Barwniki kwasowe, barwniki bezpośrednie i barwniki reaktywne są barwnikami rozpuszczalnymi w wodzie. Produkcja w 2001 roku wyniosła odpowiednio 30 000 ton, 20 000 ton i 45 000 ton. Jednak przez długi czas przedsiębiorstwa zajmujące się barwnikami w moim kraju poświęcały więcej uwagi rozwojowi i badaniom nad nowymi barwnikami strukturalnymi, podczas gdy badania nad przetwarzaniem barwników po produkcji były stosunkowo słabe. Powszechnie stosowane odczynniki standaryzacyjne dla barwników rozpuszczalnych w wodzie obejmują siarczan sodu (siarczan sodu), dekstrynę, pochodne skrobi, sacharozę, mocznik, sulfonian naftalenoformaldehydu itp. Te odczynniki standaryzacyjne miesza się z oryginalnym barwnikiem w odpowiednich proporcjach, aby uzyskać wymaganą wytrzymałość. Produkty te nie mogą jednak sprostać potrzebom różnych procesów drukowania i barwienia w przemyśle poligraficznym i barwiarskim. Chociaż wyżej wymienione rozcieńczalniki barwników są stosunkowo tanie, charakteryzują się słabą zwilżalnością i rozpuszczalnością w wodzie, co utrudnia ich dostosowanie do potrzeb rynku międzynarodowego i może być eksportowane jedynie jako oryginalne barwniki. Dlatego też, w procesie komercjalizacji barwników rozpuszczalnych w wodzie, ich zwilżalność i rozpuszczalność w wodzie stanowią kwestie, które wymagają pilnego rozwiązania, a odpowiednie dodatki muszą być stosowane z powodzeniem.

Zabieg zwilżalności barwnika
Mówiąc najogólniej, zwilżanie to zastąpienie cieczy (powinna to być gaz) na powierzchni inną cieczą. Dokładniej, granica faz proszku lub granulatu powinna być granicą faz gaz/ciało stałe, a proces zwilżania polega na zastąpieniu gazu na powierzchni cząstek przez ciecz (wodę). Można zauważyć, że zwilżanie jest procesem fizycznym zachodzącym między substancjami na powierzchni. W obróbce końcowej barwnika zwilżanie często odgrywa ważną rolę. Zazwyczaj barwnik jest przetwarzany do stanu stałego, takiego jak proszek lub granulat, który musi zostać zwilżony podczas użytkowania. Dlatego zwilżalność barwnika ma bezpośredni wpływ na efekt aplikacji. Na przykład, podczas procesu rozpuszczania barwnik jest trudny do zwilżenia, a jego unoszenie się na wodzie jest niepożądane. Wraz z ciągłym doskonaleniem wymagań dotyczących jakości barwników, wydajność zwilżania stała się jednym ze wskaźników pomiaru ich jakości. Energia powierzchniowa wody wynosi 72,75 mN/m w temperaturze 20℃, która maleje wraz ze wzrostem temperatury, podczas gdy energia powierzchniowa ciał stałych jest zasadniczo niezmienna, na ogół poniżej 100 mN/m. Zwykle metale i ich tlenki, sole nieorganiczne itp. są łatwe do zwilżenia na mokro, co nazywa się wysoką energią powierzchniową. Energia powierzchniowa stałych substancji organicznych i polimerów jest porównywalna do energii powierzchniowej ogólnych cieczy, co nazywa się niską energią powierzchniową, ale zmienia się wraz z rozmiarem cząstek ciała stałego i stopniem porowatości. Im mniejszy rozmiar cząstek, tym większy stopień porowatości i powierzchnia Im wyższa energia, tym rozmiar zależy od podłoża. Dlatego rozmiar cząstek barwnika musi być mały. Po przetworzeniu barwnika w procesie przemysłowym, takim jak wysalanie i mielenie w różnych mediach, rozmiar cząstek barwnika staje się drobniejszy, krystaliczność zmniejsza się, a faza krystaliczna zmienia się, co poprawia energię powierzchniową barwnika i ułatwia zwilżanie.

Obróbka rozpuszczalności barwników kwasowych
Dzięki zastosowaniu technologii małych współczynników kąpieli i ciągłego barwienia, stopień automatyzacji drukowania i barwienia jest stale ulepszany. Pojawienie się automatycznych wypełniaczy i past oraz wprowadzenie barwników ciekłych wymaga przygotowania roztworów barwiących o wysokim stężeniu i stabilności oraz past drukarskich. Jednak rozpuszczalność barwników kwasowych, reaktywnych i bezpośrednich w domowych produktach barwiących wynosi zaledwie około 100 g/l, szczególnie w przypadku barwników kwasowych. Niektóre odmiany osiągają nawet około 20 g/l. Rozpuszczalność barwnika jest związana z jego strukturą cząsteczkową. Im wyższa masa cząsteczkowa i mniej grup kwasu sulfonowego, tym niższa rozpuszczalność; w przeciwnym razie wyższa. Ponadto niezwykle ważne jest komercyjne przetwarzanie barwników, w tym metoda krystalizacji barwnika, stopień rozdrobnienia, wielkość cząstek, dodawanie dodatków itp., które wpływają na rozpuszczalność barwnika. Im łatwiej barwnik ulega jonizacji, tym wyższa jest jego rozpuszczalność w wodzie. Jednak komercjalizacja i standaryzacja tradycyjnych barwników opiera się na dużej ilości elektrolitów, takich jak siarczan sodu i sól. Duża zawartość jonów Na+ w wodzie zmniejsza rozpuszczalność barwnika. Dlatego, aby poprawić rozpuszczalność barwników rozpuszczalnych w wodzie, należy przede wszystkim unikać dodawania elektrolitów do barwników komercyjnych.

Dodatki i rozpuszczalność
⑴ Związek alkoholu i rozpuszczalnik mocznika
Ponieważ barwniki rozpuszczalne w wodzie zawierają pewną liczbę grup kwasu sulfonowego i karboksylowego, cząstki barwnika łatwo dysocjują w roztworze wodnym i niosą pewien ładunek ujemny. Po dodaniu współrozpuszczalnika zawierającego grupę tworzącą wiązania wodorowe, na powierzchni jonów barwnika tworzy się warstwa ochronna z jonów uwodnionych, która wspomaga jonizację i rozpuszczanie cząsteczek barwnika, poprawiając rozpuszczalność. Poliole, takie jak eter glikolu dietylenowego, tiodietanol, glikol polietylenowy itp., są zazwyczaj stosowane jako rozpuszczalniki pomocnicze w barwnikach rozpuszczalnych w wodzie. Ponieważ mogą one tworzyć wiązania wodorowe z barwnikiem, powierzchnia jonu barwnika tworzy warstwę ochronną z jonów uwodnionych, która zapobiega agregacji i oddziaływaniom międzycząsteczkowym cząsteczek barwnika, a także wspomaga jonizację i dysocjację barwnika.
⑵Surfaktant niejonowy
Dodanie określonego niejonowego środka powierzchniowo czynnego do barwnika może osłabić siłę wiązania między cząsteczkami barwnika i między nimi, przyspieszyć jonizację i spowodować, że cząsteczki barwnika utworzą micele w wodzie, co zapewnia dobrą dyspergowalność. Barwniki polarne tworzą micele. Cząsteczki solubilizujące tworzą sieć kompatybilizacji między cząsteczkami, aby poprawić rozpuszczalność, np. eter polioksyetylenowy lub ester. Jednakże, jeśli cząsteczka współrozpuszczalnika nie posiada silnej grupy hydrofobowej, efekt dyspersji i solubilizacji miceli utworzonej przez barwnik będzie słaby, a rozpuszczalność nie wzrośnie znacząco. Dlatego staraj się wybierać rozpuszczalniki zawierające pierścienie aromatyczne, które mogą tworzyć wiązania hydrofobowe z barwnikami. Na przykład eter polioksyetylenowy alkilofenolu, emulgator w postaci estru polioksyetylenowego sorbitanu i inne, takie jak eter polioksyetylenowy polialkilofenolu.
⑶ dyspergator lignosulfonianu
Dyspergator ma duży wpływ na rozpuszczalność barwnika. Wybór odpowiedniego dyspergatora, dopasowanego do struktury barwnika, znacznie poprawi jego rozpuszczalność. W barwnikach rozpuszczalnych w wodzie odgrywa on pewną rolę w zapobieganiu wzajemnej adsorpcji (siły van der Waalsa) i agregacji cząsteczek barwnika. Lignosulfonian jest najskuteczniejszym dyspergatorem, nad którym trwają badania w Chinach.
Struktura molekularna barwników dyspersyjnych nie zawiera silnych grup hydrofilowych, a jedynie grupy słabo polarne, dlatego charakteryzują się one słabą hydrofilowością, a ich rzeczywista rozpuszczalność jest bardzo mała. Większość barwników dyspersyjnych rozpuszcza się w wodzie jedynie w temperaturze 25°C (1–10 mg/l).
Rozpuszczalność barwników zawiesinowych związana jest z następującymi czynnikami:
Struktura molekularna
„Rozpuszczalność barwników dyspersyjnych w wodzie wzrasta wraz ze spadkiem części hydrofobowej cząsteczki barwnika i wzrostem części hydrofilowej (jakości i ilości grup polarnych). Oznacza to, że rozpuszczalność barwników o stosunkowo małej względnej masie cząsteczkowej i mniejszej liczbie grup polarnych, takich jak -OH i -NH2, będzie wyższa. Barwniki o większej względnej masie cząsteczkowej i mniejszej liczbie grup słabo polarnych charakteryzują się stosunkowo niską rozpuszczalnością. Na przykład, barwnik Disperse Red (I) o masie cząsteczkowej 321 ma rozpuszczalność mniejszą niż 0,1 mg/l w temperaturze 25°C i 1,2 mg/l w temperaturze 80°C. Barwnik Disperse Red (II) o masie cząsteczkowej 352 ma rozpuszczalność w temperaturze 25°C wynoszącą 7,1 mg/l, a rozpuszczalność w temperaturze 80°C wynosi 240 mg/l.
Dyspergator
W przypadku barwników dyspersyjnych w proszku zawartość czystych barwników wynosi na ogół od 40% do 60%, resztę stanowią dyspergatory, środki przeciwpyłowe, środki ochronne, siarczan sodu itp. Wśród nich większą część stanowią dyspergatory.
Dyspergator (środek dyfuzyjny) może powlekać drobne kryształy barwnika hydrofilowymi cząsteczkami koloidalnymi i stabilnie dyspergować je w wodzie. Po przekroczeniu krytycznego stężenia miceli, powstają również micele, co powoduje redukcję części drobnych kryształów barwnika. Po rozpuszczeniu w micelach zachodzi zjawisko tzw. „solubilizacji”, zwiększając w ten sposób rozpuszczalność barwnika. Co więcej, im lepsza jakość dyspergatora i wyższe jego stężenie, tym większa solubilizacja i efekt solubilizacji.
Należy zauważyć, że efekt solubilizacji dyspergatora na barwniki dyspersyjne o różnych strukturach jest różny i różnica ta jest bardzo duża; efekt solubilizacji dyspergatora na barwniki dyspersyjne maleje wraz ze wzrostem temperatury wody, co jest dokładnie takie samo, jak wpływ temperatury wody na barwniki dyspersyjne. Efekt rozpuszczalności jest odwrotny.
Po utworzeniu hydrofobowych cząstek kryształów barwnika dyspersyjnego i dyspergatora w hydrofilowe cząstki koloidalne, stabilność dyspersji ulegnie znacznej poprawie. Co więcej, te cząstki koloidalne pełnią rolę „dozowników” barwników w procesie barwienia. Ponieważ po wchłonięciu cząsteczek barwnika w stanie rozpuszczonym przez włókno, barwnik „przechowywany” w cząstkach koloidalnych zostanie uwolniony w odpowiednim czasie, aby utrzymać równowagę rozpuszczania barwnika.
Stan barwnika dyspersyjnego w dyspersji
1-cząsteczka dyspergująca
2-Krystalit barwnika (rozpuszczanie)
3-dyspergująca micela
4-Barwnik pojedyncza cząsteczka (rozpuszczona)
5-Barwnik ziarna
6-dyspergująca baza lipofilowa
7-dyspergująca baza hydrofilowa
8-jon sodu (Na+)
9-agregaty krystalitów barwnikowych
Jeśli jednak „spójność” między barwnikiem a dyspergatorem jest zbyt duża, „podaż” pojedynczej cząsteczki barwnika będzie opóźniona lub wystąpi zjawisko „podaży przewyższającej popyt”. W rezultacie nastąpi bezpośrednie zmniejszenie szybkości barwienia i zrównoważenie procentowego udziału barwnika, co doprowadzi do spowolnienia barwienia i uzyskania jasnego koloru.
Jak widać, przy wyborze i stosowaniu dyspergatorów należy brać pod uwagę nie tylko stabilność dyspersji barwnika, ale także jego wpływ na kolor.
(3) Temperatura roztworu barwiącego
Rozpuszczalność barwników dyspersyjnych w wodzie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury wody. Na przykład, rozpuszczalność żółcieni dyspersyjnej w wodzie o temperaturze 80°C jest 18 razy większa niż w temperaturze 25°C. Rozpuszczalność czerwieni dyspersyjnej w wodzie o temperaturze 80°C jest 33 razy większa niż w temperaturze 25°C. Rozpuszczalność błękitu dyspersyjnego w wodzie o temperaturze 80°C jest 37 razy większa niż w temperaturze 25°C. Jeśli temperatura wody przekroczy 100°C, rozpuszczalność barwników dyspersyjnych wzrośnie jeszcze bardziej.
Oto specjalne przypomnienie: rozpuszczalność barwników dyspersyjnych niesie ze sobą ukryte zagrożenia dla praktycznych zastosowań. Na przykład, gdy kąpiel barwiąca jest nierównomiernie ogrzewana, ciecz o wysokiej temperaturze przepływa do miejsca, gdzie temperatura jest niska. Wraz ze spadkiem temperatury wody, ciecz barwiąca staje się przesycona, a rozpuszczony barwnik wytrąca się, powodując wzrost ziaren kryształów barwnika i zmniejszenie rozpuszczalności. W rezultacie następuje zmniejszenie absorpcji barwnika.
(cztery) forma krystaliczna barwnika
W przypadku niektórych barwników dyspersyjnych występuje zjawisko „izomorfizmu”. Oznacza to, że ten sam barwnik dyspersyjny, ze względu na różne technologie dyspersji stosowane w procesie produkcyjnym, będzie przyjmował różne formy krystaliczne, takie jak igły, pręciki, płatki, granulki i bloki. W procesie aplikacji, zwłaszcza podczas barwienia w temperaturze 130°C, bardziej niestabilna forma krystaliczna zmieni się w bardziej stabilną.
Warto zauważyć, że bardziej stabilna forma krystaliczna charakteryzuje się większą rozpuszczalnością, a mniej stabilna – stosunkowo mniejszą. Ma to bezpośredni wpływ na szybkość i procent absorpcji barwnika.
(5) Wielkość cząstek
Ogólnie rzecz biorąc, barwniki o małych cząsteczkach charakteryzują się wysoką rozpuszczalnością i dobrą stabilnością dyspersji. Barwniki o dużych cząsteczkach charakteryzują się niższą rozpuszczalnością i stosunkowo słabą stabilnością dyspersji.
Obecnie wielkość cząstek krajowych barwników zawiesinowych wynosi na ogół 0,5–2,0 μm (Uwaga: w przypadku barwienia zanurzeniowego wymagana jest wielkość cząstek wynosząca 0,5–1,0 μm).