stoomcursus

Stoomcursus

top

Probleemstelling

Het stomen van bedrukt textiel is omgeven met veel mystiek. In de literatuur worden regelmatig beschijvingen gegeven van het proces die vaag zijn en soms zelfs klinkklare onzin. De onderliggende chemische en fysische wetmatigheden zijn echter reeds tientallen jaren bekend en beschrijven het proces in kwalitatieve zin uitstekend. Het puur theoretische model van adsorptie en reaktiekinetiek is echter zeer moeilijk kwantitatief toepasbaar. Door de grote hoeveelheden invloedsvariabelen zoals de reaktieve groep(en), molekuulgrootte, pH, ionsterkte, kleurstofaffiniteit aan het substraat, chemicalien in de drukfilm, redoxpotentiaal, vochtgehalte, temperatuur, wijze van drukken, soort substraat, specifiek oppervlak van het substraat, restchemicaliën op het substraat, en zo kunnen er nog zeker tientallen variabelen meer aan het proces worden toegevoegd. Het oplossen van de, veelal onderling afhankelijke, differentiaalvergelijkingen is vrijwel ondoenlijk.

top

Oplossing

De kwalitatieve beschrijving van het stoomproces is voldoende om maatregelen te nemen om te komen tot een zo optimaal mogelijk stoomproces. Ten aanzien van de optredende problemen en de resulterende effecten kan een relatief eenvoudige beschrijving volstaan.

top

Startsituatie

Bij het bedrukken van textiel is het doel het lokaal aanbrengen van een vooraf gedefinieerde kleur. Op basis van de gewenste toepassing wordt een kleurstofgroep gekozen uit de beschikbare groepen van de pigment, reaktief, dispers, zure, basische en kuipkleurstoffen. Al deze kleurstoffen worden in een zeefdruk of inkjetdruk proces op de juiste plaats op het substraat aangebracht. De voor de fixatie benodigde chemicalien worden veelal gelijktijdig aangebracht door ze toe te voegen aan de drukpasta (eenfase processen). Soms is dit niet mogelijk of voordeliger om dit achteraf te doen en worden deze chemicaliën in een tweede processtap aangebracht. Bij de inkjetdruk zijn de chemicaliën meestal reeds voor het eigenlijke printen op het substraat aangebracht.

Voor de kleurstofgroep pigment is een zeer eenvoudige warmtebehandeling met lucht voldoende om de aanwezige binder te laten reageren. Hierbij kan relatief weinig fout gaan zodat deze groep verder buiten beschouwing wordt gelaten.

Uitgangspunt bij het stomen is altijd een stuk textiel waarop de kleurstof en de chemie aanwezig is en het doel is de kleurstof te fixeren aan/in het substraat. Het stoomproces voor reaktiefkleurstoffen is het meest complex en zal worden gebruikt voor de beschrijving van de optredende processen.

top

Stoomproces stap 1: invoer

Bij het invoeren van het textiel in de stomer zal het koude en droge substraat opgewarmd worden door de condensatie van stoom. Door de enorme energieinhoud van de stoom vindt dit proces in zeer korte tijd plaats, typisch binnen enkele tienden van een seconde tot enkele seconden. Het substraat is dan 100 °C en bevat ca 4% meer vocht dan bij invoer.

top

Stoomproces stap 2: oververhitten

Het substraat dat gebruikt wordt bij reaktiefkleurstoffen is meestal hydrofiel ofwel water-minnend. Dit is een zeer belangrijk gegeven, namelijk voor de hierbij behorende adsorptie-evenwichten. In een stoommilieu heeft ieder substraat een evenwichtsrelatie tussen temperatuur en vochtgehalte. Dit is beschreven door een zogenaamde adsorptie-isobaar en ziet er als volgt uit:

De adsorptie-isobaar bepaalt het verloop van het adsorptieproces en het eventuele ontstaan van oververhitting. Als het substraat een temperatuur heeft van 100 °C maar het vochtgehalte afwijkt van de door adsorptie-isobaar bepaalde evenwichtswaarde, zal het substraat verder opwarmen tot er een temperatuur wordt bereikt waarbij er wel sprake is van een evenwicht tussen temperatuur en vochtgehalte. Afhankelijk van het soort substraat en het beginvochtgehalte, kan de temperatuur door de oververhitting wel tot ca 130 °C oplopen. Het substraat is nu enkele graden tot zelfs een tiental graden oververhit. Laten we een voorbeeld nemen van 110 °C waarbij het vochtgehalte nog eens ca 0.5% stijgt t.o.v. einde stap 1.

Bij sommige kleurstofgroepen/chemie treden bovendien nog exotherme reakties op die de temperatuur additioneel verhogen.

top

Stoomproces stap 3: afkoelen

Het substraat is, hoe onwaarschijnlijk het in eerste instantie ook moge klinken, nu warmer dan de stoomomgeving waar de temperatuur iets meer dan 100 °C is. De stoomomgeving is dus koeler zodat ook het substraat zal afkoelen. Bij een kleine afkoeling schrijft het adsorptie-evenwicht voor dat het vochtgehalte toeneemt (zie figuur X). Dit vocht kan uitsluitend uit de gasfase worden opgenomen waarbij dus wederom adsorptie-energie vrijkomt. Deze energie bedraagt ongeveer 2500 Joule per gram en is dus iets groter dan de pure condensatie-energie. Al deze vrijkomende energie kan in een stomer uitsluitend via de omringende stoom worden afgevoerd. Bij een temperatuurtoename van de stoom van 100 naar 110 °C neemt een gram stoom ongeveer 20 Joule energie op. Om dus de energie van een gram geadsorbeerd water te verwijderen is ca 2500/20=125 g stoom nodig. Dit komt overeen met 400 liter stoom.

Het substraat zal door deze enorme hoeveelheid energie dus slechts zeer langzaam afkoelen en dan alleen nog indien er voldoende stoom langs het substraat stroomt. Het overdragen van de warmte gaat niet eindeloos snel. De zogenaamde warmteoverdrachts-coefficient is vrij laag en kan door sneller stromen slechts enkele malen vergroot worden. Indien echter de stoom in de buurt van het doek niet wordt afgevoerd en vervangen door koelere stoom, dan zal er helemaal geen afkoeling optreden. In de praktijk is in eerste instantie deze hoeveelheid geconditioneerde stoom per hoeveelheid substraat belangrijk.

Afhankelijk van de omstandigheden zal het substraat de stomer na een verblijftijd van enkele tot een tiental minuten weer verlaten. De situatie kan zich voordoet dat het afkoeltraject dan nog niet volledig doorlopen is. Indien dit wel het geval is, dan is het substraat na het afkoelen op dezelfde temperatuur als de stoom en is het vochtgehalte hoog, in geval van viskose kan dit wel 25% zijn.

top

Stoomproces stap 4: evenwicht

In de voorgaande stappen is het substraat op een temperatuur van iets boven 100 °C gebracht en een hoog vochtgehalte. In deze situatie zijn de ideale fixatie-omstandigheden gecreëerd en deze toestand moet zo snel mogelijk na invoer van het substraat bereikt worden.

top

Stoomproces vanuit de kleurstof

In de voorgaande stappen is het fysische proces van oververhitten beschreven. Dit oververhitten en het lage vochtgehalte heeft invloed op de diffusie (verplaatsing) van de kleurstof naar het substraatoppervlak. Het vochtgehalte is laag gedurende de oververhitting waardoor de kleurstof zich niet goed kan verplaatsen naar het substraat. Het zal dus niet fixeren aangezien het nooit het substraat bereikt. Het verlengen van de stoomtijd heeft in een enkel geval resultaat, echter de ongewenste chemische nevenreakties verhinderen dit in de meeste gevallen.
Kleurstof kan namelijk naast met het substraat ook met andere stoffen uit de drukpasta reageren. Terwijl de diffusie naar het substraat moeilijk verloopt, gaan de nevenreakties gewoon door. Kleurstof die een nevenreaktie heeft ondergaan kan niet meer reageren met het substraat.
In een notedop is dit de reden dat oververhittig van het substraat en een bijbehorend laag vochtgehalte ongewenst zijn als men geïnteresseerd is in een hoog fixatierendement en daarbij behorende diepe, briljante kleuren.

top

Stoomproces vanuit de machineopzet

Met behulp van kennis van de chemie en fysica is duidelijk gemaakt wat de effecten zijn van een slechte temperatuurbeheersing bij het stoomproces. Trage afkoeling leidt tot slechte fixatierendementen. Temperatuurverschillen leiden tot kleurverschillen. In de fixatieruimte moet een egale reproduceerbare temperatuur heersen. Daarnaast moet men in staat zijn de vrijkomende adsorptiewarmte snel af te voeren. Een niet-uniforme temperatuur in de fixatieruimte, bijvoorbeeld een temperatuurverschil tussen de linker- en de rechterkant in de stomer, zal leiden tot verschillen in fixatierendement en daardoor tot zichtbare kleurverschillen.

De Portafix Universal is ontworpen om de temperatuurbeheersing van het substraat zo optimaal mogelijk te maken. De kern hierin is de grote recirkulatie van stoom die bovendien door verhitting en koeling op de juiste, ingestelde waarde wordt gehouden.

top	Probleemstelling
	Het stomen van bedrukt textiel is omgeven met veel mystiek. In de literatuur worden regelmatig beschijvingen gegeven van het proces die vaag zijn en soms zelfs klinkklare onzin. De onderliggende chemische en fysische wetmatigheden zijn echter reeds tientallen jaren bekend en beschrijven het proces in kwalitatieve zin uitstekend. Het puur theoretische model van adsorptie en reaktiekinetiek is echter zeer moeilijk kwantitatief toepasbaar. Door de grote hoeveelheden invloedsvariabelen zoals de reaktieve groep(en), molekuulgrootte, pH, ionsterkte, kleurstofaffiniteit aan het substraat, chemicalien in de drukfilm, redoxpotentiaal, vochtgehalte, temperatuur, wijze van drukken, soort substraat, specifiek oppervlak van het substraat, restchemicaliën op het substraat, en zo kunnen er nog zeker tientallen variabelen meer aan het proces worden toegevoegd. Het oplossen van de, veelal onderling afhankelijke, differentiaalvergelijkingen is vrijwel ondoenlijk.
top	Oplossing
	De kwalitatieve beschrijving van het stoomproces is voldoende om maatregelen te nemen om te komen tot een zo optimaal mogelijk stoomproces. Ten aanzien van de optredende problemen en de resulterende effecten kan een relatief eenvoudige beschrijving volstaan.
top	Startsituatie
	Bij het bedrukken van textiel is het doel het lokaal aanbrengen van een vooraf gedefinieerde kleur. Op basis van de gewenste toepassing wordt een kleurstofgroep gekozen uit de beschikbare groepen van de pigment, reaktief, dispers, zure, basische en kuipkleurstoffen. Al deze kleurstoffen worden in een zeefdruk of inkjetdruk proces op de juiste plaats op het substraat aangebracht. De voor de fixatie benodigde chemicalien worden veelal gelijktijdig aangebracht door ze toe te voegen aan de drukpasta (eenfase processen). Soms is dit niet mogelijk of voordeliger om dit achteraf te doen en worden deze chemicaliën in een tweede processtap aangebracht. Bij de inkjetdruk zijn de chemicaliën meestal reeds voor het eigenlijke printen op het substraat aangebracht. Voor de kleurstofgroep pigment is een zeer eenvoudige warmtebehandeling met lucht voldoende om de aanwezige binder te laten reageren. Hierbij kan relatief weinig fout gaan zodat deze groep verder buiten beschouwing wordt gelaten. Uitgangspunt bij het stomen is altijd een stuk textiel waarop de kleurstof en de chemie aanwezig is en het doel is de kleurstof te fixeren aan/in het substraat. Het stoomproces voor reaktiefkleurstoffen is het meest complex en zal worden gebruikt voor de beschrijving van de optredende processen.
top	Stoomproces stap 1: invoer
	Bij het invoeren van het textiel in de stomer zal het koude en droge substraat opgewarmd worden door de condensatie van stoom. Door de enorme energieinhoud van de stoom vindt dit proces in zeer korte tijd plaats, typisch binnen enkele tienden van een seconde tot enkele seconden. Het substraat is dan 100 °C en bevat ca 4% meer vocht dan bij invoer.
top	Stoomproces stap 2: oververhitten
	Het substraat dat gebruikt wordt bij reaktiefkleurstoffen is meestal hydrofiel ofwel water-minnend. Dit is een zeer belangrijk gegeven, namelijk voor de hierbij behorende adsorptie-evenwichten. In een stoommilieu heeft ieder substraat een evenwichtsrelatie tussen temperatuur en vochtgehalte. Dit is beschreven door een zogenaamde adsorptie-isobaar en ziet er als volgt uit:

	De adsorptie-isobaar bepaalt het verloop van het adsorptieproces en het eventuele ontstaan van oververhitting. Als het substraat een temperatuur heeft van 100 °C maar het vochtgehalte afwijkt van de door adsorptie-isobaar bepaalde evenwichtswaarde, zal het substraat verder opwarmen tot er een temperatuur wordt bereikt waarbij er wel sprake is van een evenwicht tussen temperatuur en vochtgehalte. Afhankelijk van het soort substraat en het beginvochtgehalte, kan de temperatuur door de oververhitting wel tot ca 130 °C oplopen. Het substraat is nu enkele graden tot zelfs een tiental graden oververhit. Laten we een voorbeeld nemen van 110 °C waarbij het vochtgehalte nog eens ca 0.5% stijgt t.o.v. einde stap 1. Bij sommige kleurstofgroepen/chemie treden bovendien nog exotherme reakties op die de temperatuur additioneel verhogen.
top	Stoomproces stap 3: afkoelen
	Het substraat is, hoe onwaarschijnlijk het in eerste instantie ook moge klinken, nu warmer dan de stoomomgeving waar de temperatuur iets meer dan 100 °C is. De stoomomgeving is dus koeler zodat ook het substraat zal afkoelen. Bij een kleine afkoeling schrijft het adsorptie-evenwicht voor dat het vochtgehalte toeneemt (zie figuur X). Dit vocht kan uitsluitend uit de gasfase worden opgenomen waarbij dus wederom adsorptie-energie vrijkomt. Deze energie bedraagt ongeveer 2500 Joule per gram en is dus iets groter dan de pure condensatie-energie. Al deze vrijkomende energie kan in een stomer uitsluitend via de omringende stoom worden afgevoerd. Bij een temperatuurtoename van de stoom van 100 naar 110 °C neemt een gram stoom ongeveer 20 Joule energie op. Om dus de energie van een gram geadsorbeerd water te verwijderen is ca 2500/20=125 g stoom nodig. Dit komt overeen met 400 liter stoom. Het substraat zal door deze enorme hoeveelheid energie dus slechts zeer langzaam afkoelen en dan alleen nog indien er voldoende stoom langs het substraat stroomt. Het overdragen van de warmte gaat niet eindeloos snel. De zogenaamde warmteoverdrachts-coefficient is vrij laag en kan door sneller stromen slechts enkele malen vergroot worden. Indien echter de stoom in de buurt van het doek niet wordt afgevoerd en vervangen door koelere stoom, dan zal er helemaal geen afkoeling optreden. In de praktijk is in eerste instantie deze hoeveelheid geconditioneerde stoom per hoeveelheid substraat belangrijk. Afhankelijk van de omstandigheden zal het substraat de stomer na een verblijftijd van enkele tot een tiental minuten weer verlaten. De situatie kan zich voordoet dat het afkoeltraject dan nog niet volledig doorlopen is. Indien dit wel het geval is, dan is het substraat na het afkoelen op dezelfde temperatuur als de stoom en is het vochtgehalte hoog, in geval van viskose kan dit wel 25% zijn.
top	Stoomproces stap 4: evenwicht
	In de voorgaande stappen is het substraat op een temperatuur van iets boven 100 °C gebracht en een hoog vochtgehalte. In deze situatie zijn de ideale fixatie-omstandigheden gecreëerd en deze toestand moet zo snel mogelijk na invoer van het substraat bereikt worden.
top	Stoomproces vanuit de kleurstof
	In de voorgaande stappen is het fysische proces van oververhitten beschreven. Dit oververhitten en het lage vochtgehalte heeft invloed op de diffusie (verplaatsing) van de kleurstof naar het substraatoppervlak. Het vochtgehalte is laag gedurende de oververhitting waardoor de kleurstof zich niet goed kan verplaatsen naar het substraat. Het zal dus niet fixeren aangezien het nooit het substraat bereikt. Het verlengen van de stoomtijd heeft in een enkel geval resultaat, echter de ongewenste chemische nevenreakties verhinderen dit in de meeste gevallen. Kleurstof kan namelijk naast met het substraat ook met andere stoffen uit de drukpasta reageren. Terwijl de diffusie naar het substraat moeilijk verloopt, gaan de nevenreakties gewoon door. Kleurstof die een nevenreaktie heeft ondergaan kan niet meer reageren met het substraat. In een notedop is dit de reden dat oververhittig van het substraat en een bijbehorend laag vochtgehalte ongewenst zijn als men geïnteresseerd is in een hoog fixatierendement en daarbij behorende diepe, briljante kleuren.
top	Stoomproces vanuit de machineopzet
	Met behulp van kennis van de chemie en fysica is duidelijk gemaakt wat de effecten zijn van een slechte temperatuurbeheersing bij het stoomproces. Trage afkoeling leidt tot slechte fixatierendementen. Temperatuurverschillen leiden tot kleurverschillen. In de fixatieruimte moet een egale reproduceerbare temperatuur heersen. Daarnaast moet men in staat zijn de vrijkomende adsorptiewarmte snel af te voeren. Een niet-uniforme temperatuur in de fixatieruimte, bijvoorbeeld een temperatuurverschil tussen de linker- en de rechterkant in de stomer, zal leiden tot verschillen in fixatierendement en daardoor tot zichtbare kleurverschillen. De Portafix Universal is ontworpen om de temperatuurbeheersing van het substraat zo optimaal mogelijk te maken. De kern hierin is de grote recirkulatie van stoom die bovendien door verhitting en koeling op de juiste, ingestelde waarde wordt gehouden.