Кислотные, прямые и реактивные красители — все это водорастворимые красители. В 2001 году их производство составило 30 000 тонн, 20 000 тонн и 45 000 тонн соответственно. Однако в течение долгого времени предприятия по производству красителей в нашей стране уделяли больше внимания разработке и исследованию новых структурных красителей, в то время как исследования в области постобработки красителей были относительно слабыми. К обычно используемым стандартизирующим реагентам для водорастворимых красителей относятся сульфат натрия (сульфат натрия), декстрин, производные крахмала, сахароза, мочевина, нафталинформальдегидсульфонат и др. Эти стандартизирующие реагенты смешиваются с исходным красителем в пропорции для получения требуемой интенсивности цвета, но они не могут удовлетворить потребности различных процессов печати и крашения в полиграфической и красильной промышленности. Несмотря на то, что вышеупомянутые разбавители для красителей относительно недороги, они обладают плохой смачиваемостью и растворимостью в воде, что затрудняет их адаптацию к потребностям международного рынка и позволяет экспортировать их только в виде исходных красителей. Поэтому при коммерциализации водорастворимых красителей необходимо срочно решить вопросы смачиваемости и растворимости в воде, и следует полагаться на соответствующие добавки.

Обработка для повышения смачиваемости красителем
В общих чертах, смачивание — это замещение жидкости (должно быть газом) на поверхности другой жидкостью. В частности, граница раздела порошка или гранул должна представлять собой границу раздела газ/твердое тело, и процесс смачивания происходит, когда жидкость (вода) замещает газ на поверхности частиц. Таким образом, смачивание — это физический процесс между веществами на поверхности. В постобработке красителей смачивание часто играет важную роль. Как правило, краситель перерабатывается в твердое состояние, например, в порошок или гранулы, которые необходимо смачивать во время использования. Следовательно, смачиваемость красителя напрямую влияет на эффективность применения. Например, в процессе растворения краситель плохо смачивается и плавает на поверхности воды, что нежелательно. В связи с постоянным повышением требований к качеству красителей, смачиваемость стала одним из показателей качества красителей. Поверхностная энергия воды составляет 72,75 мН/м при 20℃ и уменьшается с повышением температуры, в то время как поверхностная энергия твердых тел практически не изменяется и обычно составляет менее 100 мН/м. Металлы и их оксиды, неорганические соли и т. д. обычно легко смачиваются, что называется высокой поверхностной энергией. Поверхностная энергия твердых органических веществ и полимеров сопоставима с поверхностной энергией обычных жидкостей, что называется низкой поверхностной энергией, но она изменяется в зависимости от размера частиц твердого вещества и степени пористости. Чем меньше размер частиц, тем выше степень образования пор, и чем выше поверхностная энергия, тем больше размер частиц, зависящий от подложки. Поэтому размер частиц красителя должен быть малым. После обработки красителя промышленными методами, такими как высаливание и измельчение в различных средах, размер частиц красителя становится мельче, кристалличность снижается, и происходит изменение кристаллической фазы, что повышает поверхностную энергию красителя и облегчает смачивание.

Обработка кислотных красителей для повышения их растворимости
Благодаря использованию малого соотношения компонентов красильной ванны и технологии непрерывного крашения, степень автоматизации печати и крашения постоянно повышается. Появление автоматических наполнителей и паст, а также внедрение жидких красителей требуют приготовления высококонцентрированных и высокостабильных красильных растворов и печатных паст. Однако растворимость кислых, реактивных и прямых красителей в отечественных красильных продуктах составляет всего около 100 г/л, особенно для кислых красителей. У некоторых сортов она достигает даже около 20 г/л. Растворимость красителя зависит от его молекулярной структуры. Чем выше молекулярная масса и чем меньше сульфокислотных групп, тем ниже растворимость; в противном случае — тем выше. Кроме того, чрезвычайно важна коммерческая обработка красителей, включая метод кристаллизации, степень измельчения, размер частиц, добавление присадок и т. д., которые влияют на растворимость красителя. Чем легче краситель ионизируется, тем выше его растворимость в воде. Однако коммерциализация и стандартизация традиционных красителей основаны на использовании большого количества электролитов, таких как сульфат натрия и соли. Большое количество ионов Na+ в воде снижает растворимость красителя в воде. Поэтому для улучшения растворимости водорастворимых красителей сначала не добавляют электролиты к коммерческим красителям.

Добавки и растворимость
⑴ Спиртосодержащее соединение и сорастворитель на основе мочевины
Поскольку водорастворимые красители содержат определенное количество сульфокислотных и карбоксильных групп, частицы красителя легко диссоциируют в водном растворе и несут определенное количество отрицательного заряда. При добавлении сорастворителя, содержащего группу, образующую водородные связи, на поверхности ионов красителя образуется защитный слой гидратированных ионов, который способствует ионизации и растворению молекул красителя, улучшая растворимость. В качестве вспомогательных растворителей для водорастворимых красителей обычно используются полиолы, такие как диэтиленгликолевый эфир, тиодиэтанол, полиэтиленгликоль и др., поскольку они могут образовывать водородные связи с красителем, на поверхности иона красителя образуется защитный слой гидратированных ионов, который предотвращает агрегацию и межмолекулярное взаимодействие молекул красителя и способствует ионизации и диссоциации красителя.
⑵Неионогенное поверхностно-активное вещество
Добавление определенного неионогенного поверхностно-активного вещества к красителю может ослабить силу связывания между молекулами красителя и между молекулами, ускорить ионизацию и заставить молекулы красителя образовывать мицеллы в воде, обладающие хорошей диспергируемостью. Полярные красители образуют мицеллы. Солюбилизирующие молекулы образуют сеть компатибилизации между молекулами для улучшения растворимости, например, полиоксиэтиленовый эфир или сложный эфир. Однако, если молекула сорастворителя не имеет сильной гидрофобной группы, эффект диспергирования и солюбилизации мицелл, образующихся из красителя, будет слабым, и растворимость не увеличится значительно. Поэтому следует выбирать растворители, содержащие ароматические кольца, способные образовывать гидрофобные связи с красителями. Например, алкилфенолполиоксиэтиленовый эфир, полиоксиэтиленсорбитановый эфир эмульгатора и другие, такие как полиалкилфенилфенолполиоксиэтиленовый эфир.
⑶ диспергатор лигносульфоната
Диспергирующий агент оказывает большое влияние на растворимость красителя. Выбор подходящего диспергирующего агента в соответствии со структурой красителя значительно способствует улучшению его растворимости. В случае водорастворимых красителей он играет определенную роль в предотвращении взаимной адсорбции (сил Ван дер Ваальса) и агрегации молекул красителя. Лигносульфонат является наиболее эффективным диспергирующим агентом, и исследования в этой области проводятся в Китае.
Молекулярная структура дисперсных красителей не содержит сильных гидрофильных групп, а только слабополярные, поэтому они обладают лишь слабой гидрофильностью, и их фактическая растворимость очень мала. Большинство дисперсных красителей растворяются в воде только при температуре 25℃ в концентрации 1–10 мг/л.
Растворимость дисперсных красителей зависит от следующих факторов:
Молекулярная структура
«Растворимость дисперсных красителей в воде увеличивается по мере уменьшения гидрофобной части молекулы красителя и увеличения гидрофильной части (качества и количества полярных групп). Иными словами, растворимость красителей с относительно небольшой относительной молекулярной массой и большим количеством слабых полярных групп, таких как -OH и -NH2, будет выше. Красители с большей относительной молекулярной массой и меньшим количеством слабополярных групп имеют относительно низкую растворимость. Например, дисперсный красный (I) имеет молекулярную массу M=321, его растворимость составляет менее 0,1 мг/л при 25℃ и 1,2 мг/л при 80℃. Дисперсный красный (II) имеет молекулярную массу M=352, его растворимость при 25℃ составляет 7,1 мг/л, а при 80℃ — 240 мг/л.»
Диспергант
В порошкообразных дисперсных красителях содержание чистых красителей обычно составляет от 40% до 60%, а остальное — диспергаторы, пылезащитные агенты, защитные вещества, сульфат натрия и т. д. При этом на диспергаторы приходится большая доля.
Диспергирующий агент (диффузионный агент) может покрывать мелкие кристаллические зерна красителя, превращая их в гидрофильные коллоидные частицы и обеспечивая их стабильное диспергирование в воде. После превышения критической концентрации мицелл образуются мицеллы, которые уменьшают количество мельчайших кристаллических зерен красителя. Растворенные в мицеллах, они вызывают так называемое явление «солюбилизации», тем самым повышая растворимость красителя. Более того, чем лучше качество диспергирующего агента и чем выше его концентрация, тем сильнее солюбилизация и солюбилизирующий эффект.
Следует отметить, что солюбилизирующий эффект диспергатора на дисперсные красители различной структуры различен, и эта разница очень велика; солюбилизирующий эффект диспергатора на дисперсные красители уменьшается с повышением температуры воды, что в точности совпадает с влиянием температуры воды на дисперсные красители. Эффект растворимости противоположен.
После того, как гидрофобные кристаллические частицы дисперсного красителя и диспергирующего агента образуют гидрофильные коллоидные частицы, стабильность дисперсии значительно улучшается. Более того, эти коллоидные частицы красителя играют роль «поставщика» красителя в процессе окрашивания. Потому что после того, как молекулы красителя в растворенном состоянии абсорбируются волокном, краситель, «накопленный» в коллоидных частицах, высвобождается вовремя, поддерживая баланс растворения красителя.
Состояние дисперсного красителя в дисперсии
1-диспергирующая молекула
2-кристаллит красителя (растворение)
3-дисперсантная мицелла
4-молекулярный краситель (растворенный)
5-красильное зерно
6-дисперсантное липофильное основание
7-дисперсантное гидрофильное основание
8-ион натрия (Na+)
9-агрегаты кристаллитов красителя
Однако, если «связь» между красителем и диспергатором слишком велика, «поступление» отдельных молекул красителя будет отставать, или возникнет явление «поступление превышает спрос». Следовательно, это напрямую снизит скорость окрашивания и балансировку процента окрашивания, что приведет к медленному окрашиванию и светлому цвету.
Как видно, при выборе и использовании диспергаторов следует учитывать не только дисперсионную стабильность красителя, но и его влияние на цвет красителя.
(3) Температура красящего раствора
Растворимость дисперсных красителей в воде увеличивается с повышением температуры воды. Например, растворимость дисперсного желтого в воде при 80 °C в 18 раз выше, чем при 25 °C. Растворимость дисперсного красного в воде при 80 °C в 33 раза выше, чем при 25 °C. Растворимость дисперсного синего в воде при 80 °C в 37 раз выше, чем при 25 °C. Если температура воды превышает 100 °C, растворимость дисперсных красителей увеличится еще больше.
Важно помнить: это свойство растворения дисперсных красителей таит в себе скрытые опасности при практическом применении. Например, при неравномерном нагреве красящего раствора, раствор с высокой температурой перемещается в область с низкой температурой. По мере снижения температуры воды красящий раствор становится пересыщенным, и растворенный краситель выпадает в осадок, вызывая рост кристаллов красителя и снижение его растворимости, что приводит к уменьшению поглощения красителя.
(четыре) кристаллическая форма красителя
У некоторых дисперсных красителей наблюдается явление «изоморфизма». То есть, один и тот же дисперсный краситель, из-за различных технологий диспергирования в процессе производства, образует несколько кристаллических форм, таких как иглы, стержни, хлопья, гранулы и блоки. В процессе нанесения, особенно при окрашивании при температуре 130 °C, более нестабильная кристаллическая форма переходит в более стабильную.
Стоит отметить, что более стабильная кристаллическая форма обладает большей растворимостью, а менее стабильная — относительно меньшей. Это напрямую повлияет на скорость поглощения красителя и процент его поглощения.
(5) Размер частиц
Как правило, красители с мелкими частицами обладают высокой растворимостью и хорошей дисперсионной стабильностью. Красители с крупными частицами имеют более низкую растворимость и относительно плохую дисперсионную стабильность.
В настоящее время размер частиц отечественных дисперсных красителей обычно составляет 0,5–2,0 мкм (примечание: для окрашивания методом погружения требуется размер частиц 0,5–1,0 мкм).