Zure kleurstoffen, directe kleurstoffen en reactieve kleurstoffen zijn allemaal wateroplosbare kleurstoffen. De productie in 2001 bedroeg respectievelijk 30.000 ton, 20.000 ton en 45.000 ton. Echter, de verfbedrijven in mijn land hebben zich lange tijd meer gericht op de ontwikkeling en het onderzoek naar nieuwe structurele kleurstoffen, terwijl het onderzoek naar de nabewerking van kleurstoffen relatief zwak is gebleven. Veelgebruikte standaardiseringsmiddelen voor wateroplosbare kleurstoffen zijn onder andere natriumsulfaat, dextrine, zetmeelderivaten, sucrose, ureum en naftaleenformaldehydesulfonaat. Deze standaardiseringsmiddelen worden in de juiste verhouding met de oorspronkelijke kleurstof gemengd om de gewenste sterkte te verkrijgen, maar ze voldoen niet aan de eisen van de verschillende druk- en verfprocessen in de verf- en textielindustrie. Hoewel de bovengenoemde kleurstofverdunners relatief goedkoop zijn, hebben ze een slechte bevochtigbaarheid en wateroplosbaarheid, waardoor ze moeilijk aan de eisen van de internationale markt voldoen en alleen als onbewerkte kleurstoffen geëxporteerd kunnen worden. Daarom moeten bij de commercialisering van wateroplosbare kleurstoffen de bevochtigbaarheid en wateroplosbaarheid van de kleurstoffen dringend worden aangepakt, en moet er een beroep worden gedaan op de bijbehorende additieven.

Behandeling van de bevochtigbaarheid van de kleurstof
In grote lijnen is bevochtiging het proces waarbij een vloeistof (bij voorkeur een gas) aan een oppervlak wordt vervangen door een andere vloeistof. Concreet betekent dit dat het grensvlak tussen poeder of korrels een gas/vaste stof-grensvlak is, en dat bevochtiging plaatsvindt wanneer vloeistof (water) het gas aan het oppervlak van de deeltjes vervangt. Bevochtiging is dus een fysisch proces tussen stoffen aan een oppervlak. Bij de nabewerking van kleurstoffen speelt bevochtiging vaak een belangrijke rol. De kleurstof wordt doorgaans verwerkt tot een vaste stof, zoals poeder of korrels, die tijdens gebruik bevochtigd moet worden. De bevochtigbaarheid van de kleurstof heeft daarom direct invloed op het uiteindelijke resultaat. Tijdens het oplossen is het bijvoorbeeld ongewenst dat de kleurstof moeilijk bevochtigbaar is en op het water blijft drijven. Met de steeds hogere eisen aan de kwaliteit van kleurstoffen is bevochtigbaarheid uitgegroeid tot een belangrijke indicator voor de kwaliteit ervan. De oppervlakte-energie van water is 72,75 mN/m bij 20 °C en neemt af met stijgende temperatuur. De oppervlakte-energie van vaste stoffen blijft daarentegen vrijwel constant en ligt doorgaans onder de 100 mN/m. Metalen en hun oxiden, anorganische zouten, enzovoort, zijn gemakkelijk te bevochtigen en hebben een hoge oppervlakte-energie. De oppervlakte-energie van vaste organische stoffen en polymeren is vergelijkbaar met die van vloeistoffen en heeft een lage oppervlakte-energie. Deze oppervlakte-energie varieert echter met de deeltjesgrootte en de porositeit van de vaste stof. Hoe kleiner de deeltjesgrootte, hoe groter de porositeit en hoe hoger de oppervlakte-energie. De deeltjesgrootte is dus afhankelijk van het substraat. Daarom moet de deeltjesgrootte van de kleurstof klein zijn. Na commerciële bewerkingen zoals zouten en malen in verschillende media, wordt de deeltjesgrootte van de kleurstof fijner, neemt de kristalliniteit af en verandert de kristalfase. Dit verbetert de oppervlakte-energie van de kleurstof en vergemakkelijkt de bevochtiging.

Oplosbaarheidsbehandeling van zure kleurstoffen
Door het gebruik van kleine badverhoudingen en continue verftechnologie is de mate van automatisering in de druk- en verfindustrie voortdurend verbeterd. De opkomst van automatische vul- en pastamachines en de introductie van vloeibare kleurstoffen vereisen de bereiding van hooggeconcentreerde en zeer stabiele verfoplossingen en drukpasta's. De oplosbaarheid van zure, reactieve en directe kleurstoffen in binnenlandse verfproducten bedraagt ​​echter slechts ongeveer 100 g/L, met name voor zure kleurstoffen. Sommige varianten hebben zelfs een oplosbaarheid van slechts ongeveer 20 g/L. De oplosbaarheid van de kleurstof hangt samen met de moleculaire structuur ervan. Hoe hoger het molecuulgewicht en hoe minder sulfonzuurgroepen, hoe lager de oplosbaarheid; andersom geldt een hogere oplosbaarheid. Daarnaast is de commerciële verwerking van kleurstoffen van groot belang, inclusief de kristallisatiemethode, de mate van maling, de deeltjesgrootte, de toevoeging van additieven, enz., aangezien deze factoren de oplosbaarheid van de kleurstof beïnvloeden. Hoe gemakkelijker de kleurstof ioniseert, hoe hoger de oplosbaarheid in water. De commercialisering en standaardisatie van traditionele kleurstoffen zijn echter gebaseerd op een grote hoeveelheid elektrolyten, zoals natriumsulfaat en zout. Een grote hoeveelheid Na+ in water vermindert de oplosbaarheid van de kleurstof in water. Om de oplosbaarheid van wateroplosbare kleurstoffen te verbeteren, is het daarom allereerst raadzaam om geen elektrolyten toe te voegen aan commerciële kleurstoffen.

Additieven en oplosbaarheid
⑴ Alcoholverbinding en ureum-cosolvent
Omdat wateroplosbare kleurstoffen een bepaald aantal sulfonzuur- en carbonzuurgroepen bevatten, dissociëren de kleurstofdeeltjes gemakkelijk in een waterige oplossing en dragen ze een bepaalde hoeveelheid negatieve lading. Wanneer een cosolvent met waterstofbrugvormende groepen wordt toegevoegd, vormt zich een beschermende laag van gehydrateerde ionen op het oppervlak van de kleurstofionen. Dit bevordert de ionisatie en oplossing van de kleurstofmoleculen, waardoor de oplosbaarheid verbetert. Polyolen zoals diethyleenglycolether, thiodiethanol, polyethyleenglycol, enz. worden vaak gebruikt als hulpstoffen voor wateroplosbare kleurstoffen. Omdat ze waterstofbruggen kunnen vormen met de kleurstof, vormt zich op het oppervlak van het kleurstofion een beschermende laag van gehydrateerde ionen. Dit voorkomt aggregatie en intermoleculaire interactie van de kleurstofmoleculen en bevordert de ionisatie en dissociatie van de kleurstof.
⑵Niet-ionische oppervlakteactieve stof
Door een bepaalde niet-ionische oppervlakteactieve stof aan de kleurstof toe te voegen, kan de bindingskracht tussen de kleurstofmoleculen onderling worden verzwakt, de ionisatie worden versneld en kunnen de kleurstofmoleculen micellen vormen in water, wat een goede dispergeerbaarheid oplevert. Polaire kleurstoffen vormen micellen. De oplosmiddelmoleculen vormen een netwerk van compatibilisatie tussen de moleculen om de oplosbaarheid te verbeteren, zoals polyoxyethyleenether of -ester. Als het co-oplosmiddelmolecuul echter geen sterke hydrofobe groep bevat, zal het dispersie- en oplossende effect op de door de kleurstof gevormde micellen zwak zijn en zal de oplosbaarheid niet significant toenemen. Kies daarom bij voorkeur oplosmiddelen met aromatische ringen die hydrofobe bindingen met kleurstoffen kunnen vormen. Voorbeelden hiervan zijn alkylfenolpolyoxyethyleenether, polyoxyethyleensorbitanester-emulgator en andere zoals polyalkylfenylfenolpolyoxyethyleenether.
⑶ lignosulfonaat dispergeermiddel
Dispergeermiddel heeft een grote invloed op de oplosbaarheid van de kleurstof. Het kiezen van een goed dispergeermiddel, afgestemd op de structuur van de kleurstof, zal de oplosbaarheid aanzienlijk verbeteren. Bij wateroplosbare kleurstoffen speelt het een rol bij het voorkomen van onderlinge adsorptie (van der Waals-krachten) en aggregatie tussen kleurstofmoleculen. Lignosulfonaat is het meest effectieve dispergeermiddel en hier wordt in China onderzoek naar gedaan.
De moleculaire structuur van dispersiekleurstoffen bevat geen sterk hydrofiele groepen, maar slechts zwak polaire groepen. Daardoor hebben ze slechts een zwakke hydrofiliteit en is hun werkelijke oplosbaarheid zeer laag. De meeste dispersiekleurstoffen lossen slechts op in water bij 25℃ met een concentratie van 1 tot 10 mg/L.
De oplosbaarheid van dispersiekleurstoffen hangt samen met de volgende factoren:
Moleculaire structuur
“De oplosbaarheid van dispersiekleurstoffen in water neemt toe naarmate het hydrofobe deel van het kleurstofmolecuul afneemt en het hydrofiele deel (de kwaliteit en kwantiteit van polaire groepen) toeneemt. Dat wil zeggen dat de oplosbaarheid van kleurstoffen met een relatief kleine molecuulmassa en meer zwak polaire groepen zoals -OH en -NH2 hoger zal zijn. Kleurstoffen met een grotere molecuulmassa en minder zwak polaire groepen hebben een relatief lage oplosbaarheid. Zo is bijvoorbeeld bij Disperse Red (I), met een molecuulmassa van 321, de oplosbaarheid minder dan 0,1 mg/L bij 25℃ en 1,2 mg/L bij 80℃. Bij Disperse Red (II), met een molecuulmassa van 352, is de oplosbaarheid 7,1 mg/L bij 25℃ en 240 mg/L bij 80℃.”
Dispergeermiddel
In poedervormige dispersiekleurstoffen bedraagt ​​het gehalte aan zuivere kleurstoffen doorgaans 40% tot 60%, de rest bestaat uit dispergeermiddelen, stofwerende middelen, beschermingsmiddelen, natriumsulfaat, enz. Het dispergeermiddel vormt hierbij het grootste aandeel.
Het dispergeermiddel (diffusiemiddel) kan de fijne kristalkorrels van de kleurstof omhullen met hydrofiele colloïdale deeltjes en deze stabiel in water dispergeren. Nadat de kritische micelconcentratie is overschreden, worden er micellen gevormd die een deel van de kleine kleurstofkristalkorrels verkleinen. Wanneer deze in de micellen oplossen, treedt het zogenaamde "solubilisatie"-fenomeen op, waardoor de oplosbaarheid van de kleurstof toeneemt. Bovendien geldt: hoe beter de kwaliteit van het dispergeermiddel en hoe hoger de concentratie, hoe groter de solubilisatie en het solubilisatie-effect.
Het is belangrijk op te merken dat het oplossend effect van dispergeermiddel op dispersiekleurstoffen met verschillende structuren verschilt, en dat dit verschil zeer groot is. Het oplossend effect van dispergeermiddel op dispersiekleurstoffen neemt af naarmate de watertemperatuur stijgt, wat precies overeenkomt met het omgekeerde effect van de watertemperatuur op de oplosbaarheid van dispersiekleurstoffen.
Nadat de hydrofobe kristaldeeltjes van de dispersiekleurstof en het dispergeermiddel hydrofiele colloïdale deeltjes vormen, wordt de dispersiestabiliteit aanzienlijk verbeterd. Bovendien fungeren deze colloïdale kleurstofdeeltjes als een soort "toevoer" van kleurstof tijdens het verfproces. Nadat de opgeloste kleurstofmoleculen door de vezel zijn geabsorbeerd, wordt de in de colloïdale deeltjes "opgeslagen" kleurstof tijdig vrijgegeven om de oplossingsbalans van de kleurstof te handhaven.
De toestand van de dispersiekleurstof in de dispersie
1-dispersiemolecuul
2-Kleurstofkristalliet (oplosbaarheid)
3-dispersiemiddel micel
4-kleurstof enkelvoudig molecuul (opgelost)
5-verfkorrel
6-dispergeermiddel lipofiele basis
7-dispersiemiddel hydrofiele basis
8-natriumion (Na+)
9-aggregaten van kleurstofkristallieten
Als de hechting tussen de kleurstof en het dispergeermiddel echter te sterk is, zal de aanvoer van de kleurstofmoleculen achterblijven, oftewel er ontstaat een overschot aan aanbod. Dit zal de verfsnelheid en het verfpercentage verlagen, met als gevolg een langzaam verfproces en een lichtere kleur.
Hieruit blijkt dat bij de selectie en het gebruik van dispergeermiddelen niet alleen rekening moet worden gehouden met de dispersiestabiliteit van de kleurstof, maar ook met de invloed ervan op de kleur van de kleurstof.
(3) Temperatuur van de verfoplossing
De oplosbaarheid van dispersiekleurstoffen in water neemt toe met de watertemperatuur. Zo is de oplosbaarheid van Disperse Yellow in water van 80 °C 18 keer zo hoog als bij 25 °C. De oplosbaarheid van Disperse Red in water van 80 °C is 33 keer zo hoog als bij 25 °C. De oplosbaarheid van Disperse Blue in water van 80 °C is 37 keer zo hoog als bij 25 °C. Als de watertemperatuur boven de 100 °C komt, neemt de oplosbaarheid van dispersiekleurstoffen nog verder toe.
Hierbij een belangrijke waarschuwing: deze oplossende eigenschap van dispersiekleurstoffen brengt verborgen gevaren met zich mee voor praktische toepassingen. Wanneer de verfoplossing bijvoorbeeld ongelijkmatig wordt verwarmd, stroomt de verfoplossing met hoge temperatuur naar de plek waar de temperatuur daalt. Naarmate de watertemperatuur daalt, raakt de verfoplossing oververzadigd en zal de opgeloste kleurstof neerslaan. Dit veroorzaakt de groei van kleurstofkristallen en een afname van de oplosbaarheid, met als gevolg een verminderde kleurstofopname.
(vier) kleurstof kristalvorm
Sommige dispersiekleurstoffen vertonen het fenomeen "isomorfisme". Dat wil zeggen dat dezelfde dispersiekleurstof, als gevolg van de verschillende dispersietechnologie in het productieproces, verschillende kristalvormen zal aannemen, zoals naalden, staafjes, vlokken, korrels en blokken. Tijdens het aanbrengen, met name bij het verven op 130 °C, zal de instabielere kristalvorm zich omzetten in de stabielere kristalvorm.
Het is belangrijk op te merken dat de stabielere kristalvorm een ​​grotere oplosbaarheid heeft, terwijl de minder stabiele kristalvorm een ​​relatief lagere oplosbaarheid heeft. Dit heeft direct invloed op de opnamesnelheid en het opnamepercentage van de kleurstof.
(5) Deeltjesgrootte
Over het algemeen hebben kleurstoffen met kleine deeltjes een hoge oplosbaarheid en een goede dispersiestabiliteit. Kleurstoffen met grote deeltjes hebben een lagere oplosbaarheid en een relatief slechte dispersiestabiliteit.
Momenteel bedraagt ​​de deeltjesgrootte van in eigen land gebruikte dispersiekleurstoffen over het algemeen 0,5 tot 2,0 μm (Opmerking: voor dipverven is een deeltjesgrootte van 0,5 tot 1,0 μm vereist).