177 1 Het aanverven van textiel door drs. A. H. Luiken TNO Industrie, Afdeling Textiel, Postbus 337, 7500 AH Enschede, tel. (053) 486 04 86 1. Inleiding 177 3 2. Textiel 177 4 3. Kleurstoffen 177 5 4. Verf- en drukmethoden 177 7 5. Eigenschappen van kleurstoffen op textiel 177 9 6. Gezondheidsaspecten 177 10 7. Milieuaspecten van het verven van textiel 177 10 8. Literatuur 177 11 Chemische Feitelijkheden is een uitgave van Ten Hagen & Stam bv in samenwerking met de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging.
177 3 1. Inleiding Het aankleuren van textiel is een bezigheid die zo oud is als de mensheid. Textiel, vroeger alleen afkomstig van plantaardige (katoen, linnen) of dierlijke (wol, zijde) herkomst, werd met kleurstoffen uit de natuur aangekleurd. Hiervoor werden zowel anorganische verbindingen (roet, ijzeroxide) als kleurstoffen van plantaardige of dierlijke herkomst gebruikt. Bekende voorbeelden zijn de teelt van meekrap voor kleurstofproductie en de rode kleurstof die uit de cochenille luis kon worden gewonnen. Deze kleurstoffen waren over het algemeen duur en mensen die gekleurde kleding droegen zoals koningen, edelen en bisschoppen lieten hiermee zien dat ze tot een welvarende klasse behoorden. Ook nu nog vinden natuurlijke kleurstoffen, zij het beperkt, toepassing bij het aankleuren van textiel. Meestal wordt gebruik gemaakt van synthetische kleurstoffen, zij het dat deze soms wel praktisch identiek zijn met kleurstoffen die ook in de natuur kunnen worden aangetroffen. Maar veel synthetische kleurstoffen zijn ontwikkeld om betere eigenschappen te hebben dan de kleurstoffen die in de natuur voorkomen: betere lichtechtheid, betere wasechtheid, kleuren (tinten) die in de natuur niet of nauwelijks voorkomen en kleurstoffen die speciaal zijn ontwikkeld voor het aanverven van synthetische vezels. De synthese van kleurstoffen, het namaken van kleurstoffen uit de natuur, is in de periode 1850-1860 voor het eerst uitgevoerd. De kennis van de kleurstofchemie was destijds beperkt, maar door het samenvoegen van een aantal ingrediënten en deze op de juiste wijze te behandelen werden kleurstoffen als mauveïne en fuchsine gemaakt. Deze kleurstoffen hadden betere eigenschappen dan veel van de kleurstoffen uit de natuur. Daarna zijn voor het aanverven van textiel vele andere kleurstoffen ontwikkeld, die uiteindelijk de natuurlijke kleurstoffen helemaal op de achtergrond hebben gezet. De synthese van kleurstoffen voor textiel heeft enorm bijgedragen aan de ontwikkeling van de chemie en heeft aan de basis gestaan van vele multinationals, zoals Bayer, BASF, Sandoz en ICI. Voor het aanverven van textiel is het noodzakelijk dat de goede combinatie van kleurstoffen en textiele vezels wordt gebruikt. Al-
177 4 Het aanverven van textiel leen dan wordt een kleur verkregen die niet alleen mooi is maar ook mooi blijft. Het zal duidelijk zijn dat textiel uit polyester met andere kleurstoffen zal moeten worden geverfd dan wol en wol weer anders wordt geverfd dan katoen. Om een mooi resultaat te verkrijgen moet overigens ook volgens een vaste procedure worden geverfd. In de loop van de tijd zijn veel verf- en drukmethoden ontwikkeld waarbij steeds weer op een reproduceerbare wijze hetzelfde resultaat kan worden verkregen. Momenteel vinden veel ontwikkelingen plaats om juist bij het verven en het drukken de milieubelasting zoveel mogelijk te beperken. 2. Textiel Textiel bestaat uit vezels die op een geordende manier met elkaar zijn verbonden. Er zijn veel vezels die in textiel worden toegepast en textiel kent op zijn beurt weer heel veel toepassingen. De belangrijkste textiele vezels die voor kleding, interieurtextiel (meubelbekleding, gordijnen, vloerbedekking), en als bed- en badtextiel worden gebruikt, zijn in te delen in drie groepen: natuurlijke vezels van plantaardige oorsprong, zoals katoen, linnen en jute. Katoen is wereldwijd de belangrijkste textiele vezel met een marktaandeel van ca. 45%. natuurlijke vezels van dierlijke oorsprong, zoals wol en zijde. Deze vezels hebben een marktaandeel van ca. 6%. synthetische vezels, zoals polyester, polyamide, polypropeen, polyurethaan (elastaan), polyacryl en halfsynthetische vezels zoals viscose en cellulose-acetaat. Van deze vezels is polyester de belangrijkste met een marktaandeel van ca. 35%. Deze vezels zijn bekend onder diverse merknamen. Wereldwijd wordt er per jaar ca. 7 kg textiel per persoon gebruikt. Dit gebruik neemt nog steeds toe. De stijging komt vooral voor rekening van de synthetische vezels. Vaak wordt voor toepassingen van textiel gebruik gemaakt van mengingen van diverse vezels om zo tot optimale eigenschappen te komen. Veel gebruikte mengingen zijn polyester-katoen, wol-polyester en wol-acryl. Deze mengingen hebben zo hun speciale eisen als het gaat om het aanverven of be-
177 5 drukken, omdat bepaalde vezels alleen maar met bepaalde kleurstoffen zijn aan te verven. Veel gebruikte kleurstof-vezel combinaties zijn aangegeven in onderstaande tabel. Kleurstof-vezel combinaties Kleurstofgroep Katoen Viscose Wol Zijde Polyester Polyamide Acryl Acetaat Reactief + + + Zuur + + + Basisch + Direct + + + Naftol + + Kuip + + Zwavel + + Dispers + + + Pigment + + + + Optisch wit + + + + + + Opmerking: Andere kleurstof-vezel combinaties komen maar zelden voor vanwege de slechtere gebruikseigenschappen. Opgemerkt dient te worden dat pigmenten alleen met een bindmiddel aan de vezels kunnen worden gehecht. Kleurstoffen uit andere kleurstofgroepen worden via een chemische of fysisch-chemische binding (Van der Waalskrachten, waterstofbruggen) in de textielvezel verankerd. 3. Kleurstoffen Kleurstoffen bezitten chemische structuren die in het zichtbare gebied licht kunnen absorberen. De textielindustrie hanteert echter zelden de chemische naamgeving, maar heeft de kleurstoffen ingedeeld naar de wijze waarop de kleurstoffen zich gedragen in het verfproces. Binnen zo n kleurstofgroep kunnen diverse chemische structuren voorkomen. De naam van elke chemische structuur die als kleurstof wordt gebruikt is vastgelegd door de Color Index, een
177 6 Het aanverven van textiel standaard naslagwerk op het gebied van kleurstoffen en de eigenschappen van deze kleurstoffen. In bovenstaande tabel zijn de belangrijkste kleurstofgroepen opgenomen. Reactieve kleurstoffen vormen een chemische binding met textiele vezels. De vezels moeten hiervoor een OH-groep of een NH 2 -groep hebben. Door de sterke chemische binding die gevormd wordt zijn deze kleurstoffen bijzonder geschikt voor kleding die vaak gewassen moet worden. Zure kleurstoffen vormen een zoutbinding met basische groepen in een vezel. Deze groepen zijn aanwezig in wol, zijde en polyamide. Een speciale klasse van zure kleurstoffen, de zogenaamde metaalcomplex kleurstoffen, heeft hiervoor goede eigenschappen. Deze kleurstoffen bevatten echter (zware) metaalionen en worden daarom steeds minder toegepast. Basische kleurstoffen daarentegen reageren met zure groepen in een vezel. Zure groepen komen vooral voor in polyacryl vezels. Op polyacryl hebben deze kleurstoffen goede eigenschappen, maar in combinatie met andere vezels vallen deze eigenschappen vaak tegen. Directe kleurstoffen hechten aan de vezel door Van der Waalskrachten. Deze krachten zijn niet zo sterk waardoor deze kleurstoffen niet toegepast kunnen worden bij textiel dat vaak gewassen moet worden. Deze kleurstoffen verbleken vaak niet in zonlicht, waardoor ze vaak worden toegepast voor het verven van gordijnen. Naftol kleurstoffen worden pas in de vezel gevormd door de combinatie van twee stoffen. Dit is een duur proces en daarom worden deze kleurstoffen niet veel meer toegepast. Echter, in veel kwalitatief hoogwaardige producten is de rode kleur afkomstig van een naftol kleurstof. Kuipkleurstoffen danken hun naam aan de stap waarbij deze kleurstof oplosbaar wordt gemaakt (een reductiereactie, ook wel verkuipen genoemd). De kleurstoffen worden in opgeloste vorm in de textielvezels gebracht, waarna ze weer onoplosbaar worden gemaakt.
177 7 Op deze wijze wordt de kleurstof opgesloten in de textielvezel. Kuipkleurstoffen hebben zeer goede eigenschappen en worden toegepast als het eindproduct lang mooi moet blijven, zoals in duurdere werkkleding en tenten. Zwavelkleurstoffen zijn het goedkopere alternatief voor kuipkleurstoffen. De eigenschappen van deze kleurstoffen zijn veel minder gunstig. De bekendste zwavelkleurstof is zwavelzwart, praktisch de enige echte zwarte kleurstof. Zwavelkleurstoffen worden onder andere toegepast in goedkopere werkkleding. Disperse kleurstoffen zijn praktisch onoplosbaar in water door de afwezigheid van sulfonzuurgroepen. Hierdoor hebben ze een relatief hydrofoob karakter. Ze worden gebruikt voor het verven van polyester en andere synthetische vezels. Pigmenten zijn niet in water oplosbare kleurstoffen. Ze hebben geen affiniteit met textiele vezels en kunnen alleen met een bindmiddel aan de buitenkant van de textiele vezels worden aangebracht. In de was kun je daarom gemakkelijk slijtage krijgen. De lichtechtheid van pigmenten is in het algemeen uitstekend. Optische witmakers kunnen in principe in elke vezel voorkomen of worden aangebracht. Praktisch alle hoofdwasmiddelen, behalve de bontwasmiddelen, bevatten optische witmakers. Deze stoffen zijn herkenbaar doordat ze onder UV-licht sterk oplichten. Doordat ze UV-licht omzetten in licht met een blauwe kleur, wordt vergeling minder zichtbaar. 4. Verf- en drukmethoden Kleurstoffen kunnen op verschillende manieren op textielvezels worden aangebracht. Dit gebeurt meestal in de textielveredelingsindustrie. Voordat kleurstof op textiel wordt aangebracht moeten de textielvezels eerst gereinigd en gebleekt worden. Textiele vezels kunnen als vezels, als garen of als doek (weefsel, breisel, non-woven) worden aangeverfd. Drukprocessen vinden in de praktijk alleen maar plaats op doek.
177 8 Het aanverven van textiel Bij het verven is het van belang dat de gewenste kleur wordt verkregen. Omdat veel ontwerpers en bedrijven strenge eisen stellen aan de kleuren die ze willen, moet het verven steeds onder dezelfde omstandigheden gebeuren. In een kleurstofrecept zitten naast de kleurstoffen (meestal 3 verschillende kleurstoffen) ook diverse hulpmiddelen om een goed verfresultaat te verkrijgen. Een goed verfresultaat is een verving waarbij het doek overal dezelfde gewenste kleur heeft. Zou dit niet het geval zijn dan zal er bijvoorbeeld een kleurverschil zichtbaar zijn over een naad in een kledingstuk. Het menselijk oog kan kleine kleurverschillen, vooral in het rode en blauwe bereik, erg goed waarnemen. Verven In de textielindustrie wordt onderscheid gemaakt tussen continue verfprocessen en discontinue verfprocessen. Discontinue verfprocessen worden vaak uitgevoerd bij garens en bij geringere hoeveelheden doek (tot enkele honderden kilogrammen). In een verfmachine wordt het doek eerst gereinigd en zonodig gebleekt. Het reinigen is nodig om het textiel overal even toegankelijk te maken voor de kleurstof. Vervolgens worden de kleurstof en alle hulpmiddelen aan het doek toegevoegd. Door de kleurstofoplossing door het textiel rond te pompen en door temperatuurverhoging en eventueel toevoeging van extra chemicaliën wordt de kleurstof zo egaal mogelijk verdeeld. Als de kleurstof in de textiele vezels is gedrongen en is gefixeerd, wordt het verfbad vervangen door een spoelbad. Kleurstof die zich aan de buitenkant van de vezels bevindt of kleurstof die niet goed is gefixeerd wordt weggewassen. Zou dit niet gebeuren dan zal het textiel bij gebruik en in de was veel kleurstof afgeven. Veel fabrikanten bevelen het daarom aan om nieuwe textiel de eerste keer apart te wassen. Komt er toch nog wat kleurstof vrij, dan zal dat niet het andere wasgoed aankleuren. Voor elk type kleurstof en voor elk type textielvezel is een uitgekiende procedure ontwikkeld om een zo goed mogelijk verfresultaat te verkrijgen. Bij het continu verven wordt het doek eerst in een apart proces gereinigd en gebleekt. Dit doek wordt vervolgens door een verfbad gehaald, waar een gecontroleerde hoeveelheid kleurstof op het doek wordt gebracht. Vervolgens wordt de kleurstof gefixeerd door middel van hete lucht of stoom. Na de fixatie vindt weer een wasproces
177 9 plaats om de niet gebonden kleurstof weg te spoelen. Continue verfprocessen worden toegepast bij grote hoeveelheden doek voor bijvoorbeeld werkkleding of tentdoek. Drukken Drukken is in feite niet anders dan het plaatselijk verven van textiel. Verschillende kleurstoffen worden door middel van sjablonen (voor elke kleur één) op het doek gebracht. Daarna volgt weer een fixatie op dezelfde wijze als bij het continu verven en een nawassing om niet gebonden kleurstof en de hulpstoffen (onder andere verdikkingsmiddelen om het uitlopen van de kleurstof te voorkomen), die bij het drukken worden gebruikt, uit te spoelen. Bij het drukken wordt meestal rotatiezeefdruk (ronde sjablonen) of vlakzeefdruk toegepast. Veel aandacht wordt besteed aan de ontwikkeling van ink-jet drukmachines voor textiel. Hiermee kan met veel minder kleurstof en met veel minder afval worden gedrukt. Een nadeel van de ink-jet drukmachines is momenteel nog de geringe productiesnelheid, waardoor deze techniek alleen maar geschikt is voor het bedrukken van kleine hoeveelheden textiel (bijv. stropdassen of sjaals met een exclusief dessin, haute couture voor modeshows of zeer grote dessins waarvoor bijna geen sjablonen kunnen worden gemaakt). De verwachting is dat de ink-jet technologie de komende jaren veel meer zal worden toegepast als de productiecapaciteit groter wordt. 5. Eigenschapen van kleurstoffen op textiel Iedereen verwacht dat de kleur van textiel onder alle omstandigheden mooi blijft. Dit is niet altijd het geval. Invloed van licht kan de kleur doen verbleken, in de was kan een deel van de kleurstof weer oplossen, met chloor kan de kleur soms helemaal weggaan. Als bekend is waar het textiel voor gebruikt gaat worden, kan een kleurstof worden gekozen die zo goed mogelijk bestand is tegen de omstandigheden waaronder het textiel zal worden toegepast. Dan kan voor zwemkleding een kleurstof worden geselecteerd die goed bestand is tegen chloor en tegen zeewater, voor kleding een kleurstof die goed bestand is tegen wassen en voor gordijnen een kleurstof die
177 10 Het aanverven van textiel goed tegen licht kan. Deze eigenschappen worden echtheden genoemd. Overal ter wereld wordt textiel volgens dezelfde methoden op echtheden getest. Kleurechtheden worden wereldwijd volgens ISO 105 getest. In deze methode staat precies aan welke testcondities (temperatuur, tijd, ph, chemicaliën concentraties) het geverfde of bedrukte textiel moet worden onderworpen. De kleurverschillen tussen het onbehandelde materiaal en het geteste materiaal zeggen dan iets over de kwaliteit. 6. Gezondheidsaspecten van kleurstoffen De meeste kleurstoffen voor textiel zijn ongevaarlijk. Er kunnen echter bepaalde situaties zijn dat kleurstof, die niet goed gebonden is in de textielvezels, op de huid van de drager terechtkomt. Deze kleurstoffen kunnen zich dan hechten aan de huid en zullen daar voor een deel gefixeerd worden. Deze kleurstof zal dan in de loop van enkele dagen afslijten en verdwijnen. Een beperkt aantal mensen is gevoelig voor bepaalde kleurstoffen. Deze mensen krijgen dan huidirritatie als ze kleding met deze kleurstoffen dragen. Dit is vooral het geval met disperse kleurstoffen waarmee polyester is geverfd. Met name enkele blauwe kleurstoffen zijn wat dat betreft berucht. Sinds enkele jaren is er in veel West-Europese landen een verbod op het gebruik van bepaalde azo-kleurstoffen. Dit is een groep van kleurstoffen die gemaakt zijn uit kankerverwekkende stoffen, met name benzidine en hiervan afgeleide chemische verbindingen. Deze verbindingen werden vooral gebruikt bij het maken van directe kleurstoffen. Echter, in kleding komen deze kleurstoffen vrijwel niet voor. In Nederland is er een Warenwetbesluit waarin beschreven is welke kleurstoffen niet gebruikt mogen worden. Het toezicht op de naleving hiervan wordt uitgevoerd door de Inspectie Gezondheidsbescherming, Waren en Veterinaire Zaken. 7. Milieuaspecten van het verven van textiel Bij het verven van textiel komt niet alle kleurstof op het textiel terecht. Gemiddeld komt 15-20% van alle kleurstoffen die bij de pro-
177 11 ductie van textiel worden gebruikt in het afvalwater terecht. De meeste kleurstoffen zijn in het afvalwater weinig schadelijk, met uitzondering van kleurstoffen die voor het verven van acryl worden toegepast. Aan de andere kant is het wel zo dat kleurstoffen vaak moeilijk afgebroken worden. Een deel van de kleurstoffen, zoals pigmenten en kuipkleurstoffen, is niet in water oplosbaar en zal in het slib van waterzuiveringsinstallaties neerslaan. Andere kleurstoffen zoals reactieve kleurstoffen en directe kleurstoffen zijn goed in water oplosbaar. Met name reactieve kleurstoffen zijn moeilijk afbreekbaar in biologische zuiveringssystemen. In veel westerse landen worden textielbedrijven door middel van wetgeving verplicht om het afvalwater van verf- en drukprocessen te ontdoen van kleurstoffen. Dit is meestal mogelijk door een combinatie van een aantal zuiveringstechnieken, zoals anaërobe zuivering, coagulatie, membraanfiltratie en adsorptie. Veel aandacht wordt besteed aan het verbeteren van het fixatierendement van kleurstoffen bij het verven van textiel. Zowel kleurstofproducenten als de bouwers van verfmachines proberen door aanpassingen het verlies van kleurstoffen zoveel mogelijk te beperken. Ook worden nieuwe processen bedacht waardoor bijna alle kleurstoffen in de textielvezel gefixeerd worden en er nog maar heel weinig kleurstof in het afvalwater terechtkomt. Het duurt echter lang voordat zulke processen zijn ontwikkeld en in de praktijk toegepast worden. 8. Literatuur Textilfärberei und Farbstoffe, G. Ebner, D. Schelz, Springer Verlag, 1988, ISBN: 3-540-15047-1. Color Chemistry, Syntheses. Properties and applications of organic dyes and pigments, H. Zollinger, 2nd edition,vch Weinheim, 1991, ISBN 3-52728352-8. Grundlagen der Textilveredlung, Handbuch der Technologie, Verfahren, Maschinen, M.Peter, H. K. Rouette, 13. Überarbeitete Auflage, Deutscher Fachverlag, 1989, ISBN 3-87150-277-4. Ökotex, ecololabelling voor textiel: Informatie over synthetische vezels: http://www.fibersource.com/.