tiểu luận về thuốc nhuộm phân tán

Thuốc nhuộm phân tán là loại thuốc nhuộm không ion được dùng để nhuộm tất cả các loại sợi tổng hợp và cellulose acetate.. Sự phát triển của các loại thuốc nhuộm phân tán trong việc nhuộm

BÁO CÁO TIỂU LUẬN KỸ THUẬT NHUỘM-IN BÔNG

THUỐC NHUỘM PHÂN TÁN

Sinh viên thực hiện:

Trần Tuyết Sương 60502426

Bùi Thị Thơm 60502816

Nguyễn Thị Bảo Châu 60500255 Gíao viên hướng dẫn : Tiến sĩ Phạm Thành Quân

Mục Lục

1 Tổng quan về thuốc nhuộm phân tán 1

1.1 Sơ lược sự ra đời của thuốc nhuộm phân tán 1

1.2 Đặc điểm chung và cấu tạo hóa học 1

1.3 Phân loại 2

1.3.1 Thuốc nhuộm phân tán thông thường và loại có thể azo hóa sau nhuộm 2

1.3.2 Thuốc nhuộm có chứa kim loại 5

1.3.3 Thuốc nhuộm phân tán hoạt tính 5

2 Động học, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm: 6

2.1 Động học quá trình nhuộm 6

2.2 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng 7

2.2.1 Cơ chế 7

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm 7

3 Kỹ thuật nhuộm bằng thuốc nhuộm phân tán 15

3.1 Nhuộm các chế phẩm dệt từ cellulose acetate(CA) và cellulose triacetate(CT) 15

3.2 Nhuộm chế phẩm từ xơ polyamide 15

3.2.1 Phương pháp nhuộm ở áp suất thường trong thùng nhuộm Winch 15

3.2.2 Nhuộm theo phương pháp thermosol 16

3.3 Nhuộm các chế phẩm từ xơ polyester 16

3.3.1 Phương pháp nhuộm ở áp suất thường không dùng chất tải 16

3.3.2 Phương pháp nhuộm ở áp suất thường có dùng chất tải 16

3.3.3 Phương pháp nhuộm ở nhiệt độ cao và áp suất cao 16

3.3.4 Phương pháp nhuộm Thermosol 17

3.4 Nhuộm các chế phẩm dệt từ poly acrylonitrin 17

THUỐC NHUỘM PHÂN TÁN

1 Tổng quan về thuốc nhuộm phân tán

1.1 Sơ lược sự ra đời của thuốc nhuộm phân tán

Nghề nhuộm vải có lịch sử phát triển rất lâu đời Ở Trung Quốc, Ấn Độ thuốc nhộm thảo mộc đã được dùng để nhuộm vải từ xưa Sau khi thuốc nhuộm tổng hợp ra đời (1856), đã xuất hiện các xưởng nhuộm thủ công ở Châu Âu Cuối thế kỉ 19, xuất hiện các máy nhuộm thế hệ đầu tiên Từ đó đến nay, thiết bị và công nghệ nhuộm luôn được cải tiến, hiện đại hoá,

đa dạng hoá Ở Việt Nam, nghề nhuộm cũng có từ lâu đời (Nhuộm cổ truyền) Năm 1899, bắt

đầu có xưởng nhuộm của Nhà máy Dệt Nam Định do người Pháp xây dựng Sau đó, có một

số xưởng nhuộm nhỏ của người Việt như Tô Châu, Sơn Nam, Cự Doanh, len Hải Phòng, vv Sau 1960, các nhà máy: Dệt 8/3, Dệt kim Đông Xuân, Dệt Thắng Lợi, Dệt Phong Phú, Dệt Việt Thắng, Dệt Đông Á, Dệt Phước Long, Dệt Long An… đều có xưởng nhuộm Nhiều xưởng nhuộm đã được trang bị thiết bị hiện đại, nhuộm được các loại vải dệt từ xơ thiên nhiên, xơ nhân tạo và xơ tổng hợp, nhuộm được các loại vải và sợi pha từ nhiều loại xơ đạt chất lượng cao

Cotton có thể được nhuộm với thuốc nhuộm trực tiếp anion, sulphur, hoạt tính , hoàn nguyên, azo Tuy nhiên những loại thuốc nhuộm này được sử dụng rất ít cho sợi tổng hợp Thuốc nhuộm phân tán là loại thuốc nhuộm không ion được dùng để nhuộm tất cả các loại sợi tổng hợp và cellulose acetate Sự phát triển của các loại thuốc nhuộm phân tán trong việc nhuộm sợi cellulose acetate vào năm 1920 được xem là bước đột phá chính trong kĩ thuật Ngày nay loại thuốc nhuộm này chủ yếu được dùng để nhuộm sơ polyeste và quan trọng nhất

là nhuộm các loại sợi tổng hợp kỵ nước

1.2 Đặc điểm chung và cấu tạo hóa học

Định nghĩa:Thuốc nhuộm phân tán là những hợp chất không ion, không tan trong nước

ở nhiệt độ phòng và tan ít ở nhiệt độ cao nhưng lại tan tốt trong các sợi tổng hợp kỵ nước như nylon, polyeste… Có cấu tạo phân tử từ gốc azo và antraquinon và các nhóm (–OH,

-CH2OH, -NH2, - NHR, -NHR1R2, -OR), hydroxylethylamino (NHCH2CH2OH) là nhóm thế điển hình cho loại thuốc nhuộm này

Thuốc nhuộm phân tán không tan trong nước là do phân tử không chứa các nhóm có tính tan như: –SO3Na, -COONa Có kích thước phân tử nhỏ, cấu tạo không phức tạp

• Thuốc nhuộm trung tính hay bazo yếu được dùng để nhuộm các loại sợi tổng hợp như: polyamid, polyester, polyacrylonitrin, polyvinylic và các loại sợi tổng hợp khác

• Độ hòa tan trong nước rất thấp ở 250C thì độ tan chỉ khoảng 0.2-8 mg/l, còn ở

800C độ tan cũng chỉ 50-350 mg/l Độ hòa tan của thuốc nhuộm trong nước càng thấp thì càng dễ bắt màu vào sợi theo cơ chế dung dịch rắn

• Độ phân cực dao động trong khoảng 1,8- 7,7 debai Nhiệt độ nóng chảy cao

150 – 3000C Hạt thuốc nhuộm có cấu trúc tinh thể Ở dạng huyền phù kích thước hạt phân tán chủ yếu trong khoảng 0,2 – 2 µm

• Độ bền màu với ánh sáng tốt trên sợi acetate thứ cấp và sợi triacetate VD:

thuốc 1/1 SD có độ bền giặt từ 4 đến 4-5 đối với sợi acetate thứ cấp và 4-5 đến 5 đối với sợi triacetate

Quá trình nhuộm gồm các bước sau:

Thuốc nhuộm phân tán → hòa tan thuốc nhuộm trong nước → thuốc nhuộm hấp phụ lên bề mặt sợi→ thuốc nhuộm khuếch tán trên sợi

Khi nhuộm các loại sợi tổng hợp kỵ nước liên kết với các sợi chủ yếu bằng tương tác kỵ nước Lực này phát sinh giữa các gốc hydrocacbon của thuốc nhuộm và vật liệu không phân cực khi tiếp cận với nhau, do chúng không đẩy nhau, dễ hòa tan vào nhau, bám dính vào nhau Ở điều kiện nhuộm hoặc ở nhiệt độ cao, áp suất cao, hoặc gia nhiệt khô, thuốc nhuộm

sẽ tan vào các xơ kỵ nước và nhiệt dẻo này Xơ tổng hợp được xem là dung dịch rắn của thuốc nhuộm phân tán Nhờ có liên kết này mà thuốc nhuộm có độ bền màu cao với giặt

1.3 Phân loại

Theo phân lớp kỹ thuật, thuốc nhuộm phân tán có thể chia thành 3 phân nhóm sau:

• Loại thông thường và có thể diazo hóa sau nhuộm

• Loại chứa trong phân tử nguyên tử kim loại

• Loại thuốc nhộm phân tán hoạt tính, có thể liên kết với sợi bằng liên kết hóa trị

1.3.1 Thuốc nhuộm phân tán thông thường và loại có thể azo hóa sau nhuộm

Được chia thành các nhóm:

• Dẫn xuất của anthraquinon 27%

• Dẫn xuất của nitrophenylamin 5%

• Còn lại là dẫn xuất của của naftoquinon Các loại thuốc nhuộm này chiếm tất cả các gam màu từ vàng đến đen

1.3.1.1 Thuốc nhuộm gốc azo

Các dẫn xuất của monoazo aminobenzen có ái lực với axetyl cellulose và sơ tổng hợp nhiều nhất Có dạng tổng quát là :

Khi đưa vào các tác nhân A các nhóm thế tích điện âm ở vị trí ortho hay para thì sẽ làm cho thuốc nhộm tăng độ bền màu với ánh sáng trên xơ acetate và đầy đủ các gam màu từ vàng ban đầu đến da cam, đỏ tươi, đỏ sẫm, nâu đỏ, cẩm thạch và xanh lam

VD: Một số loại thuốc nhuộm phân tán điển hình gốc azo

Thuốc nhuộm CI Disperse Orange 3 cho độ bền màu tốt với ánh sáng trên sợi cellulose acetate nhưng kém bền với ánh sáng trên sợi polyester

Thuốc nhuộm CI Disperse Blue 183 cho độ bền màu với ánh sáng trên sợi polyester cao hơn nhờ có thêm nhóm CN

1.3.1.2 Thuốc nhuộm là dẫn xuất antraquinon

Dẫn xuất antraquinon thường dùng là dẫn xuất của 1-hydroxyl và 1-amino Có độ hấp thu kém hơn hợp chất azo

Màu của thuốc nhuộm phụ thuộc vào loại, số lượng, và vị trí các nhóm thế có trong phân tử antraquinon Những nhóm thế ở vị trí α- làm cho thuốc nhuộm bắt màu vào sản phẩm dệt mạnh hơn so với các nhóm thế ở vị trí β- Vị trí 1,4 sẽ cho màu sâu hơn vị trí 1, 5 hay 1, 8 Thứ tự tăng độ màu của thuốc nhuộm khi có các nhóm thế:

NO2 < Cl < Br < OH < NH2 Cho các màu sáng từ đỏ đến xanh Các dẫn xuất phức tạp của Antraquinon sẽ mở rộng

dải màu của thuốc và đồng thời cải thiện độ bền màu VD: CI Disperse Blue 73cho độ bền màu

cao trên các loại sợi acetate, triacetate và polyester

CI Disperse Orange 3

Đối với thuốc nhuộm antraquinon 1-sulphonic acids, phản ứng sulpho hóa sử dụng xúc tác thủy ngân ảnh hưởng xấu đến môi trường Do vần đề môi trường nên giá thành của loại thuốc nhuộm này tăng

1.3.1.3 Thuốc nhuộm phân tán có cấu tạo khác

Các dẫn xuất của nitro diphenylamine và các thuốc nhuộm monoarylmetin

• Dẫn xuất của nitro diphenylamine có màu vàng, đỏ Độ bền màu cao hơn và không

có hiện tượng hướng quang như azo CI Disperse Yellow 42 cho độ bền màu với ánh sáng tốt trên sợi polyester và acetate Thuốc nhuộm có kích thước phân tử lớn và mang nhóm phân cực nên cho độ bền thăng hoa tốt trên sợi cellulose triacetate và polyester

Antraquinon 1-sulphonic acid

• Thuốc nhuộm monoarylmethin =C(aryl): độ bền màu cao với ánh sáng trên xơ acetate,kém bền màu đối với xơ polyamide

Thuốc nhuộm Styryl: cho màu vàng

• Thuốc nhuộm CI Disperse Yellow 31 được dùng để nhuộm sợi acetate thứ cấp cho màu vàng lục, thuốc có thể bị thủy phân trong quá trình nhuộm do có gốc ester

• Thuốc nhuộm CI Disperse Yellow 99 cải thiện được tính thủy phân của thuốc

và có thể dùng để nhuộm sợi polyester

1.3.2 Thuốc nhuộm có chứa kim loại

Được dùng để nhuộm xơ polyamide Khả năng đều màu và che phủ kém hơn loại thông thường nhưng có độ bền với gia công ướt, ánh sáng và ma sát rất cao

Một số sản phẩm: vialon(Bayer), avilon(Ciba-Geigy), amichrome(Francolor)…

1.3.3 Thuốc nhuộm phân tán hoạt tính

Thường sử dụng để nhuộm xơ cellulose, một số ít dùng để nhuộm len,tơ tằm, polyamide

Đặc điểm: không chứa nhóm cho tính tan ở phần mang màu nhưng có chứa nhóm phản ứng Khi nhuộm nó thực hiện liên kết hóa trị với xơ và nằm lại trên xơ dạng không tan trong nước và liên kết hóa trị với xơ

Phân loại:

• Loại chứa nhóm epoxy để nhuộm polyamide có công thức tổng quát:

• Loại procynilon (ICI sản xuất) có công thức tổng quát sau:

• Loại levafix (Bayer sản xuất): lúc đầu thuốc nhuộm hòa tan trong nước nhờ có nhóm sunfonat Trong quá trình nhuộm, nhóm này sẽ tách để liên kết với xơ vừa theo cơ chế của thuốc nhuộm hoạt tính, vừa theo cơ chế của thuốc nhuộm phân tán

2 Động học, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm:

2.1 Động học quá trình nhuộm

có 4 giai đoạn

Tốc độ nhuộm khá nhạy cảm đối với sự thay đổi của nhiều biến số Chúng bao gồm độ khuấy trong bể nhuộm, dung tỉ, loại và cấu trúc của chất liệu, nhiệt độ nhuộm, pH, nồng độ của các chất trợ nhuộm cũng như khả năng tiếp cận của thuốc nhuộm

- Giai đoạn 1 : Các phân tử thuốc nhuộm khuếch tán trong dung dịch, từ dung dịch đến bề mặt

xơ sợi Thuốc nhuộm phải di chuyển hoặc phân tán trong nước nhuộm để có thể tương tác với vật liệu nhuộm

- Giai đoạn 2 : Thuốc nhuộm hấp phụ lên mặt ngoài của xơ sợi Thuốc nhuộm bị lôi cuốn đến

xơ và ở lại trên bề mặt xơ

- Giai đoạn 3 : Thuốc nhuộm khuếch tán từ mặt ngoài xơ vào bên trong xơ theo đường các mao quản Thuốc nhuộm trên bề mặt xơ tạo nên sự chênh lệch nồng độ với bên trong xơ hình thành lực khuếch tán thuốc nhuộm vào trong xơ Trong suốt quá trình khuếch tán, thuốc nhuộm di chuyển từ nơi này sang nơi khác trên xơ Tuy nhiên nếu thuốc nhuộm di chuyển quá

dễ dàng sẽ dẫn đến độ bền giặt thấp

- Giai đoạn 4 : Thuốc nhuộm hấp phụ lên thành các mao quản

Người ta xem giai đoạn 1 và giai đoạn 2 xảy ra rất nhanh, nếu điều kiện khuấy tan tốt thì chỉ trong vòng vài phút đầu thuốc nhuộm đã trải đều trên mặt vải Giai đoạn 4 là giai đoạn hấp phụ, khi thuốc nhuộm vào các tâm xơ hoặc lõi xơ thì quá trình hấp phụ diễn ra rất nhanh Chỉ

có giai đoạn 3 là khó khăn nhất, giai đoạn này sẽ giúp chung ta quyết định tốc độ nhuộm , thời gian nhuộm và các chỉ tiêu kinh tế Vì vậy, khi thiết lập quy trình công nghệ nhuộm người ta

cố gắng rút ngắn giai đoạn 3 để bảo đảm rút ngắn thời gian nhuộm

Thực tế cho thấy rằng toàn bộ quá trình nhuộm xảy ra rất chậm, sau 1 giờ hoặc lâu hơn Trong 4 giai đoạn trên thì quá trình khuyếch tán và hấp phụ vào bề mặt ngoài của xơ thì xảy ra chỉ trong vài giây khi dung dịch được khuấy đảo nhiều, còn quá trình thuốc nhuộm liên kết với xơ cũng xảy ra nhanh , vì vậy giai đoạn quyết định tốc độ nhuộm chính là giai đoạn khuyếch tán thuốc nhuộm từ bề mặt ngoài xơ vào bên trong mao quản của xơ Các ion hay phân tử thuốc nhuộm đã hấp phụ lên bề mặt xơ sẽ tiếp tục khuyếch tán sâu vào trong lõi xơ, nên cân bằng mới vừa thiết lập giữa nồng độ thuốc nhuộm trêm mặt xơ và ngoài dung dịch bị phá vỡ để thiết lập nên cân bằng mới, cân bằng mới tái lập gần như là tức thời, cứ như vậy trong quá trình nhuộm, nồng độ thuốc nhuộm trên mặt xơ sẽ giảm đi cùng với sự giảm nồng

độ thuốc nhuộm trong bể nhuộm

2.2 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng

2.2.1 Cơ chế

Cơ chế dung dịch rắn: Trong dung dịch nhuộm, khi các hạt thuốc nhuộm phân tán không tan trong nước tiếp xúc với các xơ ghét nước thì không xảy ra quá trình khuếch tán các phân

tử thuốc nhuộm từ bề mặt vào các mao quản của xơ, mà đơn giản là xảy ra quá trình hòa tan bởi các xơ kị nước Hạt thuốc nhuộm rắn được lôi cuốn đến bề mặt xơ và hình thành một lớp thuốc nhuộm trên bề mặt Hạt thuốc nhuộm sau đó phân tán vào xơ bằng quá trình phân tán hạt rắn để hình thành dạng dung dịch rắn Xơ trong trường hợp này coi như dung môi rắn, nó hòa tan các hạt thuốc nhuộm không tan trong nước Thuốc nhuộm phân bố giữa xơ và nước cân bằng với độ tan của nó trong hai pha

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm

Người ta cũng thấy rằng, các loại sợi dệt có khả năng hút ẩm khác nhau không chỉ do chúng chứa các nhóm ưa nước khác nhau mà còn do kích thước các mao quản của chúng Kích thước đó phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường bên ngoài và sẽ đạt trị số lớn nhất khi vật liệu ướt hoàn toàn Khi thiết lập quy trình công nghệ nhuộm, chúng ta phải tìm mọi cách để cho xơ sợi ở trạng thái trương nở tốt nhất để dễ dàng cho quá trình nhuộm Đặc biệt, sợi Acetate và các sợi tổng hợp là những loại sợi kỵ nước nên phải dùng công nghệ riêng cho những loại sợi này

Quá trình nhuộm xơ tổng hợp bằng thuốc nhuộm phân tán phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng quan trọng hơn cả là cấu trúc của xơ, kích thước của phân tử thuốc nhuộm và nhiệt độ gia công Những xơ có mật độ các phân tử càng cao, cấu trúc càng chặt chẽ và tỷ lệ các phần tinh thể càng lớn thì càng khó nhuộm bằng thuốc nhuộm phân tán, càng yêu cầu điều kiện nhuộm phức tạp hơn Ngược lại, những xơ nào tuy ghét nước nhưng có phần vô định hình nhiều hơn, nghĩa là xốp hơn thì càng dễ nhuộm Còn về kích thước hạt thuốc nhuộm thì cũng

vì lý do không hoà tan trong nước nên thuốc nhuộm phân tán càng có kích thước nhỏ và ở trạng thái phân tán càng cao thì chúng càng dễ khuếch tán vào xơ Trong quá trình nhuộm, nếu một dạng hạt nào được khuếch tán vào trong xơ (hạt nhỏ đi trước), cân bằng động dung dịch bị phá vỡ lập tức các hạt thuốc nhuộm có kích thước lớn hơn sẽ bị tách ra giải phóng các hạt đơn, các hạt đơn này đi vào trong lõi xơ sợi để tác lập lại cân bằng ở trạng thái mới Nếu

như các yếu tố, điều kiện nhuộm không thay đổi thì quá trình nhuộm cứ thế thực hiện cho đến khi đạt được cân bằng

Vì vậy, để tăng tốc độ nhuộm và độ tận trích người ta thường kết hợp nhiều biện pháp với nhau Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình nhuộm: nhiệt độ, chất trợ phân tán, chất mang, pH và chất trợ nhuộm

2.2.2.1 Nhiệt độ

a/ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến xơ

Mức độ hấp phụ thuốc vào xơ phụ thuộc vào nhiệt độ nhuộm Mô hình thể tích tự do giải thích ảnh hưởng của nhiệt độ Mô hình cho rằng phân tử thuốc nhuộm phải có kích thước phù hợp với khe trống giữa các xơ để nó có thể di chuyển và phân tán vào trong xơ Ở nhiệt

độ thấp, phần tử xơ bị thụ động tại các vị trí xơ dạng vô định hình, ở đó có ít khe trống đủ lớn

để có thể phân tán phân tử thuốc nhuộm Nhiệt độ tăng làm thể tích riêng của xơ tăng nhưng

sự chuyển động của phân tử polyme vẫn được giới hạn trong lực liên kết phân tử Khi nhiệt

độ tăng đến nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg), độ dốc đường biểu diễn tăng Khi qua Tg, các đoạn phân tử polymer bắt đầu xoay tạo ra các khoảng trống để phân tử thuốc nhuộm có thể phân tán Khi nhiệt độ càng tăng thên nữa, các phân đoạn càng chuyển động và thể tích riêng càng tăng với tốc độ lớn hơn Vì vậy, nhiệt độ để nhuộm các loại xơ tổng hợp luôn cao hơn nhiệt độ Tg

Nhiệt độ nhuộm điển hình của thuốc nhuộm phân tán

Cellulose Acetate 85 – 900C Cellulose Triacetate 1150C