Reaktivfarbstoffe zeichnen sich durch leuchtende Farben und vollständige Farbchromatogramme aus. Sie sind bekannt für ihre einfache Anwendung, die geringen Kosten und ihre ausgezeichnete Farbechtheit. Insbesondere durch die Entwicklung von Cellulosefasern in den letzten Jahren haben sich Reaktivfarbstoffe zum wichtigsten Farbstofftyp für die Textilfärbung mit Cellulosefasern entwickelt.

Das größte Problem von Reaktivfarbstoffen ist ihre geringe Auszieh- und Fixierungsrate. Beim traditionellen Färben von Cellulosefasern muss zur Verbesserung der Farbstoffaufnahme und -fixierung von Reaktivfarbstoffen eine große Menge anorganischer Salze (Natriumchlorid oder Natriumsulfat) zugesetzt werden. Je nach Farbstoffstruktur und -farbe liegt die verwendete Salzmenge üblicherweise zwischen 30 und 150 g/L. Obwohl bei der Behandlung organischer Verbindungen in Abwässern aus Druckereien und Färbereien große Fortschritte erzielt wurden, lässt sich die Zugabe großer Mengen anorganischer Salze im Färbeprozess nicht mit einfachen physikalischen und biochemischen Methoden beheben.

Forschung zur Technologie von Reaktivfarbstoffen und salzfreien Farbstoffen

Aus ökologischer Sicht verändert die Einleitung von Abwässern aus Druckereien und Färbereien mit hohem Salzgehalt unmittelbar die Wasserqualität von Flüssen und Seen und zerstört das ökologische Gleichgewicht.
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Die hohe Durchlässigkeit von Salzen führt zur Versalzung der Böden an Flüssen und Seen und damit zu Ernteausfällen. Kurz gesagt: Der Einsatz großer Mengen anorganischer Salze ist weder abbaubar noch recycelbar und hat gleichzeitig erhebliche negative Auswirkungen auf Wasserqualität und Boden. Vor diesem Hintergrund gibt dieser Artikel einen Überblick über die jüngsten Forschungsergebnisse zur salzfreien Färbetechnologie und erörtert systematisch die Strukturveränderungen von salzarmen Reaktivfarbstoffen sowie Pfropf- und Vernetzungstechnologien.

Reaktivfarbstoffe für salzfreies Färben

Die herausragenden Eigenschaften von Reaktivfarbstoffen sind ihre geringe Molekülstruktur, ihre gute Hydrophilie und die einfache Auswaschbarkeit überschüssiger Farbe nach der Fixierung. Dies stellt eine wichtige Innovation im Design von Farbstoffmolekülen dar. Allerdings führt dies auch zu einer geringen Farbstoffausbeute und Fixierungsrate, wodurch beim Färben große Mengen Salz zugesetzt werden müssen. Dies verursacht den Verlust großer Mengen salzhaltigen Abwassers und Farbstoffs und erhöht somit die Kosten der Abwasserbehandlung. Die Umweltbelastung ist gravierend. Einige Farbstoffhersteller begannen daher, sich verstärkt mit der Suche und Verbesserung von Farbstoffvorstufen und reaktiven Gruppen zu befassen und Reaktivfarbstoffe für das salzarme Färben zu entwickeln. CibacronLs von Ciba ist ein solcher salzarmer Farbstoff, der verschiedene aktive Gruppen kombiniert. Charakteristisch für diesen Farbstoff ist, dass beim Färben nur ein Viertel bis die Hälfte der Salzmenge benötigt wird, die bei herkömmlichen Reaktivfarbstoffen üblich ist. Er ist unempfindlich gegenüber Änderungen des Badverhältnisses und zeichnet sich durch eine gute Reproduzierbarkeit aus. Diese Art von Farbstoffen wird hauptsächlich im Tauchverfahren verwendet und kann zusammen mit Dispersionsfarbstoffen für das schnelle Einbadfärben von Polyester/Baumwoll-Mischgeweben eingesetzt werden.

Die japanische Sumitomo Corporation hat ein Färbeverfahren speziell für die Farbstoffe der Sumifux Supra-Serie entwickelt. Dieses Verfahren, die sogenannte LETfS-Färbemethode, benötigt nur die Hälfte bis ein Drittel der Menge an anorganischem Salz im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren, und das Badverhältnis kann bis zu 1:10 betragen. Sumitomo brachte außerdem eine Reihe von Reaktivfarbstoffen auf den Markt, die mit diesem Verfahren kompatibel sind. Diese Farbstoffe sind heterobi-reaktive Farbstoffe, die aus Monochlortriazin und β-Ethylsulfonsulfat bestehen. Der Restfarbstoffgehalt im Färbeabwasser dieser Farbstoffe beträgt lediglich 25–30 % des Farbstoffgehalts in herkömmlichem Reaktivfärbeabwasser. Die Farbstoffe eignen sich besonders für die Färbung von Tencel-Fasern und zeichnen sich durch hervorragende Ergebnisse hinsichtlich Fixierrate, Waschbarkeit und Echtheit der gefärbten Produkte aus.

Die Firma DyStar brachte die Farbstoffserie RemazolEF auf den Markt, die sich für salzfreies Färben eignet. Die aktive Gruppe besteht hauptsächlich aus β-Hydroxyethylsulfonsulfat. Das umweltfreundliche, salzfreie Färbeverfahren benötigt nur ein Drittel der Menge an anorganischem Salz im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Der Färbeprozess wird dadurch verkürzt. Zudem deckt das System ein breites Farbspektrum ab. Verschiedene Primärfarben lassen sich zu leuchtenden Farbtönen kombinieren. Die Firma Clariant brachte die Reaktivfarbstoffserie DrimareneHF in vier Varianten auf den Markt: DrimareneBlueHF-RL, DrimareneHF-2RL, NavyHF-G und RedHF-G. Sie eignen sich für das Auszieh- und das kontinuierliche Färben von Cellulosefasern und zeichnen sich durch gute Anwendung und Farbechtheit aus. Die Fixierrate ist sehr hoch, der Salz- und Flottenanteil gering. Die Farbstoffe sind neutral fixiert und gut waschbeständig.

Einige neu entwickelte Reaktivfarbstoffe können die Direktreaktivität durch Vergrößerung des Farbstoffmolekülvolumens und Reduzierung des Bedarfs an anorganischen Salzen steigern. Beispielsweise kann die Einführung von Harnstoffgruppen die Direktreaktivität der aktiven Gruppen erhöhen und den Bedarf an anorganischen Salzen verringern. Dies verbessert die Fixierrate. Auch Polyazofarbstoff-Vorstufen (wie Triazo und Tetraazo) erhöhen die Direktreaktivität und ermöglichen salzfreies Färben. Die hohe sterische Hinderung mancher Farbstoffe kann die Reaktivität der reaktiven Gruppen und die benötigte Salzmenge beim Färben ebenfalls signifikant beeinflussen. Diese sterische Hinderung wird im Allgemeinen durch die Einführung von Alkylsubstituenten an verschiedenen Positionen der Farbstoffmatrix erreicht. Ihre grundlegenden Strukturmerkmale lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die aktive Gruppe 1 SO: CH2CH: oS03Na kann sich in meta- oder para-Position des Benzolrings befinden;

R3 kann sich in ortho-, inter- oder para-Position des Benzolrings befinden. Die Strukturformel lautet Vinylsulfon-Reaktivfarbstoffe.

Unterschiedliche Substituenten oder unterschiedliche Substitutionspositionen an den Farbstoffen können unter gleichen Färbebedingungen den gleichen Färbewert erzielen, aber ihre Färbesalzmengen sind sehr unterschiedlich.

Hervorragende, salzarme Reaktivfarbstoffe müssen folgende Eigenschaften aufweisen: 1) Deutlich reduzierter Salzverbrauch beim Färben; 2) Färben in einem Färbebad mit niedrigem Salzgehalt und hoher Badstabilität; 3) Gute Waschbarkeit und verkürzte Nachbearbeitungszeit; 4) Ausgezeichnete Reproduzierbarkeit. Im Hinblick auf die Farbstoffverbesserung wurden neben der oben genannten Optimierung der Farbstoffmatrixstruktur und der sinnvollen Kombination aktiver Gruppen sogenannte kationische Reaktivfarbstoffe synthetisiert, die ohne Salzzusatz färben können. Beispiele für kationische Reaktivfarbstoffe mit folgender Struktur:

Aus der obigen Formel geht hervor, dass der Farbstoff an die aktive Gruppe des Monochlor-Triazins gebunden ist. Zusätzlich ist eine Pyridin-Quartärammoniumgruppe an den s-Triazinring angehängt. Der Farbstoff ist positiv geladen, und die Quartärammoniumgruppe ist wasserlöslich. Da zwischen den Farbstoffmolekülen und der Faser nicht nur keine Ladungsabstoßung, sondern sogar eine Anziehung positiver und negativer Ladungen besteht, kann der Farbstoff leicht an die Faseroberfläche adsorbieren. Die Anwesenheit von Elektrolyten in der Färbelösung hemmt nicht nur die farbstofffördernde Wirkung, sondern schwächt auch die Anziehung zwischen Farbstoff und Faser. Daher kann diese Art der Färbung ohne Elektrolytzusatz und somit salzfrei durchgeführt werden. Der Färbeprozess ähnelt dem von herkömmlichen Reaktivfarbstoffen. Bei Monochlor-Triazin-Reaktivfarbstoffen wird weiterhin Natriumcarbonat als Fixiermittel zugesetzt. Die Fixiertemperatur liegt bei etwa 85 °C. Die Farbstoffaufnahme kann 90 % bis 94 % erreichen, die Fixierungsrate liegt bei 80 % bis 90 %. Der Farbstoff weist gute Licht- und Waschechtheit auf. Ähnliche kationische Reaktivfarbstoffe wurden ebenfalls mit Monofluor-s-triazin als aktiver Gruppe beschrieben. Die Aktivität von Monofluor-s-triazin ist höher als die von Monochlor-s-triazin.

Diese Farbstoffe lassen sich auch in Baumwoll-Acryl-Mischgewebe einarbeiten, wobei weitere Eigenschaften (wie Egalisierung und Kompatibilität) noch genauer untersucht werden müssen. Dennoch bietet das Verfahren eine neue Möglichkeit, Zellulosefasern salzfrei zu färben.