Colorantes Directos

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Introducción
Los colorantes directos forman un grupo de colorantes que se aplican para el teñido de fibras directamente sobre el sustrato, sin necesidad del empleo de mordientes.Si bien este concepto proviene de las antiguas técnicas artesanales de aplicación de colorantes naturales, término con que actualmente se denomina a un grupo de compuestos sintéticos desarrollados desde el siglo XIX.
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Los colorantes directos son usados ampliamente en la tintura del algodón, lino y otras fibras celulósicas naturales, aunque también son aptos para la coloración de fibras de rayón viscosa, seda y lana. Dada su afinidad por la celulosa, se los denominan colorantes sustantivos, aunque en rigor de verdad otros grupos de colorantes (como los colorantes reactivos) también tienen esta propiedad por lo que caen dentro de esta definición. Actualmente se prefiere la denominación de colorantes directos, para evitar la confusión con otras familias de colorantes.
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Estructuras químicas
Los colorantes directos son compuestos del tipo azo, de alto peso molecular que contiene grupos sulfónicos para proveerlos de solubilidad al agua.
Poseen las siguientes estructuras químicas: monoazo, diazo, dis-azo,  quinolina, etilbenceno, ftalocianina, tiazolina, entre otras, formando extensas moléculas que se disponen a lo largo de las fibras formando uniones electrostáticas (Van Der Waals, y puentes hidrogeno). De las estructuras químicas mencionadas, hay dos principales: azo y tiazol.

COLORANTES DIRECTOS AZOICOS
Poseen uno o varios grupos cromóforos “azo”. Su estructura es del tipo: R1-N=N-R2
Naranja de metilo . Los colorantes con cromóforos tipo azo, son donantes y aceptantes de protones. En la fórmula anterior R1 es un radical con grupos aceptantes de protones, como nitro o ciano, mientras R2 contiene dadores de protones como el amino o alquilamino.
La situación más interesante se produce cuando el grupo azo está unido a dos anillos bencénicos sustituidos, ya que el compuesto resultante absorbe radiación en el espectro visible generando color de forma intensa. De ahí que los azo compuestos sean los productos más difundidos en la  mayoría de los colorantes textiles que se comercializan actualmente.
Un ejemplo sencillo para observar este grupo, es el del colorante naranja de metilo, utilizado como indicador ácido base por su sensibilidad al pH. En medio ácido se protonan los nitrógenos y da un color rojizo, mientras que en medio alcalino el color vira al amarillo.
Para un ejemplo concreto de un colorante directo textil azo derivado, veamos el caso del CI Rojo Directo 23, donde se observa el doble grupo azo (di-azo) bifenilo sustituido.
COLORANTES DIRECTOS TIAZÓLICOS
Los colorantes tiazólicos tienen un grupo tiazol, que generalmente se presenta en forma de un anillo benzotiazólico, con la siguiente estructura molecular:
Anillo benzotiazólico . Este grupo presenta limitaciones en cuanto a los tonos obtenidos, aunque en el resto de propiedades son similares a los azoicos.
Los cromóforos tiazólicos generan colores amarillos, anaranjados y pardos interesantes. La siguiente imagen reproduce dos estructuras posibles para un típico colorante directo tiazólico: el CI Amarillo Directo 59.
CI Amarillo Directo 59

Clasificación de los colorantes directos
Se pueden establecer muchos criterios de clasificación. De hecho el Dr. Tanveer Hussain, de la National Textile University, en su artículo Dyeing with Direct Dyes, establece nueve formas diferentes:

·.Por su constitución química.
·.Por el pH del baño de tintura.
·.Por las propiedades de igualación (SDC).
·.Por los tratamientos posteriores.
·.Por la adaptación a métodos de aplicación continuos.
·.Por la adaptación a métodos de aplicación HT.
·.Por el comportamiento frente al descrude alcalino.
·.Por la cobertura de algodón muerto.
·.Por aspectos comerciales.

Indudablemente todos ellos son útiles con respecto a ciertos requerimientos productivos o del consumidor final, pero dos son los más difundidos. El primero es aquel que considera el poder de igualación, creado por la Society of Dyers & Chemist (SD&C) de Inglaterra, que estableció tres grupos o clases:

CLASE A
Colorantes de buena igualación

El grupo A está formado por colorantes de buen poder de migración y por lo tanto dan tinturas bien igualadas sin necesidad de cuidados especiales. Aunque al principio del teñido aparezcan zonas desparejas, el excelente poder de migración que tienen hace que en el curso del proceso se emparejen y resulte una tintura bien igualada.
Otras características de este grupo son:

·.Máximo agotamiento obtenido entre 60-70º C.
·.Los electrolitos neutros aumentan la cantidad de colorante sobre la fibra.

CLASE B
Colorantes de regular igualación
El grupo B tiene baja sustantividad por la fibra, y para aumentar el agotamiento del baño necesitan ser controlados con el agregado de sal.
Otras propiedades son:

·.Máximo agotamiento obtenido entre 80-100º C
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·.Sin agregado de sal el agotamiento es inferior al 50%.

CLASE C
Colorantes de mala igualación
El grupo C es el de peor performance, ya que deben ser controlados por el agregado de sal y además por la temperatura.
Otra propiedad característica es:

·.Máximo agotamiento obtenido entre 120-130º C.


El segundo método de clasificación de colorantes directos (que está incluido en el grupo de aspectos comerciales), es aquel que se basa en el grado de solidez a la luz y que agrupa a los colorantes en:

·.Directos comunes
·.Directos Sólidos Luz

Pueden incluirse otras categorías como: colorantes directos tratados con sales de cobre y colorantes directos que se pueden diazotar y copular. Ambas son de menor importancia en la actualidad, por razones ecológicas, económicas y de complejidad productiva.

Los colorantes directos comunes exhiben peores solideces generales, y especialmente  a la luz que los colorantes directos sólidos luz.
Para graficar este tema, la Red Textil Argentina desarrolla un catálogo virtual donde además de ver el matiz de cada colorante, con su número de color índex, se ofrecen los valores de solideces luz, lavado y agua.

Más info: > Catálogo virtual de colorantes directos ::en construcción::

Mecanismo de tintura de colorantes directos
Los colorantes directos son solubles en agua. El mecanismo de tintura para las fibras celulósicas, abarcan las etapas de adsorción, migración y difusión (en ese orden). Si bien son muchos los factores que intervienen activamente en la regulación del mencionado mecanismo, hay tres que son los más importantes: la estructura de la celulosa, su morfología y el electrolito presente.
La estructura de la celulosa presenta zonas amorfas y zonas cristalinas. Cuando esta fibra es inmersa en un medio líquido acuoso, las zonas amorfas comienzan a hincharse y producen poros de 2-10 nanómetros de diámetro.

Las moléculas de colorantes más pequeñas se introducen por esos poros y difunden hacia el interior de la fibra. Los colorantes que poseen muchos grupos sulfónicos absorbidos menos que los que tienen pocos, pues tienen más cargas negativas (mayor anionicidad) y son más repelidos por las cargas negativas de la fibra. La adición de electrolitos neutros como el sulfato de sodio o el cloruro de sodio, neutraliza las cargas negativas de la superficie de la celulosa, con lo que se favorece el agotamiento y la difusión.  Entonces el colorante aniónico puede fijar sus moléculas sobre la superficie de la fibra a través de uniones iónicas: enlaces puente hidrógeno y fuerzas de Van Der Waals.

INFLUENCIA DE LAS VARIABLES
De acuerdo a lo antedicho las dos variables de más influencia son: el electrolito y la temperatura. Pero hay otras variables importantes que permiten el control de los parámetros fisicoquímicos del baño de tintura, como  la relación de baño, el tiempo y el pH del proceso. A continuación veremos cual es esta relación al producir un aumento en la variable.

Influencia de los electrolitos
Los electrolitos más empleados son los electrolitos neutros (cloruro de sodio y sulfato de sodio). Cuando se aumenta la concentración de los mismos en el baño de tintura se obtiene:

·.Mayor agotamiento del colorante.
·.Menor carga eléctrica de la fibra por la acción del catión del electrolito.
·.Mayor velocidad del desplazamiento del colorante hacia la fibra.
·.Mayor grado de agotamiento ligado a la cantidad de sal en el baño.
·.Menor reversibilidad del teñido al desplazar el equilibrio colorante - fibra.

Cuando se emplea un electrolito alcalino (p. ejemplo carbonato de sodio), el efecto es opuesto ya que los grupos OH- ahora refuerzan la carga eléctrica negativa de la fibra. Entonces se logra:

·.Menor agotamiento del colorante.
·.Menor velocidad de subida del colorante sobre la fibra.
·.Control de subida para colorantes de alta sustantividad.
·.Mayor riesgo de destrucción de colorante a altas temperaturas (> a 100ºC).

Influencia de la temperatura
Al efectuarse un aumento en la temperatura del baño, se logra:

·.Disminuir el efecto de repulsión entre la carga eléctrica superficial de la fibra y la carga del colorante (ambas de signo negativo).
·.Aumentar la vibración de las cadenas en la parte amorfa.
·.Aumentar la migración del colorante de las partes de mayor concentración a las menos concentradas en la superficie de la fibra.

Influencia de la relación de baño
En general todos los colorantes directos son poco influenciados por las variaciones de la relación de baño, excepto en aquellos colorantes o intensidades de tintura que se hallan cerca del límite de solubilidad. Un aumento en la relación de baño, tiende a:

·.Aumentar el porcentaje de colorante absorbido al bajar su concentración.
·.Mayor posibilidad de migración y consecuentemente de igualación.

Una vez transcurrido el tiempo aconsejado de tintura para los colorantes directos, se verifica que un aumento de tiempo extra del proceso, no resulta en un mayor incremento del colorante sobre la fibra. Su efecto puede influir en una mayor difusión del colorante dentro de la fibra en el caso de tonos intensos, aunque esto también va a estar en relación al tipo de colorante que se trate.

Influencia del pH
Los colorantes directos tiñen la celulosa en medio neutro, preferentemente utilizando sulfato de amonio para ajustar el pH. Una variación del pH causa los siguientes efectos:

·.El medio ácido provoca la alteración del matiz, de la mayoría de los colorantes directos.
·.El medio alcalino leve a moderado, aumenta solubilidad de algunos colorantes y el efecto retardante.
·.El medio fuertemente alcalino, aumenta también la tendencia de destrucción en algunos colorantes, ya que en condiciones alcalinas la celulosa forma sistema reductor que afecta el cromóforo del colorante.
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Métodos de tintura de colorantes directos
El comportamiento tintóreo de los colorantes directos presenta diferencias según las clases de colorantes empleados. Por este motivo hay más de un método de aplicación.
. Estos se realizan ajustando los parámetros de la tintura en función de cada tipo o clase de colorante, los que se disuelven previamente con agua caliente y se aplican por alguno de los 4 métodos dados a continuación según su clase (A, B o C). Resulta conveniente no mezclar colorantes de distintas clases, para asegurarse una buena compatibilidad entre los componentes de la fórmula.
Los siguientes son cuatro posibles métodos de aplicación, dependiendo de la clase de colorante empleado:

MÉTODO I
·.Incorporar productos auxiliares y colorantes a 40ºC.
·.Subir la temperatura hasta 96ºC con gradiente 2.
·.Se baja la temperatura a 80ºC y se agrega el electrolito en 3 porciones durante 30 min.
·.Se baja la temperatura a 60ºC y se descarga.

MÉTODO II
·.Incorporar productos auxiliares y colorantes a 50ºC.
·.Subir la temperatura hasta 100ºC con gradiente 2.
·.Se mantiene la temperatura en 100ºC y se agrega el electrolito en 3 porciones durante un período de 30-40 min de procesamiento.
·.Se baja la temperatura a 60ºC, con gradiente 2 y se descarga.

MÉTODO III
·.Incorporar productos auxiliares y colorantes a 40ºC.
·.Subir la temperatura hasta 93ºC con gradiente 3.
·.Se mantiene a esta temperatura, se agrega el electrolito en 3 porciones durante 30 min.
·.Se baja la temperatura a 60ºC y se descarga.

MÉTODO IV
·.Incorporar productos auxiliares y colorantes y el 20% del electrolito a 40ºC.
·.Subir la temperatura hasta 96ºC con gradiente 2.
·.Se mantiene a 96ºC y se agrega el resto de electrolito con dosificación lineal en 30 min.
·.Se baja la temperatura a 60ºC, con gradiente 1 y se descarga.

En el siguiente gráfico se muestran agrupados estos cuatro métodos de aplicación:
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Productos químicos auxiliares
Los productos químicos auxiliares empleados en el teñido de fibras celulósicas con los colorantes directos, son:

HUMECTANTES RÁPIDOS
En productos de concentración standard son suficientes 1 a 2 gr/l, sobre material limpio sin descrudar (tejido de punto) o cuando el material es compacto (hilados) o de alto gramaje (telas planas).


AGENTES DE DESCRUDE SIMULTÁNEO
Se emplea entre 1 y 3 gr/l para tejidos sin descrudar, sucios o con mucho aceite de hilandería o de tejeduría.


SECUESTRANTES
La cantidad de uso varia entre 0,5 y 3 gr/l para aguas duras. La dureza total debe ser inferior a 10ºF, para asegurarse una tintura sin problemas.


AGENTES DE IGUALACIÓN
Los agentes de igualación o igualantes, son empleados usualmente entre 0,5–2 gr/l.
Las cantidades menores para colorantes de clase A y las mayores para clases B y C.


LUBRICANTES
Se emplean 0,5–2 gr/l según necesidades, para géneros con tendencia a quebrarse tanto sea por su estructura como por influencia de los equipos y la carga.

FIJADORES
Para el post tratamiento de hilados y géneros, cuando se requiera buenas solideces húmedas.

Productos químicos industriales
Se emplean los siguiente productos:

SULFATO DE SODIO (Sal de Glauber) / CLORURO DE SODIO (Sal común)
Para las tinturas con colorantes clases B y C.

CARBONATO DE SODIO (Soda Solvay)
Para ajustar pH del baño según las indicaciones de los productores de colorantes.

Post-tratamiento de la tintura con colorantes directos
Es necesario realizar un post-tratamiento de las tinturas realizadas con colorantes directos sobre fibras celulósicas, con el objeto de mejoras las solideces húmedas (lavado, agua y transpiración, especialmente). Hay varias formas de llevarlo a cabo, pero las dos siguientes son las más populares.

·.Tratamiento con fijadores catiónicos.
·.Tratamiento con resinas auto-reticulantes.

Otras posibilidades, incluyen el tratamiento con formaldehido, actualmente en desuso por la carga contaminante del medio ambiente. Lo mismo sucede con las sales de cobre, que en su momento fueron muy empleadas y los colorantes directos cobreables formaron un grupo de colorante conocidos como “colorantes al cobre” con niveles de solideces muy aceptables. Un caso aún más en desuso es la diazotación y copulación tal cual se realiza con los colorantes naftoles, realizable con los colorantes directos de base azoica y tratado con un naftol. Prácticamente no se emplea.

Desmontado de tinturas con colorantes directos
El procedimiento es sumamente fácil. Se realiza una destrucción reductiva del colorante a una temperatura cercana a ebullición empleando hidrosulfito de sodio (Na2S2O4.H2O) en medio alcalino hasta que se llega a decolorar el material textil.
Un procedimiento alternativo, aunque más agresivo para el material, es una destrucción oxidativa del color con el empleo de hipoclorito de sodio, a una concentración de 1-2 gr/l de cloro activo en medio alcalino a temperatura inferior a los 45-50ºC para evitar un ataque importante de la celulosa.
Si el textil está post tratado con fijadores debe realizarse previamente una extracción de los mismos en medio ácido, con 1 -2 % de ácido fórmico en presencia de un dispersante no iónico para luego proceder a la destrucción del color.

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