Der Dispersionsfärbeprozess: HT/HP, Thermosol und Carrier
Polyester zu färben ist die Ingenieurleistung, einen in Wasser nahezu unlöslichen Dispersionsfarbstoff durch Festkörperdiffusion in die amorphen Bereiche einer Faser zu platzieren, deren Glasübergangstemperatur überschritten ist.
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Warum Dispersionsfarbstoff: hydrophobe Faser, hydrophober Farbstoff
Polyester (PET) bleibt Reaktiv- und Säurefarbstoffen verschlossen, weil er hochkristallin ist und ihm polare, wasserbindende Gruppen fehlen. Dispersionsfarbstoffe lassen dieser Faser keine andere Wahl: Azo- und Anthrachinon-Chromophore mit niedrigem Molekulargewicht, nahezu unpolar, mit einer Wasserlöslichkeit in der Größenordnung von mg/L. Im Bad liegt der Farbstoff nicht gelöst vor, sondern als stabile Suspension submikroner Partikel, die anionische Dispergiermittel (Ligninsulfonate, Naphthalinsulfonat-Formaldehyd-Kondensate) in Schwebe halten. Der eigentliche Färbemechanismus ist nicht die Dispersion selbst; es ist die Diffusion einzelner gelöster Moleküle in die Faser, die in sehr niedriger Gleichgewichtskonzentration vom Partikel ins Wasser übertreten.
Die treibende Kraft: Glasübergang (Tg) und Faserquellung
Die Glasübergangstemperatur (Tg) von PET erstreckt sich über einen breiten Bereich; für die trockene Faser wird sie üblicherweise mit ~70–90 °C angegeben. Entscheidend ist Folgendes: Im wässrigen Färbemedium quillt die Faser und wird durch das aufgenommene Wasser plastifiziert, sodass die effektive (nasse) Tg noch weiter absinkt. Unterhalb der Tg sind die amorphen Ketten eingefroren und die Farbstoffdiffusion kommt praktisch zum Erliegen; oberhalb der Tg gewinnen die Kettensegmente Beweglichkeit, freies Volumen öffnet sich, die Faser quillt leicht und das Farbstoffmolekül wandert Schritt für Schritt durch die amorphen Bereiche. Deshalb zielt das HT-Färben auf ~130 °C: Die Diffusionsgeschwindigkeit steigt exponentiell mit der Temperatur, weshalb die Aufheizrampe (typisch 1–1,5 °C/min) und die Haltezeit bei Temperatur (üblich ~30-60 min bei 130 °C) die eigentlichen Stellgrößen einer egalen, über Migration ausgeglichenen Färbung sind.
Energieklassen: E, SE, S
Dispersionsfarbstoffe werden nach Molekülgröße und Sublimationsverhalten in drei Energieklassen eingeteilt. Niedrigenergetische Farbstoffe (E) sind kleinmolekular, diffundieren rasch und zeigen ein ausgezeichnetes Migrations- und Egalisierverhalten, besitzen aber eine geringe Sublimierechtheit. Hochenergetische Farbstoffe (S) sind großmolekular, diffundieren langsam und sind schwer zu egalisieren, zeigen dafür hohe Sublimier- und Thermofixierechtheit. Die mittelenergetische Klasse (SE) liegt zwischen beiden und gilt als der vielseitigste Typ, weil ihr Fixierverhalten auf Temperaturschwankungen vergleichsweise wenig empfindlich reagiert. Zwischen Sublimierechtheit und Diffusionsgeschwindigkeit besteht ein Zielkonflikt im Moleküldesign: großes Molekül = hohe Thermofixierechtheit, aber langsame Diffusion; kleines Molekül = rasche Diffusion, aber geringe Thermofixierechtheit.
| Parameter | HT/HP (Ausziehverfahren) | Mit Carrier (atmosphärisch) | Thermosol (kontinuierlich) |
|---|---|---|---|
| Temperatur | ~130 °C | ~95–100 °C | Fixierung ~190–220 °C |
| Druck | ~2-3 bar (geschlossene Maschine) | Atmosphärisch | Atmosphärisch |
| Zeit | ~30-60 min bei 130 °C | ~60-90 min | Verweilzeit ~30-90 s |
| Farbstoffklasse | E/SE/S, alle | E (kleines Molekül) | SE/S bevorzugt |
| Mechanismus | Festkörperdiffusion oberhalb der Tg | Carrier senkt die effektive Tg | Sublimation + Diffusion |
| Umwelthinweis | Wasser- und energieintensiv | Bedenken wegen Carrier-Chemikalien | Kontinuierlich, relativ effizient |
HT/HP-Ausziehverfahren: ~130 °C im Druckbehälter
Der heutige Standardweg beim Polyesterfärben ist das Ausziehverfahren bei hoher Temperatur und hohem Druck (HT/HP). In der Jet-, Overflow- oder Soft-Flow-Maschine wird das Bad im geschlossenen System auf ~130 °C gebracht; der Behälter steht unter Druck (der Sattdampfdruck bei 130 °C liegt in der Größenordnung von 2-3 bar), und dieser Druck hält das Wasser oberhalb von 100 °C flüssig. Der pH-Wert des Bades wird mit einem Essigsäure-Acetat-Puffer auf 4,5-5,5 eingestellt: Ein niedriger pH-Wert ist sowohl für die Stabilität der Dispergiermittel als auch zur Vermeidung der hydrolytischen Zersetzung der Azo-Chromophore entscheidend. Das Rezept enthält ein Dispergiermittel, Essigsäure beziehungsweise Puffer und bei Bedarf ein Egalisiermittel. Ist die Anfärbegeschwindigkeit (strike, das anfängliche Aufziehen) zu hoch, kann rasche und ungleichmäßige Adsorption im Bereich ~110–120 °C zu Fleckenbildung führen; deshalb wird die Rampe in dieser kritischen Zone verlangsamt.
Färben mit Carrier: die Tg chemisch absenken
Fehlt der Zugang zu Druckapparaten oder handelt es sich um temperaturempfindliche Mischungen mit Elasthan, lässt sich mit Carrier-Chemikalien atmosphärisch bei ~95–100 °C färben. Die Carrier (klassisch o-Phenylphenol, Biphenyl, Methylnaphthalin und ähnliche Derivate) dringen in die Faser ein, quellen sie und senken ihre effektive Tg, sodass der Farbstoff bereits um 100 °C diffundieren kann. Diese Chemikalien sind jedoch meist flüchtig und geruchsintensiv, hinterlassen Rückstände im Abwasser und auf der Faser, und einige gelten als toxisch oder bioakkumulierend; da sie in den Regelwerken von OEKO-TEX und ZDHC eingeschränkt oder unerwünscht sind, ist die Industrie weitgehend auf das HT-Färben umgestiegen. Der Carrier bleibt in Nischen im Einsatz, doch seine Umweltkosten sind der grundlegende Nachteil des Verfahrens.
Thermosol: kontinuierlich klotzen, trocknen, fixieren
Um Gewebe- oder Maschenwarenrollen kontinuierlich und in hohem Volumen zu färben, kommt das Thermosolverfahren (pad-dry-bake) zum Einsatz. Die Ware wird bei Raumtemperatur auf dem Foulard mit einer Flotte aus Farbstoff, Migrationsinhibitor und – falls nötig – Verdickungsmittel geklotzt (foulardiert), bei ~100–120 °C getrocknet und anschließend typischerweise ~30-90 s bei ~190–220 °C Trockenhitze fixiert. Bei dieser Temperatur gelangt der Farbstoff teils durch Sublimation (fest → gasförmig), teils durch Diffusion in der Schmelzphase in die Faser; die Fixierausbeute hängt von Rezept und Parametern ab, und bei dunklen Tönen kann nennenswerter Oberflächenfarbstoff zurückbleiben. Da hohe Thermofixierechtheit gefordert ist, werden Farbstoffe der Klassen SE/S bevorzugt; Farbstoffe der Klasse E neigen dazu, bei dieser Temperatur zu sublimieren und verloren zu gehen. Thermosol ist wasser- und energieeffizienter als das Ausziehverfahren, verlangt aber eine deutlich engere Kontrolle von Temperatur und Zeit.
Reduktive Nachreinigung (reductive clearing): die Versicherung für die Echtheit
Nach Abschluss der Färbung bleibt auf der Faseroberfläche nicht eindiffundierter, aggregierter Farbstoff zurück; dieser Oberflächenfarbstoff senkt Wasch- und Reibechtheit und führt zu Migration und Ausbluten der Farbe. Die reduktive Nachreinigung löst das: Im alkalischen Medium (Natronlauge) reduziert Natriumdithionit beziehungsweise Hydrosulfit bei typischerweise ~70–80 °C die Azobindungen zu farblosen, wasserlöslichen Bruchstücken, die von der Oberfläche entfernt werden. Dieser Schritt ist besonders bei dunklen Tönen für die Waschechtheit nach ISO 105-C06 und die Reibechtheit nach ISO 105-X12 nahezu zwingend. Da Hydrosulfit und Natronlauge eine schwere CSB- und Sulfatfracht mit sich bringen, wendet sich die Branche zunehmend abfallärmeren Alternativen zu, etwa sauer-reduktiven oder ozon- und photokatalytischen Verfahren.
Die Normen, die Echtheit messen, und die Thermomigrationsfalle
Die Leistung von dispersionsgefärbtem Polyester wird mit unabhängigen Prüfmethoden belegt: Waschechtheit nach ISO 105-C06, Schweißechtheit (saure und alkalische Histidinlösungen) nach ISO 105-E04, Reibechtheit nach ISO 105-X12 und Lichtechtheit nach ISO 105-B02 (Xenonbogen). Der tückischste Fehler speziell bei Dispersionsfarbstoffen ist die Thermomigration: Sind Dispergiermittel oder Filme aus Ausrüstungsmitteln und Weichmachern vorhanden, kann hohe Hitze (etwa Bügeln oder Trocknen im Spannrahmen) den Farbstoff aus dem Faserinneren an die Oberfläche tragen und die Echtheitsnoten einer Färbung senken, die vor der Hitzeeinwirkung einwandfrei aussah. Deshalb bestimmen das Ausrüstungsrezept und die Qualität der reduktiven Nachreinigung die Endechtheit ebenso wie die Färbung selbst.