Teinture des fibres cellulosiques : (2) Les colorants de cuve

Les colorants de cuve, ou C.I. VAT Dyes dans le Color Index, se nomment ainsi car une cuve était anciennement utilisée pour solubiliser ou réduire ce type de colorants.

1. Principales caractéristiques des colorants de cuve :

Les colorants de cuve permettent de teindre des fibres cellulosiques (notamment le coton) en lui donnant des couleurs vives sur toute une palette de nuances.
Il est néanmoins difficile d'obtenir des nuances claires en colorant de cuve, ces colorants ne donnant que des couleurs vives (bleu profond, rouge, jaune, etc.).
La tenue de ce colorant dans la fibre cellulosique est remarquable, il résiste en effet aussi bien aux épreuves humides (lavage, sueur, etc...), qu'aux intempéries et dispose d'une solidité à la lumière, il résiste même à la javel !

Ce type de colorant est appelé colorant grand teint, c'est à dire qu'il résiste à l'action de l'eau de javel et également à des lavages allant jusqu'à 90°C, c'est donc un type de colorant très fiable et qui a pris une grand importance ces dernières décennies dans l'industrie de la teinture du coton.

Les colorants de cuve sont plus chers que les colorants directs, et leur application est plus complexe, mais le résultat n'en est que plus satisfaisant au niveau de la tenue du colorant dans la fibre.

Le plus connu des colorants de cuve est l'indigo, avec sa belle couleur bleu profond.

2. Propriétés chimiques des colorants de cuve :

Un colorant de cuve est :

- insoluble dans l'eau,

- soluble en milieu alcalin (basique, ph > 7, souvent en présence de soude) et réducteur (en présence d'hydrosulfite).

Il va donc logiquement falloir dans un premier temps le rendre soluble en le mettant dans un milieu alcalin réducteur. Il se trouve alors sous la forme d'un leuco-dérivé, c'est-à-dire le colorant de cuve sous forme soluble. 

Une fois rentré dans la fibre, le remettre dans un milieu dans lequel il n'est plus soluble (un milieu oxydant) pour le fixer sur la fibre, car le colorant redevient insoluble, mais dans la fibre.

Il est intéressant de noter que le leuco-dérivé n'a pas la même couleur que le colorant dans sa forme finale, c'est-à-dire non soluble. Par exemple, pour l'indigo qui est de couleur bleu profond dans sa forme insoluble a un leuco-dérivé jaune. Ces différences de couleur permettront de suivre l'avancement de la teinture.

Voici un petit schéma expliquant le principe général de teinture avec des colorants de cuve :

3. Classification des colorants de cuve :

Les colorants de cuve ont été classés en fonction de leur affinité tinctoriale pour la fibre, c'est à dire à leur facilité à monter sur la fibre cellulosique.

Il existe 4 classes distinctes de colorants de cuve, voici une schéma pour représenter leurs caractéristiques d'affinités :

Voici comment interpréter ce schéma :

- colorants de cuve de classe IN spé  : Cette classe de colorants a une forte affinité tinctorielle, c'est-à-dire que ces colorants montent facilement sur la fibre, ils nécessitent donc peu de sel pour supprimer le potentiel zêta négatif de la fibre cellulosique (voir article précédent) et la température n'a pas besoin d'être trop élevée et peu de produits chimiques sont nécessaires pour la teinture.

- colorants de cuve classe IK : au contraire de la précédente classe, les colorants de cuve IK ont une très faible affinité tinctorielle, il faudra donc ajouter beaucoup de sel pour que le colorant monte sur la fibre, et réaliser la teinture à une température élevée et avec ajout de beaucoup de soude et d'hydrosulfite.

4. Formats du colorant de cuve :

Actuellement, les colorants de cuve sont majoritairement vendus sous forme de colloïsol, c'est-à-dire que la poudre de colorant de cuve est présente sous forme de dispersion (très fine poudre) dans un liquide, pour plus de facilité à l'emploi.

5. Rentrons en détail dans le procédé de teinture :

La teinture d'une fibre cellulosique à l'aide de colorants de cuve se fait en 5 principales étapes :

- solubilisation du colorant dans un milieux réducteur et alcalin et mise en contact avec la fibre à teindre,

- rinçage de la fibre pour donner une bonne solidité au colorant,

- oxydation pour fixer le colorant dans la fibre cellulosique,

- savonnage de la fibre au bouillon,

- rinçage.

Etape 1 : Solubilisation du colorant de cuve

Comme vous l'avez compris, il faut mettre le colorant en contact avec la fibre dans un milieux aqueux (eau), avec un réducteur (l'hydrosulfite) et un alcalin (la soude), et selon la classe de colorant ajuster la quantité de sel et la température du bain (qui peut varier de 50 à 75°C selon la classe du colorant).

Prendre garde lors de cette étape à ne pas mettre trop d'hydrosulfite, sinon il y a un risque de SURREDUCTION, qui pourrait engendrer un changement de nuance du colorant... Pour cela, il faut avoir une valeur du potentiel d'oxydoréduction inférieur à -960mV à 60°C. 

Lors de cette étape, l'indigo présent sous forme de pigment bleu va passer au jaune, sous sa forme de leuco-dérivé soluble.

Etape 2 : Rinçage

Ce rinçage va permettre de donner à la teinture sa solidité aux épreuves, car il va permettre d'éliminer le colorant qui n'est pas monté sur la fibre. Il faut néanmoins que le colorant monté sur la fibre ne redescende pas dans le bain.

C'est pourquoi ce rinçage doit se faire à froid et de manière très courte (5 minutes), en présence de soude et d'hydrosulfite pour éviter une oxydation prématurée du colorant et de dispersant pour éliminer plus facilement le colorant non fixé sur la fibre.

La fibre de cellulose est encore jaune à cette étape.

Etape 3 : Oxydation

Cette étape est primordiale car elle transformer le colorant qui est monté dans la fibre aux cours des précédentes étapes en PIGMENT INSOLUBLE DANS LA FIBRE, ce qui donne aux colorants de cuve cette solidité à toute épreuve.

Cette étape est menée en milieu alcalin (toujours en présence de soude NaOh), à une température de 60°C et avec le plus souvent un oxydant comme l'eau oxygénée (H2O2).

C'est lors de l'oxydation que la fibre prend enfin sa couleur indigo, car le colorant de cuve est repassé sous sa forme de pigment bleu enfermé dans la fibre.

Etape 4 : Savonnage
Cette étape est l'étape finale de la teinture par des colorants de cuve. Elle est indispensable car elle permet d'éliminer le colorant mal fixé en surface, et c'est à l'issue du savonnage qu'on obtient la nuance définitive de la fibre teinte.

Cette étape se mène au bouillon, c'est-à-dire à 98°C, dans un milieu très alcalin (en présence de carbonate de sodium), et le temps de cette étape de savonnage dépend du colorant.
Attention, la solution ne doit jamais bouillir car l'hydrosulfite est instable à ces températures, il faut donc fortement surveiller cette opération.

Ne pas oublier ensuite plusieurs rinçages successifs de la fibre teinte.

Et voilà, vous vous retrouver avec une étoffe en coton d'un beau bleu indigo et dont la couleur sera très résistante !

L'ennoblissement textile: qu'est-ce que c'est ?

Voici une grande question qui concerne toutes les personnes travaillant dans l'industrie textile.

L'ennoblissement est un terme un peu pompeux qui signifie en quelque sorte: rendre le textile 'noble'.
Il s'agit donc de prendre un textile, quel qu'il soit (sous forme de fibre, de fils, de tissu, de tricot, etc.) et de lui apporter ses caractéristiques finales  et définitives.

Voici les 3 étapes d'un processus d'ennoblissement:

• le lavage ou le blanchiment (ces deux étapes font partie de la préparation du textile à ce qui va intervenir ensuite),
• la teinture ou l'impression,
• l'apprêt.

Voici quelques définitions de ces termes et leur utilité pour le textile ennobli.

1. Lavage/blanchiment :

Cette étape permet d'éliminer les salissures du support textile, comme par exemple: graisses, cires, huiles d'ensimage (utilisées lors du tissage pour renforcer le fil), puces (particules végétales sur la fibre de coton), encollage, etc.

2.1. Teinture :

Cette opération consiste à colorer UNIFORMÉMENT un support textile.

S'il s'agit d'un petit lot, on préférera un processus de teinture DISCONTINU par EPUISEMENT.

Si le lot est plus important, on utilisera un processus de teinture CONTINU par IMPREGNATION.

2.2. Impression :

On dépose des motifs sur la surface textile, le colorant est déposé en pâte puis fixé à la chaleur.

3. Apprêter :

On modifie les propriétés de la surface textile (tissée ou tricotée) par des traitement physiques, mécaniques ou chimiques.

Il est à noter que l'ennoblissement d'un textile utilise des quantités d'eau et d'énergie absolument immenses, il est donc nécessaire de retraiter l'eau et d'utiliser des produits chimiques moins nocifs pour l'homme et pour l'environnement. Etant donné les législations en cours en Union Européenne et les contraintes, justifiées, concernant cette industrie, la majorité de l'ennoblissement textile s'effectue aujourd'hui dans des pays moins soucieux de l'environnement ou de la santé des opérateurs et des clients...

Teinture des fibres cellulosiques : (1) les colorants directs

Les colorants directs, également nommés direct dyes dans le colour index, sont des colorants SUBSTANTIFS, ce sont également des colorants ANIONIQUES.

Que signifie substantif ? Cela signifie qu'il s'agit d'un type de colorant qui est soluble dans l'eau, il pénètre avec l'eau dans la fibre cellulosique, la teint et n'est pas éliminé par simple rinçage.

1. Quelques informations sur les colorants directs :

• ce sont les moins chers des colorants utilisés pour teindre les fibres cellulosiques, comme le coton,
• la gamme de coloris est très étendue mais les couleurs très vives ne peuvent pas être obtenues avec ce type de colorant (préférer les colorants de cuve),
• peu de produits chimiques sont nécessaire pour utiliser ce type de colorant, ce qui permet un meilleur respect de l'environnement,
• par contre, ce type de teinture donne une solidité limitée à différentes épreuves humides, comme le lavage ou la sueur, les teintures aux colorants directs supportent assez mal les épreuves sévères, le colorant est détruit si on le met en contact avec de l'eau de javel par exemple...
• certains colorants directs ont une mauvaise solidité à la lumière. Préférer alors des colorants directs spécialement prévu pour cela (utilisés en ameublement), ou faire des post traitements pour que la couleur tienne bien.

2. La structure d'un colorant direct :

Il s'agit d'un colorant anionique, c'est -à-dire composé de composés chargés négativement (anions). 

Il s'agit également d'un chromophore, c'est-à-dire qu'il contient des séquences de double liaisons conjuguées qui rentrent en résonance avec la lumière, ce qui leur donne leur couleur. Selon la couleur du colorant, les chromophores sont différents : les dérivés de diphénylamine donnent du bleu ou du violet, les dérivés de thiazole pour les jaunes, oranges et bruns, ou encore les dérivés de phtalocyanine pour les bleus et turquoises.

C'est également un composé azoïque, c'est à dire qu'il est régulièrement composé de doubles liaisons N=N, et il contient des groupes sulfonés (SO3-) qui agissent comme solubilisants pour le colorant. Autrement dit, plus un colorant direct a de groupes (SO3-), plus il est soluble dans l'eau et plus il aura tendance à repartir dans le bain après teinture. Il faudra donc ajouter des sels (cations) pour fixer le colorant sur la fibre textile.

Pour finir, le colorant direct a une configuration plane et linéaire.

3. Mécanisme de fixation du colorant direct sur la fibre cellulosique :

Le colorant  se fixe à la cellulose par des liaisons faibles, c'est pour cela que les liaisons colorant/fibre ont de pauvres solidités, le colorant a tendance à repartir dans le bain de lavage, la sueur, etc...

La fixation est une liaison de type H (hydrogène), qui a lieu entre les groupes OH de la cellulose et les groupes NH2 ou N=N du colorant.

4. Procédé de teinture :

Etape 1 : Dissolution du colorant dans l'eau

A noter que les colorants directs sont souvent vendus sous forme solubilisée, c'est à dire que les molécules de colorants sont agglomérées entre elles, dans de l'eau.

Pour avoir une solution homogène avec les molécules de colorant uniformément réparties et petites, il faut augmenter la température de la solution.

Etape 2 : Gonflement de la fibre de cellulose (ou de coton)

Lorsqu'on trempe du coton dans de l'eau, celui-ci gonfle: les molécules d'eau entrent dans les zones amorphes de la fibre cellulosique (pores ou micro-canaux).

Etape 3 : Adsorption superficielle 

Information à retenir pour la suite: une fois le coton trempé dans l'eau, il a tendance à se charger négativement (c'est ce qu'on appelle le potentiel zêta).

Or, comme dit précédemment, le colorant direct est anionique (chargé négativement), il y a donc une sorte de répulsion électronique entre la fibre et le colorant.

Il faut donc ajouter dans le bain, avant ou en même temps que le colorant direct, un électrolyte ou sel neutre (de type NaCl par exemple, qui se décomposera en solution en Na+ + Cl-). Les cations Na+ vont alors se fixer sur les potentiels zêta négatif de la fibre pour créer au final un potentiel zêta positif en surface du coton, et ainsi attirer le colorant anionique en surface de la fibre cellulosique.

Etape 4 : Diffusion du colorant dans la fibre

Une fois le colorant en surface de la fibre, il faut que le colorant pénètre jusqu'au coeur de la fibre cellulosique. Il s'agit de la phase la plus lente de ce procédé de teinture, cette diffusion se fait par osmose.

Avec le maintien d'une température élevée de la solution et l'ajout de sel, le colorant va pénétrer plus profondément dans la fibre jusqu'à la teindre à coeur.

Il est donc nécessaire de continuer à maintenir la température même s'il ne reste plus de colorant dans le bain de teinture, pour lui laisser le temps de pénétrer le coeur de la fibre.

5. Conditions de teinture :

La teinture de fibres cellulosiques avec des colorants directs se fait en général avec un bain à une température de 60 à 100°C (pour une bonne dissolution du colorant, un bon gonflement de la fibre et une bonne pénétration du colorant dans celle-ci).

Au niveau du PH du bain, les colorants directs sont généralement appliqués à bain neutre (PH 7).

Le coton, préparation des fibres cellulosiques à l'ennoblissement

Salut à tous! Après de longs moments passés à travailler, je reviens ENFIN sur mon blog textile... Ca va me permettre de faire quelques révisions avec vous, c'est déjà ça de pris.

Une partie qui m'avait bien plu était tout ce qui touche à l'ennoblissement du coton et autres fibres cellulosiques.

1. Qu'est-ce que l'ennoblissement?

Comme son nom l'indique, c'est l'ensemble des opérations permettant de rendre noble un textile, un fil, ou une fibre. Dans ces opérations, on retrouve:

- la préparation de la fibre avant sa teinture (ce qui nous intéresse aujourd'hui),

- la teinture ou l'impression,

- les apprêts.

2. Petite présentation des fibres de coton

Les fibres de coton sont constituées par un duvet de couleur blanche attaché aux graines du cotonnier (elle est néanmoins souvent salie par des morceaux de feuilles, parasites, etc... ce qui nécessite un nettoyage avant toute utilisation textile). Notez que le coton se cultive majoritairement dans les régions tropicales, au sud des USA (rappelez-vous de l'esclavage, les esclaves ramenés d'Afrique travaillaient au sein de champs de coton) et en Chine.

Plan de cotonnier

Le coton est une fibre naturelle, végétale, composée essentiellement de cellulose. C'est la fibre textile la plus manipulée au monde et elle représente à elle seule près de 19 million de tonnes traitées par an.

3. Morphologie des fibres de coton: la clé pour comprendre leur comportement

A/ Longueur

Les fibres de coton les plus utilisées sont des fibres appelées 'courtes' car la longueur d'une fibre se situe autour de 18 à 25mm (en Egypte, le coton peut présenter des fibres longues jusqu'à 60mm).

B/ Structure

La fibre de coton présente une forme spiroïdale, c'est à dire qu'elle dispose d'une section en forme de haricot avec un canal interne creux.

NDLR: c'est par ce canal interne que va pénétrer le bain de teinture par la suite.

Elle se décompose en trois parties:

• Ce fameux LUMEN qui constitue le canal interne de la fibre 
• La PAROI SECONDAIRE qui entoure le LUMEN, elle représente 90% du poids de la fibre. Elle se compose de 3 couches successives enroulées en spirale autour de l'axe de la fibre.
• La PAROI PRIMAIRE, qui entoure la PAROI SECONDAIRE.
• Puis la CUTICULE qui recouvre la fibre de coton. elle se compose principalement de graisses et de cires.

NDLR: la graisse n'aime pas l'eau, cette cuticule rend donc le coton hydrophobe. Il faudra l'éliminer avant de tenter quelque opération dans un milieu aqueux que ce soit...

4. Rentrons enfin dans le vif du sujet: la préparation des fibres de coton brutes

Cette préparation s'effectue en 5 étapes CRUCIALES. Si une seule n'est pas effectuée, les résultats du coton à la teinture ou au lavage risquent d'être désastreux...

A/ FLAMBAGE

B/ DESENCOLLAGE

C/ ALCALINISATION

D/ DEBOUILLISSAGE

E/ BLANCHIMENT

A/Flambage

Le but de cette opération est de 'flamber' le duvet de coton présent autour du tissu 100% coton. En effet, cela donnera un aspect plus net et propre au tissu, tout en assurant à la teinture une couleur uniforme (le duvet n'a pas la même affinité tinctoriale, c'est-à-dire qu'il n'absorbera pas la teinture de la même manière que le tissu ce qui risque de créer des différences de rendu).

Pour cela, le tissu passe dans une flambeuse, c'est à dire qu'il passe entre différents rouleaux pour qu'il soit bien tendu et qu'on le passe sous une rampe à gaz qui produit du feu sur toute la laize du tissu (sa largeur). Le tissu traité à plat, cela s'appelle également un passage "au large".

En agissant sur la puissance de la flamme ou sur sa proximité avec le tissu et sur la vitesse de passage de celui-ci, il est possible de louper son flambage ou de mettre le feu au tissu, c'est donc une opération très délicate. Une fois que le réglage est validé, il n'est plus changé pour un même tissu.

Le coton en l'état initial est brut, mais a été traité en filature (on a donc du fil de coton) et éventuellement en tissage (on a alors un tissu de coton) ou en tricot (on a alors un tricot de coton). Toujours est-il que pour ne pas casser 

B/ Désencollage

Le tissu coton a à présent une structure bien nette et n'a plus de duvet (dessus/dessous).

Lors du processus de filature et de tissage du coton, celui-ci a été recouvert de produits chimiques d'encollage permettant de lui assurer une bonne résistance mécanique lors de ces opérations (ce serait dommage que le fil casse dans la machine à tisser...). Le tissu doit donc être débarrassé de ces produits chimiques avant la teinture, il va donc passer dans un bain de désencollage (qui va également servir, suite au flambage, à refroidir le tissu pour éviter son ignition - combustion sans flamme du tissu).

Selon le produit chimique utilisé pour l'encollage (encollage amylacé = dérivés d'amidon, encollage PVA ou encollage CMC ou PAC), il faut d'abord tester le tissu pour savoir quel produit d'encollage a été utilisé (ces informations ne sont que très rarement transmises à l'ennoblisseur)...

Une fois le produit déterminé, voici les traitements à mener:

a. il s'agit d'un encollage amylacé:

Alors il faut mettre le tissu en contact avec des enzymes qui éliminent les amidons, à savoir les AMYLASES.

b. Il s'agit d'un encollage hydroculoble (PVA, CMC, PAC, etc...)

Alors il faut mettre le tissu dans un bain contenant un détergent, avec du mouillant et du dispersant, à une température de 60 à 90°C.

NDLR: Ces traitements de désencollage peuvent être menés :

- par épuisement : le tissu est mis dans son bain et il absorbe la totalité des produits chimiques,

- par imprégnation: le tissu est trempé dans un bain puis passé au foulard (compressé entre deux rouleaux) pour s’imprégner des produits chimiques.

C/ Alcalinisation

Ce procédé s'appelle également caustification ou mercerisage.

Le coton est mis en contact avec une solution alcaline (basique) diluée de soude ou d'ammoniac. Ce traitement rend la fibre de coton plus gonflante et plus résistante mécaniquement, tout en augmentant l'affinité tinctoriale (la capacité du coton à absorber le colorant).

Cette opération n'est pas obligatoire, mais elle garantit une fibre de coton de meilleure qualité pour la suite du processus.

D/ Débouillissage

Sur le tissu restent encore des graisses, cires (rappelez-vous de la cuticule)... qui rendent le coton hydrophobe  il faut les éliminer.

Comme vous pouvez vous en souvenir de vos cours de chimie de 1ère... ou pas, il est facile d'utiliser le procédé de SAPONIFICATION pour supprimer ces graisses.

En effet, GRAISSE + SOUDE --> SAVON SOLUBLE dans l'eau

Il est ensuite important de laver le tissu pour éviter que les impuretés ne se redéposent dessus, et pour éliminer le savon formé.

E/ Blanchiment

Le but de cette opération est de rendre le coton blanc, c'est à dire de supprimer ses pigments naturels jaunâtres éventuellement présents sur la fibre et les 'puces' du coton (rassurez-vous, il s'agit des petites particules foncés prises dans le coton issues de débris végétaux).

Il est possible de procéder par deux façons, ou en les utilisant l'une après l'autre:

- en utilisant de l'eau de javel (technique la moins utilisée),

- en utilisant de l'eau oxygénée en milieu alcalin(basique).

Notez que toutes ces opérations, comme tout ce qui concerne l'ennoblissement, nécessite l'utilisation de beaucoup d'eau et de produits chimiques. C'est pour cela, étant donné l'entrée en vigueur de REACH et des réglementations en faveur du respect de l'environnement, que toutes ces opérations d'ennoblissement textile ne se font plus que très rarement en Europe (beaucoup de frais dans le retraitement des eaux et le remplacement des produits chimiques par d'autres moins néfastes), mais plutôt dans les pays en voie de développement n'ayant pas encore mis en place ce type de réglementation.