Come si tinge il poliestere: coloranti dispersi e alta temperatura (HT)

Il poliestere (PET) è una fibra idrofoba, con scarsa affinità per l'acqua e chimicamente inerte. Di conseguenza i coloranti reattivi e diretti impiegati per le fibre idrofile come il cotone o la viscosa non riescono a legarsi al poliestere. Il poliestere si tinge esclusivamente con coloranti dispersi, il più delle volte con il metodo ad alta temperatura (HT).

Che cos'è un colorante disperso?

I coloranti dispersi sono coloranti praticamente insolubili in acqua, all'interno della quale vengono invece dispersi sotto forma di particelle finissime. Durante la tintura migrano dalla superficie della fibra verso l'interno e si alloggiano fisicamente tra le catene del poliestere; non si forma alcun legame chimico — il colorante è trattenuto all'interno della fibra in uno stato simile a una soluzione solida.

Perché i coloranti reattivi non funzionano sul PET?

I coloranti reattivi colorano formando legami covalenti con i gruppi ossidrilici (-OH) delle fibre cellulosiche. La molecola del poliestere non possiede alcun gruppo chimico reattivo a cui questi coloranti possano legarsi e, poiché la fibra non assorbe acqua, il bagno di tintura non può essere trasportato all'interno. Per questo sul PET i coloranti reattivi e diretti vengono via con il lavaggio e non danno alcuna solidità, mentre il colorante disperso si incorpora nella struttura stessa della fibra dando un colore permanente.

Il processo ad alta temperatura (HT)

La struttura molecolare compatta del poliestere non lascia penetrare il colorante alle temperature ordinarie. La tintura viene perciò condotta di norma in macchine chiuse in pressione, a temperature superiori al punto di ebollizione dell'acqua; con questo calore le catene del poliestere rammolliscono (si supera la transizione vetrosa), gli spazi tra di esse si aprono e il colorante disperso diffonde all'interno della fibra. Al raffreddamento la struttura si richiude, intrappolando il colorante all'interno. Per i processi a ebollizione atmosferica si possono impiegare sostanze chimiche carrier, ma il metodo HT è generalmente preferito per ragioni ambientali e di solidità.

Il legame con la sublimazione

Poiché i coloranti dispersi possono passare alla fase gassosa con il calore, vengono impiegati anche nella stampa digitale a transfer (sublimazione): il colorante evapora dalla carta sotto calore e pressione e si trasferisce sulla superficie del poliestere. La stessa chimica è alla base del PET tanto nella tintura quanto nella stampa; tuttavia la tendenza a sublimare alle alte temperature può anche causare la migrazione del colore nelle tonalità scure dopo il trattamento termico.

Solidità del colore e qualità

• Un colorante disperso ben scelto unito al processo HT garantisce un'elevata solidità al lavaggio e alla luce.
• Il lavaggio riduttivo successivo alla tintura (reduction clearing) rimuove il colorante non fissato in superficie, migliorando la solidità allo sfregamento e al sudore.
• Un colorante superficiale rimosso in modo insufficiente porta a un calo di solidità per effetto della sublimazione e della migrazione.
• La temperatura di termofissaggio influisce sia sulla tonalità sia sulla stabilità dimensionale; il controllo di processo è fondamentale.
• I test di solidità (lavaggio, sfregamento, luce, sudore) fanno parte dell'assicurazione qualità; certificazioni come OEKO-TEX documentano la sicurezza delle sostanze chimiche impiegate.

In profondità: metodi e cinetica

La guida principale ha nominato di sfuggita le tre vie di tintura (alta temperatura/alta pressione, carrier, thermosol) e le classi di energia. Qui scendiamo di un livello, nella cinetica, nel legame temperatura–diffusione e nella chiusura sul fronte della solidità: lo stesso colorante disperso fornisce una solidità del tutto diversa a seconda del meccanismo con cui è penetrato nella fibra.

La tintura del poliestere (PET) è un problema di diffusione e la sua velocità è governata dalla mobilità delle catene nelle regioni amorfe della fibra. La temperatura di transizione vetrosa (Tg) del PET è tipicamente di ~80 °C a secco; in acqua la plastificazione la abbassa (spesso intorno a ~65 °C). Al di sotto della Tg le catene sono congelate, il volume libero è insufficiente e il colorante non può di fatto diffondere. Al di sopra della Tg la mobilità segmentale si apre, il volume libero cresce e il coefficiente di diffusione aumenta bruscamente. La dipendenza dalla temperatura è perciò di tipo Arrhenius/WLF: in letteratura le energie di attivazione apparenti per la diffusione dei coloranti dispersi sono riportate in un ampio intervallo (all'incirca ~30–60 kcal·mol⁻¹, ovvero ~125–250 kJ·mol⁻¹), il che significa che un aumento di qualche decina di gradi modifica di parecchie volte la velocità di diffusione. In pratica il comportamento ricade grosso modo in tre regioni: al di sotto di ~65 °C (assorbimento trascurabile), ~65–110 °C (in prossimità della Tg, mobilità in apertura) e ~110–130 °C (diffusione rapida e controllata).

La tintura per esaurimento HTHP (alta temperatura/alta pressione) lavora perciò a ~130 °C in un recipiente in pressione: ben al di sopra della Tg, il volume libero è abbondante e il colorante si scioglie dagli aggregati solidi e diffonde all'interno. In questo regime si controllano il tempo di semitintura (half-dyeing time, t½) e l'esaurimento finale; se la rampa di temperatura non è controllata, l'assorbimento rapido provoca una tintura disuniforme, perciò la rampa viene rallentata attraverso la "zona critica" di ~100–120 °C (tipicamente 1–1,5 °C/min).

La tintura con carrier ottiene lo stesso risultato a ~95–100 °C in ebollizione atmosferica abbassando chimicamente la Tg. Il meccanismo è la plastificazione: composti idrofobi a basso peso molecolare (storicamente bifenile, difenil etere, esteri aromatici/n-alchilftalimmidi) penetrano nelle regioni amorfe, allentano le catene, deprimono la Tg e aumentano il volume libero — così la diffusione accelera all'ebollizione. Il prezzo è un onere ambientale/di odore/di solidità (alcuni carrier classici sono tossici/volatili), perciò gli impianti dotati di pressione lo hanno in gran parte abbandonato a favore dell'HTHP; proprio per questo i carrier ecocompatibili restano un tema di ricerca.

Il thermosol non è una tintura per esaurimento in fase acquosa, bensì un fissaggio continuo a calore secco: il tessuto foulardato e asciugato viene cotto a ~180–220 °C per 30–90 s. Qui il meccanismo è la sublimazione + diffusione in fase vapore — il colorante passa direttamente da solido a vapore e penetra nella fibra. L'equilibrio è delicato: se la velocità di sublimazione è troppo bassa, la resa cromatica cala; se è troppo alta, il colorante sfugge prima che la fibra possa assorbirlo, depositandosi sulle pareti della macchina. Il thermosol richiede perciò coloranti ad alta energia.

Le classi di energia (E / SE / S) corrispondono esattamente a queste vie. I coloranti E (a bassa energia) hanno basso peso molecolare, bassa polarità, diffondono velocemente ma hanno scarsa solidità alla sublimazione; livellano (migrano) bene ma volatilizzano sotto thermosol/termofissaggio. I coloranti S (ad alta energia) sono più grandi, più polari, diffondono lentamente ma hanno la più elevata solidità al calore/alla sublimazione — vengono scelti per prodotti che richiedono thermosol e termofissaggio a 180–200 °C. I coloranti SE si collocano nel mezzo. La decisione ingegneristica chiave: è il trattamento termico più gravoso a cui il prodotto sarà sottoposto (termofissaggio, plissettatura, stampa a transfer) a dettare la classe di energia, non la tonalità.

La tintura non è finita quando lo è l'assorbimento: gli aggregati di colorante disperso non diffusi che aderiscono alla superficie della fibra abbassano la solidità all'umido e allo sfregamento. Per rimuoverli si esegue il lavaggio riduttivo — la ricetta classica prevede idrosolfito (ditionito) di sodio (Na₂S₂O₄) + idrossido di sodio (NaOH) in condizioni alcaline, tipicamente a ~70–80 °C. Il reagente riduce il cromoforo azoico superficiale a frammenti incolori e più solubili in acqua che vengono via con il lavaggio; il risultato è un netto salto nella solidità al lavaggio ISO 105-C06 e allo sfregamento (crocking) ISO 105-X12. A causa del carico di solfiti/solfati (COD) e del consumo di acqua alcalina, si preferiscono sempre più le alternative riduttive acide (ad es. a base di tiourea diossido, in processi acidi a bagno unico).

Il legame tra solidità alla sublimazione e ricetta è diretto: un prodotto che subisce termofissaggio o stampa a transfer viene misurato secondo ISO 105-P01 (calore secco) e qui supera la prova solo la classe ad alta energia (S) unita a un lavaggio riduttivo efficace. Anche i risultati al sudore (ISO 105-E04) e al lavaggio (ISO 105-C06) dipendono in larga misura dall'avvenuta rimozione del colorante superficiale — la solidità è quindi tanto una funzione della chimica del finissaggio quanto della scelta del cromoforo. La sequenza delle fasi nella guida disperse-dyeing-process (tintura → lavaggio riduttivo → termofissaggio) è inderogabile proprio per questo motivo.