Окраска тканей и прогресс техники их печатания
VII . Текстильная химия в XIX в
Окраска тканей и прогресс техники их печатания
Теория крашения
Красители
Анилиновые и ализариновые красители
Прямые красители
Протравы
Машинное печатание тканей
Перротина
Многоваличные печатные машины
Беление тканей
Текстильная химия в XIX в
Окраска тканей и прогресс техники их печатания
Теория крашения
Важное значение крашения приводит уже в мануфактурном производстве тканей к попыткам теоретически осмыслить процессы крашения и изложить выработанные столетиями эмпирические правила и данные опыта в обобщающих руководствах. Первая работа, посвященная технике окраски льняных материй, вышла во Франции в 1685 г. и принадлежит перу некоего Марперже (Р. Magperger). Тот же предмет трактуется и в изданном в 1720 г. немецком «Капитальном руководстве окрашивания льняной и хлопчатобумажной пряжи во всевозможные красивые краски». Название книги шире ее содержания, так как о хлопке в книге совсем не упоминается.
Первым научным трактатом о проблеме крашения является сочинение парижского физика Дюфе (С. Dufay) «Физические наблюдения над смешением нескольких цветов при окраске», опубликованное в 1737 г. в «Записках» Французской Академии Наук. Ценность работы Дюфе — в исследовании влияния различных веществ на шерстяные и хлопковые волокна. Первая попытка дать теорию крашения протравными красителями была сделана в книге Хелло (Hellot), вышедшей в 1768 г. — «Искусство окраски шерсти и шерстяных тканей при большой и малой окраске».
Широкое распространение в середине XVIII в. красного (турецкого) красителя и возникновение специальных красильных предприятий имело своим последствием опубликование в 1776 г. Ле Пилером д'Аплиньи (Le Pileur d'Apligny), по заданию французского правительства, руководства по окраске тканей в красный цвет. В 1778 г. появилась работа по крашению известного химика Макера (Macquer), еще в 1749 г. введшего окраску хлопчатобумажных тканей берлинской лазурью.
Новые химические теории, созданные в конце XVIII в. и в начале XIX в. французской и английской школой химиков, привели и к новым взглядам на сущность процессов крашения. В 1832 г. Рунге и в 1834 г. Шеврель (Chevreul) предложили рассматривать окраску, как процесс образования солей. Это было зарождение так называемой химической теории крашения, подробно развитой впоследствии (в 1873 г.) Шютцепбергером. Другую — механическую теорию крашения — разработал в 1864 г. Вальтер Крам (Crum). Его взгляды послужили исходным пунктом для позднейшей теории абсорбции (сгущения красок на поверхности волокна).
Красители
До 40-х гг. XIX в. в красильном деле продолжают употребляться исключительно естественные красители. С началом промышленного переворота в Англии первое место занял красный краситель, добываемый из краппа. Его распространению особенно способствовал открытый в 1785 г. способ оживления краппа при помощи хлористого олова. В конце XVIII в. во Франции был введен метод горячей сушки промасленных материи, давший отличные результаты. В начале XIX в. этот метод получает применение также и в Англии (Глазго) и Германии (Эльберфельд).
Около 1800 г. в практику английских, французских и немецких красилен входит метод декатировки при набивке шерстяных тканей. В 1810 г. Кёхлиным вводится аналогичный способ для окраски тканей в кусках.
Открытие в 1797 г. Вокеленом и Клапротом хрома имело своим результатом быстрое внедрение в крашение хромовых соединений и протрав. В 1815 г. появился марганцевый бистер и коричневый хромовый краситель, в 1819 г. — желтый хромовый краситель. С 1826 г. стали применять белую вытравку (узоры) на индиговом фоне, а с 1832 г. начали окрашивать шерсть черным хромовым красителем.
Успехи атомной теории, возникновение в 30-х гг. органической химии, переход к лабораторному синтезу химических веществ и открытие Либихом и Велером различных радикалов, в частности бензола, привели к зарождению химии искусственных (синтетических) красок, являющееся важнейшим достижением текстильной химии XIX в. Первый искусственный краситель — пикриновая кислота была получена П. Вульфе еще в 1771 г. действием азотной кислоты на индиго, но стала производиться в больших размерах лишь в 1841 г., после того как удалось добыть из фенола каменноугольную смолу (Лоран). Промышленное применение этого красителя (в шелковом красильном деле) началось в 1849 г. Шерстяные и шелковые ткани, окрашенные этим красителем, имеют желтый цвет. Линючесть пикриновой кислоты, однако, сильно сузила впоследствии сферу ее применения, а затем она совсем перестала употребляться в качестве красителя.
В 1773 г. была найдена в моче циано-аммониевая соль, получившая название мочевины. В 1828 г. Велер впервые получил мочевину искусственным путем и, таким образом, уничтожил пропасть, существовавшую до того времени между органической и неорганической химией. В 1839 г. Велер и Либих добыли из мочевой кислоты красящее вещество мурексид, начавший применяться для текстильных целей как протравный краситель в 1855 г., когда удалось добывать его в больших количествах при совместном выпаривании смеси мочевины и азотной кислоты с последующей обработкой аммиаком.
Промышленная эксплуатация этого красителя оказалась, однако, недолговечной: в 1864 г. он совсем исчез из текстильной практики и заменен более дешевыми и стойкими красящими веществами. К 60-м гг. XIX в. было установлено, что главным материалом для получения искусственных красителей является каменноугольная смола, получаемая из каменного угля как побочный продукт при перегонке его на светильный газ и кокс.
Еще в 1826 г. Робинэ и Колен нашли химическим анализом, что в крайне содержатся два красящие вещества — ализарин и пуриурин, которые в дальнейшем стали применяться в концентрированном виде в ситцепечатании. В 1868 г. Гребе и Либерман определили точно химический состав этих веществ и дали тем самым возможность начать производство ализарина и пурпурина искусственным путем из каменноугольной смолы. С этого времени в Германии возникает целая отрасль фабричной промышленности, занимающаяся изготовлением ализариновых красок — первою прочного искусственного красителя.
Анилиновые и ализариновые красители
Еще большее значение для текстильной химии имело открытие способов искусственного получения анилиновых красителей. Впервые анилин был выделен из индиго в 1826 г. Унферборденом. В 1834 г. Рунге удалось получить черный анилин (фенол) из каменноугольной смолы, а в 1842 г. Зинину — из нитробензола. Произведенными в 1840 г. русским академиком Фритцше исследованиями была установлена идентичность анилина Унфербордена и Зинина и связь между анилином и бензолом. В 40-х гг. Гофман и Мансфельд подробно исследовали возможность добывания различных искусственных красителей из продуктов каменноугольной смолы. В результате этих работ было прекращено разведение культуры марены в Провансе и Эльзасе.
Ученику Гофмана Перкину принадлежит заслуга выпуска в 1856 г. в Лондоне первого получившего промышленное применение анилинового красителя — мовеина, известного также под названием фиолетового анилина Перкина (Перкин работал в Лондонской лаборатории Гофмана над синтезом хинина Путем окисления анилина, содержащего толуидин, но в результате получил мовеин). В последующие годы на текстильном рынке появляются одна за другой целая серия анилиновых красителей: в 1859 г. — фуксин (получен из анилина и четырех хлористого углерода Натансоном и Гофманом), в 1860 г.— розанилин (приготовлен Жираром), ставший растворимым в воде после работ Ннкольсона в 1862 г., а также хризаинлин и фосфин (Гофман и Никольсон), фиолетовый краситель Гофмана и др.
С конца 50-х гг. XIX в. анилиновые красители, добывавшиеся раньше лабораторным путем, начинают производиться фабричным способом. Крупнейшими производителями анилина становятся с середины века шелковая красильная фабрика братьев Ренар в Лионе, фабрика органических красок Петерсона в Сен-Дени, фабрика Мюллера и Келлера в Базеле, фабрика Байера — в Эльберфельде, Баденская анилиновая и содовая фабрика в Мангейме (1865) и многие другие.
Все первые искусственные красители принадлежали к группе так называемых основных (анилиновых) и протравных (ализариновых) красителей, рациональное применение которых требует предварительной химической обработки окрашиваемого материала. Так как это было выяснено только позднее, то текстильные фабриканты относились сначала с подозрением к искусственным красителям, считая их непригодными в качестве замены естественных красителей, а потому воздерживались от их применения. К тому же наибольший спрос на красители предъявлялся хлопчатобумажным производством, а именно для бумажных тканей анилиновые красители вначале оказались совсем непригодными. Кроме того некоторые из этих красителей считались ядовитыми: к фуксину, например, подмешивали в то время для окисления мышьяковую кислоту. Всеобщее применение в текстильной, и в частности, в хлопчатобумажной промышленности анилиновые красители получили с 1870 г., когда Даль открыл таннин, которым стали обрабатывать материал перед его окраской.
Огромное значение для прогресса красильного дела имело искусственное получение в 60-х гг. черного анилинового красителя. Первоначально он был добыт в виде, удобном для промышленного применения, в 1864 г. действием хлората и медянки на соли анилина. Последующими моментами в развитии анилиновых красителей было введение для набивки тканей сернокислой меди (1864), солей Ванадиевой кислоты (1876) и хромовосвинцовой соли (1881).
Применение ализариновых красителей для набивки тканей вначале тормозилось из-за их плохой растворимости в воде. В 1834 г. Рунгс обработкой оливкового масла серной кислотой доказал возможность получения растворимых препаратов. В 1875-76 гг. Вют (Wuth) и в 1877 г. Шторк (Storck) получили растворимое в воде ализариновое (рициновое) масло, благодаря чему продолжительность процесса крашения сократилась с 3 недель до нескольких дней. В середине 70-х гг. была введена в практику предварительная протрава шерстяных тканей двухромокнелым и винным камнем, изготовлявшимся на Баденской анилиновой и содовой фабрике. На этой же фабрике Бону удалось в 1887 г. добиться получения нерастворимой протравы, в результате чего применение различных протравных красителей в ситцепечатании было значительно облегчена. Теория крашения протравными красителями была разработана в 1887 г. Либерманом и Костанецким. Согласно этой теории ализариновые красители обладают протравными свойствами в тем случае, если в их молекуле две гидроксильные группы находятся в таком же положении как у ализарина.
К 60-м гг. XIX в. относится появление азокрасителей. Азотистые соединения были открыты в 1858-1861 гг., и вслед за этим было начато производство первых основных азокрасителей — коричневой краски «Бисмарк» и хризоидина (1863). Затем появились первые оранжевые кислотные азокрасители из сульфанилиновой кислоты и нафтолов (оранжевая краска Руссена, 1876), первые интенсивные красные азокраситсли (церазин Каро и Руссена, 1877 г.), первые яркие алые красители (пунцовая краска, выпушенная в 1878 г. Пунцовые красители стали применяться вместо кошенили, однако уступали ей по прочности). Дешевизна этих красителей обеспечила им сразу широкое применение в шерстяной промышленности. Большинство азокрасящих веществ стало добываться из нафтола и бетанафтала. В 1861 г. А. Банером впервые были получены фталеины, техническое распространение которых, однако, началось только после появления в 1874 г. эозина (Каро).
Прямые красители
В 80-х гг. в текстильную практику впервые входит вторая группа красящих веществ — так называемые субстантивные или прямые красители, отличительной особенностью которых является их способность окрашивать животные и растительные волокна без предварительной обработки волокна и без употребления протрав для закрепления красителя на волокне. Большинство субстантивных красителей представляет собой азосоединения. Субстантивными свойствами обладали и некоторые из естественных красителей (куркула, сафлор, орлеан), однако они почти вышли из употребления в середине XIX в.
Первый искусственный субстантивный краситель для хлопка добыт в 1883 г. Вальтером (куркулин). В следующем году Веттигер изготовил краситель, названный «красное конго» и имевший крупный успех. Важнейшими из последующих субстантивных красителей были: бензокуркулин (1885), красный диамин (1888), прочный красный диамин (1889).
В конце 80-х гг. был введен способ диазотирования, при котором сначала производится окраска волокна, затем последнее погружается в холодный раствор азотистой кислоты и, наконец, в раствор проявителя, который меняет первоначальный цвет окраски на разнообразные другие. Красители, обладающие способностью менять даваемую ими окраску на волокне после известных химических обработок, получили название проявительных или ингреневых (in grain coloured — проявляемые на волокне). В большинстве случаев последующие обработки увеличивают прочность окраски и углубляют ее цвет.
Благодаря опытам Грина в 1887 г. была доказана возможность превращать желтую субстантивную краску нримулин в оранжевую, коричневую, красную и т. д. В 1888 г. Шульц получил из мониди-азосоединеиий краситель «Эрика», дающий тона от розового до карминно-красного.
Существенным недостатком субстантивных красителей является непрочность окраски к мытью и свету. Поэтому старания красильщиков были с самого начала направлены к устранению этого недостатка. Для придания окраске прочности стали применять с 70 гг. сернистые красители. Впервые они были получены в 1873 г. Кроассаном и Бретоньером при сплавлении древесных опилок с сернистым натрием. В результате последней операции получалась темно-коричневая масса, водный раствор которой обладал способностью окрашивать хлопок в прочные коричневые тона. В 1890 г. сернистые красители были получены Видалем путем сплавления серы с амидофенолом и другими органическими веществами (при опускании красителя в сернисто-натриевую ванну). Таким методом Видалю удалось получить дешевый черный краситель для хлопка. Этим была положена основа для широкого технического применения новой группы сернистых красителей, употребляемых только для волокон растительного происхождения и дающих тусклую, но весьма прочную окраску. Обычно в состав красильной ванны вводили, помимо сернистого натрия, также соду и поваренную соль. Единственной краской, которую не удалось получить в группе сернистых красящих веществ, является чисто красная краска.
Одной из важнейших проблем производства красителей в 80-90-х гг. XIX в. было нахождение способа изготовления нерастворимых азокрасящих хлопковое волокно веществ, т. е. таких, в которых отсутствовали бы сульфокислоты. В 1880 г. были добыты черный анилин и окисленные красители из диамина и аминофенола. Эти красители изготовляются не на фабриках (так как красильщик не может их растворить обычными растворителями), а получаются непосредственно на волокне — например при окислении анилина двухромокислым и хлорноватокислым калием. Подлежащий окраске материал пропитывается этим раствором, а затем помещаегся в специальной камере, благодаря чему он начинает но степенно окрашиваться. В 1880 г. Холидей предложил пропитывал хлопок водным нафтоловым раствором, затем высушивать и, наконец, пропускать через солянокислый диазораствор. Однако этот способ оказался технически неприменимым.
Практическое применение получил другой метод, введенный в 1889-1890 гг. и сводящийся к закреплению на волокне так называемых ледяных азокрасителей, получаемых путем охлаждения диазосоединений (которые легко разлагаются в теплоте). При уксуснокислом способе, после грунтования волокна бетанафтоловым раствором, производилось проявление его в устойчивом натроацетатном диазорастворе. Получение ледяных азокраентелей было упрощено с появлением устойчивых диазопрепаратов. В результате этого были последовательно введены коричневый бензидин голубой дианизидин (1893) и бордовый нафтол.
Таким образом, к концу XIX в. в красильном деле стали применяться две категории азокрасителей: 1) растворимые в воде азокрасители — соединения диазосоединений с сульфокислотами относящиеся к группе кислотных красителей, применяемых для обработки волокна животного происхождения (шерсть и шелк), и 2) нерастворимые в воде красители, образуемые из своих составных частей на самом волокне (хлопчатобумажном) путем пропитывания последнего сначала раствором нафтола, а затем путем погружения его в раствор диазосоединения сульфокислот.
Отсутствие протрав и прочность окраски обеспечили нерастворимым азокрасителям широкое применение в ситцепечатном деле. Наиболее прочной и применимой для всех видов волокон (растительных и животных) группой искусственных красителей являются кубовые красители. Среди них на первом месте стоит индиго, бывший на протяжении всего XIX в. единственным кубовым красящим веществом. Первым искусственным кубовым красителем был полученный в 1881 г. индофенол, который вследствие своей непрочности скоро исчез из красильной практики. Первый лабораторный синтез индиго был достигнут А. Байером в 1865 г. После того, как им било установлено строение индиго, стали появляться первые препараты искусственного индиго, а именно — нитрофинил-пропионовая кислота (1889), индиговая соль (1892), индофор (индоксиловая кислота). Начало фабричному изготовлению искусственных индиговых красителей положила в 1897 г. Баденская анилиновая и содовая фабрика. С этого времени синтетический индиго, благодаря своей дешевизне и чистоте, стал быстро вытеснять естественные индиго. Так как кубовые красители в воде не растворяются, их необходимо предварительно химически обработать. Лучшим веществом для этой цели служат гидросульфитные препараты, впервые предложенные в 1852 г. Шенбойном, указавшим на восстановительные свойства гидросернистой кислоты. В 1869 г. Шютценбергер ввел в практику красильного и печатного дела сульфит натрия, а в 1873 г. стал изготовлять гидросульфитные кубовые красители.
Благодаря работам Бернтена (Berntheen) удалось получать гидросульфитный препарат в чистом виде и установить его химическую формулу.
Протравы
Среди протрав к концу XIX в. все большее значение получают металлические (основные) протравы, в особенности соли алюминия и хрома. С 80-х гг. для шерстяных тканей протравы начинают применяться не в начале процесса окрашивания, а уже после выбирания красителя, что ускоряло процесс и делало окраску более ровной и прочной. В 1892 г. было найдено, что красные моно-азокрасяшие вещества после хромирования дают черно-синюю краску. В 1893 г. Эрдманну и Воргманну удалось добиться при хромировании превращения малоценных азокрасок в ценные. В последующие годы таким путем был получен целый ряд чистых, ярких и прочных цветов, главным образом, в оттенках синего.
Способ применения алюминиевых протрав был разработан в 1890 г. Эрбаном и Шпехгом для красок розовых тонов. Сущность метода заключалась в пропитывании аммоний-калийных солей раствором ализарина. При выпаривании раствора аммиак улетучивался, а оставшийся нерастворимый ализарин проявлялся через раствор ацетат-алюминия, сушку и запаривание. И здесь, как и при хромировании, обработка протравой (алюминиевой солью) происходит, таким образом, после растворения красителя. Даже в тех случаях, когда возможно предварительное протравливание, стали предпочитать последующую обработку протравой, так как этим способом достигается сокращение времени, более равномерное пропитывание и большая прочность окраски.