Thuốc nhuộm hoạt tính có độ hòa tan rất tốt trong nước. Thuốc nhuộm hoạt tính chủ yếu dựa vào nhóm axit sulfonic trên phân tử thuốc nhuộm để hòa tan trong nước. Đối với thuốc nhuộm hoạt tính ở nhiệt độ trung bình có chứa nhóm vinylsulfone, ngoài nhóm axit sulfonic, β-ethylsulfonyl sulfate cũng là một nhóm hòa tan rất tốt.

Trong dung dịch nước, các ion natri trên nhóm axit sulfonic và nhóm α-ethylsulfone sulfate trải qua phản ứng hydrat hóa để tạo thành anion của thuốc nhuộm và hòa tan trong nước. Quá trình nhuộm của thuốc nhuộm hoạt tính phụ thuộc vào anion của thuốc nhuộm cần nhuộm lên sợi vải.

Độ hòa tan của thuốc nhuộm hoạt tính thường lớn hơn 100 g/L, hầu hết các loại thuốc nhuộm có độ hòa tan từ 200-400 g/L, và một số loại thậm chí có thể đạt tới 450 g/L. Tuy nhiên, trong quá trình nhuộm, độ hòa tan của thuốc nhuộm sẽ giảm do nhiều nguyên nhân (hoặc thậm chí hoàn toàn không tan). Khi độ hòa tan của thuốc nhuộm giảm, một phần thuốc nhuộm sẽ chuyển từ anion tự do đơn lẻ thành các hạt, do lực đẩy điện tích lớn giữa các hạt. Sự giảm này khiến các hạt hút nhau tạo thành sự kết tụ. Loại kết tụ này trước tiên tập hợp các hạt thuốc nhuộm thành các cụm, sau đó chuyển thành các cụm nhỏ hơn, và cuối cùng trở thành các bông cặn. Mặc dù các bông cặn là một dạng tập hợp lỏng lẻo, nhưng do lớp điện kép bao quanh được hình thành bởi các điện tích dương và âm nên chúng thường khó bị phân hủy bởi lực cắt khi dung dịch nhuộm tuần hoàn, và các bông cặn dễ kết tủa trên vải, dẫn đến hiện tượng nhuộm hoặc ố màu bề mặt.

Khi thuốc nhuộm bị vón cục, độ bền màu sẽ giảm đáng kể, đồng thời gây ra các vết ố, loang màu ở các mức độ khác nhau. Đối với một số loại thuốc nhuộm, sự kết tụ sẽ đẩy nhanh quá trình tập hợp dưới tác động của lực cắt trong dung dịch thuốc nhuộm, gây ra hiện tượng mất nước và kết tủa muối. Khi hiện tượng kết tủa muối xảy ra, màu nhuộm sẽ trở nên cực kỳ nhạt, hoặc thậm chí không nhuộm được, hoặc nếu có nhuộm thì cũng sẽ gây ra các vết ố và loang màu nghiêm trọng.

Nguyên nhân gây vón cục thuốc nhuộm

Nguyên nhân chính là chất điện giải. Trong quá trình nhuộm, chất điện giải chính là chất xúc tiến nhuộm (muối natri và muối). Chất xúc tiến nhuộm chứa các ion natri, và lượng ion natri tương đương trong phân tử thuốc nhuộm thấp hơn nhiều so với lượng ion natri tương đương trong chất xúc tiến nhuộm. Với nồng độ bình thường của chất xúc tiến nhuộm trong quá trình nhuộm thông thường, nồng độ này sẽ không ảnh hưởng nhiều đến độ hòa tan của thuốc nhuộm trong dung dịch nhuộm.

Tuy nhiên, khi lượng chất xúc tiến nhuộm tăng lên, nồng độ ion natri trong dung dịch cũng tăng theo. Ion natri dư thừa sẽ ức chế quá trình ion hóa ion natri trên nhóm hòa tan của phân tử thuốc nhuộm, do đó làm giảm độ hòa tan của thuốc nhuộm. Sau khi nồng độ vượt quá 200 g/L, hầu hết các loại thuốc nhuộm sẽ có các mức độ kết tụ khác nhau. Khi nồng độ chất xúc tiến nhuộm vượt quá 250 g/L, mức độ kết tụ sẽ tăng mạnh, trước tiên tạo thành các cụm, sau đó trong dung dịch thuốc nhuộm. Các cụm và bông cặn được hình thành nhanh chóng, và một số thuốc nhuộm có độ hòa tan thấp bị kết tủa một phần hoặc thậm chí bị mất nước. Thuốc nhuộm có cấu trúc phân tử khác nhau có các đặc tính chống kết tụ và kháng muối khác nhau. Độ hòa tan càng thấp, khả năng chống kết tụ và kháng muối càng kém. Hiệu suất phân tích càng thấp.

Độ hòa tan của thuốc nhuộm chủ yếu được xác định bởi số lượng nhóm axit sulfonic trong phân tử thuốc nhuộm và số lượng sulfat β-ethylsulfone. Đồng thời, phân tử thuốc nhuộm càng có tính ưa nước cao thì độ hòa tan càng cao, và tính ưa nước càng thấp thì độ hòa tan càng thấp. (Ví dụ, thuốc nhuộm có cấu trúc azo có tính ưa nước cao hơn thuốc nhuộm có cấu trúc dị vòng.) Ngoài ra, cấu trúc phân tử của thuốc nhuộm càng lớn thì độ hòa tan càng thấp, và cấu trúc phân tử càng nhỏ thì độ hòa tan càng cao.

Độ hòa tan của thuốc nhuộm phản ứng
Có thể chia大致 thành bốn loại:

Loại A, các loại thuốc nhuộm chứa diethylsulfone sulfate (tức là vinyl sulfone) và ba nhóm phản ứng (monochloros-triazine + divinyl sulfone) có độ hòa tan cao nhất, chẳng hạn như Yuan Qing B, Navy GG, Navy RGB, Golden: RNL và tất cả các loại thuốc nhuộm đen phản ứng được tạo ra bằng cách trộn Yuanqing B, các loại thuốc nhuộm ba nhóm phản ứng như loại ED, loại Ciba s, v.v. Độ hòa tan của các loại thuốc nhuộm này chủ yếu vào khoảng 400 g/L.

Thuốc nhuộm loại B chứa các nhóm phản ứng dị vòng (monochloro-triazine + vinylsulfone), ví dụ như vàng 3RS, đỏ 3BS, đỏ 6B, đỏ GWF, ba màu cơ bản RR, ba màu cơ bản RGB, v.v. Độ hòa tan của chúng dựa trên 200～300 gam. Độ hòa tan của meta-ester cao hơn so với para-ester.

Loại C: Màu xanh hải quân, đồng thời cũng là nhóm phản ứng dị vòng: BF, xanh hải quân 3GF, xanh đậm 2GFN, đỏ RBN, đỏ F2B, v.v., do có ít nhóm axit sulfonic hơn hoặc trọng lượng phân tử lớn hơn, nên độ hòa tan cũng thấp, chỉ 100-200 g/L. Loại D: Thuốc nhuộm có nhóm monovinylsulfone và cấu trúc dị vòng, có độ hòa tan thấp nhất, chẳng hạn như Brilliant Blue KN-R, Turquoise Blue G, Bright Yellow 4GL, Violet 5R, Blue BRF, Brilliant Orange F2R, Brilliant Red F2G, v.v. Độ hòa tan của loại thuốc nhuộm này chỉ khoảng 100 g/L. Loại thuốc nhuộm này đặc biệt nhạy cảm với chất điện giải. Một khi loại thuốc nhuộm này đã vón cục, nó thậm chí không cần trải qua quá trình keo tụ, mà trực tiếp kết tủa bằng muối.

Trong quy trình nhuộm thông thường, lượng chất xúc tiến nhuộm tối đa là 80 g/L. Chỉ những màu tối mới cần nồng độ chất xúc tiến nhuộm cao như vậy. Khi nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch nhuộm nhỏ hơn 10 g/L, hầu hết các thuốc nhuộm hoạt tính vẫn có độ hòa tan tốt ở nồng độ này và sẽ không bị vón cục. Nhưng vấn đề nằm ở thùng nhuộm. Theo quy trình nhuộm thông thường, thuốc nhuộm được thêm vào trước, và sau khi thuốc nhuộm được pha loãng hoàn toàn trong dung dịch nhuộm đến độ đồng nhất, chất xúc tiến nhuộm mới được thêm vào. Chất xúc tiến nhuộm về cơ bản hoàn thành quá trình hòa tan trong thùng nhuộm.

Vận hành theo quy trình sau:

Giả định: nồng độ thuốc nhuộm là 5%, tỷ lệ dung dịch là 1:10, trọng lượng vải là 350kg (dòng chảy chất lỏng hai đường ống), mực nước là 3,5 tấn, natri sunfat là 60 g/lít, tổng lượng natri sunfat là 200kg (50kg/gói, tổng cộng 4 gói) (Dung tích bể chứa nguyên liệu thường khoảng 450 lít). Trong quá trình hòa tan natri sunfat, thường sử dụng dịch hồi lưu của bể nhuộm. Dịch hồi lưu chứa thuốc nhuộm đã được thêm vào trước đó. Thông thường, trước tiên đổ 300 lít dịch hồi lưu vào bể chứa nguyên liệu, sau đó đổ thêm hai gói natri sunfat (100 kg).

Vấn đề nằm ở chỗ, hầu hết các loại thuốc nhuộm sẽ vón cục ở các mức độ khác nhau ở nồng độ natri sulfat này. Trong đó, thuốc nhuộm loại C sẽ bị vón cục nghiêm trọng, còn thuốc nhuộm loại D không chỉ bị vón cục mà còn bị kết tủa muối. Mặc dù người vận hành thông thường sẽ tuân theo quy trình bổ sung từ từ dung dịch natri sulfat trong thùng nguyên liệu vào thùng thuốc nhuộm thông qua bơm tuần hoàn chính. Nhưng thuốc nhuộm trong 300 lít dung dịch natri sulfat đã tạo thành các cục vón và thậm chí bị kết tủa muối.

Khi toàn bộ dung dịch trong thùng chứa nguyên liệu được đổ vào bể nhuộm, có thể thấy rõ một lớp cặn thuốc nhuộm nhờn bám trên thành và đáy bể. Nếu cạo bỏ những cặn thuốc nhuộm này và cho vào nước sạch, thường rất khó để hòa tan chúng trở lại. Thực tế, 300 lít dung dịch đổ vào bể nhuộm đều như vậy.

Hãy nhớ rằng cũng có hai gói bột Nguyên Minh sẽ được hòa tan và đổ lại vào thùng nhuộm theo cách này. Sau khi việc này xảy ra, các vết ố, loang màu chắc chắn sẽ xuất hiện, và độ bền màu sẽ bị giảm nghiêm trọng do nhuộm bề mặt, ngay cả khi không có hiện tượng kết tủa hoặc tách muối rõ ràng. Đối với thuốc nhuộm loại A và loại B có độ hòa tan cao hơn, hiện tượng vón cục thuốc nhuộm cũng sẽ xảy ra. Mặc dù các loại thuốc nhuộm này chưa hình thành các cục kết tủa, nhưng ít nhất một phần thuốc nhuộm đã hình thành các khối kết tụ.

Các chất kết tụ này rất khó thấm vào sợi. Bởi vì vùng vô định hình của sợi bông chỉ cho phép thuốc nhuộm đơn ion thấm và khuếch tán. Không có chất kết tụ nào có thể đi vào vùng vô định hình của sợi. Chúng chỉ có thể được hấp phụ trên bề mặt sợi. Độ bền màu cũng sẽ giảm đáng kể, và trong trường hợp nghiêm trọng sẽ xảy ra hiện tượng ố màu và loang màu.

Mức độ hòa tan của thuốc nhuộm hoạt tính có liên quan đến các chất kiềm.

Khi thêm chất kiềm, β-ethylsulfone sulfate của thuốc nhuộm hoạt tính sẽ trải qua phản ứng loại bỏ để tạo thành vinyl sulfone thực sự, chất này rất dễ tan trong nước. Vì phản ứng loại bỏ chỉ cần rất ít chất kiềm (thường chỉ chiếm chưa đến 1/10 liều lượng cần thiết), nên càng thêm nhiều chất kiềm, càng nhiều thuốc nhuộm tham gia phản ứng loại bỏ. Sau khi phản ứng loại bỏ xảy ra, độ hòa tan của thuốc nhuộm cũng sẽ giảm.

Chất kiềm này cũng là một chất điện phân mạnh và chứa các ion natri. Do đó, nồng độ chất kiềm quá cao cũng sẽ khiến thuốc nhuộm đã tạo thành vinyl sulfone bị vón cục hoặc thậm chí kết tủa. Vấn đề tương tự cũng xảy ra trong bể chứa nguyên liệu. Khi chất kiềm được hòa tan (lấy soda ash làm ví dụ), nếu sử dụng dung dịch hồi lưu. Lúc này, dung dịch hồi lưu đã chứa chất xúc tiến nhuộm và thuốc nhuộm ở nồng độ bình thường của quy trình. Mặc dù một phần thuốc nhuộm có thể đã bị sợi hấp thụ, nhưng ít nhất hơn 40% thuốc nhuộm còn lại vẫn nằm trong dung dịch nhuộm. Giả sử một gói soda ash được đổ vào trong quá trình vận hành, và nồng độ soda ash trong bể vượt quá 80 g/L. Ngay cả khi chất xúc tiến nhuộm trong dung dịch hồi lưu lúc này là 80 g/L, thuốc nhuộm trong bể cũng sẽ bị ngưng tụ. Thuốc nhuộm C và D thậm chí có thể bị kết tủa, đặc biệt đối với thuốc nhuộm D, ngay cả khi nồng độ soda ash giảm xuống 20 g/l, hiện tượng kết tủa cục bộ vẫn sẽ xảy ra. Trong số đó, Brilliant Blue KN.R, Turquoise Blue G và Supervisor BRF là những loại nhạy cảm nhất.

Hiện tượng vón cục thuốc nhuộm hoặc thậm chí kết tủa muối không có nghĩa là thuốc nhuộm đã bị thủy phân hoàn toàn. Nếu hiện tượng vón cục hoặc kết tủa muối là do chất xúc tiến nhuộm gây ra, thì vẫn có thể nhuộm được miễn là thuốc nhuộm có thể hòa tan lại. Nhưng để hòa tan lại, cần phải thêm một lượng chất hỗ trợ nhuộm đủ (ví dụ như urê 20 g/l trở lên), và nhiệt độ cần được nâng lên 90°C trở lên với sự khuấy trộn đầy đủ. Rõ ràng là điều này rất khó thực hiện trong quá trình vận hành thực tế.
Để ngăn ngừa hiện tượng thuốc nhuộm vón cục hoặc kết tủa trong bể nhuộm, cần sử dụng phương pháp nhuộm chuyển màu khi tạo màu đậm và tập trung cho các loại thuốc nhuộm C và D có độ hòa tan thấp, cũng như các loại thuốc nhuộm A và B.

Vận hành và phân tích quy trình

1. Sử dụng bể nhuộm để thu hồi chất xúc tiến nhuộm và đun nóng trong bể để hòa tan (60～80℃). Vì nước mới không chứa thuốc nhuộm nên chất xúc tiến nhuộm không có ái lực với vải. Có thể nhanh chóng đổ chất xúc tiến nhuộm đã hòa tan vào bể nhuộm.

2. Sau khi dung dịch nước muối được tuần hoàn trong 5 phút, chất xúc tiến nhuộm về cơ bản đã được phân bố đều, sau đó thêm dung dịch thuốc nhuộm đã được hòa tan trước đó. Dung dịch thuốc nhuộm cần được pha loãng với dung dịch hồi lưu, vì nồng độ chất xúc tiến nhuộm trong dung dịch hồi lưu chỉ là 80 gam/L, nên thuốc nhuộm sẽ không bị vón cục. Đồng thời, vì thuốc nhuộm sẽ không bị ảnh hưởng bởi chất xúc tiến nhuộm (nồng độ tương đối thấp), nên sẽ không xảy ra vấn đề về nhuộm. Lúc này, không cần phải kiểm soát thời gian đổ đầy bể nhuộm nữa, và thường hoàn thành trong 10-15 phút.

3. Các chất kiềm cần được hydrat hóa càng nhiều càng tốt, đặc biệt là đối với thuốc nhuộm C và D. Vì loại thuốc nhuộm này rất nhạy cảm với chất kiềm khi có mặt các chất xúc tiến nhuộm, nên độ hòa tan của chất kiềm tương đối cao (độ hòa tan của soda ash ở 60°C là 450 g/L). Lượng nước sạch cần thiết để hòa tan chất kiềm không cần quá nhiều, nhưng tốc độ thêm dung dịch kiềm cần phải phù hợp với yêu cầu của quy trình, và nói chung tốt hơn là nên thêm từng bước nhỏ.

4. Đối với thuốc nhuộm divinyl sulfone thuộc loại A, tốc độ phản ứng tương đối cao vì chúng đặc biệt nhạy cảm với chất kiềm ở 60°C. Để tránh hiện tượng cố định màu tức thì và màu không đều, bạn có thể thêm trước 1/4 lượng chất kiềm ở nhiệt độ thấp.

Trong quy trình nhuộm chuyển màu, chỉ cần kiểm soát tốc độ cấp liệu của chất kiềm. Quy trình nhuộm chuyển màu không chỉ áp dụng được cho phương pháp gia nhiệt mà còn áp dụng được cho phương pháp nhiệt độ không đổi. Phương pháp nhiệt độ không đổi có thể làm tăng độ hòa tan của thuốc nhuộm và đẩy nhanh quá trình khuếch tán và thẩm thấu của thuốc nhuộm. Tốc độ trương nở của vùng vô định hình của sợi ở 60°C cao gấp đôi so với ở 30°C. Do đó, quy trình nhiệt độ không đổi phù hợp hơn cho các loại sợi dọc như sợi ngang, sợi dọc cuộn, bao gồm các phương pháp nhuộm có tỷ lệ dung dịch thấp, chẳng hạn như nhuộm jig, đòi hỏi khả năng thẩm thấu và khuếch tán cao hoặc nồng độ thuốc nhuộm tương đối cao.

Cần lưu ý rằng natri sulfat hiện có trên thị trường đôi khi có tính kiềm tương đối cao, và giá trị pH của nó có thể đạt tới 9-10. Điều này rất nguy hiểm. Nếu so sánh natri sulfat tinh khiết với muối tinh khiết, muối có tác dụng kết tụ thuốc nhuộm mạnh hơn natri sulfat. Điều này là do hàm lượng ion natri trong muối ăn cao hơn so với trong natri sulfat ở cùng trọng lượng.

Sự kết tụ của thuốc nhuộm có liên quan khá nhiều đến chất lượng nước. Nói chung, các ion canxi và magiê dưới 150 ppm sẽ không ảnh hưởng nhiều đến sự kết tụ của thuốc nhuộm. Tuy nhiên, các ion kim loại nặng trong nước, chẳng hạn như ion sắt và ion nhôm, bao gồm cả một số vi sinh vật tảo, sẽ đẩy nhanh quá trình kết tụ thuốc nhuộm. Ví dụ, nếu nồng độ ion sắt trong nước vượt quá 20 ppm, khả năng chống kết tụ của thuốc nhuộm có thể bị giảm đáng kể, và ảnh hưởng của tảo sẽ nghiêm trọng hơn.

Đính kèm kết quả kiểm tra khả năng chống vón cục và kháng muối của thuốc nhuộm:

Thí nghiệm 1: Cân 0,5 g thuốc nhuộm, 25 g natri sulfat hoặc muối, và hòa tan trong 100 ml nước tinh khiết ở 25°C trong khoảng 5 phút. Dùng ống nhỏ giọt để hút dung dịch và nhỏ liên tục 2 giọt vào cùng một vị trí trên giấy lọc.

Phương pháp xác định 2: Cân 0,5 g thuốc nhuộm, 8 g natri sulfat hoặc muối và 8 g soda ash, rồi hòa tan trong 100 ml nước tinh khiết ở khoảng 25°C trong khoảng 5 phút. Dùng ống nhỏ giọt hút liên tục dung dịch trên giấy lọc. Nhỏ 2 giọt.

Phương pháp trên có thể được sử dụng để đánh giá đơn giản khả năng chống vón cục và tách muối của thuốc nhuộm, và về cơ bản có thể xác định quy trình nhuộm nào nên được sử dụng.