شیمی رنگارنگ پلی استر: چگونه محبوب ترین فیبر جهان را رنگ می کنیم

چرا رنگرزی پلی استر بسیار سخت است؟

پلی استر یا پلی اتیلن ترفتالات (PET) ، اسب کاری دنیای نساجی مدرن است. این الیاف بادوام است، در برابر چین و چروک مقاوم است و تولید آن نسبتاً ارزان است و آن را به پرمصرف ترین الیاف در سطح جهان تبدیل می کند. اما یک نکته وجود دارد: رنگرزی آن بسیار دشوار است.

چالش در ساختار اساسی پلی استر نهفته است که هر دو است آبگریز و به شدت کریستالی .

ماهیت هیدروفوبیک پلی استر

اصطلاح آبگریز در لغت به معنای "آب ترس" است. بر خلاف الیاف طبیعی مانند پنبه یا پشم، که دارای گروه های شیمیایی هستند که رنگ های محلول در آب را جذب می کنند، پلی استر فاقد این مکان های دوستانه است. زنجیره های پلیمری پلی استر غیر قطبی هستند، به این معنی که به خوبی با آبی که معمولاً در رنگرزی معمولی استفاده می شود، مخلوط نمی شوند. این مقاومت در برابر آب به این معنی است که اکثر رنگ های استاندارد و پایه آب به سادگی روی سطح الیاف می نشینند و به راحتی شسته می شوند.

چالش کریستالی

ساختار داخلی پلی استر نیز به طور متراکم بسته بندی شده و بسیار سازمان یافته یا کریستالی است. به آن مانند یک سبد محکم بافته شده فکر کنید. فضاها یا "منافذ" بین زنجیره های پلیمری بسیار کوچک است. برای اینکه یک مولکول رنگ بتواند فیبر را به طور دائم رنگ کند، باید به این فضاها نفوذ کند و در داخل آن گیر کند. ساختار کریستالی محکم این نفوذ را در شرایط عادی بسیار دشوار می کند.

راه حل شیمیایی: پراکنده کردن رنگ ها و شرایط شدید

برای غلبه بر مقاومت منحصر به فرد پلی استر، صنعت نساجی مجبور به توسعه یک کلاس تخصصی از رنگ ها و فرآیند رنگرزی با انرژی بالا بود. راه حل اولیه استفاده از پراکنده کردن رنگها .

پراکنده کردن رنگها: The Perfect Match

رنگهای پراکنده کوچک، غیر یونی هستند (به این معنی که بار الکتریکی ندارند)، و فقط کمی در آب محلول هستند. اندازه کوچک و عدم شارژ آنها به آنها اجازه می دهد تا در ساختار پلی استری محکم بسته بندی شوند.

آنها به عنوان یک سوسپانسیون خوب به حمام رنگ اضافه می شوند، که مخلوط بسیار خوبی از ذرات رنگ جامد در آب است. فرآیند رنگرزی متکی به یک مکانیسم فیزیکی - نه پیوند شیمیایی - برای به دام انداختن رنگ در داخل الیاف است.

اجباری رنگ به داخل: حرارت و فشار زیاد

رایج ترین روش برای رنگ برای پلی استر است دمای بالا (HT) و فشار بالا روش این فرآیند برای "باز کردن" موقت ساختار پلیمری تنگ ضروری است.

1. دمای بالا: حمام رنگ در دمای بسیار بالا، اغلب در اطراف، گرم می شود $130^{\circ }\text{سی}$ ( $266^{\circ }\text{اف}$ ). این گرما بسیار حیاتی است زیرا دما را فراتر از دمای انتقال شیشه ای پلی استر افزایش می دهد و به زنجیره های پلیمری اجازه می دهد کمی حرکت کنند و منافذ به طور موقت منبسط شوند.

2. پراکندگی و انتشار: سپس مولکول های رنگ پراکنده ریز و غیر یونی از آب پخش می شوند و به فضاهای تازه باز شده در فیبر کشیده می شوند.

3. تثبیت رنگ: با سرد شدن الیاف، ساختار پلیمری منقبض می شود و مولکول های رنگ را به طور دائم در جای خود قفل می کند و در نتیجه رنگی عالی به دست می آید. ثبات رنگ (مقاومت در برابر محو شدن در اثر شستشو، مالش و نور).

یک جایگزین ضروری اما مشکل ساز: حامل های شیمیایی

در مواردی که تجهیزات فشار بالا در دسترس نیست، یا برای رنگرزی مخلوط های حساس به دما (مانند مخلوط پلی استر-پشم)، می توان از "حامل" های شیمیایی استفاده کرد. این حامل ها حلال های آلی هستند که به طور موقت فیبر پلی استر را در دماهای پایین تر متورم می کنند (در حدود نقطه جوش آب، $100^{\circ }\text{سی}$ ). در حالی که موثر هستند، بسیاری از حامل های سنتی به دلیل نوسانات و سمیت زیست محیطی، منبع اصلی نگرانی هستند و صنعت را به سمت استفاده از روش دمای بالا/فشار بالا یا جایگزین های جدیدتر و سبزتر سوق می دهند.

آینده رنگرزی پلی استر: به سوی یک پالت سبزتر

روشهای مرسوم با حرارت بالا و فشار بالا برای رنگرزی پلی استر انرژی بر هستند و مقادیر قابل توجهی فاضلاب حاوی مواد شیمیایی باقیمانده و رنگهای ثابت نشده تولید می کنند. این امر انگیزه بیشتری را به وجود آورده است پایدار و دایره ای فن آوری های رنگرزی

فوق بحرانی ${\text{سیO}}_2$ رنگرزی: شگفتی بی آب

یکی از امیدوار کننده ترین نوآوری ها این است فوق بحرانی Carbon Dioxide ( ${\text{سیO}}_2$ ) رنگرزی . در این فرآیند، ${\text{سیO}}_2$ گاز تحت فشار و دمای بالا قرار می گیرد تا زمانی که وارد حالت "فوق بحرانی" شود - فازی که دارای خواص مایع و گاز است.

• فرآیند بدون آب: فوق بحرانی ${\text{سیO}}_2$ به عنوان حلال و حامل رنگ عمل می کند و به طور کامل نیاز به آب را از بین می برد. این به طور چشمگیری مصرف آب شیرین را کاهش می دهد و به طور اساسی، فاضلاب را از حمام رنگ حذف می کند.

• بازیافت پاک کننده: از آنجایی که ${\text{سیO}}_2$ هنگامی که فشار آزاد می شود، به سادگی تبخیر می شود و به گاز تبدیل می شود، هر رنگ استفاده نشده ای به عنوان پودر خشک باقی می ماند که می تواند گرفته شود و دوباره استفاده شود. فیبر خود خشک و عاری از مواد شیمیایی باقی مانده است.

SwitchDye و سایر نوآوری ها

محققان همچنین در حال بررسی ترکیبات شیمیایی رنگ و اصلاحات فیبر هستند. یک مثال امیدوارکننده، به نام SwitchDye ، از رنگی استفاده می کند که می تواند با استفاده از آب گازدار وارد الیاف پلی استر شود و سپس در هنگام بازیافت پارچه به راحتی جدا شود. ایده این است که رنگی ایجاد شود که بتواند بر اساس محرک های شیمیایی ساده و غیر سمی، میل ترکیبی خود را با فیبر «تغییر» کند. چنین نوآوری‌هایی راه را برای اقتصاد نساجی پایدارتر و دایره‌ای‌تر هموار می‌کنند که در آن رنگ‌ها به راحتی پاک می‌شوند و الیاف پلی‌استر را می‌توان بدون آلودگی بازیافت کرد.