Reaktivfarbstoffe besitzen eine sehr gute Wasserlöslichkeit. Diese beruht hauptsächlich auf der Sulfonsäuregruppe des Farbstoffmoleküls. Bei meso-Temperatur-Reaktivfarbstoffen mit Vinylsulfongruppen trägt neben der Sulfonsäuregruppe auch das β-Ethylsulfonylsulfat wesentlich zur Löslichkeit bei.

In wässriger Lösung reagieren die Natriumionen der Sulfonsäuregruppe und der Ethylsulfonsulfatgruppe unter Hydratisierung, wodurch der Farbstoff Anionen bildet und sich im Wasser löst. Die Färbung mit dem Reaktivfarbstoff hängt vom Vorhandensein der Anionen des zu färbenden Farbstoffs auf der Faser ab.

Die Löslichkeit von Reaktivfarbstoffen liegt bei über 100 g/L, die meisten Farbstoffe weisen eine Löslichkeit von 200–400 g/L auf, einige erreichen sogar 450 g/L. Während des Färbeprozesses nimmt die Löslichkeit des Farbstoffs jedoch aus verschiedenen Gründen ab (oder er wird sogar vollständig unlöslich). Mit sinkender Löslichkeit wandelt sich ein Teil des Farbstoffs aufgrund der starken Ladungsabstoßung zwischen den Partikeln von einem freien Anion in Partikel um. Diese Partikel ziehen sich gegenseitig an und agglomerieren. Diese Agglomeration führt zunächst zur Zusammenlagerung von Farbstoffpartikeln zu Agglomeraten, die sich dann zu Flocken verfestigen. Obwohl die Flocken eine Art lockere Ansammlung darstellen, ist es aufgrund der umgebenden elektrischen Doppelschicht, die aus positiven und negativen Ladungen besteht, im Allgemeinen schwierig, diese durch die Scherkräfte beim Zirkulieren der Färbeflotte aufzulösen, und die Flocken neigen dazu, sich auf dem Stoff abzulagern, was zu Oberflächenverfärbungen oder Flecken führt.

Sobald der Farbstoff solche Agglomerationen aufweist, wird die Farbechtheit deutlich reduziert, und es kommt gleichzeitig zu Flecken und Verfärbungen unterschiedlichen Ausmaßes. Bei manchen Farbstoffen beschleunigt die Ausflockung die Agglomeration unter der Scherkraft der Farbstofflösung zusätzlich, was zu Dehydratation und Aussalzung führt. Tritt die Aussalzung ein, verblasst die Farbe extrem oder verschwindet sogar ganz; selbst wenn die Farbe erhalten bleibt, entstehen starke Flecken und Verfärbungen.

Ursachen der Farbstoffaggregation

Der Hauptgrund liegt im Elektrolyten. Im Färbeprozess ist der wichtigste Elektrolyt der Farbstoffbeschleuniger (Natriumsalz). Der Farbstoffbeschleuniger enthält Natriumionen, deren Äquivalentmenge im Farbstoffmolekül jedoch deutlich geringer ist als die des Farbstoffbeschleunigers. Die übliche Konzentration des Farbstoffbeschleunigers im normalen Färbeprozess hat daher nur geringen Einfluss auf die Löslichkeit des Farbstoffs im Färbebad.

Mit steigender Menge an Farbstoffbeschleuniger erhöht sich die Natriumionenkonzentration in der Lösung. Überschüssige Natriumionen hemmen die Ionisierung der gelösten Gruppen des Farbstoffmoleküls und verringern dadurch dessen Löslichkeit. Ab einer Konzentration von 200 g/L weisen die meisten Farbstoffe unterschiedliche Aggregationsgrade auf. Bei Konzentrationen über 250 g/L verstärkt sich die Aggregation, wobei sich zunächst Agglomerate und anschließend Flocken in der Farbstofflösung bilden. Agglomerate und Flocken entstehen schnell, und einige schwerlösliche Farbstoffe werden teilweise ausgefällt oder sogar dehydriert. Farbstoffe mit unterschiedlichen Molekülstrukturen weisen unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Agglomerations- und Ausfällungsbeständigkeit auf. Je geringer die Löslichkeit, desto geringer die Agglomerations- und Salztoleranzeigenschaften und desto schlechter die analytische Leistungsfähigkeit.

Die Löslichkeit des Farbstoffs wird hauptsächlich durch die Anzahl der Sulfonsäuregruppen und der β-Ethylsulfonsulfate im Farbstoffmolekül bestimmt. Gleichzeitig gilt: Je hydrophiler das Farbstoffmolekül ist, desto höher ist die Löslichkeit; je niedriger die Hydrophilie, desto geringer die Löslichkeit. (Beispielsweise sind Azofarbstoffe hydrophiler als heterocyclische Farbstoffe.) Darüber hinaus ist die Löslichkeit umso geringer, je größer die Molekülstruktur des Farbstoffs ist, und umso höher, je kleiner die Molekülstruktur ist.

Löslichkeit von Reaktivfarbstoffen
Man kann es grob in vier Kategorien unterteilen:

Farbstoffe der Klasse A, die Diethylsulfonsulfat (d. h. Vinylsulfon) und drei reaktive Gruppen (Monochlortriazin + Divinylsulfon) enthalten, weisen die höchste Löslichkeit auf, wie beispielsweise Yuan Qing B, Navy GG, Navy RGB, Golden: RNL und alle Reaktivschwarze, die durch Mischen von Yuanqing B mit Farbstoffen mit drei reaktiven Gruppen wie dem ED-Typ, dem Ciba-S-Typ usw. hergestellt werden. Die Löslichkeit dieser Farbstoffe liegt meist bei etwa 400 g/L.

Klasse B, Farbstoffe mit heterobireaktiven Gruppen (Monochlor-Triazin + Vinylsulfon), wie z. B. Gelb 3RS, Rot 3BS, Rot 6B, Rot GWF, RR (drei Primärfarben), RGB (drei Primärfarben) usw. Ihre Löslichkeit basiert auf 200–300 Gramm. Die Löslichkeit des Metaesters ist höher als die des Paraesters.

Typ C: Marineblaue Farbstoffe mit heterobireaktiven Gruppen (z. B. BF, Marineblau 3GF, Dunkelblau 2GFN, Rot RBN, Rot F2B usw.) weisen aufgrund der geringeren Anzahl an Sulfonsäuregruppen oder des höheren Molekulargewichts eine niedrige Löslichkeit von nur 100–200 g/l auf. Klasse D: Farbstoffe mit Monovinylsulfongruppen und heterocyclischer Struktur besitzen die geringste Löslichkeit, z. B. Brillantblau KN-R, Türkisblau G, Hellgelb 4GL, Violett 5R, Blau BRF, Brillantorange F2R, Brillantrot F2G usw. Die Löslichkeit dieser Farbstoffe beträgt nur etwa 100 g/l. Sie reagieren besonders empfindlich auf Elektrolyte. Nach der Agglomeration scheiden sie sich direkt durch Aussalzen aus, ohne dass eine Flockung erforderlich ist.

Im normalen Färbeprozess beträgt die maximale Menge an Farbstoffbeschleuniger 80 g/L. Nur dunkle Farben erfordern eine so hohe Konzentration. Bei einer Farbstoffkonzentration im Färbebad von unter 10 g/L weisen die meisten Reaktivfarbstoffe noch eine gute Löslichkeit auf und aggregieren nicht. Das Problem liegt jedoch im Färbebottich. Im normalen Färbeprozess wird zuerst der Farbstoff zugegeben, und erst nach vollständiger und gleichmäßiger Verdünnung im Färbebad wird der Farbstoffbeschleuniger hinzugefügt. Der Farbstoffbeschleuniger ist im Bottich bereits für die Auflösung des Farbstoffs verantwortlich.

Führen Sie die folgenden Schritte durch:

Annahme: Die Farbstoffkonzentration beträgt 5 %, das Flottenverhältnis 1:10, das Stoffgewicht 350 kg (Doppelrohr-Flüssigkeitszufuhr), der Wasserstand 3,5 t, die Natriumsulfatkonzentration 60 g/l und die Gesamtmenge an Natriumsulfat 200 kg (4 Packungen à 50 kg). (Das Fassungsvermögen des Materialbehälters beträgt üblicherweise ca. 450 Liter.) Zum Auflösen des Natriumsulfats wird häufig die Rücklaufflüssigkeit des Färbebottichs verwendet. Diese enthält den zuvor zugegebenen Farbstoff. Üblicherweise werden zunächst 300 l Rücklaufflüssigkeit in den Materialbottich gegeben, anschließend werden zwei Packungen Natriumsulfat (100 kg) hinzugefügt.

Das Problem liegt darin, dass die meisten Farbstoffe bei dieser Natriumsulfatkonzentration in unterschiedlichem Maße agglomerieren. Farbstoffe vom Typ C neigen besonders zur Agglomeration, während Farbstoffe vom Typ D nicht nur agglomerieren, sondern auch ausfallen. Obwohl der Bediener üblicherweise die Natriumsulfatlösung aus dem Materialbehälter langsam über die Hauptumwälzpumpe in den Farbstoffbehälter nachfüllt, haben die 300 Liter Natriumsulfatlösung bereits Flocken gebildet und sind sogar ausgefällt.

Wenn die gesamte Lösung aus dem Materialbottich in den Färbebottich gefüllt ist, ist deutlich zu erkennen, dass sich an den Bottichwänden und am Boden eine Schicht fettiger Farbstoffpartikel gebildet hat. Diese Farbstoffpartikel lassen sich in der Regel nur schwer wieder auflösen, wenn sie abgekratzt und in sauberes Wasser gegeben werden. Tatsächlich ist die gesamte 300-Liter-Lösung, die in den Färbebottich gelangt, in diesem Zustand.

Bedenken Sie, dass auch zwei Packungen Yuanming-Pulver aufgelöst und auf diese Weise wieder in den Färbebottich gegeben werden. Danach kommt es zwangsläufig zu Fleckenbildung, und die Farbechtheit wird durch Oberflächenfärbung stark beeinträchtigt, selbst wenn keine offensichtliche Ausflockung oder Aussalzung auftritt. Bei den höher löslichen Farbstoffen der Klassen A und B kommt es ebenfalls zur Farbstoffaggregation. Obwohl diese Farbstoffe noch keine Ausflockungen gebildet haben, haben sich zumindest teilweise bereits Agglomerate gebildet.

Diese Aggregate dringen nur schwer in die Faser ein. Denn die amorphen Bereiche der Baumwollfaser lassen nur monoionische Farbstoffe durch. Aggregate können nicht in die amorphen Bereiche der Faser eindringen, sondern werden lediglich an der Faseroberfläche adsorbiert. Dadurch wird die Farbechtheit deutlich reduziert, und in schweren Fällen können Farbflecken und Verschmutzungen auftreten.

Der Löslichkeitsgrad von Reaktivfarbstoffen hängt mit alkalischen Mitteln zusammen.

Bei Zugabe des Alkalis unterliegt das β-Ethylsulfonsulfat des Reaktivfarbstoffs einer Eliminierungsreaktion und bildet sein eigentliches Vinylsulfon, welches sehr gut in Enzymen löslich ist. Da für die Eliminierungsreaktion nur sehr geringe Mengen an Alkali benötigt werden (oft weniger als ein Zehntel der Prozessmenge), führt eine höhere Alkalimenge zu einer stärkeren Eliminierung des Farbstoffs. Nach Abschluss der Eliminierungsreaktion nimmt die Löslichkeit des Farbstoffs ab.

Das gleiche Alkali ist auch ein starkes Elektrolyt und enthält Natriumionen. Daher führt eine zu hohe Alkalikonzentration dazu, dass sich die gebildeten Vinylsulfone des Farbstoffs agglomerieren oder sogar ausfallen. Dasselbe Problem tritt im Materialtank auf. Wird das Alkali (beispielsweise Soda) gelöst und eine Rücklauflösung verwendet, enthält diese bereits Farbstoffbeschleuniger und Farbstoff in der üblichen Prozesskonzentration. Obwohl ein Teil des Farbstoffs von den Fasern verbraucht wurde, befinden sich noch mindestens 40 % des restlichen Farbstoffs in der Färbelösung. Wird nun während des Betriebs ein Beutel Soda hinzugegeben und die Sodakonzentration im Tank übersteigt 80 g/l, kondensiert der Farbstoff im Tank selbst dann, wenn die Konzentration des Farbstoffbeschleunigers in der Rücklauflösung zu diesem Zeitpunkt 80 g/l beträgt. C- und D-Farbstoffe können sogar ausfallen, insbesondere D-Farbstoffe. Selbst bei einer Soda-Konzentration von nur 20 g/l kann es zu lokalem Ausfallen kommen. Besonders empfindlich reagieren Brillantblau KN.R, Türkisblau G und Supervisor BRF.

Farbstoffagglomeration oder -ausfällung bedeuten nicht zwangsläufig, dass der Farbstoff vollständig hydrolysiert ist. Falls Agglomeration oder Ausfällung durch einen Farbstoffbeschleuniger verursacht werden, ist eine weitere Färbung möglich, sofern sich der Farbstoff wieder auflösen lässt. Um dies zu erreichen, ist jedoch die Zugabe einer ausreichenden Menge Farbstoffhilfsmittel (z. B. Harnstoff, 20 g/l oder mehr) erforderlich, und die Temperatur muss unter intensivem Rühren auf mindestens 90 °C erhöht werden. In der Praxis gestaltet sich dies jedoch äußerst schwierig.
Um zu verhindern, dass die Farbstoffe im Färbebottich verklumpen oder ausfallen, muss bei der Herstellung tiefer und konzentrierter Farben für die schlecht löslichen Farbstoffe C und D sowie für die Farbstoffe A und B das Transferfärbeverfahren angewendet werden.

Prozessbetrieb und -analyse

1. Geben Sie den Färbebeschleuniger zurück in das Färbebad und erhitzen Sie ihn dort, bis er sich aufgelöst hat (60–80 °C). Da das Frischwasser keinen Farbstoff enthält, hat der Färbebeschleuniger keine Affinität zum Stoff. Der gelöste Färbebeschleuniger kann nun schnellstmöglich in das Färbebad gegeben werden.

2. Nachdem die Salzlösung 5 Minuten lang zirkuliert hat, ist der Farbstoffbeschleuniger im Wesentlichen gleichmäßig verteilt. Anschließend wird die zuvor gelöste Farbstofflösung hinzugegeben. Die Farbstofflösung muss mit der Rücklauflösung verdünnt werden, da die Konzentration des Farbstoffbeschleunigers in der Rücklauflösung nur 80 g/l beträgt und der Farbstoff daher nicht agglomeriert. Gleichzeitig wird der Farbstoff durch den (relativ niedrig konzentrierten) Farbstoffbeschleuniger nicht beeinflusst, wodurch Probleme beim Färben auftreten können. Die Farbstofflösung muss nun nicht mehr zeitlich genau kontrolliert in den Färbebottich eingefüllt werden; der Vorgang ist üblicherweise nach 10–15 Minuten abgeschlossen.

3. Alkalische Mittel sollten möglichst gut hydratisiert werden, insbesondere bei C- und D-Farbstoffen. Da diese Farbstoffe in Gegenwart von Farbstoffförderern sehr empfindlich auf alkalische Mittel reagieren, ist deren Löslichkeit relativ hoch (die Löslichkeit von Soda bei 60 °C beträgt 450 g/L). Es wird nicht viel sauberes Wasser zum Auflösen des alkalischen Mittels benötigt, jedoch muss die Zugabegeschwindigkeit der Alkalilösung den Prozessanforderungen entsprechen. Im Allgemeinen empfiehlt sich eine schrittweise Zugabe.

4. Bei den Divinylsulfonfarbstoffen der Kategorie A ist die Reaktionsgeschwindigkeit relativ hoch, da sie bei 60 °C besonders empfindlich auf alkalische Mittel reagieren. Um eine sofortige Farbfixierung und ungleichmäßige Färbung zu vermeiden, kann ein Viertel des Alkalimittels bei niedriger Temperatur vorab zugegeben werden.

Beim Transferfärbeverfahren muss lediglich die Zufuhrrate des Alkalis kontrolliert werden. Das Transferfärbeverfahren eignet sich sowohl für die Erhitzungsmethode als auch für die Konstanttemperaturmethode. Letztere erhöht die Löslichkeit des Farbstoffs und beschleunigt dessen Diffusion und Penetration. Die Quellrate der amorphen Bereiche der Faser ist bei 60 °C etwa doppelt so hoch wie bei 30 °C. Daher ist die Konstanttemperaturmethode besser für Käse und Garnstränge geeignet. Für Kettfäden kommen Färbeverfahren mit niedrigen Flottenverhältnissen zum Einsatz, wie beispielsweise das Jig-Färben, das eine hohe Penetration und Diffusion oder eine relativ hohe Farbstoffkonzentration erfordert.

Beachten Sie, dass das im Handel erhältliche Natriumsulfat mitunter relativ alkalisch ist und einen pH-Wert von 9–10 aufweisen kann. Dies ist sehr gefährlich. Im Vergleich zu reinem Kochsalz hat reines Natriumsulfat eine stärkere Wirkung auf die Farbstoffaggregation. Dies liegt daran, dass die äquivalente Menge an Natriumionen in Kochsalz bei gleichem Gewicht höher ist als in Natriumsulfat.

Die Aggregation von Farbstoffen hängt stark von der Wasserqualität ab. Im Allgemeinen haben Calcium- und Magnesiumionenkonzentrationen unter 150 ppm nur geringen Einfluss auf die Farbstoffaggregation. Schwermetallionen im Wasser, wie beispielsweise Eisen(III)- und Aluminiumionen, sowie bestimmte Algen, beschleunigen die Farbstoffaggregation jedoch. Übersteigt die Konzentration von Eisen(III)-Ionen im Wasser beispielsweise 20 ppm, kann die Antihaftwirkung des Farbstoffs deutlich reduziert werden, wobei der Einfluss von Algen besonders stark ist.

Beigefügt mit Farbstoff-Antiagglomerations- und Aussalzungsbeständigkeitstest:

Bestimmung 1: 0,5 g Farbstoff und 25 g Natriumsulfat oder -salz werden abgewogen und in 100 ml gereinigtem Wasser bei 25 °C etwa 5 Minuten lang gelöst. Die Lösung wird mithilfe eines Tropfschlauchs angesaugt und jeweils 2 Tropfen nacheinander an derselben Stelle auf das Filterpapier getropft.

Bestimmung 2: 0,5 g Farbstoff, 8 g Natriumsulfat oder -salz und 8 g Soda abwiegen und in 100 ml gereinigtem Wasser bei ca. 25 °C etwa 5 Minuten lang lösen. Die Lösung mit einer Pipette kontinuierlich auf das Filterpapier aufsaugen. 2 Tropfen.

Mit der oben genannten Methode lässt sich auf einfache Weise die Antiagglomerations- und Aussalzungseigenschaften des Farbstoffs beurteilen und grundsätzlich feststellen, welches Färbeverfahren angewendet werden sollte.