Säurefarbstoffe, Direktfarbstoffe und Reaktivfarbstoffe sind allesamt wasserlösliche Farbstoffe. Die Produktionsmengen beliefen sich im Jahr 2001 auf 30.000 Tonnen, 20.000 Tonnen bzw. 45.000 Tonnen. Die Farbstoffunternehmen meines Landes konzentrierten sich jedoch lange Zeit vor allem auf die Entwicklung und Forschung neuer Strukturfarbstoffe, während die Forschung zur Nachbehandlung von Farbstoffen vergleichsweise schwach ausgeprägt war. Zu den gängigen Standardisierungsreagenzien für wasserlösliche Farbstoffe zählen Natriumsulfat, Dextrin, Stärkederivate, Saccharose, Harnstoff, Naphthalin-Formaldehyd-Sulfonat usw. Diese Standardisierungsreagenzien werden dem Farbstoff im entsprechenden Verhältnis beigemischt, um die gewünschte Farbstärke zu erzielen. Sie genügen jedoch nicht den Anforderungen der verschiedenen Druck- und Färbeverfahren in der Textilindustrie. Obwohl die oben genannten Farbstoffverdünnungsmittel relativ kostengünstig sind, weisen sie eine geringe Benetzbarkeit und Wasserlöslichkeit auf, was ihre Anpassung an die Bedürfnisse des internationalen Marktes erschwert und sie nur als Originalfarbstoffe exportieren lässt. Daher müssen bei der Vermarktung wasserlöslicher Farbstoffe die Benetzbarkeit und Wasserlöslichkeit der Farbstoffe dringend verbessert und entsprechende Additive eingesetzt werden.

Behandlung der Farbstoffbenetzbarkeit
Allgemein gesprochen ist Benetzung die Verdrängung eines Fluids (idealerweise eines Gases) auf einer Oberfläche durch ein anderes. Konkret handelt es sich bei der Grenzfläche von Pulver oder Granulat um eine Gas/Feststoff-Grenzfläche. Der Benetzungsprozess findet statt, wenn Flüssigkeit (Wasser) das Gas auf der Partikeloberfläche verdrängt. Benetzung ist somit ein physikalischer Prozess zwischen Substanzen an der Oberfläche. Bei der Nachbehandlung von Farbstoffen spielt die Benetzung oft eine wichtige Rolle. Farbstoffe werden üblicherweise in einen festen Zustand, wie Pulver oder Granulat, gebracht und müssen daher während der Anwendung benetzbar sein. Die Benetzbarkeit des Farbstoffs beeinflusst daher direkt die Anwendungswirkung. Beispielsweise ist es unerwünscht, wenn sich der Farbstoff während des Auflösungsprozesses nur schwer benetzen lässt und auf Wasser schwimmt. Angesichts der stetig steigenden Anforderungen an die Farbstoffqualität ist die Benetzbarkeit zu einem der Indikatoren für die Farbstoffqualität geworden. Die Oberflächenenergie von Wasser beträgt bei 20 °C 72,75 mN/m und nimmt mit steigender Temperatur ab. Die Oberflächenenergie von Feststoffen bleibt hingegen im Wesentlichen konstant und liegt üblicherweise unter 100 mN/m. Metalle und ihre Oxide, anorganische Salze usw. lassen sich in der Regel gut benetzen und weisen daher eine hohe Oberflächenenergie auf. Die Oberflächenenergie fester organischer Stoffe und Polymere ist vergleichbar mit der von Flüssigkeiten und wird daher als niedrige Oberflächenenergie bezeichnet. Sie ändert sich jedoch mit der Partikelgröße und dem Porositätsgrad. Je kleiner die Partikelgröße, desto größer der Porositätsgrad und desto höher die Oberflächenenergie. Die Partikelgröße ist vom Substrat abhängig. Daher muss die Partikelgröße des Farbstoffs klein sein. Nach der Aufbereitung des Farbstoffs durch kommerzielle Verfahren wie Aussalzen und Vermahlen in verschiedenen Medien wird die Partikelgröße feiner, die Kristallinität reduziert und die Kristallphase verändert sich. Dies verbessert die Oberflächenenergie des Farbstoffs und erleichtert die Benetzung.

Löslichkeitsbehandlung von Säurefarbstoffen
Durch den Einsatz kleiner Badverhältnisse und kontinuierlicher Färbetechnologie konnte der Automatisierungsgrad beim Drucken und Färben stetig verbessert werden. Die Entwicklung automatischer Füllstoffe und Pasten sowie die Einführung flüssiger Farbstoffe erfordern die Herstellung hochkonzentrierter und stabiler Farbflotten und Druckpasten. Die Löslichkeit von sauren, reaktiven und Direktfarbstoffen in inländischen Farbstoffprodukten liegt jedoch nur bei etwa 100 g/l, insbesondere bei sauren Farbstoffen. Einige Sorten erreichen sogar nur etwa 20 g/l. Die Löslichkeit eines Farbstoffs hängt von seiner Molekularstruktur ab. Je höher das Molekulargewicht und je weniger Sulfonsäuregruppen vorhanden sind, desto geringer ist die Löslichkeit; umgekehrt ist sie höher. Darüber hinaus ist die industrielle Verarbeitung von Farbstoffen von entscheidender Bedeutung. Faktoren wie die Kristallisationsmethode, der Mahlgrad, die Partikelgröße und die Zugabe von Additiven beeinflussen die Löslichkeit. Je leichter ein Farbstoff ionisiert, desto höher ist seine Wasserlöslichkeit. Die Kommerzialisierung und Standardisierung traditioneller Farbstoffe basieren jedoch auf dem Einsatz großer Mengen an Elektrolyten wie Natriumsulfat und Salzen. Ein hoher Na+-Gehalt im Wasser verringert die Wasserlöslichkeit des Farbstoffs. Um die Löslichkeit wasserlöslicher Farbstoffe zu verbessern, sollte daher zunächst auf die Zugabe von Elektrolyten zu kommerziellen Farbstoffen verzichtet werden.

Zusatzstoffe und Löslichkeit
⑴ Alkoholverbindung und Harnstoff-Cosolvens
Da wasserlösliche Farbstoffe eine bestimmte Anzahl an Sulfonsäure- und Carbonsäuregruppen enthalten, dissoziieren die Farbstoffpartikel in wässriger Lösung leicht und tragen eine negative Ladung. Durch Zugabe eines Co-Lösungsmittels mit wasserstoffbrückenbildenden Gruppen bildet sich eine Schutzschicht aus hydratisierten Ionen auf der Oberfläche der Farbstoffionen. Dies fördert die Ionisierung und Auflösung der Farbstoffmoleküle und verbessert somit die Löslichkeit. Polyole wie Diethylenglykolether, Thiodiethanol, Polyethylenglykol usw. werden üblicherweise als Hilfslösungsmittel für wasserlösliche Farbstoffe eingesetzt. Da sie Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Farbstoff ausbilden können, bildet sich auf der Oberfläche der Farbstoffionen eine Schutzschicht aus hydratisierten Ionen. Diese verhindert die Aggregation und intermolekulare Wechselwirkung der Farbstoffmoleküle und fördert die Ionisierung und Dissoziation des Farbstoffs.
⑵ Nichtionisches Tensid
Die Zugabe bestimmter nichtionischer Tenside zum Farbstoff kann die Bindungskräfte zwischen den Farbstoffmolekülen schwächen, die Ionisierung beschleunigen und die Bildung von Mizellen in Wasser bewirken, was zu einer guten Dispergierbarkeit führt. Polare Farbstoffe bilden Mizellen. Solubilisierende Moleküle wie Polyoxyethylenether oder -ester bilden ein Netzwerk aus Kompatibilisierungen zwischen den Molekülen und verbessern so die Löslichkeit. Fehlt dem Cosolvens jedoch eine stark hydrophobe Gruppe, ist die Dispersions- und Solubilisierungswirkung auf die durch den Farbstoff gebildeten Mizellen gering, und die Löslichkeit erhöht sich nicht signifikant. Daher sollten Lösungsmittel mit aromatischen Ringen bevorzugt werden, die hydrophobe Bindungen mit Farbstoffen eingehen können. Beispiele hierfür sind Alkylphenolpolyoxyethylenether, Polyoxyethylensorbitanester-Emulgatoren und andere wie Polyalkylphenylphenolpolyoxyethylenether.
⑶ Lignosulfonat-Dispergiermittel
Dispergiermittel haben einen großen Einfluss auf die Löslichkeit von Farbstoffen. Die Wahl eines geeigneten Dispergiermittels entsprechend der Farbstoffstruktur trägt wesentlich zur Verbesserung der Löslichkeit bei. Bei wasserlöslichen Farbstoffen verhindern sie die gegenseitige Adsorption (Van-der-Waals-Kräfte) und Aggregation der Farbstoffmoleküle. Lignosulfonat ist das wirksamste Dispergiermittel, und es wird in China dazu geforscht.
Die Molekularstruktur von Dispersionsfarbstoffen enthält keine stark hydrophilen, sondern nur schwach polare Gruppen. Daher weisen sie nur eine geringe Hydrophilie auf und ihre tatsächliche Löslichkeit ist sehr gering. Die meisten Dispersionsfarbstoffe lösen sich in Wasser nur bei 25 °C (1–10 mg/L).
Die Löslichkeit von Dispersionsfarbstoffen hängt von folgenden Faktoren ab:
Molekülstruktur
Die Wasserlöslichkeit von Dispersionsfarbstoffen steigt mit abnehmendem hydrophoben Anteil und zunehmendem hydrophilen Anteil (Anzahl und Qualität polarer Gruppen) im Farbstoffmolekül. Das heißt, Farbstoffe mit relativ geringer relativer Molekülmasse und vielen schwach polaren Gruppen wie -OH und -NH₂ sind besser löslich. Farbstoffe mit größerer relativer Molekülmasse und weniger schwach polaren Gruppen weisen hingegen eine geringere Löslichkeit auf. Beispielsweise beträgt die Löslichkeit von Disperse Red (I) (M = 321) bei 25 °C weniger als 0,1 mg/L und bei 80 °C 1,2 mg/L. Disperse Red (II) (M = 352) hat eine Löslichkeit von 7,1 mg/L bei 25 °C und 240 mg/L bei 80 °C.
Dispergiermittel
Bei pulverförmigen Dispersionsfarbstoffen beträgt der Anteil an reinen Farbstoffen im Allgemeinen 40 bis 60 Prozent, der Rest besteht aus Dispergiermitteln, Staubbindemitteln, Schutzmitteln, Natriumsulfat usw. Dabei macht das Dispergiermittel den größten Anteil aus.
Das Dispergiermittel (Diffusionsmittel) umhüllt die feinen Farbstoffkristalle mit hydrophilen Kolloidpartikeln und dispergiert sie stabil in Wasser. Nach Überschreiten der kritischen Mizellenkonzentration bilden sich Mizellen, wodurch ein Teil der Farbstoffkristalle reduziert wird. In den Mizellen gelöst, tritt die sogenannte Solubilisierung ein, die die Löslichkeit des Farbstoffs erhöht. Je besser die Qualität des Dispergiermittels und je höher seine Konzentration, desto größer ist der Solubilisierungseffekt.
Es ist zu beachten, dass die solubilisierende Wirkung von Dispergiermitteln auf Dispersionsfarbstoffe unterschiedlicher Struktur stark variiert. Die solubilisierende Wirkung des Dispergiermittels auf Dispersionsfarbstoffe nimmt mit steigender Wassertemperatur ab, was dem Einfluss der Wassertemperatur auf die Löslichkeit der Farbstoffe entspricht. Der Effekt ist also gegenläufig.
Nachdem sich die hydrophoben Kristallpartikel des Dispersionsfarbstoffs und des Dispergiermittels zu hydrophilen Kolloidpartikeln verbunden haben, wird die Dispersionsstabilität deutlich verbessert. Darüber hinaus fungieren diese Farbstoffkolloidpartikel während des Färbeprozesses als Farbstofflieferanten. Denn nachdem die Farbstoffmoleküle im gelösten Zustand von der Faser absorbiert wurden, wird der in den Kolloidpartikeln „gespeicherte“ Farbstoff rechtzeitig freigesetzt, um das Lösungsgleichgewicht des Farbstoffs aufrechtzuerhalten.
Der Zustand des Dispersionsfarbstoffs in der Dispersion
1-Dispersantmolekül
2-Farbstoffkristallit (Solubilisierung)
3-Dispersant-Mizelle
4-Farbstoff-Einzelmolekül (gelöst)
5-Farbstoffkorn
6-Dispersant lipophile Base
7-Dispersant hydrophile Basis
8-Natriumion (Na+)
9-Aggregate von Farbstoffkristalliten
Ist die Kohäsion zwischen Farbstoff und Dispergiermittel jedoch zu hoch, reicht das Angebot an Farbstoffmolekülen nicht aus, oder es kommt zu einem Überangebot. Dies verringert die Färbegeschwindigkeit und führt zu einem unausgewogenen Färbeergebnis, was wiederum zu langsamer Färbung und einer hellen Farbe führt.
Es zeigt sich, dass bei der Auswahl und Verwendung von Dispergiermitteln nicht nur die Dispersionsstabilität des Farbstoffs, sondern auch der Einfluss auf die Farbe des Farbstoffs berücksichtigt werden sollte.
(3) Temperatur der Färbelösung
Die Wasserlöslichkeit von Dispersionsfarbstoffen steigt mit zunehmender Wassertemperatur. Beispielsweise ist die Löslichkeit von Dispersionsgelb in 80 °C warmem Wasser 18-mal so hoch wie in 25 °C warmem Wasser. Die Löslichkeit von Dispersionsrot in 80 °C warmem Wasser ist 33-mal so hoch wie in 25 °C warmem Wasser. Die Löslichkeit von Dispersionsblau in 80 °C warmem Wasser ist 37-mal so hoch wie in 25 °C warmem Wasser. Bei Wassertemperaturen über 100 °C steigt die Löslichkeit von Dispersionsfarbstoffen noch weiter an.
Ein wichtiger Hinweis: Die Löslichkeit von Dispersionsfarbstoffen birgt in der Praxis Risiken. Wird die Farbstofflösung beispielsweise ungleichmäßig erhitzt, fließt der heiße Teil zu Bereichen mit niedrigerer Temperatur. Mit sinkender Wassertemperatur übersättigt sich die Farbstofflösung, der gelöste Farbstoff fällt aus, was zum Wachstum der Farbstoffkristalle und einer Verringerung der Löslichkeit führt. Dies wiederum reduziert die Farbstoffaufnahme.
(vier) Farbstoffkristallform
Manche Dispersionsfarbstoffe weisen das Phänomen des Isomorphismus auf. Das heißt, derselbe Dispersionsfarbstoff bildet aufgrund unterschiedlicher Dispersionstechniken im Herstellungsprozess verschiedene Kristallformen wie Nadeln, Stäbchen, Flocken, Granulate und Blöcke. Bei der Anwendung, insbesondere beim Färben bei 130 °C, wandelt sich die instabilere Kristallform in die stabilere um.
Es ist wichtig zu beachten, dass die stabilere Kristallform eine höhere Löslichkeit aufweist, während die weniger stabile Kristallform eine relativ geringere Löslichkeit besitzt. Dies beeinflusst direkt die Farbstoffaufnahmerate und den Farbstoffaufnahmeprozentsatz.
(5) Partikelgröße
Farbstoffe mit kleinen Partikeln weisen im Allgemeinen eine hohe Löslichkeit und gute Dispersionsstabilität auf. Farbstoffe mit großen Partikeln hingegen haben eine geringere Löslichkeit und eine vergleichsweise schlechte Dispersionsstabilität.
Derzeit liegt die Partikelgröße von inländischen Dispersionsfarbstoffen im Allgemeinen bei 0,5 bis 2,0 μm (Anmerkung: Für das Tauchfärben ist eine Partikelgröße von 0,5 bis 1,0 μm erforderlich).