Procédé de teinture par colorants dispersés : HT/HP, Thermosol et véhiculeur
Teindre le polyester, c'est l'ingénierie du placement d'un colorant dispersé, quasi insoluble dans l'eau, dans les régions amorphes d'une fibre dont la température de transition vitreuse a été dépassée, par diffusion à l'état solide.
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Pourquoi le colorant dispersé : fibre hydrophobe, colorant hydrophobe
Le polyester (PET), du fait de sa cristallinité élevée et de l’absence de groupes polaires retenant l’eau, reste fermé aux colorants réactifs ou acides. Pour cette fibre, les colorants dispersés sont la seule option : ce sont des chromophores azoïques et anthraquinoniques de faible masse moléculaire, quasi apolaires, dont la solubilité dans l’eau est de l’ordre du mg/L. Dans le bain, le colorant n’est pas dissous ; il s’y trouve sous forme de suspension stable, dispersée en particules submicroniques par des dispersants anioniques (lignosulfonates, condensats de naphtalènesulfonate et de formaldéhyde). Le mécanisme réel de la teinture n’est pas la dispersion ; c’est la diffusion dans la fibre des molécules isolées qui passent de la particule à l’eau, où elles restent à une très faible concentration d’équilibre.
La force motrice : transition vitreuse (Tg) et gonflement de la fibre
La température de transition vitreuse (Tg) du PET s’étale sur un large intervalle ; sur fibre sèche, elle est couramment citée autour de ~70–90 °C. Le point important est le suivant : dans un milieu de teinture aqueux, la fibre gonfle et se plastifie sous l’effet de l’eau, si bien que la Tg effective (à l’état humide) descend encore. Sous la Tg, les chaînes amorphes sont figées et la diffusion du colorant s’arrête en pratique ; au-dessus de la Tg, les segments de chaîne gagnent en mobilité, du volume libre apparaît, la fibre gonfle légèrement et la molécule de colorant progresse pas à pas dans les régions amorphes. C’est pourquoi la teinture HT vise ~130 °C : la vitesse de diffusion croît exponentiellement avec la température, de sorte que la rampe de chauffe (typiquement 1–1,5 °C/min) et le temps de maintien en température (en général ~30–60 min à 130 °C) sont les véritables variables de contrôle d’une teinture unie, égalisée par migration.
Classes d’énergie : E, SE, S
Les colorants dispersés se répartissent en trois classes d’énergie selon la taille moléculaire et le comportement à la sublimation. Les colorants de basse énergie (E) sont à petite molécule, à diffusion rapide, et offrent une excellente migration/égalisation mais une faible solidité à la sublimation. Les colorants de haute énergie (S) sont à grosse molécule, à diffusion lente, difficiles à égaliser, mais de solidité élevée à la sublimation et à la chaleur. La classe d’énergie moyenne (SE) se situe entre les deux et, son comportement de fixation étant relativement moins sensible aux fluctuations de température, elle constitue le type le plus polyvalent. Un compromis de conception existe entre solidité à la sublimation et vitesse de diffusion : grosse molécule = solidité thermique élevée mais diffusion lente, petite molécule = diffusion rapide mais faible solidité thermique.
| Paramètre | HT/HP (épuisement) | Avec véhiculeur (atmosphérique) | Thermosol (continu) |
|---|---|---|---|
| Température | ~130 °C | ~95–100 °C | Fixation ~190–220 °C |
| Pression | ~2–3 bar (machine fermée) | Atmosphérique | Atmosphérique |
| Durée | ~30–60 min à 130 °C | ~60–90 min | Maintien ~30–90 s |
| Classe de colorant | Toutes (E/SE/S) | E (petite molécule) | SE/S de préférence |
| Mécanisme | Diffusion à l'état solide au-dessus de la Tg | Le véhiculeur abaisse la Tg effective | Sublimation + diffusion |
| Note environnementale | Forte consommation d'eau et d'énergie | Préoccupations liées aux produits chimiques véhiculeurs | Continu, relativement économe |
Épuisement HT/HP : ~130 °C en cuve sous pression
La voie standard de la teinture du polyester est aujourd’hui l’épuisement à haute température / haute pression (HT/HP). Dans une machine jet, overflow ou soft-flow, le bain est porté à ~130 °C en système fermé ; la cuve est maintenue sous pression (à 130 °C, la pression de vapeur saturante est de l’ordre de 2–3 bar) et cette pression maintient l’eau à l’état liquide au-delà de 100 °C. Le pH du bain est réglé à 4,5–5,5 par un tampon acide acétique/acétate : un pH bas est critique à la fois pour la stabilité des dispersants et pour éviter la dégradation hydrolytique des chromophores azoïques. La recette contient un dispersant, de l’acide acétique/tampon et, si nécessaire, un agent égalisant. Si la vitesse de strike (première accroche) est trop élevée, une adsorption rapide et irrégulière dans la plage ~110–120 °C peut provoquer des marbrures ; la rampe est donc ralentie dans cette zone critique.
Teinture avec véhiculeur : abaisser chimiquement la Tg
Lorsque l’on ne dispose pas d’équipement sous pression, ou sur des mélanges sensibles à la chaleur, comme ceux contenant de l’élasthanne, la teinture peut se faire à pression atmosphérique, à ~95–100 °C, avec des produits chimiques véhiculeurs (carriers). Les véhiculeurs (classiquement l’o-phénylphénol, le biphényle, le méthylnaphtalène et dérivés analogues) pénètrent la fibre et la gonflent, abaissant sa Tg effective ; le colorant peut alors diffuser autour de 100 °C. Mais ces produits sont le plus souvent volatils, odorants, laissent des résidus dans les eaux usées et sur la fibre, et certains sont toxiques ou bioaccumulables ; restreints ou indésirables dans les cadres OEKO-TEX et ZDHC, ils ont conduit l’industrie à basculer largement vers la teinture HT. Le véhiculeur subsiste dans des usages de niche, mais son coût environnemental reste le désavantage fondamental de la méthode.
Thermosol : imprégner-sécher-fixer en continu
Pour teindre en continu et à fort volume des rouleaux d’étoffe tissée ou tricotée, on emploie le Thermosol (pad-dry-bake). À température ambiante, l’étoffe est imprégnée au foulard d’un bain contenant le colorant, un agent anti-migration et, si nécessaire, un épaississant ; elle est ensuite séchée à ~100–120 °C, puis fixée à la chaleur sèche à ~190–220 °C pendant ~30–90 s en général. À cette température, le colorant entre dans la fibre en partie par sublimation (solide→gaz) et en partie par diffusion en phase fondue ; le rendement de fixation varie selon la recette et les paramètres, et un colorant de surface notable peut subsister sur les tons foncés. Une solidité thermique élevée étant requise, les colorants de classe SE/S sont préférés ; la classe E tend à sublimer et à s’échapper à cette température. Le Thermosol est plus économe en eau et en énergie que l’épuisement, mais le contrôle de la température et du temps y est bien plus strict.
Lavage réducteur (reductive clearing) : l’assurance de la solidité
En fin de teinture, il subsiste à la surface de la fibre du colorant non diffusé et agrégé ; ce colorant de surface abaisse la solidité au lavage et au frottement, et provoque migration et dégorgement. Le lavage réducteur y remédie : en milieu alcalin (soude caustique), le dithionite/hydrosulfite de sodium réduit les liaisons azoïques, typiquement à ~70–80 °C, en fragments incolores et hydrosolubles éliminés de la surface. Cette étape est quasi obligatoire pour la solidité au lavage ISO 105-C06 et au frottement ISO 105-X12, en particulier sur les tons foncés. L’hydrosulfite et la soude apportant une lourde charge en DCO et en sulfates, le secteur s’oriente de plus en plus vers des alternatives moins génératrices d’effluents : à réduction acide, à l’ozone ou photocatalytiques.
Les normes qui mesurent la solidité et le piège de la thermomigration
La performance du polyester teint en colorants dispersés se vérifie par des méthodes d’essai indépendantes : solidité au lavage selon ISO 105-C06, solidité à la transpiration (solutions d’histidine acide et alcaline) selon ISO 105-E04, solidité au frottement selon ISO 105-X12, solidité à la lumière selon ISO 105-B02 (arc au xénon). Le défaut le plus sournois propre au colorant dispersé est la thermomigration : en présence de dispersants ou de films d’apprêt/adoucissant, une chaleur élevée (repassage, séchage en rame (stenter), par exemple) transporte le colorant de l’intérieur de la fibre vers la surface et fait chuter les notes de solidité d’une teinture qui paraissait bonne avant traitement thermique. La recette d’apprêt et la qualité du lavage réducteur sont donc autant responsables de la solidité finale que la teinture elle-même.