Красители

Пряжа, сохнущая после крашения

Краси́тели — химические соединения, обладающие способностью интенсивно поглощать и преобразовывать энергию электромагнитного излучения в видимой и в ближних ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра и применяемые для придания этой способности другим телам. Само слово «краситель» происхождением своим обязано А. Е. Порай-Кошицу.

Отличительная особенность красителя — способность пропитывать окрашиваемый материал (например текстиль, бумагу, мех, волосы, кожу, древесину, пищу — пищевые красители) — процессы диффузии и давать цвет по всему его объёму, фиксируясь тем или иным способом на активных центрах — процессы сорбции.

Термины «краситель» и «пигмент», хотя их часто используют как равнозначные, обозначают четко различающиеся функции при окрашивании материалов. Красители растворимы в красильной среде (растворителе). В процессе окрашивания они проникают внутрь материала и образуют более или менее прочную связь с волокнами. Пигменты нерастворимы. В краске они находятся в связующем (олифе, нитроцеллюлозе и др.) и свойства краски зависят больше от связующего, чем от пигмента. Связь с окрашиваемым материалом обеспечивает связующее.

Красители обычно — органические вещества. Пигменты большей частью — мелкая дисперсия минералов.

Классификация красителей

Технологи, занимающиеся крашением, классифицируют красители по применению. Специалисты-химики, занимающиеся синтезом красителей и изучающие взаимосвязи между структурой и свойствами веществ, классифицируют красители по химической структуре. Так как термин «крашение» не охватывает всех способов придания цвета текстильным и другим материалам, более удобен термин «колорирование».

По применению для колорирования различных типов волокон

В текстильной промышленности обычно используются красители восьми основных классов. Первые четыре класса красителей (прямые или субстантивные, сернистые, активные и кубовые) используются в основном для крашения целлюлозных волокон, например хлопковых и вискозных. Кислотные и активные используются для крашения шерсти и полиамида, дисперсные также для окраски полиамида и полиэфирных материалов, катионные-основные используют для окраски полиакрилонитрила. Для крашения шерсти применяются также кислотные металлокомплексные красители, которые обладают более высокой прочностью окраски и светопрочностью.

Краткая характеристика классов красителей

Наименее прочную окраску на целлюлозных волокнах дают прямые красители. Это связано с тем, что они присоединяются к волокну слабыми водородными и ионными связями. Такого типа связи разрушаются уже при действии воды или растворов мыла при 30-40°С. Для увеличения устойчивости окраски к мокрым обработкам ткань, окрашенную прямыми красителями обрабатывают растворами специальных закрепителей — водорастворимых полимеров, которые, присоединяясь к волокну, препятствуют отделению от него молекул красителя. Величина сродства прямых красителей к волокну связана с размером и формой их молекулы. Молекулы прямых красителей компланарны и имеют весьма большую длину. Кроме этого имеет значение совпадение расстояния между сульфогруппами в молекуле красителя и гидроксигруппами соседних звеньев макромолекулы целлюлозы. Крашение прямыми красителями производят чаще по периодическому способу. Для облегчения присоединения красителей к целлюлозному волокну в красильную ванну вводят 1-2 % кальцинированной соды (карбоната натрия) и 5-20 % поваренной соли (хлорида натрия)от массы окрашиваемого материала.

Активные (Реактивные) красители придают целлюлозному волокну наиболее прочную окраску за счет образования химической связи волокна с красителем. Молекула активного красителя состоит из хромофора — части, придающей красителю цвет, и активной группы, которая в условиях крашения реагирует с гидроксильной группой целлюлозы. Однако, в процессе крашения, а также при долгом хранении красителя часть активных групп вступает в конкурирующую реакцию с водой или с влагой воздуха и гидролизуется, утрачивая свою химическую активность. Таким образом для достижения прочной окраски необходимо по окончании крашения удалить с волокна гидролизованный краситель с помощью кипячения в растворе ПАВ. Химическое строение активной группы определяет температурные условия режима крашения. Так, например трихлортриазиновые красители окрашивают целлюлозное волокно уже при 20-30°С, винилсульфоновые — при 60°С, а монохлортриазиновые при 80°С. Молекулы активных красителей в противоположность молекулам прямых красителей невелики и компактны. Они содержат большое количество сульфогрупп, что придаёт им высокую растворимость в воде (100 г/л) и довольно низкое сродство к целлюлозному волокну. Поэтому использование их в периодическом способе крашения возможно только при высоком содержании нейтрального электролита (поваренной соли) в красильной ванне — до 70-80 г/л. С другой стороны активные красители более широко применяются в непрерывных способах крашения — плюсовочно-накатном (холодном), плюсовочно-запарном и плюсовочно-термофиксационном. Сущность этих способов крашения состоит в пропитке ткани концентрированным раствором активного красителя до требуемой величины привеса и химической фиксации красителя в первом случае выдерживанием при комнатной температуре во влажном состоянии определенное время, в двух других случаях обработкой перегретым паром или горячим воздухом. После крашения текстильный материал также следует подвергнуть воздействию раствора ПАВ для удаления гидролизованного красителя.

Следующим классом красителей, придающим целлюлозным волокнам прочную окраску являются кубовые красители. Прочность окраски в этом случае изначально обусловлена их нерастворимостью в воде, ввиду отсутствия в молекулах йонных функциональных групп. Для придания кубовым красителям растворимости необходимо содержащиеся в их молекулах карбонильные группы восстановлением в щелочной среде перевести в енольные. Енольные формы красителей являются лейкосоединениями и обладают сродством к целлюлозным волокнам. После окончания процесса крашения лейко-соединения кубовых красителей окисляют в волокне до исходной нерастворимой хинонной формы. Не окисленную часть красителя удаляют с волокна обработкой кипящим раствором ПАВ. Высокая прочность окрасок кубовыми красителями к мокрым обработкам обусловлена также значительной величиной их молекул, а очень хорошая светостойкость связана с полицикличностью и ароматичностью их химического строения.

Ввиду того, что процесс крашения кубовыми красителями весьма трудоёмок из-за дополнительной стадии перевода красителя в растворимую форму, были разработаны их водорастворимые производные - кубозоли(СССР). Кубозоли представляют собой  натриевые соли кислых сернокислых эфиров лейкосоединений кубовых красителей. Они хорошо растворимы в воде и, соответственно обладают существенно меньшим сродством к целлюлозным и белковым волокнам. Это позволяет получать более равномерные окраски слабых и средних интенсивностей. Под действием кислот и окислителей кубозоли на волокне переходят в нерастворимую форму исходных кубовых красителей. 

Другим вариантом удобных в применении водорастворимых красителей "кубовой" природы являются разработанные в СССР в 1980-х гг. кубогены. Кубогены представляют собой производные ароматической карбоновой кислоты, которые под действием восстановителей, например ронгалита, превращаются в окрашенные полициклические, нерастворимые в воде соединения. Это превращение проводят непосредственно на волокне при крашении и печати. Образующиеся окраски алых, красных, фиолетовых и синих цветов обладают яркостью, чистотой тона и высокой устойчивостью к свету и мокрым обработкам на уровне лучших кубовых красителей.

При запекании или варке некоторых ароматических соединений (аминов, фенолов, нитросоединений, толуидинов) с серой или с водными растворами сульфида натрия образуются сернистые красители. Сернистые красители не растворимы в воде, но при восстановлении сульфидом натрия в щелочной среде превращаются в водорастворимые лейко-соединения, способные сорбироваться целлюлозным волокном. По окончании процесса крашения лейко-соединения сернистых красителей на волокне окисляются кислородом воздуха с образованием исходной не растворимой формы. Цветовая гамма сернистых красителей ограничена, в основном неяркими жёлтыми, оранжевыми, коричневыми, синими, зелеными и чёрными цветами. Устойчивость окраски к мокрым обработкам и к свету у сернистых красителей высокая. Применяются для крашения х/б, вискозных и пэ/целлюлозных волокон, пряжи и тканей.

Для крашения белковых волокон (шерсти, натурального шёлка), полиамида, а также кожи и бумаги применяются кислотные красители. Они хорошо растворимы в воде, так как содержат сульфо- или карбоксильные группы. Вследствие наличия в макромолекулах белковых волокон амино- и карбоксильных групп, они обладают амфотерными свойствами. В кислой среде анионы кислотных красителей могут сорбироваться на положительно заряженных аминогруппах волокна с образованием йонных связей.  Кислотные красители, в зависимости от своего химического строения обладают разной способностью к выравниванию окрасок в условиях крашения. При увеличении сродства красителя к волокну понижается его диффузионная способность и повышается устойчивость окрасок к мокрым обработкам. Соответственно красители с высоким сродством оказываются плохо ровняющими, а с низким сродством хорошо ровняющими. Для достижения ровных окрасок кислотными красителями  в красильную ванну необходимо введение выравнивателей.

Для крашения гидрофобных волокон, например полиэфирных, полиамидных и ацетатных, иногда полиакрилонитрильных, применяются дисперсные красители. Это неионные красители, используемые в виде высокодисперсных водных суспензий. Их растворимость в воде, вследствие отсутствия сульфо- и карбоксильных групп, ограничивается несколькими мг красителя в л. Молекулы дисперсных красителей имеют небольшие размеры (молярная масса до 500). Это способствует проникновению красителя в результате диффузии вглубь достаточно плотно упакованного синтетического волокна с образованием твердого раствора в полимере. Краситель удерживается в волокне силами Ван-дер-Ваальса, либо водородными связями. Дисперсные красители - единственный класс красителей, пригодный для окрашивания полиэфирных и ацетатных волокон. Процесс крашения проводят в присутствии 1-2 г/л неионногенного ПАВ. По периодическому способу полиамидное волокно окрашивают при 98-100°С, полиэфирное при 130°С под давлением, вследствие более плотной упаковки его макромолекул. Устойчивость окрасок к мокрым обработкам дисперсными красителями на полиамидном волокне довольно низка, на полиэфирном волокне - напротив высокая. В соответствии с этим, например, при крашении смесей хлопок/полиамид используются прямые и дисперсные красители, если требования по прочности окраски не высоки. И, напротив, крашение смесей хлопок/полиэфир, в случае повышенных требований к устойчивости окраски, выполняется активными и дисперсными красителями. 

Существуют также классы красителей используемые для окрашивания растворителей пластмасс, прозрачных лаков, например, жирорастворимые красители используются для окраски бензина, масел и полистирола, также имеются спирто- и ацетонорастворимые красители используемые для окрашивания прозрачных лаков.

Отдельно стоят пигменты, хотя они могут быть близки к красителям по структуре и методам получения, но отличаются очень плохой растворимостью в окрашиваемой среде, поэтому они требуют измельчения до размера частиц не более нескольких микрометров. Красящая сила пигментов зависит от размера их частиц и резко возрастает с уменьшением среднего размера частиц дисперсии. Пигменты могут быть органическими и неорганическими.

Для окрашивания изделий из полимерных материалов чаще всего используются в виде суперконцентратов см. Суперконцентраты

По химической структуре

Красителей и пигменты имеют разнообразное строение. Однако свыше половины всех красителей можно классифицировать как азокрасители и антрахиноновые красители.

По природе хромофорных групп, можно выделить такие группы красителей: [1]

• Акридиновые красители, производные акридина
• Антрахиноновые красители, производные антрахинона
• Арилметановые красители
  • Диарилметановые красители, основанные на дифенилметане
  • Триарилметановые красители, производные трифенилметана
• Азокрасители, основанные на группе -N=N-
  • Судановые красители
• Цианиновые красители, производные фталоцианина
• Диазонидные красители, производные солей диазония
• Нитро красители, основанные на -NO₂ нитрогруппе
• Нитрозо красители, основанные на -N=O нитрозной группе
• Фталоцианиновые красители, производные фталоцианина
• Хинон-иминовые красители, производные хинона
  • Азиновые красители
    • Юрходиновые красители
    • Сафраниновые красители, производные сафранина
  • Индамины
  • Индофеноловые красители, производные индофенола
  • Оксадиновые красители, производные оксазина
  • Оксазоновые красители, производные оксазона
  • Тиазиновые красители, поизводные тиазина
• Тиазоловые красители, производные тиазола
• Ксантеновые красители, производные ксантена
  • Флуореновые красители, производные флуорена
    • Пирониновые красители
  • Флуороновые красители, основанные на флуороне
    • Родаминовые красители, производные родамина

Источник

www.chemport.ru

Литература

• Менделеев Д.И., Лидов А.П., Краски органические естественные // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.  (Проверено 18 апреля 2011)
• Менделеев Д.И., Гемилиан В. А., Краски органические искусственные // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.  (Проверено 18 апреля 2011)
• Менделеев Д.И., Лидов А.П., Краски минеральные // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.  (Проверено 18 апреля 2011)
• Петрушевский Ф. Ф., Краски, употребляемые для живописи // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.  (Проверено 18 апреля 2011)

• Химическая технология текстильных материалов : [Учеб. для вузов по спец. «Хим.-технология и оборуд. отделоч. пр-ва»] / Г. Е. Кричевский, М. В. Корчагин, А. В. Сенахов ; Под ред. Г. Е. Кричевского, 640 с. ил. 22 см, М. Легпромбытиздат 1985
• Венкатараман К., Химия синтетических красителей, пер. с англ., т.1-6, Л., 1956-77.

Ссылки

• Красители в восточных коврах