Biru metilena dalam pencelupan tekstil dan kertas: Basic Blue 9 di fasiliti pencelupan

Biru metilena digunakan sebagai pewarna komersial selama lima belas tahun sebelum sesiapa memberikannya kepada pesakit. Heinrich Caro mensintesiskannya di BASF pada 1876 sebagai bahan pewarna tekstil, dan kedua-dua sejarah BASF sendiri serta American Chemical Society menyifatkannya sebagai pewarna yang dibuat untuk kapas. Kerja pewarnaan perubatan Koch bermula sekitar 1880, manakala rawatan malaria pada 1891 menyusul kemudian. Segala peranan lain sebatian ini, sebagai pewarna makmal, penunjuk dan ubat, bermula daripada satu entri dalam katalog pewarna.

Entri itu masih merupakan cara yang tepat untuk memahami bahan ini dalam persekitaran industri. Dalam istilah fasiliti pencelupan, namanya bukan metiltioninium klorida. Namanya ialah Basic Blue 9.

Satu sebatian, dua sistem penomboran

Colour Index mengenal pasti setiap pewarna komersial melalui dua sistem. Nama Generik menerangkan aplikasi dan kegunaan; Nombor Struktur menerangkan struktur kimia. Biru metilena mempunyai Nama Generik C.I. Basic Blue 9 dan Nombor Struktur C.I. 52015, yang menempatkannya dalam kelas tiazina bernombor 52000 hingga 52999, seperti yang disahkan dalam huraian terkini tentang Colour Index dengan biru metilena sebagai contoh penerapannya.

Kimia di sebalik nombor tersebut ialah kation fenotiazina yang berpasangan dengan klorida: formula kontang C16H18ClN3S pada kira-kira 319.9 g/mol dengan CAS 61-73-4, dan trihidrat komersial yang lazim pada kira-kira 373.9 g/mol dengan CAS 7220-79-3. Garam komersial ini membentuk hablur hijau gelap dengan kilauan gangsa yang larut menjadi larutan biru pekat, dan larutan trihidrat 1 peratus mempunyai pH 3 hingga 4.5 menurut PubChem dan ulasan terkini tentang sifat molekul. Sesiapa yang membeli dalam tong perlu menyemak nombor CAS pada label, kerana satu kilogram trihidrat mengandungi kira-kira 15 peratus kurang kromofor berbanding satu kilogram garam kontang. Persoalan tentang apa sebenarnya yang ditimbang wajar diselesaikan sebelum sebarang pengiraan pencelupan.

Konsep pengikatan: kation yang mencari anion

Pewarna bes ialah pewarna kationik. Dalam larutan, spesies berwarna membawa cas positif, maka ia paling mudah mengikat gentian yang menyediakan tapak anionik. Fakta tunggal itu meramalkan hampir keseluruhan corak penggunaannya.

Gentian akrilik ialah substrat contoh yang lazim dalam buku teks. Gentian ini biasanya mempunyai kumpulan karboksilat atau sulfonat, dan tarikan ionik antara tapak tersebut dengan kation pewarna menghasilkan substantiviti yang kuat, seperti yang diterangkan dalam kajian tentang pencelupan kationik konvensional bagi akrilik dan kimia gentian akrilik. Bulu dan sutera juga menyerap pewarna bes secara langsung pada tapak bercas negatif dan menghasilkan rona terang, walaupun rujukan tekstil memberi amaran bahawa pewarna bes lama pada gentian ini lazimnya mempunyai ketahanan warna terhadap cahaya yang rendah, seperti yang diringkaskan dalam buku teks terbuka tentang pewarnaan tekstil.

Kapas merupakan pengecualian penting. Selulosa yang tidak dirawat mempunyai afiniti yang rendah terhadap pewarna bes tradisional, dan itulah sebabnya "pewarna untuk kapas" ciptaan Caro memerlukan bantuan. Dalam amalan dahulu, kapas dirawat dengan mordan asid tanik, yang lazimnya ditetapkan menggunakan tartar emetik (antimoni kalium tartrat), lalu menghasilkan kompleks tanin-pewarna yang tidak larut pada gentian. Sebuah buku panduan pencelupan kapas dari zaman itu menghuraikan tiga operasi, iaitu rawatan tanin, penetapan, kemudian pencelupan, dalam The Dyeing of Cotton Fabrics. Nilon biasa juga memerlukan penjelasan seumpamanya: ia terutamanya merupakan substrat untuk pewarna asid, dan hanya nilon yang sengaja diubah suai dengan kumpulan sulfonat, dijual sebagai nilon boleh celup kationik dan diterangkan dalam karya seperti US6312805B1, menyerap pewarna bes dengan kuat.

Jadi, ringkasan gentiannya mudah. Kapas dengan mordan tanin atas sebab sejarah; bulu dan sutera secara langsung tetapi mudah luntur; akrilik sebagai substrat moden yang sesuai secara kimia; nilon biasa kebanyakannya tidak sesuai.

Terang, tetapi mudah luntur

Kelemahannya bukanlah kesukaran menerapkan warna. Kelemahannya ialah mengekalkan warna itu. Satu kajian pada 2019 yang mencelup kapas, sutera dan bulu secara langsung dengan biru metilena trihidrat mengukur penarafan ketahanan warna terhadap cahaya sebanyak 1, iaitu nilai terendah pada skala, bagi ketiga-tiga gentian di bawah ISO 105-B02. Pengekalan warna hanya bertambah baik selepas rawatan susulan dengan smektit, seperti yang dilaporkan dalam RSC Advances. Literatur lama menyatakan perkara yang sama dalam bahasa zamannya: banyak pewarna bes mudah luntur akibat cahaya, seperti yang direkodkan dalam rencana pencelupan Encyclopaedia Britannica 1911.

Kimia rendaman menambah satu lagi perkara yang perlu diwaspadai. Pewarna bes biasanya digunakan dalam keadaan neutral hingga sedikit berasid, dan alkali kuat khususnya memudaratkan biru metilena: dalam larutan alkali berair 0.1 M, ia terhidrolisis terutamanya menjadi ungu metilena Bernthsen, iaitu produk lipofilik berwarna kuat, dan bukannya kekal tanpa perubahan, menurut kajian tentang kesan alkali terhadap biru metilena. Oleh itu, sisa bahan pencucian beralkali yang tertinggal pada bahan tekstil, atau rawatan susulan beralkali, boleh mengubah rona atas sebab kimia yang tiada kaitan dengan penetapan warna. Kitaran redoks di sebalik perubahan warna ialah topik berasingan, tetapi panduan praktikalnya mudah: elakkan keadaan alkali kuat dalam rendaman.

Kertas, dakwat dan salinan karbon

Pencelupan kertas didokumenkan sebagai aplikasi komersial semasa. Satu pembekal Basic Blue 9 menyenaraikan kertas bersama pewarnaan sutera, hem, kayu dan buluh, serta pembuatan dakwat dan pigmen lak, dalam helaian aplikasi produknya. Dakwat mempunyai rekod dokumentasi yang lebih kukuh: India pernah mempunyai piawaian khusus, IS 2230:1962 untuk pewarna biru metilena bagi industri dakwat, yang kini telah ditarik balik tetapi direkodkan dalam laporan tahunan BIS bagi 1962 hingga 1963 dan disenaraikan sebagai telah ditarik balik.

Kertas karbon juga mempunyai rekod. Satu paten AS pada 1933 untuk salutan kertas karbon menerangkan dakwat minyak dan lilin yang mengandungi pewarna anilina termasuk biru metilena, dalam US1925235A. Selain itu, kajian sains warisan pada 2024 terhadap pensel penyalin biru bersejarah mendapati biru metilena antara bahan pewarna yang paling lazim, sambil mendokumenkan kelakuan yang tepat seperti jangkaan fasiliti pencelupan: kepekaan yang sangat tinggi terhadap cahaya dan kecenderungan warna merebak apabila dibasahkan, yang diterbitkan dalam npj Heritage Science. Pensel yang menghasilkan salinan terang tetapi pudar dalam cahaya matahari mempunyai kimia yang sama dengan kapas yang dicelup terang tetapi pudar apabila terdedah di tingkap.

Tiga gred, tiga rejim spesifikasi

Inilah perbandingan yang paling penting, kerana nama yang sama merangkumi bahan yang dihasilkan mengikut spesifikasi yang tidak serasi. Gred tekstil, pewarna biologi dan gred farmaseutikal bukanlah peringkat pada satu tangga ketulenan. Ketiga-tiganya menjawab soalan yang berbeza.

Dua kekeliruan dalam jadual ini perlu ditekankan. Pertama, pewarna tekstil "100 peratus" bukanlah kromofor tulen 100 peratus; ISO 105-Z10 mentakrifkan kekuatan secara relatif kepada pewarna rujukan. Kedua, pewarna makmal diperakui dengan kandungan pewarna 82 peratus bukanlah bahan farmaseutikal yang gagal; ia telah lulus ujian yang berbeza. Aspek farmaseutikal digambarkan dalam laporan pembangunan proses yang mengekalkan jumlah logam di bawah 20 ppm, Azure B di bawah 2 peratus dan bendasing lain di bawah 0.5 peratus. Angka tersebut menerangkan proses itu dalam kajian Proveblue yang diterbitkan, bukan spesifikasi tekstil sejagat. Sebab Azure B mempunyai piawai rujukannya sendiri ialah ia merupakan kedua-dua bendasing penyahmetilan utama dan metabolit yang mempunyai aktiviti farmakologi tersendiri, suatu topik yang dibincangkan dalam penyelidikan tentang Azure B.

Bagi fasiliti pencelupan, pemeriksaan praktikal terhadap bahan yang diterima berpandukan lajur kiri: rona berbanding piawai, kekuatan relatif, keterlarutan dan bahan tidak larut, kelembapan, serta keseragaman antara lot. Tiada satu pun dalam senarai itu melayakkan kandungan tong untuk kegunaan makmal, apatah lagi untuk dimakan atau diminum.

Cara membaca helaian data Basic Blue 9

Helaian data teknikal biasa menyenaraikan empat angka, dan setiap satunya menjawab soalan yang berbeza. Kekuatan, yang dinyatakan sebagai peratusan berbanding lot rujukan pembekal, memberitahu pencelup berapa banyak pewarna yang perlu ditimbang untuk mencapai kepekatan warna sasaran; lot dengan kekuatan 105 peratus memerlukan berat kira-kira 5 peratus kurang daripada piawai. Kandungan pewarna, apabila dinyatakan, ialah pecahan kimia kromofor sebenar, dan nilainya sentiasa lebih rendah daripada yang dibayangkan oleh angka kekuatan kerana serbuk komersial mengandungi kelembapan dan bahan pencair. Bahan tidak larut dalam air, yang dihadkan pada paras seperti 1.5 peratus, meramalkan bintik dan penyumbatan penapis, bukannya rona. Kelembapan melengkapkan gambaran ini, dan berkait dengan persoalan hidrat: trihidrat mengandungi tiga molekul air penghabluran, maka satu kilo trihidrat mengandungi kira-kira enam pertujuh kromofor berbanding satu kilo garam kontang. Formulasi yang ditulis untuk satu bentuk hidrat tetapi ditimbang menggunakan bentuk yang lain akan menyimpang daripada kepekatan warna sasaran sebanyak pecahan itu, sebelum bahan tekstil dimasukkan ke dalam rendaman lagi.

Catatan tentang efluen

Biru metilena berwarna sangat pekat dan mudah dipantau secara spektrofotometri, dengan kajian penjerapan biasanya menjejaki serapannya dalam julat cahaya tampak sekitar 663 hingga 665 nm, seperti dalam kajian biojerapan dan kajian penjerapan hidrogel. Kemudahan itu menjadikannya pewarna kationik model dalam penyelidikan air sisa: satu ulasan utama dalam Journal of Hazardous Materials meninjau penyingkirannya melalui penjerapan pada bahan kos rendah, merangkumi efluen tekstil, kertas dan percetakan.

Status sebagai bahan model mempunyai dua sisi. Banyaknya makalah penjerapan tidak membuktikan bahawa biru metilena sendiri merupakan pencemar tekstil moden yang utama; sebaliknya, ia membuktikan bahawa sebatian ini mudah digunakan sebagai wakil pewarna kationik secara umum. Baca dakwaan tentang efluen dengan mengambil kira perbezaan itu.

Nama itu sendiri ialah amaran

Basic Blue 9, C.I. 52015, metiltioninium klorida: tiga nama untuk satu kromofor, yang dijual di bawah sekurang-kurangnya tiga rejim spesifikasi. Bahan tekstil yang dibuat oleh Caro untuk kapas tidak pernah disyaratkan sesuai untuk ditelan, dan tiada sijil yang ditulis berdasarkan rona dan kekuatan boleh menjadikannya demikian. Apabila nama bahan yang sama pada tong muncul di rak makmal, spesifikasilah, bukan warnanya, yang memberitahu anda apa sebenarnya yang anda pegang.