Thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm trực tiếp và thuốc nhuộm phản ứng đều là thuốc nhuộm tan trong nước. Sản lượng năm 2001 lần lượt là 30.000 tấn, 20.000 tấn và 45.000 tấn. Tuy nhiên, trong một thời gian dài, các doanh nghiệp sản xuất thuốc nhuộm trong nước đã chú trọng hơn đến việc phát triển và nghiên cứu các loại thuốc nhuộm cấu trúc mới, trong khi nghiên cứu về xử lý sau nhuộm lại tương đối yếu. Các chất chuẩn độ thường được sử dụng cho thuốc nhuộm tan trong nước bao gồm natri sulfat, dextrin, dẫn xuất tinh bột, sucrose, urê, naphthalene formaldehyde sulfonate, v.v. Các chất chuẩn độ này được trộn với thuốc nhuộm gốc theo tỷ lệ để thu được sản phẩm có độ đậm màu cần thiết, nhưng chúng không đáp ứng được nhu cầu của các quy trình in và nhuộm khác nhau trong ngành in và nhuộm. Mặc dù các chất pha loãng thuốc nhuộm nêu trên có giá thành tương đối thấp, nhưng chúng có khả năng thấm ướt và độ hòa tan trong nước kém, khiến việc đáp ứng nhu cầu của thị trường quốc tế trở nên khó khăn và chỉ có thể được xuất khẩu dưới dạng thuốc nhuộm gốc. Do đó, trong quá trình thương mại hóa thuốc nhuộm tan trong nước, khả năng thấm ướt và độ hòa tan trong nước của thuốc nhuộm là những vấn đề cần được giải quyết cấp bách, và cần phải dựa vào các chất phụ gia tương ứng.

Xử lý khả năng thấm ướt của thuốc nhuộm
Nói một cách khái quát, làm ướt là sự thay thế một chất lỏng (thường là chất khí) trên bề mặt bằng một chất lỏng khác. Cụ thể, giao diện giữa bột hoặc hạt là giao diện khí/rắn, và quá trình làm ướt là khi chất lỏng (nước) thay thế khí trên bề mặt các hạt. Có thể thấy rằng làm ướt là một quá trình vật lý giữa các chất trên bề mặt. Trong xử lý sau nhuộm, làm ướt thường đóng vai trò quan trọng. Nói chung, thuốc nhuộm được xử lý thành trạng thái rắn, chẳng hạn như bột hoặc hạt, cần được làm ướt trong quá trình sử dụng. Do đó, khả năng làm ướt của thuốc nhuộm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả ứng dụng. Ví dụ, trong quá trình hòa tan, thuốc nhuộm khó làm ướt và nổi trên mặt nước là điều không mong muốn. Với sự cải thiện liên tục về yêu cầu chất lượng thuốc nhuộm hiện nay, khả năng làm ướt đã trở thành một trong những chỉ số để đánh giá chất lượng thuốc nhuộm. Năng lượng bề mặt của nước là 72,75 mN/m ở 20℃, giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi năng lượng bề mặt của chất rắn về cơ bản không thay đổi, thường dưới 100 mN/m. Thông thường, kim loại và oxit của chúng, muối vô cơ, v.v., dễ bị thấm ướt, được gọi là năng lượng bề mặt cao. Năng lượng bề mặt của các chất hữu cơ rắn và polyme tương đương với năng lượng bề mặt của các chất lỏng thông thường, được gọi là năng lượng bề mặt thấp, nhưng nó thay đổi tùy thuộc vào kích thước hạt rắn và độ xốp. Kích thước hạt càng nhỏ, độ xốp càng lớn, và năng lượng bề mặt càng cao, kích thước phụ thuộc vào chất nền. Do đó, kích thước hạt của thuốc nhuộm phải nhỏ. Sau khi thuốc nhuộm được xử lý bằng các quy trình thương mại như kết tủa muối và nghiền trong các môi trường khác nhau, kích thước hạt của thuốc nhuộm trở nên mịn hơn, độ kết tinh giảm, và pha tinh thể thay đổi, điều này làm tăng năng lượng bề mặt của thuốc nhuộm và tạo điều kiện thuận lợi cho việc thấm ướt.

Xử lý độ hòa tan của thuốc nhuộm axit
Nhờ sử dụng tỷ lệ thuốc nhuộm thấp và công nghệ nhuộm liên tục, mức độ tự động hóa trong in ấn và nhuộm đã được cải thiện liên tục. Sự xuất hiện của chất độn và bột nhão tự động, cùng với việc ứng dụng thuốc nhuộm lỏng, đòi hỏi phải chuẩn bị dung dịch nhuộm và bột nhão in có nồng độ và độ ổn định cao. Tuy nhiên, độ hòa tan của thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính và thuốc nhuộm trực tiếp trong các sản phẩm thuốc nhuộm trong nước chỉ khoảng 100g/L, đặc biệt là đối với thuốc nhuộm axit. Một số loại thậm chí chỉ khoảng 20g/L. Độ hòa tan của thuốc nhuộm có liên quan đến cấu trúc phân tử của thuốc nhuộm. Khối lượng phân tử càng cao và nhóm axit sulfonic càng ít thì độ hòa tan càng thấp; ngược lại, độ hòa tan càng cao. Ngoài ra, quá trình chế biến thuốc nhuộm thương mại cũng vô cùng quan trọng, bao gồm phương pháp kết tinh thuốc nhuộm, độ nghiền, kích thước hạt, việc bổ sung chất phụ gia, v.v., tất cả đều ảnh hưởng đến độ hòa tan của thuốc nhuộm. Thuốc nhuộm càng dễ bị ion hóa thì độ hòa tan trong nước càng cao. Tuy nhiên, việc thương mại hóa và tiêu chuẩn hóa các loại thuốc nhuộm truyền thống dựa trên một lượng lớn chất điện giải, chẳng hạn như natri sulfat và muối. Một lượng lớn Na+ trong nước làm giảm độ hòa tan của thuốc nhuộm trong nước. Do đó, để cải thiện độ hòa tan của thuốc nhuộm tan trong nước, trước tiên không nên thêm chất điện giải vào thuốc nhuộm thương mại.

Phụ gia và độ hòa tan
⑴ Hợp chất rượu và dung môi phụ urê
Do thuốc nhuộm tan trong nước chứa một lượng nhất định các nhóm axit sulfonic và axit cacboxylic, các hạt thuốc nhuộm dễ dàng phân ly trong dung dịch nước và mang một lượng điện tích âm nhất định. Khi thêm dung môi phụ trợ chứa nhóm tạo liên kết hydro, một lớp bảo vệ gồm các ion ngậm nước được hình thành trên bề mặt các ion thuốc nhuộm, thúc đẩy quá trình ion hóa và hòa tan các phân tử thuốc nhuộm để cải thiện độ hòa tan. Các polyol như dietylen glycol ete, thiodietanol, polyetylen glycol, v.v. thường được sử dụng làm dung môi phụ trợ cho thuốc nhuộm tan trong nước. Bởi vì chúng có thể tạo liên kết hydro với thuốc nhuộm, bề mặt của ion thuốc nhuộm tạo thành một lớp bảo vệ gồm các ion ngậm nước, ngăn ngừa sự kết tụ và tương tác giữa các phân tử thuốc nhuộm, đồng thời thúc đẩy quá trình ion hóa và phân ly thuốc nhuộm.
⑵ Chất hoạt động bề mặt không ion
Việc thêm một chất hoạt động bề mặt không ion nhất định vào thuốc nhuộm có thể làm suy yếu lực liên kết giữa các phân tử thuốc nhuộm và giữa các phân tử khác, đẩy nhanh quá trình ion hóa, và làm cho các phân tử thuốc nhuộm tạo thành micelle trong nước, có khả năng phân tán tốt. Thuốc nhuộm phân cực tạo thành micelle. Các phân tử hòa tan tạo thành một mạng lưới tương thích giữa các phân tử để cải thiện độ hòa tan, chẳng hạn như polyoxyethylene ether hoặc ester. Tuy nhiên, nếu phân tử dung môi phụ thiếu nhóm kỵ nước mạnh, hiệu quả phân tán và hòa tan đối với micelle được tạo thành bởi thuốc nhuộm sẽ yếu, và độ hòa tan sẽ không tăng đáng kể. Do đó, nên cố gắng chọn các dung môi chứa vòng thơm có thể tạo liên kết kỵ nước với thuốc nhuộm. Ví dụ, alkylphenol polyoxyethylene ether, chất nhũ hóa polyoxyethylene sorbitan ester, và các chất khác như polyalkylphenylphenol polyoxyethylene ether.
⑶ chất phân tán lignosulfonate
Chất phân tán có ảnh hưởng rất lớn đến độ hòa tan của thuốc nhuộm. Việc lựa chọn chất phân tán phù hợp với cấu trúc của thuốc nhuộm sẽ giúp cải thiện đáng kể độ hòa tan. Đối với thuốc nhuộm tan trong nước, nó đóng vai trò nhất định trong việc ngăn ngừa sự hấp phụ lẫn nhau (lực van der Waals) và sự kết tụ giữa các phân tử thuốc nhuộm. Lignosulfonate là chất phân tán hiệu quả nhất, và hiện đang có nhiều nghiên cứu về vấn đề này ở Trung Quốc.
Cấu trúc phân tử của thuốc nhuộm phân tán không chứa các nhóm ưa nước mạnh, mà chỉ chứa các nhóm phân cực yếu, do đó nó chỉ có tính ưa nước yếu và độ hòa tan thực tế rất nhỏ. Hầu hết các thuốc nhuộm phân tán chỉ có thể hòa tan trong nước ở 25℃ với nồng độ 1～10mg/L.
Độ hòa tan của thuốc nhuộm phân tán có liên quan đến các yếu tố sau:
Cấu trúc phân tử
“Độ hòa tan của thuốc nhuộm phân tán trong nước tăng lên khi phần kỵ nước của phân tử thuốc nhuộm giảm và phần ưa nước (chất lượng và số lượng các nhóm phân cực) tăng lên. Điều đó có nghĩa là, độ hòa tan của thuốc nhuộm có khối lượng phân tử tương đối nhỏ và nhiều nhóm phân cực yếu hơn như -OH và -NH2 sẽ cao hơn. Thuốc nhuộm có khối lượng phân tử tương đối lớn hơn và ít nhóm phân cực yếu hơn có độ hòa tan tương đối thấp. Ví dụ, thuốc nhuộm Disperse Red (I), M=321, độ hòa tan nhỏ hơn 0,1mg/L ở 25℃, và độ hòa tan là 1,2mg/L ở 80℃. Thuốc nhuộm Disperse Red (II), M=352, độ hòa tan ở 25℃ là 7,1mg/L, và độ hòa tan ở 80℃ là 240mg/L.”
Chất phân tán
Trong thuốc nhuộm phân tán dạng bột, hàm lượng thuốc nhuộm nguyên chất thường chiếm từ 40% đến 60%, phần còn lại là chất phân tán, chất chống bụi, chất bảo vệ, natri sulfat, v.v. Trong đó, chất phân tán chiếm tỷ lệ lớn nhất.
Chất phân tán (chất khuếch tán) có thể bao phủ các hạt tinh thể nhỏ của thuốc nhuộm thành các hạt keo ưa nước và phân tán ổn định trong nước. Sau khi vượt quá nồng độ micelle tới hạn, các micelle cũng sẽ được hình thành, làm giảm một phần các hạt tinh thể thuốc nhuộm nhỏ. Khi hòa tan trong micelle, hiện tượng "hòa tan" xảy ra, do đó làm tăng độ hòa tan của thuốc nhuộm. Hơn nữa, chất phân tán càng tốt và nồng độ càng cao thì hiệu quả hòa tan càng lớn.
Cần lưu ý rằng tác dụng hòa tan của chất phân tán đối với thuốc nhuộm phân tán có cấu trúc khác nhau là khác nhau, và sự khác biệt rất lớn; tác dụng hòa tan của chất phân tán đối với thuốc nhuộm phân tán giảm khi nhiệt độ nước tăng, điều này hoàn toàn giống với tác dụng của nhiệt độ nước đối với thuốc nhuộm phân tán. Tác dụng của độ hòa tan thì ngược lại.
Sau khi các hạt tinh thể kỵ nước của thuốc nhuộm phân tán và chất phân tán tạo thành các hạt keo ưa nước, độ ổn định phân tán của chúng sẽ được cải thiện đáng kể. Hơn nữa, các hạt keo thuốc nhuộm này đóng vai trò “cung cấp” thuốc nhuộm trong quá trình nhuộm. Bởi vì sau khi các phân tử thuốc nhuộm ở trạng thái hòa tan được sợi hấp thụ, thuốc nhuộm “được lưu trữ” trong các hạt keo sẽ được giải phóng kịp thời để duy trì sự cân bằng hòa tan của thuốc nhuộm.
Trạng thái của thuốc nhuộm phân tán trong dung dịch phân tán
1-phân tử phân tán
2-Tinh thể thuốc nhuộm (hòa tan)
3-micelle phân tán
4-Phân tử thuốc nhuộm đơn (hòa tan)
Hạt nhuộm 5 màu
6-chất phân tán gốc ưa lipid
7-chất phân tán gốc ưa nước
8-ion natri (Na+)
9 cụm tinh thể thuốc nhuộm
Tuy nhiên, nếu “lực liên kết” giữa thuốc nhuộm và chất phân tán quá lớn, “nguồn cung” phân tử thuốc nhuộm đơn lẻ sẽ không đáp ứng đủ nhu cầu, dẫn đến hiện tượng “cung vượt cầu”. Do đó, tốc độ nhuộm sẽ giảm và tỷ lệ nhuộm không được cân bằng, dẫn đến quá trình nhuộm chậm và màu sắc nhạt.
Như vậy, khi lựa chọn và sử dụng chất phân tán, không chỉ cần xem xét độ ổn định phân tán của thuốc nhuộm mà còn cả ảnh hưởng của nó đến màu sắc của thuốc nhuộm.
(3) Nhiệt độ dung dịch nhuộm
Độ hòa tan của thuốc nhuộm phân tán trong nước tăng lên khi nhiệt độ nước tăng. Ví dụ, độ hòa tan của thuốc nhuộm vàng phân tán trong nước ở 80°C gấp 18 lần so với ở 25°C. Độ hòa tan của thuốc nhuộm đỏ phân tán trong nước ở 80°C gấp 33 lần so với ở 25°C. Độ hòa tan của thuốc nhuộm xanh phân tán trong nước ở 80°C gấp 37 lần so với ở 25°C. Nếu nhiệt độ nước vượt quá 100°C, độ hòa tan của thuốc nhuộm phân tán sẽ tăng lên nhiều hơn nữa.
Đây là một lời nhắc nhở đặc biệt: tính chất hòa tan của thuốc nhuộm phân tán sẽ mang đến những nguy hiểm tiềm ẩn trong các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khi dung dịch thuốc nhuộm được đun nóng không đều, dung dịch thuốc nhuộm có nhiệt độ cao sẽ chảy đến nơi có nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ nước giảm, dung dịch thuốc nhuộm trở nên bão hòa quá mức, và thuốc nhuộm đã hòa tan sẽ kết tủa, gây ra sự phát triển của các hạt tinh thể thuốc nhuộm và làm giảm độ hòa tan, dẫn đến giảm khả năng hấp thụ thuốc nhuộm.
(bốn) dạng tinh thể thuốc nhuộm
Một số thuốc nhuộm phân tán có hiện tượng “đồng hình”. Nghĩa là, cùng một loại thuốc nhuộm phân tán, do công nghệ phân tán khác nhau trong quá trình sản xuất, sẽ tạo thành một số dạng tinh thể khác nhau, chẳng hạn như hình kim, hình que, hình vảy, hình hạt và hình khối. Trong quá trình ứng dụng, đặc biệt là khi nhuộm ở 130°C, dạng tinh thể kém bền hơn sẽ chuyển hóa thành dạng tinh thể bền hơn.
Cần lưu ý rằng dạng tinh thể ổn định hơn có độ hòa tan cao hơn, còn dạng tinh thể kém ổn định hơn có độ hòa tan tương đối thấp hơn. Điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ hấp thụ thuốc nhuộm và tỷ lệ phần trăm hấp thụ thuốc nhuộm.
(5) Kích thước hạt
Nhìn chung, thuốc nhuộm có hạt nhỏ thường có độ hòa tan cao và độ ổn định phân tán tốt. Thuốc nhuộm có hạt lớn thường có độ hòa tan thấp hơn và độ ổn định phân tán tương đối kém.
Hiện nay, kích thước hạt của thuốc nhuộm phân tán trong nước thường là 0,5～2,0μm (Lưu ý: đối với phương pháp nhuộm nhúng, kích thước hạt cần là 0,5～1,0μm).