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).