Khi tiếp xúc với vật liệu (sợi dệt, da, lông thú, giấy, gỗ, chiếu cói, nhựa cao phân tử
v.v.) hoặc trong môi trường nước hoặc ở dạng khô phân tán cao với nhiệt độ thích hợp, thuốc nhuộm sẽ thực hiện liên kết với vật liệu làm cho nó được giữ lại bền vững trên vật liệu với nhiều chỉ tiêu khác nhau (xử lý ướt, ánh sáng, khói lò, ma sát). Quá trình liên kết này không chỉ xảy ra ở mặt ngoài của vật liệu mà chủ yếu trên mặt các thành mao quản.
các khoang trống bên trong giữa các chùm đại phân tử của vật liệu. Quá trình này cũng không đơn thuần chỉ là các lực liên kết hoá lý (lực liên kết phân tử và lực hấp phụ) mà có trường hợp còn là quá trình hoá học, thuốc nhuộm thực hiện liên kết ion hay liên kết hoá trị với vật liệu. Tuỳ thuộc vào mỗi lớp thuốc nhuộm, mỗi loại vật liệu mà liên kết nào sẽ
trội hơn sẽ là chủ đạo, nhưng thường thì thuốc nhuộm được gắn hay được giữ trên vật liệu bằng nhiều lực liên kết cùng thực hiện đồng thời. Trong công nghệ nhuộm, in hoa quá trình tạo điều kiện cho thuốc nhuộm liên kết với vật liệu gọi là gắn màu, hãm màu, cố định, định hình v.v. tuỳ theo mỗi trường hợp cụ thể. Dưới đây là các lực liên kết của thuốc nhuộm với vật liệu thường gặp.
3.1.Liên kết ion
Liên kết này được thực hiện giữa các gốc mang màu tích điện âm của thuốc nhuộm (axit, trực tiếp) và các tâm tích điện dương của vật liệu. Những vật liệu trong điều kiện nhuộm (môi trường axit) có khả năng tích điện dương là: len, tơ tằm, xơ polyamit, da, lông thú; chúng cấu tạo từ các mạch polypeptit, chứa nhiều nhóm amin tự do, trong môi trường axit các nhóm này chuyển thành muối và phân ly làm cho vật liệu tích điện dương, có thể minh hoạ như sau:
HOOC−P−NH2 + HCl HOOC−P−NH3Cl HOOC−P−NH3Cl HOOC−P−NH3 + Cl−
ởđây P là ký hiệu mạch polypeptit.
Mặt khác trong nước phân tử thuốc nhuộm cũng phân ly và ion mang màu tích điện âm như sau:
Ar−SO3Na Ar−SO3− + Na+ Ar - gốc thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm trực tiếp.
Trong quá trình nhuộm, khi tiếp cận với vật liệu, ion âm của thuốc nhuộm sẽ bị thu hút về các tâm tích điện dương này và thực hiện liên kết ion hay còn gọi là liên kết muối như sau:
HOOC−P−NH3 + O3S−Ar HOOC−P−NH3 O3S−Ar
Nhờ có năng lượng lớn nên thuốc nhuộm liên kết với vật liệu khá mạnh, tốc độ bắt màu nhanh, phải điều chỉnh tốc độ nhuộm bằng cách điều chỉnh trị số pH của dung dịch nhuộm.
3.2. Liên kết đồng hoá trị
Liên kết này được thực hiện chủ yếu ở thuốc nhuộm hoạt tính với các loại vật liệu có chứa các nhóm hyđroxyl và nhóm amin (xơ xenlulo, len, tơ tằm, xơ polyamit, da và lông thú).
Do thuốc nhuộm hoạt tính chứa các nguyên tử cacbon hoạt động nên trong điều kiện nhuộm chúng có thể tham gia phản ứng hoá học với vật liệu theo cơ chế thế ái nhân hoặc kết hợp ái nhân tạo nên mối liên kết đồng hoá trị giữa thuốc nhuộm và vật liệu. Nhờ có liên kết đồng hoá trị nên màu của vật liệu nhuộm bằng thuốc nhuộm hoạt tính có độ bền cao với nhiều chỉ tiêu, trước hết là với xử lý ướt.
3.3. Liên kết hyđro
Liên kết hyđro được thực hiện giữa các nhóm định chức của xơ và thuốc nhuộm +
+− −
như: nhóm hyđroxyl, nhóm amin, nhóm amit và nhóm cacboxyl. Khi phân tử thuốc nhuộm tiếp cận với vật liệu ở khoảng cách cần thiết thì lực liên kết hyđro sẽ phát sinh do tương tác của các nhóm định chức với nhau. Năng lượng của một mối liên kết hyđro không lớn nhưng tổng năng lượng của nhiều liên kết hyđro của cả phân tử thuốc nhuộm với vật liệu thì đáng kể. Liên kết hyđro có vai trò quan trọng trong một số trường hợp để cố định thuốc nhuộm trên vật liệu. Thí dụ, thuốc nhuộm trực tiếp gắn màu vào xơ xenlulo và tơ
tằm chủ yếu bằng lực liên kết hyđro.
3.4. Liên kết Van der Waals
Liên kết Van der Waals được thực hiện ở hầu hết các lớp thuốc nhuộm khi tương tác với vật liệu. Tuỳ theo loại thuốc nhuộm (có cực hay không có cực) và loại vật liệu (ưa nước hay kỵ nước) và tuỳ theo mức độ tiếp cận giữa phân tử thuốc nhuộm và vật liệu mà lực liên kết phân tử sẽ là chính hay chỉ có ý nghĩa nhất định. Thí dụ, thuốc nhuộm hoàn nguyên và azo không tan, ngoài yếu tố nằm trên vật liệu ở dạng không tan, chúng được giữ lại trên xơ xenlulo chủ yếu bằng lực Van der Waals và liên kết hy đro. Liên kết Van der Waals được coi là tổ hợp của các lực hút: lưỡng cực, phân cực cảm ứng và lực phân tán London.
3.5. Lực tương tác kỵ nước
Lực này phát sinh giữa các gốc hyđrocacbon của thuốc nhuộm và vật liệu không có cực khi tiếp cận với nhau, do chúng không đẩy nhau, dễ hoà đồng vào nhau, bám dính vào nhau. Có thể coi trường hợp nhuộm các xơ tổng hợp ky nước bằng thuốc nhuộm phân tán là thí dụđiển hình. Thuốc nhuộm phân tán không tan trong nước được sản xuất ở dạng bột mịn phân tán cao, ở điều kiện nhuộm hoặc là nhiệt độ cao áp suất cao hoặc là 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.