IL TRATTAMENTO IN AMMONIACA LIQUIDA - Santo Stefano · TINTURA DI FIBRE CELLULOSICHE CON COLORANTI...

Finissaggi Tessili Water-Free - Bando Unico R&S Anno 2012

IL TRATTAMENTO IN AMMONIACA LIQUIDA

Il mercerizzo in NH3 liquida modifica la struttura delle fibre cellulosichepermettendo il passaggio dalla forma cristallina I alla forma III o I rigenerata aseconda del successivo metodo di rimozione del solvente:

per semplice evaporazione si ottiene la formacristallina III, mentre attraverso il quenchingin acqua si torna alla forma I, anche sediversa da quella originaria e quindi detta“rigenerata”.



A causa della maggiore idrofilia delle fibre,queste mostrano una maggiore affinitàtintoriale. Altre caratteristiche dovute allanuova forma cristallina sono la maggiorestabilità dimensionale, una maggioremorbidezza e una mano più “scattante”.

Le nuove forme cristalline hanno un minore indice di cristallinità, chesi traduce in una quantità maggiore di zone amorfe che rendono la fibrapiù idrofila.



ANALISI AL SEM: COTONE

Non trattato Trattato



ANALISI AL SEM: LINO




ANALISI AL SEM: VISCOSA




Spettri IR



Tessuto non trattato

Tessuto trattato

97.8

98.0

98.2

98.4

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2%Reflectance

2700 2800 2900 3000 3100Wavenumbers (cm-1)

Tessuto trattato

Tessuto non trattato

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

%Transmittance

800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250Wavenumbers (cm-1)

Ingrandimenti dello spettro IR perevidenziare le differenze



Diffrattometria a raggi X: Cotone

Per effettuare le prove sperimentali è stato creato ex novoun laboratorio, comprensivo di cappa aspirante, sensori perl’ammoniaca, ventilatore ATEX, neutralizzatore dei reflui,gruppo di continuità e vano per l’alloggio della bombola.





Le prove di solubilità e di tinturasono state effettuate attraverso larealizzazione di 2 prototipi direattore, uno in acciaio inox dellacapacità di circa 600 ml per leprove di tintura e uno in vetro dellacapacità di circa 800 ml per quelledi solubilità



Proprietà meccaniche

• La stabilità dimensionale al lavaggio a 60°C mostra risultati soddisfacentipoiché si va da un minimo del 29% ad un massimo del 95% di rientro in menorispetto ad un tessuto non trattato, in termini di superficie di tessuto.

• Sull’ingualcibilità sono stati riscontrati significativi miglioramenti solo contessuti composti sia in ordito che in trama della stessa fibra cellulosica

• La resistenza alla trazione sia in ordito che in trama risulta maggiore per itessuti trattati in ammoniaca mentre per i tessuti composti da miste contenentifibre non cellulosiche il trattamento non ha effetto


SOLUBILITA’

La solubilità è stata misurata utilizzando ilprototipo di reattore in vetro:

• i coloranti mostrano una discreta solubilità(eccetto i coloranti dispersi)

• i sali sono molto meno solubili che in acqua(i più solubili risultano i sali di ammonio)

• le soluzioni acquose degli ausiliari tessili, aseconda del soluto che contengono possonoportare alla precipitazione immediata delsoluto, alla miscelazione nel solvente o allaformazione di sospensioni


TINTURA DI FIBRE CELLULOSICHE CON COLORANTI

REATTIVI

I coloranti reattivi appartengono a diverse classi chimiche, macontengono tutti un gruppo in grado di formare un legame covalente.

Schematicamente possono essere rappresentati così: Col–(X)–R–(Y)

Col-SO2-CH

2-CH

2-O-SO

3H

Col-SO2-CH=CH

2

Coloranti mono- e diclorotriazinici Coloranti vinilsolfonici

Col-X-R-Y + Fibr-A Col-X-R-Fibr + AY


REATTIVI


I coloranti reattivi per potersi legare alla fibra necessitano della presenza di alcalinità,che in ammoniaca è data direttamente dal solvente senza la necessità di ausiliari basici.

La salita del colorante è rapidissima (in 2-3 secondi) e presenta come problematicaprincipale la disomogeneità di tintura dovuta alla rapida evaporazione del solvente checrea migrazioni di colore da zone asciutte a zone umide. Anche la presenza di pieghesul tessuto generano bastonature o altri difetti.

Per ovviare a questi inconvenienti si è resa necessaria l’aggiunta di acqua (5-10%): inquesto modo la salita del colore è ugualmente veloce (10 secondi), ma il rallentamentodell’evaporazione del solvente permette di evitare la disunitezza nella tintura. Occorreinfine una spremitura dei tessuti per ottenere buone riproducibilità di pick-up e lostoccaggio per consentire la formazione del legame covalente. Mentre in acqua lostoccaggio dura 24h, in NH3 ne sono sufficienti 5. Infine un lavaggio rimuove ilcolorante non legato stabilmente alla fibra.



REATTIVI

Prove effettuate

7 campioni:

8750: 100% Co - 204 g/mtl89256: 100% Co - 316 g/mtlTerni: 100% Co - 450 g/mtlCimone: 97% Co / 3% EA - 303 g/mtlKenya: 97% Co / 3% EA - 400 g/mtl8393: 96% Co / 4% EA - 433 g/mtlLino: 100% Li - 170 g/mtl

5 coloranti:

Giallo Jakazol LDVerde Everzol 6BArancio Everzol 3RRosso Jakazol LDBlu Jakazol LD

7 concentrazioni:

2 - 5 -10 - 15 - 25 - 35 - 45 -50 g/l


REATTIVI


Confrontando con analoghi provini tinti in acqua e pretrattati in ammoniaca liquida etinti in acqua si osserva che:

• ogni colorante mostra una sua affinità nei confronti dell’ammoniaca che non dipendedal tipo di tessuto

• il Giallo Jakazol LD presenta una maggiore resa tintoriale in ammoniaca liquida

• il Verde Everzol 6B permette di ottenere toni più brillanti e più scuri attraverso latintura in ammoniaca sui tessuti fermi, mentre sugli elasticizzati i risultati migliori siottengono con il solo pretrattamento in ammoniaca

• l’Arancio Everzol 3R presenta scarsissima affinità per la tintura in ammoniacaliquida tingendo poco e male i provini

• il Rosso Jakazol LD mostra una variazione di tono quando disciolto in ammoniaca, ilche conduce a tinture tendenti al porpora, più scuri ma meno brillanti

• il Blu Jakazol LD mostra elevata affinità per i pretrattati in ammoniaca mentre i tintiin ammoniaca risultano leggermente meno intensi dei tinti in acqua


REATTIVI


Solidità delle tinture

• Sfregamenti a secco e a umido (UNI EN ISO 105-X12): in media, i provini tinti inammoniaca mostrano solidità comparabili con i tinti in acqua mentre i pretrattati inammoniaca presentano solidità superiori di circa 1/2 punto a secco e di 1 punto a umido

• Solidità dei colori al lavaggio a 40°C (UNI EN ISO 20105 C01/64): escludendo il colorearancio, gli altri colori mostrano solidità comparabili, in alcuni casi anche migliori. Faeccezione lo scarico sul cotone che risulta inferiore di 1 punto

• Solidità ai sudori acido e alcalino (UNI EN ISO 150-E04): risultano analoghe ai tinti inacqua per il sudore acido mentre inferiore di 1/2 punto in media su quello alcalino

• pH (EN 1413): risulta maggiore dei tinti in acqua, solitamente tra 7 e 8 e quindicomunque all’interno dei range di tolleranza fissati tra 4 e 8,5

• Le stabilità dimensionali al lavaggio a 60°C dei tessuti tinti in ammoniaca liquidarisultano migliori dei tinti in acqua


DIRETTI


I coloranti azoici diretti sono sostanze caratterizzate dalla presenza di uno o piùgruppi cromofori -N=N-. Costituiscono una classe tintoriale a sé poiché sono ingrado di tingere le fibre cellulosiche senza mordenzatura preliminare.

Tingono per un semplice meccanismo di diffusione all’interno delle fibre; la loroaffinità è dettata da 2 requisiti fondamentali: la linearità e la complanarità.

Responsabili delle forze che presiedono all’unione fibra-colorante sonoessenzialmente i gruppi capaci di formare legami a idrogeno con gli ossidrili dellacellulosa, cioè gruppi amminici, ossidrilici, azo. Quindi l’allineamento dellamolecola colorante lungo l’asse della molecola cellulosica è indispensabile.

Anche la possibilità di intervento di forze di Van der Waals e la presenza di sistemisufficientemente estesi di doppi legami i cui elettroni delocalizzati possonointeragire con gli idrogeni ossidrilici della fibra contribuiscono all’affinità deicoloranti.


DIRETTI


In ammoniaca liquida i coloranti si sciolgono sufficientemente bene, con solubilitàminori rispetto al mezzo acquoso ma comunque sufficienti per il loro impiego.

In 30 secondi il colorante monta sulle fibre (nonostante i -33°C) dimostrando chel’ammoniaca risulta essere un mezzo molto interessante da un punto di vista tintoriale.Tempi di immersione più lunghi non comportano aumenti significativi di tono.

La rapida evaporazione dell’ammoniaca, mentre da una parte favorisce il suoallontanamento dal tessuto in maniera molto più economica rispetto all’acqua, dall’altracausa la migrazione del colore da zone asciutte a zone umide con conseguentedisomogeneità.

L’aggiunta di acqua (5%) permette di rallentare leggermente l’evaporazione del solventefavorendo una maggiore unitezza.

L’aggiunta di elettroliti (acetato, nitrato o solfato di ammonio) non evidenzia nessun tipodi aumento di intensità del colore.


DIRETTI


L’impregnazione dei tessuti in acqua, soluzioni di acetato di sodio o soluzioni tamponedi acido acetico / acetato di sodio non favoriscono la salita del colore, ma al contrarioha un effetto negativo, probabilmente per il fatto che le molecole di acqua vanno asolvatare i gruppi funzionali delle fibre impedendo la penetrazione dell’ammoniaca el’instaurazione del legame con il colorante.

A parità di concentrazione i provini tinti in ammoniaca mostrano toni meno intensi diquelli tinti con il classico metodo in acqua.

E’ possibile aumentare l’intensità del colore facendo ripetute immersioni nel bagno ditintura per 3-4 volte. In questo caso non è il tempo di immersione che condiziona lasalita del colorante ma il numero di immersioni.

La condizione di poter operare a basse temperature unita alla possibilità di effettuarereiterate immersioni potrebbe aprire una strada alternativa da esplorare per la tinturadelle fibre cellulosiche con coloranti diretti.


ACIDI


I coloranti azoici acidi costituiscono una classe molto numerosa di composti,caratterizzati dalla presenza di uno o più gruppi azo e almeno un grupposolfonico.

La tintura della lana è influenzata fortemente dal pH della soluzione, che deveessere tanto più basso quanto più sono numerosi i gruppi solfonici (da 3 a 7)

Il potenziale positivo così creatosi sulla fibra induce alla salita, per il ripristinodello stato di elettroneutralità, gli anioni dell’acido presente, che precedonoquelli coloranti per la loro maggiore mobilità specie a bassa temperatura. Atemperatura sufficientemente elevata questi anioni vengono gradatamenterimpiazzati sulla fibra dalle molecole coloranti che sono dotate di maggioreaffinità a causa della loro struttura più complessa. Le due fasi possono esserecosì rappresentate:

Lana-NH3+ -OOC-Lana + H+ Lana-NH3

+ HOOC-Lana

Lana-NH3+ + A- Lana-NH3

+A-

Lana-NH3+A- + Col- Lana-NH3

+Col- + A-



ACIDI

Gli esperimenti effettuati in ammoniaca liquida mostrano che la salita del colorante èrapidissima: in 30-60 secondi a -33°C il colore risulta già salito sul tessuto e ulterioritempi di immersione non generano miglioramenti.

Tuttavia, l’alcalinità dell’ammoniaca, dissociando i gruppi carbossilici e generandoquindi un potenziale negativo sulla fibra, ostacola la formazione delle coppie ionichefibra-colorante.

La maggior parte del colorante salito sulla fibra, infatti, viene rimosso nel successivolavaggio. Il colore quindi risulta non fissato a sufficienza e occorrono grosseconcentrazioni di colorante per raggiungere gli stessi toni ottenuti con il metodoclassico.

Eventuali pre- o post-trattamenti con acqua, soluzioni di acido acetico, acetato, solfatoe nitrato di sodio non migliorano la salita e il legame del colorante.


DISPERSI


I coloranti dispersi sono cosituiti da strutture cromogene esenti da gruppi polarisolubilizzanti. Non essendo polari risultano idonei per la tintura delle fibre sintetiche dispiccato carattere idrofobo.

Caratteristiche:

- Peso molecolare relativamente basso

- agevole disperdibilità in fase acquosa

-sufficiente termostabilità

Esempi di strutture:

C.I. Rosso Disperso 50 (struttura 4-nitro-4’-amminoazoica)

C.I. Blu Disperso 60 (struttura antrachinonica)


DISPERSI


La tintura a dispersi consiste in una vera e propria soluzione del colorante nella fibra.

Si realizza quindi una ripartizione del soluto (colorante) tra 2 solventi, cioè acqua oammoniaca (solvente polare) e fibra (solvente non polare)

A causa della esigua natura ionica dei coloranti essi si legano alla fibra per mezzo diforze di Van der Waals e, talvolta, per mezzo di legami a H.

Per lo stesso motivo, non sono influenzati dalla presenza di elettroliti, ma unicamentedalla temperatura.

In ammoniaca liquida, l’impossibilità di raggiungere temperature superiori ai -33°C ela sua minore polarità rispetto all’acqua, che non favorisce lo spostamentodell’equilibrio di ripartizione del colorante dalla fase polare a quella non polare, nonconsentono una tintura sufficiente delle fibre ma solo il loro sporcamento.

Questa classe di coloranti non risulta quindi idonea alla tintura nel mezzoammoniacale.


CONCLUSIONI

• Sono stati progettati e realizzati 2 prototipi da laboratorio (uno in acciaio inox e uno in vetro)per eseguire gli esperimenti in ammoniaca liquida

• E’ stato progettato e realizzato un piccolo laboratorio ad hoc per alloggiare i prototipi e poteroperare in sicurezza

• Grazie alle prove di solubilità sono state individuate serie di coloranti e ausiliari in grado disolubilizzarsi in ammoniaca liquida e poter quindi essere applicate ai tessuti per immersione

• E’ stata creata una spettroteca di riferimento costituita da tessuti tinti con il normale processoad acqua o pre-trattati in ammoniaca liquida e tinti in acqua, in modo da creare degli standard diriferimento spettrofotometrico

• Sono stati effettuati test di laboratorio per la valutazione chimica e chimico-fisica delleperformance tecniche dei tessuti e delle solidità dei coloranti secondo le norme UNI EN ISO

• Tramite FT-IR, ESEM, XRPD è stata svolta un’analisi morfologica, strutturale e chimica dellemodifiche impartite ai tessuti

• Lo studio e le ricerche svolte sui metodi di tintura hanno dimostrato che la tintura inammoniaca liquida offre delle interessanti prospettive di sviluppo nel caso delle fibrecellulosiche sia con coloranti reattivi che con i diretti

• Con i coloranti reattivi si ottengono tonalità generalmente più intense dei tinti in acqua,con buone solidità e con tempi di stoccaggio molto inferiori (5h)

• Con i coloranti diretti, per mezzo di più cicli di immersione/evaporazione, è possibileraggiungere toni di colore e solidità analoghi alla tintura in acqua tingendo a -33°C per 30secondi, anziché 98°C per 40 minuti

• La tintura della lana e del nylon con coloranti acidi mostra difficoltà legate all’alcalinitàdell’ammoniaca che ostacola la formazione della coppia ionica fibra-colorante, nonostanteuna salita velocissima di quest’ultimo

• La tintura del poliestere con coloranti dispersi è impedita dalla bassa temperatura e dallaminore polarità dell’ammoniaca rispetto all’acqua


CONCLUSIONI


PROSIEGUO DEL PROGETTO

• Le prospettive di sviluppo mostrate dalle scoperte nella prima parte delprogetto incoraggiano la messa a punto di dispositivi prototipali per lasperimentazione di tinture in ammoniaca liquida su scala semi-industriale,di cui abbiamo già un progetto di massima

• Sarà selezionata una serie di tessuti per tali sperimentazioni sulla base dispecifiche richieste studiate nel campo della moda e dell’abbigliamento

• Sarà realizzato un nuovo report sullo studio delle caratteristiche conferitee delle solidità delle tinture con i trattamenti sperimentati su scala semi-industriale

IL TRATTAMENTO IN AMMONIACA LIQUIDA - Santo Stefano · TINTURA DI FIBRE CELLULOSICHE CON COLORANTI...

Documents

Transcript of IL TRATTAMENTO IN AMMONIACA LIQUIDA - Santo Stefano · TINTURA DI FIBRE CELLULOSICHE CON COLORANTI...