm, chất này phân tách thuốc nhuộm azo thành hai amin thơm bậc nhất, thì amin còn lại gắn với xenluloza có thể được diazot hóa và kết hợp với một phenol thích hợp để tạo lại sợi màu. Cuối cùng, quá trình phân hủy thuốc nhuộm hoạt tính trên bông bằng vi khuẩn, làm phân giải cellulose nhưng không phá vỡ liên kết giữa thuốc nhuộm và sợi, tạo ra các sản phẩm có màu nhưng vẫn chứa thuốc nhuộm ban đầu liên kết với glucose.

Nhuộm bông theo lô bằng thuốc nhuộm hoạt tính trong kỹ thuật dệt may:​

Chuẩn bị cho quá trình nhuộm bằng thuốc nhuộm hoạt tính:​

Việc nhuộm đều màu và thấm sâu đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng vật liệu. Tất cả các hóa chất hồ vải có khả năng phản ứng với thuốc nhuộm, chẳng hạn như tinh bột hoặc polyvinyl alcohol, phải được loại bỏ khỏi vật liệu và bất kỳ dấu vết kiềm dư nào cũng phải được trung hòa đồng đều. Đun sôi kiềm kỹ để loại bỏ sáp là điều cần thiết đối với hàng hóa được nhuộm bằng thuốc nhuộm hoạt tính nhuộm lạnh vì sự thấm của thuốc nhuộm vào sợi vải khó hơn ở nhiệt độ nhuộm thấp hơn. Thuốc nhuộm hoạt tính thường cho màu sắc tươi sáng đến mức có thể không cần tẩy trắng. Sau khi loại bỏ hồ vải, hàng vải cotton màu xám đôi khi có thể được giặt và nhuộm đồng thời bằng thuốc nhuộm hoạt tính nhuộm nóng và chất tẩy rửa hiệu quả. Do tính nhạy cảm với chất tẩy trắng clo của một số thuốc nhuộm hoạt tính, cần tránh sử dụng nước có hàm lượng clo quá cao hoặc xử lý bằng chất khử như natri bisulfit hoặc thiosunfat.

Quy trình nhuộm ngấm ba bước đối với thuốc nhuộm hoạt tính:​

Quy trình nhuộm ngấm điển hình cho vật liệu xenluloza sử dụng thuốc nhuộm hoạt tính bao gồm ba bước riêng biệt;

1. Giai đoạn kiệt sức ban đầu:​

Quá trình nhuộm được bắt đầu trong dung dịch trung tính để giảm thiểu khả năng thuốc nhuộm phản ứng với cellulose. Trong giai đoạn này của quá trình nhuộm, một số thuốc nhuộm hoạt tính sẽ được sợi hấp thụ, lượng hấp thụ tùy thuộc vào độ bám dính của chúng. Thuốc nhuộm này có khả năng di chuyển để tạo ra màu nhuộm đều. Natri clorit hoặc sunfit thường được thêm vào ban đầu hoặc được thêm dần vào dung dịch nhuộm trong giai đoạn này để thúc đẩy quá trình hấp thụ thuốc nhuộm. Nhiệt độ của dung dịch nhuộm có thể được tăng dần để hỗ trợ thuốc nhuộm thấm sâu vào sợi và hỗ trợ quá trình di chuyển của thuốc nhuộm.

2. Giai đoạn cố định:​

Sau giai đoạn hấp thụ ban đầu, độ pH của dung dịch nhuộm được tăng lên bằng cách thêm hoàn toàn hoặc dần dần loại và lượng kiềm thích hợp. Điều này làm phân ly một số nhóm hydroxyl trong cellulose và các ion cellulosate ái nhân bắt đầu phản ứng với thuốc nhuộm. Quá trình cố định sau đó dẫn đến sự hấp thụ thêm thuốc nhuộm, để thiết lập lại trạng thái cân bằng nhuộm. Sự hấp thụ thuốc nhuộm từ dung dịch và phản ứng với sợi vải tiếp tục diễn ra cho đến khi không còn thuốc nhuộm nào được hấp thụ nữa. Hình ảnh minh họa sự thay đổi độ hấp thụ của dung dịch nhuộm và mức độ cố định trong quá trình nhuộm hấp thụ điển hình.

3. Giặt sau khi nhuộm:​

Vải nhuộm sau khi xả chứa thuốc nhuộm liên kết với cellulose, thuốc nhuộm đã hấp thụ nhưng chưa phản ứng, cũng như thuốc nhuộm bị thủy phân. Ngoài ra còn có kiềm và muối dư. Lượng muối này tương đối dễ loại bỏ bằng cách xả nhiều lần bằng nước lạnh rồi nước ấm. Cần phải giặt sạch càng nhiều thuốc nhuộm chưa bám dính càng tốt trước khi nhuộm. Nếu không làm vậy, sự giải phóng thuốc nhuộm này trong quá trình giặt giũ của người tiêu dùng có thể gây ra vết bẩn trên các vật liệu khác trong quá trình giặt. Một số thuốc nhuộm chưa bám dính được loại bỏ trong quá trình xả ban đầu để loại bỏ kiềm và muối. Việc giặt vải nhuộm bằng dung dịch chất tẩy rửa sôi sẽ loại bỏ phần còn lại. Cuối cùng, vải nhuộm được xả lại bằng nước ấm. Việc giặt bằng xà phòng thường phải được lặp lại đối với các vết nhuộm đậm hoặc thuốc nhuộm chưa bám dính còn sót lại phải được kết hợp với chất tạo phức cation.

Nguồn: www.textileblog.com