Les colorants réactifs présentent une très bonne solubilité dans l'eau. Leur solubilité repose principalement sur le groupe acide sulfonique présent à la surface de la molécule de colorant. Pour les colorants réactifs méso-thermiques contenant des groupes vinylsulfone, le groupe β-éthylsulfonyle sulfate, en plus du groupe acide sulfonique, constitue également un excellent groupe soluble.

En solution aqueuse, les ions sodium liés au groupe acide sulfonique et au groupe sulfate d'éthylsulfone subissent une réaction d'hydratation, transformant le colorant en anion et permettant sa dissolution dans l'eau. La fixation du colorant réactif sur la fibre dépend de l'anion du colorant à fixer.

La solubilité des colorants réactifs dépasse 100 g/L, la plupart se situant entre 200 et 400 g/L, et certains pouvant même atteindre 450 g/L. Cependant, lors du processus de teinture, la solubilité du colorant diminue pour diverses raisons (voire devient totalement nulle). Lorsque la solubilité diminue, une partie du colorant passe d'un anion libre à des particules, en raison de la forte répulsion électrostatique entre ces particules. Ces particules s'attirent mutuellement, formant ainsi des agglomérats. Ces agglomérats se regroupent d'abord en flocons, puis se transforment en particules de taille indéterminée. Bien que les flocs soient une sorte d'assemblage lâche, en raison de leur double couche électrique environnante formée par des charges positives et négatives, il est généralement difficile de les décomposer par la force de cisaillement lorsque le bain de teinture circule, et les flocs sont faciles à précipiter sur le tissu, ce qui entraîne une teinture ou une tache en surface.

Une fois que le colorant s'agglomère, sa tenue est fortement réduite, et il provoque des taches et des auréoles d'intensité variable. Pour certains colorants, la floculation accélère encore l'agglomération sous l'effet du cisaillement de la solution, entraînant une déshydratation et un relargage. Ce relargage rend la couleur extrêmement pâle, voire inexistante ; même si la couleur persiste, elle laissera apparaître des taches et des auréoles importantes.

Causes de l'agrégation des colorants

La principale raison réside dans l'électrolyte. Lors du processus de teinture, l'électrolyte principal est l'accélérateur de teinture (sel de sodium). Cet accélérateur contient des ions sodium, et la quantité d'ions sodium dans la molécule de colorant est bien inférieure à celle de l'accélérateur. Par conséquent, à concentration normale, l'accélérateur de teinture n'a que peu d'influence sur la solubilité du colorant dans le bain de teinture.

Cependant, lorsque la quantité d'accélérateur de coloration augmente, la concentration en ions sodium dans la solution augmente également. L'excès d'ions sodium inhibe l'ionisation des ions sodium sur le groupe dissolvant de la molécule de colorant, réduisant ainsi la solubilité de ce dernier. Au-delà de 200 g/L, la plupart des colorants présentent différents degrés d'agrégation. Lorsque la concentration d'accélérateur de coloration dépasse 250 g/L, le degré d'agrégation s'intensifie, formant d'abord des agglomérats, puis des flocons dans la solution. Certains colorants peu solubles sont partiellement relargués, voire déshydratés. Les colorants ayant des structures moléculaires différentes présentent des propriétés anti-agglomération et de résistance au relargage différentes. Plus la solubilité est faible, plus les propriétés anti-agglomération et de tolérance au sel sont faibles, et plus les performances analytiques sont médiocres.

La solubilité d'un colorant est principalement déterminée par le nombre de groupements acide sulfonique et de sulfates de β-éthylsulfone présents dans sa molécule. Par ailleurs, plus la molécule de colorant est hydrophile, plus sa solubilité est élevée, et inversement. (Par exemple, les colorants à structure azoïque sont plus hydrophiles que ceux à structure hétérocyclique.) De plus, plus la molécule de colorant est grande, plus sa solubilité est faible, et inversement.

Solubilité des colorants réactifs
On peut la diviser en quatre grandes catégories :

Les colorants de classe A, contenant du sulfate de diéthylsulfone (c'est-à-dire du vinylsulfone) et trois groupes réactifs (monochlorotriazine + divinylsulfone), ont la solubilité la plus élevée, comme le Yuan Qing B, le Navy GG, le Navy RGB, le Golden : RNL et tous les noirs réactifs obtenus en mélangeant du Yuanqing B, des colorants à trois groupes réactifs tels que le type ED, le type Ciba s, etc. La solubilité de ces colorants est généralement d'environ 400 g/L.

Classe B, colorants contenant des groupes hétérobiréactifs (monochlorotriazine + vinylsulfone), tels que le jaune 3RS, le rouge 3BS, le rouge 6B, le rouge GWF, les trois couleurs primaires RR, les trois couleurs primaires RGB, etc. Leur solubilité est basée sur 200 à 300 grammes. La solubilité du méta-ester est supérieure à celle du para-ester.

Type C : Bleu marine à groupe hétérobiréactif : BF, bleu marine 3GF, bleu foncé 2GFN, rouge RBN, rouge F2B, etc. En raison d’un nombre réduit de groupes acide sulfonique ou d’une masse moléculaire plus élevée, sa solubilité est également faible, de l’ordre de 100 à 200 g/L. Classe D : Colorants à groupe monovinylsulfone et structure hétérocyclique, présentant la plus faible solubilité, tels que le bleu brillant KN-R, le bleu turquoise G, le jaune vif 4GL, le violet 5R, le bleu BRF, l’orange brillant F2R, le rouge brillant F2G, etc. La solubilité de ce type de colorant est d’environ 100 g/L. Ce type de colorant est particulièrement sensible aux électrolytes. Une fois aggloméré, il ne nécessite pas de floculation et est directement précipité par relargage.

Dans un procédé de teinture classique, la quantité maximale d'accélérateur de teinture est de 80 g/L. Seules les couleurs foncées requièrent une concentration aussi élevée. Lorsque la concentration de colorant dans le bain est inférieure à 10 g/L, la plupart des colorants réactifs conservent une bonne solubilité et ne s'agglomèrent pas. Le problème se situe alors au niveau de la cuve. Dans un procédé classique, le colorant est ajouté en premier, puis, une fois la dilution complète et homogène dans le bain, l'accélérateur de teinture est ajouté. Ce dernier achève la dissolution du colorant dans la cuve.

Procéder selon le processus suivant

Hypothèses : concentration de teinture de 5 %, rapport bain/tissu de 1:10, poids du tissu de 350 kg (double circuit de liquide), niveau d’eau de 3,5 tonnes, concentration de sulfate de sodium de 60 g/L, quantité totale de sulfate de sodium de 200 kg (4 sacs de 50 kg chacun). (La capacité de la cuve de produit est généralement d’environ 450 litres.) Lors de la dissolution du sulfate de sodium, on utilise souvent le liquide de reflux de la cuve de teinture. Ce liquide contient le colorant préalablement ajouté. Généralement, 300 litres de liquide de reflux sont d’abord introduits dans la cuve de produit, puis deux sacs de sulfate de sodium (100 kg chacun).

Le problème réside dans le fait que la plupart des colorants s'agglomèrent plus ou moins à cette concentration de sulfate de sodium. Parmi eux, le colorant de type C présente une agglomération importante, et le colorant de type D non seulement s'agglomère, mais précipite même. Bien que l'opérateur suive généralement la procédure consistant à alimenter lentement le bain de colorant avec la solution de sulfate de sodium contenue dans la cuve de matériau via la pompe de circulation principale, le colorant présent dans les 300 litres de solution de sulfate de sodium a formé des flocons et a même précipité.

Lorsque toute la solution contenue dans la cuve de teinture est transférée dans la cuve de préparation, on constate nettement la présence d'une couche de particules de teinture grasses sur les parois et le fond de la cuve. Même en grattant ces particules et en les remettant dans de l'eau claire, il est généralement difficile de les dissoudre à nouveau. En réalité, les 300 litres de solution introduits dans la cuve de teinture sont tous dans cet état.

N'oubliez pas que deux sachets de poudre Yuanming seront également dissous et réintroduits dans la cuve de teinture de cette manière. Suite à cette opération, des taches et des salissures sont inévitables, et la solidité des couleurs est fortement réduite en raison de la teinture de surface, même en l'absence de floculation ou de relargage apparents. Pour les colorants de classe A et B, plus solubles, une agrégation se produira également. Bien que ces colorants n'aient pas encore formé de floculations, une partie d'entre eux s'est déjà agglomérée.

Ces agrégats pénètrent difficilement dans la fibre. En effet, la zone amorphe de la fibre de coton ne permet la pénétration et la diffusion que des colorants mono-ioniques. Aucun agrégat ne peut pénétrer dans la zone amorphe de la fibre ; il ne peut qu’être adsorbé à sa surface. La solidité des couleurs s’en trouve également fortement réduite, et des taches et des décolorations peuvent apparaître dans les cas les plus graves.

Le degré de dissolution des colorants réactifs est lié aux agents alcalins.

Lors de l'ajout de l'agent alcalin, le sulfate de β-éthylsulfone du colorant réactif subit une réaction d'élimination pour former sa véritable vinylsulfone, très soluble dans les colorants. Cette réaction d'élimination nécessitant très peu d'agent alcalin (souvent moins d'un dixième de la dose totale), plus la dose d'agent alcalin ajoutée est importante, plus la quantité de colorant éliminée sera élevée. Une fois la réaction d'élimination amorcée, la solubilité du colorant diminue.

Le même agent alcalin est également un électrolyte fort et contient des ions sodium. Par conséquent, une concentration excessive d'agent alcalin peut entraîner l'agglomération, voire la relargage, du colorant ayant formé du vinylsulfone. Le même problème se pose dans la cuve de produit. Lors de la dissolution de l'agent alcalin (par exemple, du carbonate de sodium), si une solution de reflux est utilisée, cette solution contient déjà l'accélérateur de teinture et le colorant à la concentration normale du procédé. Bien qu'une partie du colorant ait pu être absorbée par la fibre, il en reste au moins 40 % dans le bain de teinture. Supposons qu'un sachet de carbonate de sodium soit ajouté en cours de fonctionnement et que sa concentration dans la cuve dépasse 80 g/L. Même si la concentration d'accélérateur de teinture dans la solution de reflux est alors de 80 g/L, le colorant présent dans la cuve se condensera. Les colorants C et D peuvent même se relarger, en particulier les colorants D, même si la concentration de carbonate de sodium chute à 20 g/L, un relargage local se produira. Parmi eux, le Bleu Brillant KN.R, le Bleu Turquoise G et le Supervisor BRF sont les plus sensibles.

L'agglomération ou le relargage du colorant ne signifie pas nécessairement son hydrolyse complète. Si ce phénomène est dû à un accélérateur de teinture, la coloration reste possible à condition de pouvoir le redissoudre. Pour ce faire, il est nécessaire d'ajouter une quantité suffisante d'assistant de teinture (par exemple, 20 g/l d'urée ou plus) et de porter la température à 90 °C ou plus, tout en agitant vigoureusement. En pratique, cette opération est évidemment très difficile à mettre en œuvre.
Afin d'éviter que les colorants ne s'agglomèrent ou ne se dissolvent dans la cuve, le procédé de teinture par transfert doit être utilisé lors de la fabrication de couleurs profondes et concentrées pour les colorants C et D à faible solubilité, ainsi que pour les colorants A et B.

Fonctionnement et analyse des processus

1. Utilisez la cuve de teinture pour récupérer l'accélérateur de teinture et chauffez-le dans la cuve pour le dissoudre (60 à 80 °C). L'accélérateur de teinture n'ayant pas d'affinité pour le tissu, il ne contient pas de colorant. Une fois dissous, l'accélérateur peut être versé rapidement dans la cuve de teinture.

2. Après 5 minutes de circulation de la solution de saumure, l'accélérateur de teinture est pratiquement homogène. On ajoute alors la solution de teinture préalablement dissoute. Cette dernière doit être diluée avec la solution de reflux, car la concentration de l'accélérateur dans cette dernière n'est que de 80 g/L, ce qui empêche l'agglomération de la teinture. Par ailleurs, la teinture ne serait pas affectée par la faible concentration de l'accélérateur. À ce stade, le remplissage de la cuve de teinture avec la solution de teinture ne nécessite pas de contrôle précis du temps ; l'opération est généralement terminée en 10 à 15 minutes.

3. Les agents alcalins doivent être hydratés autant que possible, notamment pour les colorants C et D. Ce type de colorant étant très sensible aux agents alcalins en présence d'agents promoteurs de coloration, la solubilité de ces agents est relativement élevée (la solubilité du carbonate de sodium à 60 °C est de 450 g/L). La quantité d'eau propre nécessaire à la dissolution de l'agent alcalin ne doit pas être excessive, mais la vitesse d'ajout de la solution alcaline doit être adaptée aux exigences du procédé ; il est généralement préférable de procéder par étapes.

4. Pour les colorants divinylsulfones de catégorie A, la vitesse de réaction est relativement élevée car ils sont particulièrement sensibles aux agents alcalins à 60 °C. Afin d'éviter une fixation instantanée et une coloration irrégulière, il est possible d'ajouter au préalable un quart de l'agent alcalin à basse température.

Dans le procédé de teinture par transfert, seul le débit de l'agent alcalin doit être contrôlé. Ce procédé s'applique aussi bien à la méthode à chaud qu'à la méthode à température constante. Cette dernière permet d'accroître la solubilité du colorant et d'accélérer sa diffusion et sa pénétration. Le taux de gonflement de la zone amorphe de la fibre à 60 °C est environ deux fois supérieur à celui observé à 30 °C. Par conséquent, le procédé à température constante est plus adapté aux écheveaux et aux tissus à base de fromage. Les ensouples de chaîne, notamment les méthodes de teinture à faible rapport de bain, telles que la teinture à la jig, nécessitent une forte pénétration et diffusion ou une concentration de colorant relativement élevée.

Il est important de noter que le sulfate de sodium actuellement disponible sur le marché est parfois relativement alcalin, avec un pH pouvant atteindre 9 à 10. Ceci est très dangereux. À poids égal, le sel de table a un effet plus marqué sur l'agrégation des colorants que le sulfate de sodium. Cela s'explique par une concentration en ions sodium plus élevée dans le sel de table que dans le sulfate de sodium.

L'agrégation des colorants est étroitement liée à la qualité de l'eau. En général, les ions calcium et magnésium, à des concentrations inférieures à 150 ppm, n'ont que peu d'influence sur cette agrégation. Cependant, les ions de métaux lourds présents dans l'eau, tels que les ions ferriques et les ions aluminium, ainsi que certains micro-organismes algaux, accélèrent l'agrégation des colorants. Par exemple, si la concentration d'ions ferriques dans l'eau dépasse 20 ppm, l'anti-cohésion du colorant est fortement réduite et l'influence des algues est accentuée.

Joint avec test de résistance à l'agglomération et au relargage salin :

Détermination 1 : Peser 0,5 g de colorant, 25 g de sulfate de sodium ou de sel, et dissoudre le tout dans 100 ml d’eau purifiée à 25 °C pendant environ 5 minutes. À l’aide d’un tube compte-gouttes, prélever la solution et déposer 2 gouttes consécutives au même endroit sur le papier filtre.

Essai 2 : Peser 0,5 g de colorant, 8 g de sulfate de sodium ou de sel et 8 g de carbonate de sodium, puis dissoudre le tout dans 100 ml d’eau purifiée à environ 25 °C pendant environ 5 minutes. À l’aide d’une pipette, déposer la solution en continu sur le papier filtre. Déposer 2 gouttes.

La méthode décrite ci-dessus permet d'évaluer simplement la capacité anti-agglomérante et de relargage du colorant, et de déterminer quel procédé de teinture doit être utilisé.