Les colorants acides, les colorants directs et les colorants réactifs sont tous des colorants hydrosolubles. La production en 2001 s'élevait respectivement à 30 000 tonnes, 20 000 tonnes et 45 000 tonnes. Cependant, pendant longtemps, les entreprises chinoises de colorants se sont davantage concentrées sur le développement et la recherche de nouveaux colorants structuraux, tandis que la recherche sur le post-traitement des colorants est restée relativement peu développée. Parmi les réactifs de normalisation couramment utilisés pour les colorants hydrosolubles, on trouve le sulfate de sodium, la dextrine, les dérivés d'amidon, le saccharose, l'urée, le sulfonate de naphtalène-formaldéhyde, etc. Ces réactifs sont mélangés au colorant initial dans les proportions requises pour obtenir la concentration souhaitée, mais ils ne répondent pas aux exigences des différents procédés d'impression et de teinture utilisés dans l'industrie. Bien que les diluants de colorants mentionnés ci-dessus soient relativement peu coûteux, leur faible mouillabilité et leur faible solubilité dans l'eau rendent difficile leur adaptation aux exigences du marché international et limitent leur exportation à l'état de colorants purs. Par conséquent, la commercialisation des colorants hydrosolubles exige une résolution urgente de leurs problèmes de mouillabilité et de solubilité dans l'eau, et le recours à des additifs appropriés est indispensable.

Traitement de mouillabilité des colorants
De manière générale, le mouillage est le remplacement d'un fluide (généralement un gaz) à la surface d'un matériau par un autre fluide. Plus précisément, l'interface poudre/granule est une interface gaz/solide, et le mouillage se produit lorsque du liquide (l'eau) remplace le gaz à la surface des particules. Le mouillage est donc un processus physique entre des substances en surface. Lors du post-traitement des colorants, le mouillage joue souvent un rôle important. Généralement, le colorant est transformé en un état solide, tel que de la poudre ou des granulés, qui doit être mouillé lors de son utilisation. Par conséquent, la mouillabilité du colorant influence directement son efficacité. Par exemple, lors de la dissolution, un colorant difficile à mouiller et flottant à la surface de l'eau est indésirable. Avec l'amélioration constante des exigences de qualité des colorants, la mouillabilité est devenue un indicateur de leur qualité. L'énergie de surface de l'eau est de 72,75 mN/m à 20 °C et diminue avec l'augmentation de la température. En revanche, l'énergie de surface des solides reste globalement constante, généralement inférieure à 100 mN/m. Les métaux et leurs oxydes, les sels inorganiques, etc., sont généralement facilement mouillables, ce qui leur confère une énergie de surface élevée. L'énergie de surface des composés organiques solides et des polymères est comparable à celle des liquides courants, on parle alors d'énergie de surface faible. Cependant, elle varie en fonction de la taille des particules et du degré de porosité. Plus les particules sont petites, plus la porosité est importante et plus l'énergie de surface est élevée. La taille des particules dépend du substrat. Par conséquent, la taille des particules du colorant doit être petite. Après traitement industriel du colorant, notamment par relargage et broyage dans différents milieux, la taille des particules diminue, la cristallinité est réduite et la phase cristalline se modifie, ce qui améliore l'énergie de surface du colorant et facilite son mouillage.

Traitement de solubilité des colorants acides
Grâce à l'utilisation de faibles volumes de bain et à la technologie de teinture en continu, l'automatisation de l'impression et de la teinture n'a cessé de progresser. L'apparition des systèmes automatiques de remplissage et de pâte, ainsi que l'introduction des colorants liquides, exigent la préparation de bains de teinture et de pâtes d'impression à haute concentration et haute stabilité. Cependant, la solubilité des colorants acides, réactifs et directs dans les produits de teinture nationaux n'est que d'environ 100 g/L, notamment pour les colorants acides. Certaines variétés présentent même une solubilité d'environ 20 g/L. La solubilité du colorant est liée à sa structure moléculaire : plus la masse moléculaire est élevée et moins il contient de groupements acide sulfonique, plus la solubilité est faible ; inversement. Par ailleurs, le procédé de fabrication des colorants est primordial : la méthode de cristallisation, le degré de broyage, la granulométrie, l'ajout d'additifs, etc., influencent la solubilité. Plus le colorant s'ionise facilement, plus sa solubilité dans l'eau est élevée. Cependant, la commercialisation et la normalisation des colorants traditionnels reposent sur l'utilisation d'une grande quantité d'électrolytes, tels que le sulfate de sodium et le sel. Une forte concentration d'ions Na+ dans l'eau réduit la solubilité du colorant. Par conséquent, pour améliorer la solubilité des colorants hydrosolubles, il est préférable de ne pas ajouter d'électrolytes aux colorants commerciaux.

Additifs et solubilité
⑴ Composé alcoolique et cosolvant urée
Les colorants hydrosolubles contiennent des groupements sulfoniques et carboxyliques, ce qui facilite leur dissociation en solution aqueuse et leur confère une charge négative. L'ajout d'un cosolvant contenant un groupement capable de former des liaisons hydrogène induit la formation d'une couche protectrice d'ions hydratés à la surface des ions du colorant. Cette couche favorise l'ionisation et la dissolution des molécules de colorant, améliorant ainsi leur solubilité. Les polyols, tels que l'éther de diéthylène glycol, le thiodiéthanol et le polyéthylène glycol, sont couramment utilisés comme solvants auxiliaires pour les colorants hydrosolubles. Capables de former des liaisons hydrogène avec le colorant, ils induisent la formation d'une couche protectrice d'ions hydratés à la surface des ions du colorant. Cette couche empêche l'agrégation et les interactions intermoléculaires des molécules de colorant et favorise leur ionisation et leur dissociation.
⑵ Tensioactif non ionique
L'ajout d'un tensioactif non ionique au colorant peut affaiblir les forces de liaison entre les molécules de colorant et entre elles, accélérer l'ionisation et favoriser la formation de micelles dans l'eau, ce qui confère une bonne dispersibilité. Les colorants polaires forment des micelles. Les molécules solubilisantes, telles que les éthers ou esters de polyoxyéthylène, créent un réseau de compatibilisation entre les molécules pour améliorer leur solubilité. Cependant, si la molécule de cosolvant est dépourvue de groupement hydrophobe fort, l'effet de dispersion et de solubilisation sur les micelles formées par le colorant sera faible, et la solubilité n'augmentera pas significativement. Il est donc préférable de choisir des solvants contenant des cycles aromatiques capables de former des liaisons hydrophobes avec les colorants. On peut citer par exemple les éthers de polyoxyéthylène d'alkylphénol, les émulsifiants à base d'ester de sorbitan de polyoxyéthylène, ou encore les éthers de polyoxyéthylène de polyalkylphénylphénol.
⑶ dispersant de lignosulfonate
Le dispersant influence fortement la solubilité du colorant. Choisir un dispersant adapté à la structure du colorant contribue grandement à améliorer sa solubilité. Dans le cas des colorants hydrosolubles, il joue un rôle important en empêchant l'adsorption mutuelle (forces de van der Waals) et l'agrégation des molécules de colorant. Le lignosulfonate est le dispersant le plus efficace et fait l'objet de recherches en Chine.
La structure moléculaire des colorants dispersés ne contient pas de groupes fortement hydrophiles, mais seulement des groupes faiblement polaires ; leur hydrophilie est donc faible et leur solubilité réelle est très réduite. La plupart des colorants dispersés ne se dissolvent dans l’eau qu’à 25 °C, à une concentration de 1 à 10 mg/L.
La solubilité des colorants dispersés est liée aux facteurs suivants :
Structure moléculaire
La solubilité des colorants dispersés dans l'eau augmente lorsque la partie hydrophobe de la molécule de colorant diminue et que la partie hydrophile (la qualité et la quantité des groupements polaires) augmente. Autrement dit, les colorants de masse moléculaire relativement faible et possédant davantage de groupements polaires faibles, tels que -OH et -NH₂, seront plus solubles. À l'inverse, les colorants de masse moléculaire plus élevée et comportant moins de groupements polaires faibles ont une solubilité relativement faible. Par exemple, le Rouge Dispersé (I), de masse moléculaire M = 321, a une solubilité inférieure à 0,1 mg/L à 25 °C et de 1,2 mg/L à 80 °C. Le Rouge Dispersé (II), de masse moléculaire M = 352, a une solubilité de 7,1 mg/L à 25 °C et de 240 mg/L à 80 °C.
Dispersant
Dans les colorants dispersés en poudre, la teneur en colorants purs est généralement de 40 % à 60 %, le reste étant composé de dispersants, d'agents anti-poussière, d'agents protecteurs, de sulfate de sodium, etc. Parmi eux, le dispersant représente une proportion plus importante.
Le dispersant (agent de diffusion) enrobe les fines particules cristallines du colorant en particules colloïdales hydrophiles et les disperse de manière stable dans l'eau. Lorsque la concentration micellaire critique est atteinte, des micelles se forment et réduisent la taille des minuscules cristaux de colorant. Dissous dans les micelles, le colorant subit un phénomène de solubilisation, augmentant ainsi sa solubilité. De plus, plus la qualité du dispersant est élevée et plus sa concentration est importante, plus la solubilisation et son effet sont marqués.
Il convient de noter que l'effet solubilisant d'un dispersant sur les colorants dispersés de structures différentes varie considérablement. Cet effet diminue avec l'augmentation de la température de l'eau, ce qui est inversement proportionnel à l'effet de la température de l'eau sur la solubilité des colorants dispersés.
Après la formation de particules colloïdales hydrophiles à partir des particules cristallines hydrophobes du colorant dispersé et du dispersant, la stabilité de la dispersion est considérablement améliorée. De plus, ces particules colloïdales de colorant jouent le rôle de « récipient » de colorant pendant le processus de teinture. En effet, une fois les molécules de colorant dissoutes absorbées par la fibre, le colorant « stocké » dans les particules colloïdales est libéré progressivement afin de maintenir l’équilibre de dissolution du colorant.
L'état du colorant dispersé dans la dispersion
1-molécule dispersante
2-Cristallite de colorant (solubilisation)
3-dispersant micelle
4-Colorant monomoléculaire (dissous)
Grain à 5 teintures
base lipophile dispersante 6
base hydrophile dispersante à 7 atomes
8-ion sodium (Na+)
9-agrégats de cristallites de colorant
Cependant, si la cohésion entre le colorant et le dispersant est trop importante, l'apport de molécules de colorant sera insuffisant, voire supérieur à la demande. Par conséquent, la vitesse de teinture et le taux de teinture seront directement réduits, ce qui se traduira par une teinture lente et une couleur pâle.
Il apparaît clairement que lors du choix et de l'utilisation de dispersants, il convient de prendre en compte non seulement la stabilité de la dispersion du colorant, mais aussi son influence sur la couleur de celui-ci.
(3) Température de la solution de teinture
La solubilité des colorants dispersés dans l'eau augmente avec la température de l'eau. Par exemple, la solubilité du jaune dispersé dans l'eau à 80 °C est 18 fois supérieure à celle à 25 °C. La solubilité du rouge dispersé dans l'eau à 80 °C est 33 fois supérieure à celle à 25 °C. La solubilité du bleu dispersé dans l'eau à 80 °C est 37 fois supérieure à celle à 25 °C. Si la température de l'eau dépasse 100 °C, la solubilité des colorants dispersés augmente encore davantage.
Attention : la solubilité des colorants dispersés peut engendrer des problèmes lors de leurs applications pratiques. Par exemple, en cas de chauffage inégal de la solution de colorant, la partie chaude migre vers la partie froide. La température de l’eau chutant, la solution devient sursaturée et le colorant dissous précipite, entraînant la croissance de cristaux et une diminution de la solubilité, ce qui réduit l’absorption du colorant.
(quatre) forme cristalline du colorant
Certains colorants dispersés présentent le phénomène d’isomorphisme. Autrement dit, un même colorant dispersé, selon la technologie de dispersion utilisée lors de sa fabrication, peut adopter plusieurs formes cristallines : aiguilles, bâtonnets, paillettes, granules et blocs. Lors de l’application, notamment à 130 °C, la forme cristalline la plus instable se transforme en une forme plus stable.
Il est important de noter que la forme cristalline la plus stable présente une solubilité supérieure, et inversement. Ceci influe directement sur la vitesse et le pourcentage d'absorption du colorant.
(5) Taille des particules
En général, les colorants à particules fines présentent une solubilité élevée et une bonne stabilité de dispersion. Les colorants à particules grossières ont une solubilité plus faible et une stabilité de dispersion relativement médiocre.
Actuellement, la taille des particules des colorants dispersés domestiques est généralement de 0,5 à 2,0 μm (Remarque : la taille des particules pour la teinture par immersion nécessite 0,5 à 1,0 μm).