Материал: Технология процесса печатания дисперсным красителем на полиэфирной ткани

В процессах печатания осуществляется локальное окрашивание определенных участков ткани в соответствии с заранее заданным рисунком. Для того чтобы наносимый на ткань красильный раствор не растекался за контуры рисунка, в состав раствора обычно вносят загустители. Роль таких препаратов выполняют различные высокомолекулярные вещества: крахмал и его эфиры, эфиры целлюлозы, синтетические полимеры с низкой степенью сшивки; продукты, извлекаемые из водорослей, например альгинат натрия, и т.д. В присутствии этих веществ раствор красителя становится достаточно вязким и хорошо отделяется от гравюры печатного вала или легко продавливается через сетчатый шаблон и устойчиво сохраняет на ткани форму заданного рисунка.

Основные физико-химические закономерности, определяющие состояние красителей и волокнистых материалов, а также их взаимодействие, рассмотренные ранее применительно к процессам крашения, сохраняют свою значимость и для процессов печатания. Однако наличие в составе печатной краски загустителей накладывает специфические особенности на все физико-химические стадии процесса образования рисунка на ткани. В отличие от процессов крашения при печатании тканей стадия диффузии молекул красителя в растворе и накопления их на поверхности волокна утрачивает свое практическое значение.

Краситель приходит в контакт с поверхностью волокна сразу же после нанесения на ткань печатного состава. Однако такое упрощение физико-химической картины процесса является кажущимся, так как, во-первых, молекулы красителя в зависимости от его химической природы и строения более или менее прочно удерживаются макромолекулами загустителя, что препятствует диффузии красителя в волокно, и, во-вторых, ткань после нанесения на нее печатной краски высушивают, что практически прекращает процесс диффузии красителя в волокне.

Происходит разрыв единого физико-химического цикла накопления красителя на поверхности волокна и перемещения его во внутренние слои, где молекулы красителя фиксируются в результате реакции с функциональными группами волокнообразующего полимера или путем превращения в нерастворимую форму.

В высушенной ткани молекулы красителя «цементируются» в пленке загустителя, и для того чтобы процесс диффузии возобновился, эту пленку необходимо размягчить. Это достигается длительным запариванием ткани в атмосфере насыщенного водяного пара или прогреванием при высокой температуре. Если в печатном составе присутствуют расплавляющиеся вещества, пластифицирующие пленку загустителя и являющиеся в расплавленном состоянии средой для проникновения красителя внутрь волокна.

В настоящее время еще не разработаны прямые методы оценки характера и результатов взаимодействия красителей с различными загустителями. Предложен косвенный метод такой оценки путем сравнения тепловых эффектов «плавления» гелей загустителей в присутствии красителя и без него.

Метод основан на том, что часть молекул красителя взаимодействует с макромолекулами загустителя и образует между ними поперечные мостики, в результате чего изменяется теплота плавления гелей загустителей. Подразумевается, что речь идет об обратимых взаимодействиях и об образовании только таких поперечных мостиков или продуктов присоединения красителя к макромолекулам загустителя, которые сравнительно легко разрушаются в тот момент, когда необходимо высвободить молекулы красителя из макромолекулярной сетки загустителя и предоставить ему возможность диффундировать в волокно. Загустители, образующие с красителем прочные ковалентные связи, непригодны для загущения печатных красок при использовании обычных способов печатания.

Для загустки без красителя △Н_пл составляет всего 5,7 кДж/моль. Это свидетельствует о том, что пространственная сетка в водных гелях загустителей образуется в результате слабого взаимодействия между их макромолекулами, вероятнее всего посредством сил Ван-дер-Ваальса. Введение в загустку красителя сопровождается повышением △Н_пл до 22,3 кДж/моль и внешне проявляется в резком увеличении вязкости раствора.

Это дает основание полагать, что при взаимолействии красителя с макромолекулами загустителя образуются мостики из водородных связей, средняя энергия которых составляет 21,0 - 29,0 кДж/моль.

Повышение концентрации красителя в загустке сопровождается упрочнением ее структуры, но значение △Н_пл остается практически постоянным. Это означает, что несмотря на рост числа мостиков, образуемых красителем, средняя энергия возникновения одной мостиковой группировки не меняется. Таким образом, концентрация красителя здесь влияет лишь на число образующихся мостиков, но не на их строение.

Наибольшей склонностью к взаимодействию с растворимыми в воде красителями анионного типа обладают такие загустители, в молекулах которых отсутствуют одноименно заряженные группы. Загустители с упорядоченным расположением карбоксильных групп вдоль цепи макромолекулы, например альгинат натрия, практически не реагируют с красителями.

Четко выраженной тенденцией к взаимодействию с загустителями обладают и нерастворимые в воде красители, в частности кубовые. Это подтверждается тем, что при наличии их в составе загустки резко возрастают ее вязкость и нагрузка, при которой наблюдается пластическое течение загустки (Р_т). Последняя величина характеризует суммарный эффект структурирования загустки и определяется как средней прочностью отдельной мостиковой связи, так и их общим числом.

Интересно отметить, что при введении мочевины и других аналогичных веществ в загущенный раствор того или иного красителя △Н_пл практически не изменяется, а P_т, резко падает.

Это означает, что мочевина не влияет на природу мостиковых групп, образующихся между макромолекулами загустителя, но ее наличие в печатной краске приводит к разрыву части поперечных водородных связей и высвобождению макромолекул загустителя и красителя из образованных ими ранее сеток. Это снижает вязкость системы и значение Р_т. Таким образом, мочевина и подобные ей препараты являются очень эффективными регуляторами взаимодействия красителей с загустителями и поэтому широко используются при приготовлении печатных красок.

Вследствие лабильного взаимодействия макромолекул загустителя с красителем скорость диффузии его в волокнистый материал при печатании гораздо меньше, чем при крашении. В ряде случаев разница в скоростях диффузии красителя в процессах крашения и печатания может быть существенно сокращена путем выбора соответствующего загустителя и способа фиксирования красителя в волокне.

Фиксация красителей, т.е. процесс переноса их из слоя печатной краски в волокно и взаимодействия с макромолекулами волокнообразующего полимера, традиционно осуществляется в среде водяного пара путем длительной (от 10 до 60 мин) обработки напечатанной ткани в запарных аппаратах непрерывного или периодического действия. В последнее время начали развиваться принципиально новые приемы и способы фиксирования красителей различных классов на текстильных материалах из природных и химических волокон. Из них в первую очередь следует назвать высокотемпературные способы фиксирования красителей на целлюлозных и синтетических волокнах и способы, основанные на применении вместо паров воды паров органических растворителей или паров азеотропной смеси органических растворителей и воды.

Особенностью процесса термической фиксации красителей является отсутствие молекул воды в реакционной среде. Поэтому диффузия красителя и взаимодействие его с волокном могут протекать только в слое расплавленных веществ, в качестве которых чаще всего выступает мочевина или амиды других карбоновых кислот, а также некоторые специальные препараты.

При повышенной температуре в отсутствие влаги расплав этих веществ, с одной стороны, обеспечивает высокую диффузионную подвижность сольватированных молекул красителя, а с другой‚ активирует волокнистый материал, повышая реакционную способность функциональных групп H способствуя появлению субмикроскопических пустот, необходимых для размещения молекул красителя.

Об эффективности способа термической фиксации можно судить по данным для красителей двух классов - активных и дисперсных. Первые широко используют при печатании тканей из целлюлозных волокон, вторые - для печатания изделий из синтетических волокон.

При термическом фиксировании активных красителей при 170°С константа скорости реакции их с целлюлозой возрастает в 100 и более раз по сравнению с запарным способом, осуществляемым в среде водяного пара при 100°С. Длительность процесса при термической фиксации составляет 60-90 с, при запаривании 5-10 мин.

В условиях термической фиксации дисперсных красителей при печатании тканей из полиэфирных волокон коэффициент диффузии красителя в волокне при 200-220°С составляет 10-8-10-9 см²/с. Если же фиксирование проводить насыщенным водяным паром при 100°C, то коэффициент диффузии красителя в полиэфирном волокне не превышает 10¹¹-10^-12 см²/с.

2.3    Печатание дисперсными красителями

Дисперсные красители широко используют для печатания тканей из полиэфирных и ацетатных волокон и, в меньшей степени, для печатания тканей из полиамидных волокон. Из большого ассортимента дисперсных красителей в печати обычно используют те красители, которые имеют относительно высокую светостойкость и устойчивы при высоких температурах.

Состав печатной краски зависит от вида волокна, а также от способа фиксации красителя на волокне. При печатании тканей и трикотажа из полиэфирных, полиамидных и триацетатных волокон в печатную краску, содержащую водную дисперсию красителя и загуститель, вводят также интенсификаторы. В качестве интенсификаторов используют бензойную и салициловую кислоты, 2-гидроксибифенил, хлорбензол, гидроксиалкиламиды жирных кислот (0,3-2‚0% от массы ткани). Для повышения степени фиксации красителей при получении окрасок глубоких тонов в печатную краску рекомендуют вводить мочевину (80-200 г./кг печатной краски). Эффективность действия мочевины зависит от вида волокна, способа фиксации и марки дисперсного красителя.

Для предотвращения восстановления красителя под действием компонентов печатной краски в паровой атмосфере зрельника в краску вводят небольшие количества триоксохлората натрия. Поскольку многие дисперсные красители чувствительны к щелочам, в печатную краску добавляют уксусную кислоту (до рН 6). В качестве загустителей используют альгинат натрия, карбоксиметилцеллюлозу, трагант и их смеси. Для фиксации дисперсных красителей на тканях из химических волокон используют различные методы. Так, фиксацию красителей на тканях из полиамидных и ацетатных волокон чаще всего осуществляют в среде насыщенного водяного пара при 100-102°С (20-45 мин). Это обеспечивает получение на данных волокнах глубоких устойчивых окрасок. Степень фиксации дисперсных красителей на полиэфирном и триацетатном волокнах даже в условиях длительного запаривания насыщенным паром и при введении в печатную окраску интенсификаторов не превышает 50%‚ что объясняется исключительно медленной диффузией молекул красящего вещества в глубь волокна. Поэтому дисперсные красители на тканях из этих волокон часто фиксируют путем прогревания текстильного материала горячим воздухом при 180-220°С в течение 30-60 c или путем запаривания в среде перегретого пара при 165-180°С в течение 4-8 мин. При использовании высокотемпературных способов фиксации необходимо применять красители, устойчивые к сублимации [6].

В настоящее время предложен эффективный способ фиксации красителей на тканях из синтетических волокон в условиях печати путем кратковременной (1-3 мин) обработки текстильного материала в парах кипящей азеотропной смеси органического растворителя и воды. Хорошие результаты на полиэфирных и полиамидных волокнах могут быть достигнуты при обработке ткани в парах азеотропной смеси бензиловый спирт ˗ вода (т. кип. 95-100°С) в течение 2-3 мин. Преимуществом этой смеси является малая токсичность бензилового спирта и невысокое содержание его в смеси (9%).

Одна из основных причин эффективного действия азеотропных смесей при фиксации красителей на химических волокнах-увеличение проницаемости волокна при воздействии на него фиксирующей среды. При обработке напечатанной ткани растворитель быстро проникает B гидрофобное волокно, образуя B нем субмикроскопические поры и сольватируя активные центры на поверхности этих пор. Пары воды также не являются инертным компонентом фиксирующей смеси. Они усиливают действие растворителя и увеличивают адсорбционную емкость волокна.

Кроме того, азеотропные смеси способствуют молекулярному диспергированию и сольватации молекул красителя. Все это обеспечивает высокую скорость диффузии красящего веществаволокнистый материал и эффективность азеотропной фиксации в целом. В последние годы большой интерес проявляется к сублимационному способу печати тканей из химических волокон дисперсными красителями. Печатную краску сначала наносят на бумажную подложку, а затем при определенных температуре, давлении и продолжительности обработки рисунок переносится с бумаги на ткань в результате возгонки красителя с бумажной подложки. Процесс сублимации красителя протекает до перенасыщения паровой среды. После этого начинается конденсация паров красителя на поверхности ткани и его диффузия вглубь волокна.

При подборе красителей для данного способа печатания следует учитывать их способность к сублимации и устойчивость при 180-230°С. Красители должны обладать высоким сродством к волокну, обеспечивать получение окрасок с высокой устойчивостью к действию мокрых обработок и света. Этим требованиям чаще всего удовлетворяют азо-, антрахиноновые, дифениламиновые, метиновые и нафтохиноновые дисперсные красители с молекулярной массой 250-350. Сублимационная способность красителей определяется не только их молекулярной массой, но и особенностями структуры, наличием в молекуле тех или иных заместителей. В качестве заместителей цианогруппы предпочтительнее, чем нитрогруппы, и атомы фтора предпочтительнее, чем атомы хлора. Краситель не должен содержать ионогенные группы. Некопланарное строение также увеличивает летучесть красителей. Способность к сублимации красителей, содержащих полярные группы, может быть сохранена при наличии внутримолекулярных водородных связей.

Поскольку печатные краски наносят на бумагу в значительно меньших количествах, чем при печати по текстильным материалам, необходимы высококонцентрированные выпускные формы дисперсных красителей, позволяющие получать интенсивные расцветки, в том числе темных тонов.

В состав печатной краски для нанесения рисунка на переводную бумагу входят: дисперсный краситель (10%), связующее вещество (синтетические смолы, эфиры целлюлозы; 15%), растворитель (вода или органические растворители; 75%). При необходимости добавляют вещества, регулирующие адгезию бумаги к ткани во время сублимации дисперсного красителя, а также интенсификаторы, обеспечивающие более быстрый и полный переход красителя на волокно в процессе термопечати. На печатанную бумагу быстро сушат в возможно более мягких условиях.

Перенос красителя с бумаги на текстильный материал может осуществляться как периодическим, так и непрерывным способами. В последнем случае для перевода рисунка бумагу и текстильное полотно сматывают с рулонов, складывают «лицом к лицу» и пропускают по обогреваемому барабану, после чего разделяют. Для интенсификации процесса перехода красителя на ткань и проникновения его в глубь волокна рекомендуют применять перфорированные барабаны, внутри которых создается небольшой вакуум; обогрев бумаги и ткани осуществляется с помощью инфракрасных излучателей. Оптимальные параметры процесса переводной печати определяются в основном типом волокнистого материала, из которого изготовлена ткань. Так, для тканей из полиэфирных волокон оптимальные условия термопечатания: 200-230°С, 10-30 с; для полиамидных и триацетатных тканей: 190-200°С, 20 с; для тканей из ацетатных волокон: 185°С, 15-20 с.

Существенным преимуществом сублимационного способа печатания перед другими способами является исключение операций фиксации красителя, промывки и сушки напечатанных тканей, вследствие чего не загрязняется окружающая среда, экономится вода, сокращается длительность производственного процесса. С помощью данного метода удается переводить на ткани рисунки любой сложности с исключительно хорошей резкостью контуров, получать полутоновые переходы, позволяющие достигать особенно интересных эффектов печатания [7].

3. Оборудование процесса печатания

При печатании тканей вначале на них наносят печатную краску, а затем на последующих стадиях технологического процесса создают условия для выхода молекул красителей из слоя печатной краски, их диффузии и закрепления в волокне. Процессы диффузии и фиксации начинаются уже при высушивании тканей после печатания, достигают наибольшей эффективности при запаривании или других способах специальной тепловой обработки и заканчиваются иногда при осуществлении операций промывки.

Нанесение печатной краски на ткань осуществляют на печатной машине (рис. 3.1) с помощью медных валов с выгравированным на них рисунком. Печатные валы располагаются вокруг грузовика, покрытого слоем специальной ткани ˗ лапинга, и прижимаются к нему с помощью специального устройства. Краска наносится на печатный вал вращающейся щеткой, установленной в корыте с загущенным раствором красителя. К печатному валу по ходу вращения прижимается ровная, хорошо заточенная пластина (нож) из высококачественной стали, называемая раклей; она очищает вал от излишков краски, оставляя ее лишь в углублениях гравюры. С противоположной стороны вала устанавливают другую пластину, называемую контрраклей, которая служит для очистки печатного вала от пуха. Печатаемая ткань заправляется в машину и накладывается на чехол, под которым находится слой кирзы. Лапинг, кирза и чехол образуют на поверхности грузовика упругую прослойку, которую можно рассматривать как своеобразный печатный стол. Чехол защищает лапинг и кирзу от загрязнения избытком печатной краски, проникающей через печатаемую ткань.