Il processo di tintura con coloranti dispersi: HT/HP, Thermosol e carrier
Tingere il poliestere è l'ingegneria del collocare un colorante disperso, pressoché insolubile in acqua, nelle regioni amorfe di una fibra la cui temperatura di transizione vetrosa è stata superata, per diffusione allo stato solido.
Perché il colorante disperso: fibra idrofoba, colorante idrofobo
Il poliestere (PET), con la sua elevata cristallinità e l'assenza di gruppi polari capaci di legare l'acqua, è precluso ai coloranti reattivi o acidi. I coloranti dispersi sono l'unica opzione praticabile per questa fibra: cromofori azoici e antrachinonici a basso peso molecolare, quasi apolari, con una solubilità in acqua dell'ordine dei mg/L. Nel bagno il colorante non è disciolto, ma tenuto come una sospensione stabile di particelle sub-micrometriche da dispersanti anionici (lignosolfonati, condensati di naftalin-solfonato e formaldeide). Il vero meccanismo della tintura non è la dispersione in sé; è la diffusione nella fibra della bassissima concentrazione di equilibrio di singole molecole disciolte che passano dalla particella all'acqua.
La forza motrice: transizione vetrosa (Tg) e rigonfiamento della fibra
La temperatura di transizione vetrosa (Tg) del PET copre un ampio intervallo; per la fibra secca viene comunemente indicata intorno a ~70-90 C. Il punto chiave: in un mezzo di tintura acquoso la fibra si rigonfia ed è plasticizzata dall'acqua assorbita, per cui la Tg effettiva (a umido) si abbassa ulteriormente. Al di sotto della Tg le catene amorfe sono congelate e la diffusione del colorante è praticamente bloccata; al di sopra della Tg i segmenti di catena acquistano mobilità, si apre volume libero, la fibra si rigonfia leggermente e la molecola di colorante avanza passo dopo passo attraverso le regioni amorfe. Per questo la tintura HT mira a ~130 C: la velocità di diffusione cresce esponenzialmente con la temperatura, quindi la rampa di riscaldamento (tipicamente 1-1,5 C/min) e il tempo di permanenza in temperatura (comunemente ~30-60 min a 130 C) sono le vere variabili di controllo di una tintura unita ed equalizzata per migrazione.
Classi di energia: E, SE, S
I coloranti dispersi si classificano in tre classi di energia in base alla dimensione molecolare e al comportamento di sublimazione. I coloranti a bassa energia (E) sono a piccola molecola, a rapida diffusione, con eccellente migrazione/equalizzazione ma bassa solidità alla sublimazione. I coloranti ad alta energia (S) sono a grande molecola, a lenta diffusione, difficili da equalizzare ma con elevata solidità alla sublimazione e al calore. La classe a media energia (SE) si colloca tra le due e, poiché il suo comportamento di fissaggio è relativamente meno sensibile alle fluttuazioni di temperatura, è il tipo più versatile. Esiste un compromesso progettuale tra solidità alla sublimazione e velocità di diffusione: molecola grande = alta solidità al calore ma diffusione lenta, molecola piccola = diffusione rapida ma bassa solidità al calore.
| Parametro | HT/HP (esaurimento) | Carrier (atmosferico) | Thermosol (continuo) |
|---|---|---|---|
| Temperatura | ~130 C | ~95-100 C | Fissaggio ~190-220 C |
| Pressione | ~2-3 bar (macchina chiusa) | Atmosferica | Atmosferica |
| Tempo | ~30-60 min a 130 C | ~60-90 min | Permanenza ~30-90 s |
| Classe di colorante | E/SE/S tutte | E (piccola molecola) | SE/S preferite |
| Meccanismo | Diffusione allo stato solido sopra la Tg | Il carrier abbassa la Tg effettiva | Sublimazione + diffusione |
| Nota ambientale | Intensivo in acqua/energia | Problemi legati ai prodotti chimici carrier | Continuo, relativamente efficiente |
Esaurimento HT/HP: ~130 C in un recipiente in pressione
La via standard per il poliestere oggi è la tintura per esaurimento ad alta temperatura / alta pressione (HT/HP). In una macchina jet, overflow o soft-flow il bagno viene portato a ~130 C in un sistema chiuso; il recipiente è mantenuto in pressione (la pressione del vapore saturo a 130 C è dell'ordine di 2-3 bar) e tale pressione mantiene l'acqua allo stato liquido oltre i 100 C. Il pH del bagno è regolato a 4,5-5,5 con un tampone acido acetico/acetato: un pH basso è critico sia per la stabilità del dispersante sia per prevenire la degradazione idrolitica dei cromofori azoici. La ricetta contiene un dispersante, acido acetico/tampone e, dove necessario, un agente equalizzante. Se la velocità di strike (presa iniziale) è troppo elevata, un adsorbimento rapido e disuniforme nell'intervallo ~110-120 C può causare macchiature; la rampa viene perciò rallentata in questa zona critica.
Tintura con carrier: abbassare chimicamente la Tg
Dove non si dispone di apparecchiature in pressione, o per miscele sensibili al calore come l'elastan, la tintura può essere eseguita in condizioni atmosferiche a ~95-100 C con prodotti chimici carrier. I carrier (classicamente o-fenilfenolo, bifenile, metil-naftalene e derivati simili) penetrano e rigonfiano la fibra, abbassandone la Tg effettiva così che il colorante possa diffondere intorno ai 100 C. Ma questi prodotti chimici sono tipicamente volatili, odorosi, lasciano residui negli scarichi e sulla fibra, e alcuni sono tossici/bioaccumulabili; essendo soggetti a restrizione/indesiderati nei quadri OEKO-TEX e ZDHC, l'industria è in gran parte passata alla tintura HT. L'uso del carrier persiste come nicchia, ma il suo costo ambientale è lo svantaggio fondamentale del metodo.
Thermosol: foulardare-asciugare-fissare in continuo
Per tingere tessuto a navetta/a maglia in continuo e ad alto volume si impiega il Thermosol (pad-dry-bake). A temperatura ambiente il tessuto viene impregnato su un foulard con un bagno di colorante + anti-migrante + (se necessario) addensante, asciugato a ~100-120 C, poi fissato tipicamente per ~30-90 s a calore secco di ~190-220 C. A questa temperatura il colorante entra nella fibra in parte per sublimazione (solido->gas) e in parte per diffusione in fase fusa; la resa di fissaggio dipende dalla ricetta e dai parametri, e sulle tonalità scure può rimanere un colorante superficiale apprezzabile. Poiché è richiesta un'elevata solidità al calore, si preferiscono i coloranti di classe SE/S; i coloranti di classe E tendono a sublimare e a perdersi a questa temperatura. Il Thermosol è più efficiente dell'esaurimento in termini di acqua ed energia, ma il controllo di temperatura/tempo è molto più stretto.
Lavaggio riduttivo: l'assicurazione per la solidità
Al termine della tintura, sulla superficie della fibra rimane colorante non diffuso e aggregato; questo colorante superficiale abbassa la solidità al lavaggio e allo sfregamento e provoca migrazione e sanguinamento del colore. Il lavaggio riduttivo lo risolve: in un mezzo alcalino (soda caustica) l'idrosolfito/ditionito di sodio a tipicamente ~70-80 C riduce i legami azoici a frammenti incolori e idrosolubili che vengono allontanati dalla superficie con il lavaggio. Questo passaggio è praticamente obbligatorio per la solidità al lavaggio ISO 105-C06 e allo sfregamento ISO 105-X12, specialmente sulle tonalità scure. Poiché l'idrosolfito/la soda caustica comporta un pesante carico di COD/solfati negli scarichi, l'industria si sta sempre più orientando verso alternative a minor produzione di scarti, di tipo acido-riduttivo o all'ozono/fotocatalitiche.
Le norme che misurano la solidità e la trappola della termomigrazione
Le prestazioni del poliestere tinto con coloranti dispersi sono verificate mediante metodi di prova indipendenti: solidità al lavaggio secondo ISO 105-C06, solidità al sudore (soluzioni di istidina acida+alcalina) secondo ISO 105-E04, solidità allo sfregamento secondo ISO 105-X12 e solidità alla luce secondo ISO 105-B02 (arco allo xeno). Il difetto più insidioso specifico dei coloranti dispersi è la termomigrazione: in presenza di dispersanti o di film di finissaggio/ammorbidente, il calore elevato (ad es. stiratura, asciugatura in rameuse) può spingere il colorante dall'interno della fibra alla superficie, abbassando i gradi di solidità di una tintura che appariva perfetta prima del calore. Per questo la ricetta di finissaggio e la qualità del lavaggio riduttivo sono responsabili della solidità finale quanto la tintura stessa.