Кислотні барвники, прямі барвники та реактивні барвники – це водорозчинні барвники. Обсяг виробництва у 2001 році становив 30 000 тонн, 20 000 тонн та 45 000 тонн відповідно. Однак протягом тривалого часу підприємства з виробництва барвників у моїй країні приділяли більше уваги розробці та дослідженню нових структурних барвників, тоді як дослідження подальшої обробки барвників були відносно слабкими. Зазвичай використовуються стандартизаційні реагенти для водорозчинних барвників, такі як сульфат натрію (натрійсульфат), декстрин, похідні крохмалю, сахарозу, сечовину, нафталінформальдегідсульфонат тощо. Ці стандартизаційні реагенти змішуються з вихідним барвником у пропорції для отримання необхідної міцності сировини, але вони не можуть задовольнити потреби різних процесів друку та фарбування в поліграфічній промисловості. Хоча вищезгадані розріджувачі барвників мають відносно низьку вартість, вони мають погану змочуваність та розчинність у воді, що ускладнює адаптацію до потреб міжнародного ринку та можуть експортуватися лише як оригінальні барвники. Таким чином, при комерціалізації водорозчинних барвників, змочуваність та розчинність барвників у воді є питаннями, які потребують термінового вирішення, і необхідно покладатися на відповідні добавки.

Обробка змочуваності барвника
У широкому сенсі, змочування – це заміна рідини (повинна бути газ) на поверхні іншою рідиною. Зокрема, межа розділу порошок або гранул має бути межею газ/тверда речовина, а процес змочування – це коли рідина (вода) замінює газ на поверхні частинок. Можна побачити, що змочування – це фізичний процес між речовинами на поверхні. У подальшій обробці барвником змочування часто відіграє важливу роль. Як правило, барвник перетворюється на твердий стан, такий як порошок або гранули, які необхідно змочувати під час використання. Тому змочуваність барвника безпосередньо впливає на ефект нанесення. Наприклад, під час процесу розчинення барвник важко змочувати, і плавання на воді небажане. З постійним покращенням вимог до якості барвників сьогодні, змочувальна здатність стала одним із показників для вимірювання якості барвників. Поверхнева енергія води становить 72,75 мН/м при 20℃, що зменшується зі збільшенням температури, тоді як поверхнева енергія твердих речовин практично не змінюється, зазвичай нижче 100 мН/м. Зазвичай метали та їх оксиди, неорганічні солі тощо легко змочуються вологим станом, що називається високою поверхневою енергією. Поверхнева енергія твердих органічних речовин та полімерів порівнянна з енергією звичайних рідин, що називається низькою поверхневою енергією, але вона змінюється залежно від розміру твердих частинок та ступеня пористості. Чим менший розмір частинок, тим більший ступінь утворення пор, а поверхня, чим вища енергія, тим розмір залежить від підкладки. Тому розмір частинок барвника має бути малим. Після обробки барвника комерційними методами, такими як висолювання та подрібнення в різних середовищах, розмір частинок барвника стає дрібнішим, кристалічність зменшується, а кристалічна фаза змінюється, що покращує поверхневу енергію барвника та полегшує змочування.

Обробка розчинністю кислотних барвників
Завдяки використанню малого співвідношення ванн та технології безперервного фарбування, ступінь автоматизації друку та фарбування постійно покращується. Поява автоматичних наповнювачів та паст, а також впровадження рідких барвників вимагають приготування висококонцентрованих та високостабільних барвників та друкарських паст. Однак розчинність кислотних, реактивних та прямих барвників у побутових барвниках становить лише близько 100 г/л, особливо для кислотних барвників. Деякі різновиди навіть становлять лише близько 20 г/л. Розчинність барвника пов'язана з його молекулярною структурою. Чим вища молекулярна маса та менше сульфокислотних груп, тим нижча розчинність; в іншому випадку - вища. Крім того, надзвичайно важлива комерційна обробка барвників, включаючи метод кристалізації барвника, ступінь подрібнення, розмір частинок, додавання добавок тощо, що впливає на розчинність барвника. Чим легше барвник іонізується, тим вища його розчинність у воді. Однак комерціалізація та стандартизація традиційних барвників базуються на великій кількості електролітів, таких як сульфат натрію та сіль. Велика кількість Na+ у воді знижує розчинність барвника у воді. Тому, щоб покращити розчинність водорозчинних барвників, спочатку не додавайте електроліт до комерційних барвників.

Добавки та розчинність
⑴ Співрозчинник спиртової сполуки та сечовини
Оскільки водорозчинні барвники містять певну кількість сульфоновокислотних та карбонових кислотних груп, частинки барвника легко дисоціюються у водному розчині та несуть певну кількість негативного заряду. При додаванні співрозчинника, що містить групу, що утворює водневий зв'язок, на поверхні іонів барвника утворюється захисний шар гідратованих іонів, що сприяє іонізації та розчиненню молекул барвника для покращення розчинності. Поліоли, такі як діетиленглікольовий ефір, тіодіетанол, поліетиленгліколь тощо, зазвичай використовуються як допоміжні розчинники для водорозчинних барвників. Оскільки вони можуть утворювати водневий зв'язок з барвником, поверхня іона барвника утворює захисний шар гідратованих іонів, що запобігає агрегації та міжмолекулярній взаємодії молекул барвника, а також сприяє іонізації та дисоціації барвника.
⑵Неіоногенна поверхнево-активна речовина
Додавання певної неіонної поверхнево-активної речовини до барвника може послабити силу зв'язку між молекулами барвника та між самими молекулами, прискорити іонізацію та призвести до утворення міцел у воді з молекулами барвника, що забезпечує добру дисперсійність. Полярні барвники утворюють міцели. Молекули, що розчиняються, утворюють мережу сумісності між молекулами для покращення розчинності, наприклад, поліоксіетиленовий ефір або естер. Однак, якщо молекула співрозчинника не має сильної гідрофобної групи, дисперсійний та солюбілізуючий вплив на міцелу, утворену барвником, буде слабким, а розчинність не збільшиться значно. Тому намагайтеся вибирати розчинники, що містять ароматичні кільця, які можуть утворювати гідрофобні зв'язки з барвниками. Наприклад, алкілфенолполіоксіетиленовий ефір, емульгатор поліоксіетиленсорбітанового ефіру та інші, такі як поліалкілфенілфенолполіоксіетиленовий ефір.
⑶ диспергатор лігносульфонату
Диспергатор має великий вплив на розчинність барвника. Вибір хорошого диспергатора відповідно до структури барвника значно допоможе покращити його розчинність. У водорозчинних барвниках він відіграє певну роль у запобіганні взаємній адсорбції (сила Ван-дер-Ваальса) та агрегації між молекулами барвника. Лігносульфонат є найефективнішим диспергатором, і в Китаї проводяться дослідження з цього питання.
Молекулярна структура дисперсних барвників не містить сильних гідрофільних груп, а лише слабополярні групи, тому вони мають лише слабку гідрофільність, а фактична розчинність дуже мала. Більшість дисперсних барвників можуть розчинятися у воді лише при 25 ℃. 1～10 мг/л.
Розчинність дисперсних барвників пов'язана з такими факторами:
Молекулярна структура
«Розчинність дисперсних барвників у воді збільшується зі зменшенням гідрофобної частини молекули барвника та збільшенням гідрофільної частини (якість та кількість полярних груп). Тобто, розчинність барвників з відносно малою відносною молекулярною масою та більш слабкими полярними групами, такими як -OH та -NH2, буде вищою. Барвники з більшою відносною молекулярною масою та меншою кількістю слабополярних груп мають відносно низьку розчинність. Наприклад, дисперсний червоний (I), його M=321, розчинність менше 0,1 мг/л при 25℃, а розчинність становить 1,2 мг/л при 80℃. Дисперсний червоний (II), M=352, розчинність при 25℃ становить 7,1 мг/л, а розчинність при 80℃ становить 240 мг/л».
Диспергатор
У порошкоподібних дисперсних барвниках вміст чистих барвників зазвичай становить від 40% до 60%, а решта - це диспергатори, пилозахисні агенти, захисні агенти, сульфат натрію тощо. Серед них диспергатор становить більшу частку.
Диспергатор (дифузійний агент) може покривати дрібні кристалічні зерна барвника гідрофільними колоїдними частинками та стабільно диспергувати їх у воді. Після перевищення критичної концентрації міцел також утворюються міцели, що призводить до зменшення кількості дрібних кристалічних зерен барвника. Розчинення в міцелах призводить до так званого явища «солюбілізації», що збільшує розчинність барвника. Крім того, чим краща якість диспергатора та чим вища його концентрація, тим більший ефект солюбілізації та розчинності.
Слід зазначити, що солюбілізуючий ефект диспергатора на дисперсні барвники різної структури є різним, і ця різниця дуже велика; солюбілізуючий ефект диспергатора на дисперсні барвники зменшується зі збільшенням температури води, що точно так само, як і вплив температури води на дисперсні барвники. Вплив розчинності є протилежним.
Після того, як гідрофобні кристалічні частинки дисперсного барвника та диспергатора утворюють гідрофільні колоїдні частинки, їх дисперсійна стабільність значно покращується. Крім того, ці колоїдні частинки барвника відіграють роль «постачальника» барвників під час процесу фарбування. Оскільки після того, як молекули барвника в розчиненому стані поглинаються волокном, барвник, «зберігається» в колоїдних частинках, вчасно вивільняється для підтримки балансу розчинення барвника.
Стан дисперсного барвника в дисперсії
1-диспергуюча молекула
2-барвник кристалітів (розчинення)
3-диспергуюча міцела
4-молекула барвника (розчинена)
5-барвне зерно
6-диспергаторна ліпофільна основа
7-диспергаторна гідрофільна основа
8-іон натрію (Na+)
9-агрегати кристалітів барвника
Однак, якщо «когезія» між барвником та диспергатором занадто велика, «пропозиція» окремої молекули барвника відставатиме або явище «пропозиція перевищує попит». Таким чином, це безпосередньо зменшить швидкість фарбування та збалансує відсоток фарбування, що призведе до повільного фарбування та світлого кольору.
Видно, що під час вибору та використання диспергаторів слід враховувати не лише дисперсійну стабільність барвника, але й вплив на колір барвника.
(3) Температура фарбувального розчину
Розчинність дисперсних барвників у воді збільшується зі збільшенням температури води. Наприклад, розчинність дисперсного жовтого у воді з температурою 80°C у 18 разів вища, ніж при 25°C. Розчинність дисперсного червоного у воді з температурою 80°C у 33 рази вища, ніж при 25°C. Розчинність дисперсного синього у воді з температурою 80°C у 37 разів вища, ніж при 25°C. Якщо температура води перевищує 100°C, розчинність дисперсних барвників ще більше зросте.
Ось особливе нагадування: ця властивість дисперсних барвників розчиняти створює приховані небезпеки для практичного застосування. Наприклад, коли барвник нагрівається нерівномірно, барвник з високою температурою стікає туди, де температура низька. Зі зниженням температури води барвник стає перенасиченим, і розчинений барвник випадає в осад, що призводить до зростання кристалічних зерен барвника та зменшення розчинності. В результаті цього поглинання барвника зменшується.
(чотири) кристалічної форми барвника
Деякі дисперсні барвники мають явище «ізоморфізму». Тобто, один і той самий дисперсний барвник, через різну технологію диспергування у виробничому процесі, утворюватиме кілька кристалічних форм, таких як голки, стрижні, пластівці, гранули та блоки. У процесі нанесення, особливо при фарбуванні при 130°C, більш нестабільна кристалічна форма зміниться на більш стабільну.
Варто зазначити, що більш стабільна кристалічна форма має більшу розчинність, а менш стабільна кристалічна форма має відносно меншу розчинність. Це безпосередньо впливатиме на швидкість поглинання барвника та його відсоток.
(5) Розмір частинок
Зазвичай барвники з дрібними частинками мають високу розчинність і добру дисперсійну стабільність. Барвники з великими частинками мають нижчу розчинність і відносно погану дисперсійну стабільність.
Наразі розмір частинок дисперсних барвників побутового призначення зазвичай становить 0,5～2,0 мкм (Примітка: розмір частинок для фарбування зануренням вимагає 0,5～1,0 мкм).