رنگینه‌ها برای پلیمرهای سلولزی

مواد سلولزی که شامل پنبه، رایون (ابریشم مصنوعی)، سلوفان، کتان و کاغذ می‌شوند هر یک بسیار آبدوست بوده و بنابراین برای رنگرزی آن‌ها به یک رنگینه آبدوست (محلول در آب) نیاز است. علاوه بر این، رنگینه‌ها باید به طرزی طراحی شوند که به اندازه‌ای کشش با جزء داشته باشند برای مواقعی که جزء در معرض آب قرار می‌گیرد. این نکته باعث می‌شود که زمانی که برای مثال، یک پارچه پنبه‌ای شسته می‌شود یا یک فنجان قهوه روی یک صفحه کاغذ ریخته می‌شود رنگ روی جزء باقی بماند. به این دلیل که اجزای سلولزی مانند پنبه در طول شستن پف می‌کند و رنگش را از دست می‌دهد سبب طراحی و تولید گروه‌های رنگزای بیشتری برای الیاف سلولزی نسبت به اجزای دیگر شده است.

رنگینه‌هایی که برای پلیمرهای سلولزی طراحی می‌شوند مستقیم (Direct)، آزوئی، محلول، سولفوری و فعال هستند. رنگینه‌های مستقیم (Direct Dyes) به این دلیل به این نام خوانده می‌شوند زیرا اولین رنگزاهایی بودند که نسبت به پنبه در غیاب عامل ایجاد چسبندگی که بعنوان ثابت کننده شناخته می‌شود، کشش داشتند و این امر به این دلیل است که این رنگینه‌ها محلول در آب هستند، که بسیاری از آنها دوام رطوبتی کمی دارند. شکل 10 دو ویژگی کلیدی رنگینه‌های مستقیم پایه بنزیدین (benzidine) را نشان می‌دهد؛ 1) آن‌ها گرایش به خطی بودن دارند، و 2) آن‌ها می‌توانند مجاورت نزدیکی با زنجیره‌ی سلولزی داشته باشند، تا بتوانند تاثیرات واکنش درون مولکولی مانند پیوند H را به حداکثر برسانند.

برای تقویت پایداری رطوبتی بر روی الیاف سلولزی، روش‌هایی برای استفاده از رنگینه‌های نامحلول در آب در پنبه توسعه یافتند. چنین رنگینه‌هایی شامل آن‌ دسته‌ای می‌شوند که یا در آب در حالت طبیعی خود نامحلول هستند یا درون یک ماتریکس پلیمر بعنوان یک رنگینه نامحلول در آب سنتز شده‌اند. مزیت نظریه‌ی قرار دادن یک رنگینه نامحلول در آب درون ماتریکس پلیمر از از بین رفتن رنگ در مقابل شستشو جلوگیری می‌کند. در قدم بعدی، این روش سبب توسعه رنگینه‌های خمره‌ای و رنگینه‌های سولفور (گوگردی) شد (شکل 11 a,b). رنگینه‌های خمره‌ای (Vat dyes) نامشان را از فرایندی به نام فرایند vatting گرفته‌اند که مربوط است به خواص این رنگینه‌ها، در حالیکه رنگینه‌های سولفور نامشان را از ضرورت وجود گوگرد یا همان سولفور در سنتز آن‌ها گرفته‌اند. ساختارهای رنگینه‌های خمره‌ای معمولا نسبت به رنگینه‌های سولفور شناخته‌ شده‌تر هستند، زیرا رنگینه‌های سولفور به دلیل طبیعت پلیمریشان برای روش‌های استاندارد خواص سازی ساختاری نامناسب هستند. در استفاده از این رنگینه‌ها، رنگینه‌های خمره‌ای و سولفور تبدیل به شکل محلول در آب می‌شوند که به سلولز کشش داشته باشند و سپس به حالت غیر محلول در آب تبدیل می‌شوند، که پایداری خوبی تحت شرایط مرطوب ایجاد می‌کند. یکی از رنگینه‌های شناخته شده در رنگینه‌های خمره‌ای، رنگینه طبیعی ایندیگو (Indigo) می‌باشد. در حالیکه ایندیگو هنوز مهمترین رنگزا برای پارچه کتان راه راه و زبر (مانند جین) است، ولی اندازه‌ی معمولا کوچک آن باعث می‌شود که این رنگینه‌ی خمره‌ای بسیار در معرض پاک شدن در فرایند شستشو باشد، که باعث می‌شود که جین بعد از حتی یک بار شستشو به اصطلاح سایه بیندازد. این امر تاکیدی بر اهمیت طراحی رنگزاها برای اجزای سلولزی می‌باشد که دارای خواصی باشند که برای آن‌ها لازم است تا زمانی که آب جزء را متورم کرد درون ماتریکس پلیمر باقی بمانند.

رنگزاهای آزو (شکل 11- c) همچنین بعنوان رنگینه‌های نفتل شناخته می‌شوند زیرا در سنتز آن‌ها از ترکیبات نفتل استفاده می‌شود. این رنگینه‌ها به صورت تنها وجود ندارند، ولی این رنگینه‌ها درون ماتریکس پلیمری با استفاده از دو ترکیب ضروری به صورت جداگانه روی جزء مورد عمل تولید می‌شوند. با دنبال کردن طرز کاربرد آن‌ها در جزء، دو ترکیب یکدیگر را پیدا می‌کنند و مخلوط می‌شوند تا یک رنگزای نامحلول در آب بسازند.

آخرین گروه رنگزاهای مناسب برای الیاف سلولزی به عنوان رنگینه‌های فعال شناخته می‌شوند (شکل 11- d). این دسته اسمشان را از این اصل گرفته‌اند که این رنگینه‌ها با سلولز یک واکنش شیمیایی انجام می‌دهند تا تشکیل یک پیوند کووالانسی بدهند (شکل 12). رنگینه‌های فعال دری به سوی مقاومت در مقابل سایه روشن بر اثر شستن را به سوی الیاف سلولزی باز کرده‌اند که در گذشته قابل دسترسی نبود.

ملاحظات سم شناسی

وقتی کشش رنگ-جزء حساس باشد، سنتز رنگینه نمی‌تواند به صورت تجاری صورت گیرد جز اینکه این رنگینه خطر کمی برای سلامتی تحت شرایط کاربرد داشته باشد. متعاقبا، امنیت زیستی نیز یک ملاحظه‌ی ضروری در طراحی مولکول است. در این باب، مواد اولیه‌ی مورد استفاده در تولید رنگینه‌های سنتزی نباید شامل ترکیباتی باشد که برای سلامتی خطرناک به نظر برسند. این مواد شامل گروه بزرگی از آمین‌های آروماتیک می‌شوند که هم عامل مشکوک سرطان و هم جهش‌زاهای پایدار هستند. این مطلب روشن است، بنابراین، رنگینه باید از نظر سمی بودن برای ژن تحت ملاحظات قرار گیرد. در مورد رنگینه‌های آزو، بعضی از متابولیت‌ها (metabolite) ممکن است برای ژن خطرناک باشند در صورتی که امن به نظر برسد و باید تحت ملاحظات جدی صورت گیرد. برای مثال، استفاده از رنگینه شماره 1 در شکل 13 می‌تواند به تشکیل بنزیدین عامل سرطان مثانه شود اگر این رنگینه به داخل بدن وارد شود.