ที่มาของสีดิสเพิร์ส

            ในปี ค.ศ. 1921 ได้มีการผลิตผ้าจากเส้นใยเซลลูโลสอะซิเตตเพื่อจำหน่ายเป็นครั้งแรก ซึ่งเส้นใยชนิดนี้มีสมบัติไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) ต่างจากผ้าที่ได้จากเส้นใยธรรมชาติ เช่น ผ้าฝ้าย ผ้าไหม หรือผ้าขนสัตว์ที่ใช้กันอยู่ในขณะนั้น เพราะเส้นใยธรรมชาติเป็นเส้นใยที่ชอบน้ำ (hydrophilic) ดังนั้นสีที่จะใช้ย้อมเส้นใยอะซิเตตจึงต้องมีสมบัติที่แตกต่างจากสีที่ใช้ย้อมเส้นใยธรรมชาติ ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้สีชนิดละลายน้ำได้ เช่น สีไดเร็กต์ สีรีแอคทีฟ สีแอซิด เป็นต้น ด้วยเหตุผลดังกล่าวทำให้เกิดการพัฒนาสีชนิดใหม่ขึ้น ซึ่งสีชนิดนี้ไม่มีประจุ (non ionic) ละลายน้ำได้น้อย และในการย้อมจะต้องมีการเติมสารช่วยกระจาย (dispersing agent) เพื่อช่วยให้ผงสีที่แขวนลอยในน้ำย้อมมีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ สีชนิดนี้จึงมีชื่อเรียกว่า สีดิสเพิร์ส และในปัจจุบันสีกลุ่มนี้ใช้ในการย้อมผ้าจากเส้นใยสังเคราะห์โดยเฉพาะพอลิเอสเทอร์เป็นหลัก [1]

โครงสร้างและสมบัติของสีดิสเพิร์ส

            สีดิสเพิร์สเป็นสีที่ไม่มีประจุ ข้อแตกต่างของสีดิสเพิร์สเมื่อเปรียบเทียบกับสีที่ละลายน้ำได้คือ สีกลุ่มนี้จะไม่มีหมู่ช่วยละลายน้ำ เช่น ซัลโฟเนต (-SO₃^¯ ) หรือคาร์บอกซิเลต (-COO^¯ ) ในโครงสร้างเลย ทำให้สีดิสเพิร์สไม่ละลายน้ำที่อุณหภูมิห้องหรือละลายน้ำได้บ้างเล็กน้อยที่อุณหภูมิสูง โดยการละลายจะอยู่ในช่วง 0.2 - 100 มิลลิกรัมต่อลิตร ที่อุณหภูมิ  80^°C [2] สีดิสเพิร์สส่วนใหญ่มีขนาดเล็ก น้ำหนักโมเลกุลต่ำและโมเลกุลของสีประกอบด้วยหมู่แทนที่ที่มีขั้ว เช่น หมู่ไฮดรอกซีเอทิลอะมิโน (-NHCH₂CH₂OH) หมู่ไฮดรอกซีเอทิล (-C₂H₄OH) เป็นต้น ทำให้สามารถเกิดแรงไดโพลและพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลสีกับเส้นใยได้ ซึ่งส่งผลให้สีดิสเพิร์สละลายน้ำได้เล็กน้อย สำหรับโครโมฟอร์ (chromophore) ที่สำคัญของสีดิสเพิร์ส ได้แก่

            1. โมโนเอโซ (monoazo) สีดิสเพิร์สที่อยู่ในกลุ่มนี้มีประมาณ 50% ของสีดิสเพิร์สทั้งหมด การสังเคราะห์ทำได้ง่ายด้วยปฏิกิริยา diazotisation และปฏิกิริยา coupling โดยสามารถใช้สารตั้งต้นที่มีหมู่แทนที่ต่างๆ กัน ทำให้ได้เฉดสีที่หลากหลาย ตั้งแต่สีเหลือง ส้ม น้ำตาล แดง ม่วง จนถึงสีฟ้า มีค่าการทนทานต่อการซักปานกลางถึงดี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะโครงสร้างของสี ตัวอย่างของสีดิสเพิร์สชนิดโมโนเอโซแสดงในภาพที่ 1

ภาพที่ 1 ตัวอย่างของสีดิสเพิร์สชนิดโมโนเอโซ

            2. แอนทราควิโนน (anthraquinone) สีดิสเพิร์สกลุ่มนี้มีประมาณ 25% ของสีดิสเพิร์สทั้งหมด โดยสามารถให้สีม่วง ฟ้า แดงและชมพู สีที่ได้ค่อนข้างสดและมีความเสถียรต่อแสง แต่ความเข้มของสีส่วนใหญ่จะต่ำกว่าสีเอโซ และมีค่าการทนทานต่อการซักที่ไม่ดีนัก ตัวอย่างของสีดิสเพิร์สชนิดแอนทราควิโนนแสดงในภาพที่ 2 ปัจจุบันสีชนิดนี้มีการใช้งานลดลงด้วยเหตุผลด้านราคาการผลิตที่สูงและการสังเคราะห์ที่มีความซับซ้อนมากกว่าสีโมโนเอโซ นอกจากนี้ยังมีปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมเพราะในการสังเคราะห์จะต้องใช้ปรอทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการเตรียมสารมัธยันต์ด้วย

ภาพที่ 2 ตัวอย่างของสีดิสเพิร์สชนิดแอนทราควิโนน

            โครโมฟอร์อื่นๆ ที่พบในสีดิสเพิร์ส ได้แก่ benzodifuranone coumarin และmethine เป็นต้น สำหรับสีดิสเพิร์สสีเขียวและสีดำมีข้อจำกัดในการสังเคราะห์ที่สำคัญคือ สีที่ได้จะต้องมีขนาดเล็กเพื่อให้สามารถเคลื่อนที่เข้าไปในเส้นใยสังเคราะห์ได้ดี ซึ่งทำให้เป็นการยากในการออกแบบและการสังเคราะห์สีดังกล่าว ในทางปฏิบัติจึงมักใช้การผสมสีดิสเพิร์สสีอื่นเข้าด้วยกัน เช่น หากต้องการสีดิสเพิร์สสีเขียว ก็จะใช้สีดิสเพิร์สสีฟ้าและเหลืองผสมกัน     หรือหากต้องการสีดิสเพิร์สสีดำก็จะได้จากการผสมสีน้ำตาล ชมพูและฟ้าเข้าด้วยกัน เป็นต้น [3]

            นอกจากการพิจารณาสีดิสเพิร์สตามโครโมฟอร์แล้ว ก็ยังมีการแบ่งสีดิสเพิร์สตามลักษณะการย้อมและการทนทานต่อความร้อน เช่น ในประเทศอังกฤษจะแบ่งสีดิสเพิร์สเป็น 4 กลุ่มคือ กลุ่ม A B C และD โดยสีกลุ่ม A จะมีขนาดเล็กที่สุด มีการเคลื่อนที่เข้าสู่เส้นใยได้เร็วที่สุด สามารถย้อมได้สม่ำเสมอกว่ากลุ่มอื่น แต่จะมีค่าการทนทานต่อความร้อนต่ำที่สุด ในทางตรงกันข้ามสีกลุ่ม D จะมีขนาดใหญ่ที่สุด จึงทำให้สีมีการเคลื่อนที่เข้าสู่เส้นใยได้ช้าที่สุด การย้อมให้สม่ำเสมอเป็นไปได้ยากกว่ากลุ่มอื่น แต่จะมีค่าการทนทานต่อความร้อนดีที่สุด สำหรับในอเมริกาจะแบ่งสีดิสเพิร์สเป็น 3 กลุ่มตามระดับพลังงาน คือ กลุ่มระดับพลังงานต่ำ (low energy) กลาง (medium energy) และสูง (high energy) โดยในกลุ่มระดับพลังงานต่ำ สีจะมีขนาดต่ำกว่า 300 ดาลตันและมีจุดระเหิดต่ำกว่า 150^°C  กลุ่มระดับพลังงานกลาง สีจะมีขนาด 300 - 400 ดาลตันและมีจุดระเหิดในช่วง 150 - 210^°C  ส่วนกลุ่มระดับพลังงานสูง สีจะมีขนาดใหญ่กว่า 400 ดาลตันและมีจุดระเหิดสูงกว่า 210^°C [1,4]

สีดิสเพิร์สในทางการค้า

            รูปแบบของสีดิสเพิร์สที่มีขายในทางการค้าจะมี 3  แบบหลักๆ คือ แบบผง (powder) แบบเม็ด (grain) และแบบของเหลวข้น (paste) โดยสีแต่ละแบบจะมีข้อดีข้อเสียต่างกัน เช่น แบบผงจะใช้งานได้ง่ายเพราะสีมีขนาดเล็กจากการผ่านการบดให้มีขนาดเล็กกว่า 1ไมครอน แต่มีปัญหาเรื่องผงฝุ่นกระจายในห้องปฏิบัติงาน ในขณะที่สีแบบเม็ดช่วยเพิ่มความสะดวกในการชั่ง ลดปัญหาเรื่องฝุ่น ส่วนแบบของเหลวข้นนิยมใช้ในการย้อมแบบต่อเนื่อง แต่ต้องมีการกวนที่ดีเพื่อป้องกันการตกตะกอนของสี สีแบบผงและเม็ดจะมีเนื้อสีเพียงประมาณ 30% โดยน้ำหนัก ส่วนที่เหลือจะประกอบด้วยสารช่วยกระจาย ตัวทำเจือจาง (diluent) น้ำมันที่ผสมลงไปเพื่อป้องกันการเป็นฝุ่น เป็นต้น ส่วนสีประเภทของเหลวข้นจะมีเนื้อสีเพียงประมาณ 15% โดยน้ำหนักเท่านั้น [1]

การย้อมด้วยสีดิสเพิร์ส

            สีดิสเพิร์สสามารถยึดติดกับผ้าสังเคราะห์ เช่น พอลิเอสเทอร์ เซลลูโลสอะซิเตต และไนลอนได้โดยอาศัยแรงอย่างอ่อนเช่น แรงไดโพลหรือพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของสีกับผ้า สีดิสเพิร์สที่กระจายในน้ำย้อมจะแพร่เข้าสู่เส้นใยและยึดติดบนเส้นใยด้วยกลไกที่เรียกว่า solid solution การย้อมผ้าด้วยสีดิสเพิร์สนั้นมีหลายวิธี [5] ได้แก่

            1. วิธีย้อมแบบปกติ (normal dyeing method) การย้อมวิธีนี้จะใช้อุณหภูมิในการย้อมไม่เกิน 100^°C  เช่น การย้อมสีดิสเพิร์สบนเส้นใยไดอะซิเตตและไตรอะซิเตตโดยมีอุณหภูมิที่เหมาะสมในการย้อมคือ 85^°C และ100^°C ตามลำดับ ส่วนการย้อมไนลอนจะทำในช่วง 85 - 100^°C

            2. วิธีย้อมแบบใช้แคริเออร์ที่จุดเดือดของน้ำ (dyeing at the boil using carrier) วิธีนี้นิยมใช้ย้อมเส้นใยพอลิเอสเทอร์ โดยจะย้อมที่อุณหภูมิ 100^°C  และใช้สารเคมีที่เรียกว่า แคริเออร์ (carrier) เป็นตัวช่วย เนื่องจากเส้นใยพอลิเอสเทอร์มีการจัดเรียงตัวที่แน่นมาก ทำให้ย้อมติดได้ยาก การย้อมแบบปกติด้วยสีดิสเพิร์สจะให้เพียงสีอ่อนๆ เท่านั้น  การใช้แคริเออร์จะช่วยให้สีดิสเพิร์สสามารถย้อมติดบนพอลิเอสเทอร์ได้เร็วขึ้นและสามารถให้สีเข้มขึ้นได้  เนื่องจากแคริเออร์เข้าไปทำลายแรงยึดเหนี่ยวบางส่วนระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ ทำให้โครงสร้างของพอลิเมอร์มีลักษณะหลวมขึ้นและโมเลกุลของสีสามารถเข้าไปในเส้นใยได้ง่ายขึ้น สารที่ใช้เป็นแคริเออร์ส่วนใหญ่จะมีสมบัติที่คล้ายกันคือ เป็นสารอินทรีย์ที่ประกอบด้วยวงอะโรมาติก มีการละลายน้ำได้น้อย เป็นสารที่ไม่ชอบน้ำและไม่มีประจุ จึงสามารถดูดซับเข้าสู่เส้นใยพอลิเอสเทอร์ได้ดี ภายหลังการย้อมต้องมีการกำจัดแคริเออร์ออกจากพอลิเอสเทอร์ โดยการอบผ้าด้วยความร้อนในช่วง 150 - 180^°C สารที่จะใช้เป็นแคริเออร์จึงต้องสามารถระเหยได้ในช่วงอุณหภูมิดังกล่าว หากมีแคริเออร์เหลือตกค้างในผ้าจะมีผลทำให้ค่าการทนทานต่อแสงต่ำลง และแคริเออร์บางชนิดจะทำให้ผ้ามีกลิ่นด้วย ทำให้ปัจจุบันไม่นิยมย้อมเส้นใยพอลิเอสเทอร์ด้วยวิธีนี้ ภาพที่ 3 แสดงตัวอย่างของแคริเออร์

ภาพที่ 3 ตัวอย่างของแคริเออร์

            3. วิธีย้อมแบบใช้อุณหภูมิสูง (high temperature dyeing method) วิธีนี้จะใช้ในการย้อมพอลิเอสเทอร์ที่อุณหภูมิ 130^°C ภายใต้ความดันสามารถย้อมได้สีเข้มโดยไม่ต้องใช้แคริเออร์ช่วย ทำให้ไม่ต้องผ่านขั้นตอนการกำจัดแคริเออร์ภายหลังการย้อม ซึ่งเป็นการประหยัดเวลาและค่าใช้จ่าย สีดิสเพิร์สที่จะใช้ย้อมในภาวะอุณหภูมินี้ต้องเป็นกลุ่มที่สามารถทนต่อความร้อนสูงได้

            4. วิธีการย้อมแบบเทอร์โมซอลหรือเทอร์โมฟิกซ์ (thermosol dyeing or thermofixation) วิธีการย้อมแบบนี้เป็นการย้อมแบบต่อเนื่อง โดยเริ่มจากการอัดน้ำสีเข้าไปในผ้าก่อน (pad) แล้วอบให้ผ้าที่ผ่านการอัดสีแห้ง จากนั้นจึงผนึกสีกับผ้าด้วยความร้อนที่สูงมากในช่วง 200 - 220^°C โดยจะใช้เวลาเพียงประมาณ 1 - 2 นาที สีดิสเพิร์สจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งกลายเป็นไอแล้วเคลื่อนที่เข้าสู่เส้นใยซึ่งก็มีการจัดเรียงตัวที่หลวมขึ้นเพราะอยู่ภายใต้อุณหภูมิสูงเช่นกัน วิธีการย้อมแบบนี้นิยมใช้ในการย้อมผ้าพอลิเอสเทอร์ล้วนหรือผ้าผสมระหว่างพอลิเอสเทอร์กับผ้าฝ้าย

ปัญหาจากการใช้สีดิสเพิร์ส

            ในการย้อมสีดิสเพิร์ส สีส่วนที่ไม่ถูกผนึกติดบนผ้าจะอยู่ในน้ำย้อมและปนเปื้อนออกมาในน้ำที่ใช้ล้างผ้า หากมีปริมาณสีที่ไม่ผนึกสูงก็จะส่งผลให้น้ำทิ้งหลังการย้อมมีสีเจือปนอยู่มาก ในการเลือกใช้สีจึงควรเลือกสีที่มีระดับการผนึกบนเส้นใยสูง เพื่อลดปริมาณสีในน้ำทิ้ง นอกจากนี้ก็ควรพิจารณาเลือกสีที่มีระดับความเข้มสูง เพื่อให้ปริมาณสีที่ใช้ในการย้อมน้อยลงเมื่อเทียบกับการใช้สีที่มีระดับความเข้มต่ำ ซึ่งเป็นการช่วยลดปริมาณสีในน้ำทิ้งที่ต้องกำจัด นอกจากนี้สีย้อมประเภทเอโซบางชนิดเมื่อถูกรีดิวซ์ที่ตำแหน่งเอโซจะเกิดเป็นสารอะโรมาติกเอมีนซึ่งมีฤทธิ์เป็นสารก่อมะเร็ง ขณะนี้มีสารอะโรมาติกเอมีนจำนวน 22 ชนิด ที่ได้รับการระบุจาก Directive 76/769/EWG ว่าเป็นสารที่ห้ามใช้เนื่องจากเป็นสารก่อมะเร็ง ยกตัวอย่างเช่น benzidine, 4-aminobiphenyl และ 4-chloro-o-toluidine เป็นต้น ในการย้อมนั้นนอกจากสีดิสเพิร์ส เองแล้วก็ยังมีสารช่วยกระจาย ซึ่งก็ไม่ได้ถูกผนึกเข้าไปในเส้นใยด้วยเช่นกัน สารที่นิยมใช้เป็นสารช่วยกระจายได้แก่ alkyl phenol ethoxylate เพราะมีราคาถูกและประสิทธิภาพสูง แต่สารกลุ่มนี้ย่อยสลายยากและไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งในปัจจุบันสหภาพยุโรปก็ไม่อนุญาตให้มีสารนี้ตกค้างบนผลิตภัณฑ์สิ่งทอเช่นกัน ดังนั้นจึงมีการใช้สารใหม่มาใช้เป็นสารช่วยกระจายแทน ได้แก่ fatty alcohol ethoxylate, fatty acid ethoxylate, amine ethoxylates, amide ethoxylate หรือ alkylglycoside ในกรณีของ alkylglycoside เป็นสารลดแรงตึงผิวชนิดที่ไม่มีประจุเกิดจากกลูโคสและ fatty alcohol จึงสามารถย่อยสลายได้โดยกระบวนการทางชีวภาพอย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ก็ควรหลีกเลี่ยงการใช้สารแคริเออร์ในการย้อมสีดิสเพิร์สเนื่องจากแคริเออร์ส่วนใหญ่ย่อยสลายในธรรมชาติได้ต่ำ และเป็นพิษต่อมนุษย์และสัตว์น้ำ [6] ในส่วนของงานวิจัยที่ทำการศึกษาเกี่ยวกับอาการแพ้ทางผิวหนังที่อาจเกิดขึ้นจากการสัมผัสกับสีที่อยู่บนเสื้อผ้าของผู้สวมใส่พบว่า จากกลุ่มตัวอย่างของสีย้อมที่ใช้ศึกษา สีดิสเพิร์สเป็นกลุ่มสีที่ทำให้เกิดอาการแพ้ทางผิวหนังมากที่สุด ซึ่งมีทั้งชนิดเอโซและแอนทราควิโนน เช่น C.I. Disperse Blue 85, C.I. Disperse Blue 106 และ C.I. Disperse Brown 1 เป็นต้น [7]

เอกสารอ้างอิง :

1. Aspland, J.R., Textile dyeing and coloration, chapter 12-14, AATCC, 1997.

2. Mock, G.N., Fundamentals of dyeing and printing, chapter 9, NCSU, 2002.

3. Broadbent, A.D., Basic principles of textile coloration, chapter 15, Society of dyers and colourists, 2001.

4. Ingamells, W., Colour for testiles: A user’s handbook, chapter 5, Society of dyers and colourists,1993.

5. ส่วนอุตสาหกรรมสิ่งทอ  สำนักพัฒนาอุตสาหกรรมรายสาขา   กรมส่งเสริมอุตสาหกรรม. 2547. คู่มือเทคโนโลยีสะอาดในอุตสาหกรรมสิ่งทอ. กรุงเทพ. 

6. สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม  สถาบันพัฒนาอุตสาหกรรมสิ่งทอ. 2552. แนวทางการผลิตสิ่งทอและเครื่องนุ่งห่มที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสู่ตลาดสหภาพยุโรป. กรุงเทพ.

7. Hatch, K.L. and Maibach, H.I. Journal of the American Academy of Dermatology, 32(4), April 1995, pp 631-639.