بررسی روش های بهبود رنگرزی الیاف پنبه با رنگزا های طبیعی

چكيده:
رنگزاهاي طبيعي از دير باز براي رنگرزي الياف پشم مورد استفاده در فرش دستباف مورد توجه بوده اند و خصوصيات بارز رنگزاهاي طبيعي، فرشهاي بافته شده از نخهاي رنگرزي شده با آنها را از ساير دستبافته ها متمايز ساخته است. امروزه علاوه بر جلوه هاي بصري و ثباتي ممتاز رنگزاهاي

طبيعي،‌ سازگار بودن آنها با محيط زيست و پوست انسان نيز به امتيازات آنها افزوده شده است. در زمينه رنگرزي الياف پشم با اين رنگزاها تحقيقات بسياري صورت گرفته و الياف پشم به سادگي قادر به جذب رنگزاهاي طبيعي مي باشد. اما در مورد رنگرزي الياف پنبه با رنگزاهاي طبيعي مشكلاتي از جمله جذب رنگ بسيار كم و ثبات پايين رنگرزي حاصله وجود دارد. در تحقيق حاضر روشهاي

مختلفي كه براي بهبود جذب رنگزاهاي طبيعي بر روي الياف پنبه و افزايش درجات ثباتي رنگرزي حاصله پيشنهاد شده مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفته است. محققان مختلف روشهايي از جمله استفاده از دندانه هاي معدني، استفاده از تانيك اسيد، استفاده از مواد شيميايي خاص و افزودن گروههاي فعال آنيونيكي به الياف پنبه و … را مورد بررسي قرار داده اند كه در اين مقاله كليه روشهاي موجود، مورد بررسي و جمع بندي قرار گرفته است.
واژگان كليدي: رنگزاي طبيعي، رنگرزي طبيعي، الياف پنبه، فرش دستباف

مقدمه:
پنبه فراوانترین لیف طبیعی است و بطور وسیع بصورت خالص و یا مخلوط با الیاف مصنوعی در بسیاری از مصارف نساجی مورد استفاده قرار میگیرد. این لیف خواص فیزیکی و شیمیایی عالی نظیر جذب آب ،جذب رنگ و پایداری از خود بروز میدهد. برای رنگرزی پنبه رنگزاهای مصنوعی متنوعی قابل استفاده اند از جمله رنگزاهای مستقیم، آزوئیک، خمی و راکتیو که به راحتی قابل کاربرد بر

روی الیاف پنبه هستند. امروزه به دلیل مسائل و ملاحظات زیست محیطی و بعضا حساسیت زایی رنگزاهای مصنوعی، توجه ویژه ای به رنگزاهای طبیعی برای رنگرزی الیاف، از جمله الیاف پنبه می شود. رنگزاهای طبیعی به سادگی جذب الیاف طبیعی پشم و ابریشم میشوند اما در زمینه رنگرزی الیاف پنبه با رنگزاهای طبیعی مشکلاتی از جمله جذب رنگ بسیار کم و همچنین ثبات پایین رنگرزی حاصله وجود دارد. رنگزاهای طبیعی غالبا به تنهایی به مقدار بسیار اندک جذب پنبه می شوند و

برای افزایش جذب رنگ و همچنین ثبات رنگرزی تلاشهایی صورت گرفته است. در این تحقیق نتایج تلاشهای انجام شده مورد بررسی قرار میگیرد.

شرح تحقیقات:
برای افزایش جذب رنگزاهای طبیعی به الیاف پنبه از روشهای متفاوتی استفاده شده است که میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

الف- استفاده از دندانه های فلزی و دندانه های زیستی(گیاهی)
P.S.Vankar و همکاران تلاش کردند تا الیاف پنبه را با استفاده از عصاره گیاه Rubia cardifia رنگرزی کنند. این گیاه حاوی رنگزاهای آنتراکینونAlizarin ,Purpurin Munjistin ,Rubiadin در ریشه ها ،ساقه و برگهایش می باشد. این رنگزای آنتراکینون تمایل ضعیفی به الیاف پنبه دارد و لذا نیاز به دندانه دارد تا بتواند جذب الیاف پنبه شود. ملکول آلیزارین قادر به تشکیل کمپکس با یونهای آلو مینیوم میباشد و کمپلکس حاصله در مقابل استخراج توسط آب و حلالهای آلی مقاوم است. به عنوان دندانه گیاهی از عصاره برگ گیاه E. acuminata استفاده شده که حاوی مقادیر قابل توجهی آلومینیوم می باشد. آلومینیوم موجود در این گیاه می تواند نقش کمپلکس دهندگی با

رنگزای آنتراکینونی را داشته باشد. این محققین نشان دادند که روش پیش دندانه دادن با دندانه فلزی و دندانه گیاهی نسبت به روشهای دندانه دادن همزمان با رنگرزی و یا بعد از رنگرزی با همان دندانه ها نتیجه بهتری را حاصل می کند. درصد برداشت رنگ برای روشهای بدون دندانه، با دندانه گیاهی و دندانه آلوم به ترتیب ۱۴٫۸ % ، ۲۳٫۵ % و ۳۳٫۵ % بدس

ت آمده است. لذا تاثیر دندانه دادن در افزایش جذب رنگ به وضوح مشخص است.

ب: استفاده از امواج مافوق صوت در رنگرزی
در بررسی که توسط P. S. Vankar و همکاران انجام شده، در رنگرزی پنبه با رنگزای گیاهی Rubia Cordifia در حضور امواج مافوق صوت، رمق کشی ۵۸ % و بدون حضور آن رمق کشی ۴۰ % بدست آمده است. در تحقیق دیگری که توسط همین محقق انجام شده نیز، نتیجه مشابه بدست آمده است و تاثیر امواج مافوق صوت در افزایش رمق کشی رنگزاهای گیاهی به الیاف پنبه اثبات شده است. امواج مافوق صوت سبب افزایش سرعت تحرک ملکولهای مایع و در نتیجه افزایش نفوذ آن به داخل الیاف می شود. ضمن اینکه افزایش موضعی دما سبب تورم

الیاف می گردد که این مسئه نیز سبب افزایش نفوذ رنگزا به الیاف می شود.

نمودار ۱: تاثیر استفاده از امواج مافوق صوت در رنگرزی پنبه با رنگزای Rubia Cordifia

ج: استفاده از اسید تانیک
M. Ozgur و همکاران، در تحقیقی که در زمینه رنگرزی الیاف پنبه با رنگزای حاصل از پوست پیاز قرمز (دسته آنتوسیانین ها ) انجام دادند، نشان دادند که پنبه بدون استفاده از دندانه، هیچ رنگی جذب نمی کند و هنگامی که دندانه ها استفاده می شوند، تونهای مختلف رنگی حاصل می گردد. بهترین نتیجه با مخلوط دندانه های فلزی و تانیک اسید در pH معادل ۶ بدست آمده است. ضمن اینکه در این مورد نیز روش پیش دندانه دادن نسبت به دو روش دیگر نتیجه بهتری داده است.
د: استفاده از کایتوسان
کایتوسان یک بیوپلیمر طبیعی است که حاوی تعداد زیادی گروههای آمینو می باشد. این مسئله سبب می گردد که این بیوپلیمر تمایل زیادی به جذب یونهای فلزات داشته باشد. همچنین این ماده قابل جذب بر الیاف پنبه نیز می باشد، لذا پس از اتصال به الیاف پنبه بر روی آن مکانهای جدیدی برای جذب اتهای فلزات (دندانه ها) ایجاد می کند. این اتمهای فلزات می توانند با ملکولهای رنگزا کمپلکس ایجاد کنند و باعث افزایش جذب رنگ و همچنین افزایش ثبات رنگرزی حاصله شوند. در حالتیکه از مخلوط کایتوسان + نمک های فلزی برای دندانه دادن استفاده شود، جذب رنگ افزایش یافته و بهترین نتیجه از روش دندانه دادن همزمان با رنگرزی و به کمک نمک FeSO4 بدست آمده است.

ه: افزودن عوامل فعال آنیونیکی به پنبه
T. Kim پنبه را با یک ماده فعال آنیونیکی سنتزی بر پایه دی کلرو- اس تری آزینیل، عمل نموده و در اثر آن، مکانهای آنیونیکی –SO3- بر الیاف پنبه ایجاد نموده که سبب ایجاد جاذبه الکترواستاتیک نسبت به رنگزای کاتیونیک می شود.
در تحقیقی که نامبرده انجام داد، از رنگزای کاتیونیک بربرین که جزء اصلی در عصاره پوست درخت گردو می باشد، استفاده شده است. نتایج نشان داده است که pH قلیایی برای این رنگزا مناسب است و با افزایش pH از ۳ تا ۱۱ ، رمق کشی افزایش نشان می دهد. در اثر عمل نمودن پنبه با

عامل فعال آنیونیکی فوق، میزان جذب رنگ و همچنین ثبات شستشویی افزایش نشان داده است. رابطه بین درصد ماده فعال آنیونیکی بکار رفته و درصد رمق کشی بصورت نمودار (۲) است. ملاحظه می شود که برای میزان ماده فعال آنیونیکی یک مقدار بهینه وجود دارد که پس از آن افزودن مقدار بیشتر آن تاثیری بر رمق کشی ندارد. در تحقیقی که توسط H. Kim انجام شده نیز نتایج مشابهی بدست آمده است.

نمودار ۲ : رابطه در صد عامل فعال آنیونیکی بکار رفته با درصد رمق کشی

ایجاد اتصالات عرضی در پنبه به کمک فرمالدئید نیز با توجه به تعداد ملکولهای رنگزای حبس شده در لیف و میزان تورم، باعث افزایش شدت رنگ و ثبات شستشویی می شود. موثرترین روشی که H. Kim ذکر نموده است، آنیونی کردن پنبه و سپس افزودن گروههای آبگریز (برای کاهش جذب آب و در نتیجه کاهش تورم لیف) به لیف می باشد.

شکل ۱: ساختار شیمیایی رنگزای بربرین

و: استفاده از آنزیم و تانیک اسید بدون حضور نمکهای اسیدی
P. S. Vankar نشان داده که در صورتیکه الیاف پنبه ابتدا توسط مخلوط تانیک اسید و آنزیم پروتئاز و آمیلاز عمل شده و سپس رنگرزی توسط رنگزای طبیعی Rheum emudi
(CI No. 75440 ) رنگرزی شود، جذب رنگ نسبت به الیاف عمل نشده افزایش یافته و ثبات رنگرزی نیز بیشتر می شود. در این تحقیق از آنزیمهای مختلف به همراه ۳ رنگزای گیاهی متفاوت با دو روش دندانه دادن همزمان با رنگرزی و پیش دندانه دادن استفاده شده و مشخص شده که در

هریک از روشهای پیش دندانه دادن و همزمان، هر رنگزا با آنزیم متفاوتی بهترین نتیجه مربوط به خود را حاصل کرده است. مثلا Rheum emudi در روش دندانه دادن همزمان بهترین نتیجه را با آنزیم لیپاز و در روش پیش دندانه دادن، بهترین نتیجه را با پروتئاز و آمیلاز حاصل کرده است.

نتیجه گیری و بحث:
در تحقیقات مختلف روشهای متفاوتی برای بهبود جذب و افزایش ثبات رنگزاهای طبیعی برروی الیاف پنبه استفاده شده است. بررسی ها نشان میدهد الیاف پنبه معمولی تمایلی به جذب رنگزاهای گیاهی ندارند. استفاده از دندانه های فلزی و همچنین دندانه های گیاهی سبب افزایش جذب این رنگزاها به الیاف پنبه میشود ودر این میان تاثیر دندانه های فلزی بیشتر است. استفاده از مافوق صوت در رنگرزی سبب افزایش در رمق کشی می گردد. تانیک اسید نیز به عنوان دندانه عمل نموده و سبب افزایش جذب رنگزاهای گیاهی به پنبه می شود. آنزیمهای مختلف در صورتی که به همراه تانیک اسید برروی پنبه به کار روند و سپس رنگرزی انجام شود میتواند برای رنگزاهای متفاوت نقش افزایش دهندگی جذب رنگ را داشته باشد.

استفاده از کایتوسان به همراه دندانه های فلزی از طریق افزودن میزان جذب دندانه ها به الیاف، سبب افزایش جذب رنگ میگردد. افزودن عوامل فعال شیمیایی (آنیونیکی) نیز سبب افزایش میزان جذب رنگزاهای گیاهی کاتیونی به پنبه و افزایش ثبات رنگرزی حاصله می شوند. ایجاد اتصالات عرضی در پنبه به کمک فرمالدئید نیز از طریق حبس ملکولهای رنگزا باعث افزایش ثبات رنگرزی می شود.

آب و پس آب در رنگرزی:
آب در صنعت رنگرزی استفاده فراوان دارد و بزرگترین حلال مواد مختلف است. از آن جایی که منابع تهیه آب متفاوت است(باران، آبهای راکد- رودخانه- چشمه یا چاه) لذا مواد مختلف موجود در آب متفاوت است که هر یک ممکن است به شکلی در امر رنگرزی ایجاد اشکال نماید.
آب در صنعت رنگرزی در موارد زیر به کار می رود.
– جهت مصرف در دیگ های بخار(در رنگرزی صنعتی)
– جهت مصرف در مراحل مختلف رنگرزی و شستشو(ماشین ها و حوضچه های رنگرزی)
تمام انواع آب های طبیعی حاوی مواد معدنی هستند که نوع و مقدار آنها بستگی به منبع آب دارد. وجود بعضی مواد ناخالص در آب سبب ایجاد اختلالاتی در کار می شود که اهم آنها عبارتند از:
– ایجاد رسوب در دیگهای بخار و لوله های رابط و شیرآلات و یا حوض های رنگرزی در روش های سنتی
– ایجاد خوردگی در بعضی قسمت های فلزی دستگاهها
– تغییر فام در رنگرزی
– ایجاد مواد شیمیایی جدید در برابر بعضی از مواد مصرفی و تغییر خاصیت آنها و در نتیجه امکان ایجاد پوسیدگی در الیاف.
به طور کلی انواع آب های تصفیه نشده دارای بی کربناتها- سولفاتها- نیترات ها- کلرور سدیم- منیزیم و سدیم به میزان های متفاوت و مقدار جزئی سیلکاتها- فسفاتها و سایر ترکیبات سدیم و پتاسیم می باشند. گاز کربنیک موجود در هوا نیز مقداری در آب حل شده و درآن وجود دارد. اگر آب ها به دلیلی در معرض آلودگیهای گاز آمونیاک . یا گازهای هیدروژن سولفوره و انیدرید سولفوریک قرار بگیرند این گازها نیز در آنها حل می شوند.

آب هائی که معمولاً در کارخاتجات و یا کارگاههای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند باید عاری از آلودگیهای زیر باشند.
رنگ آب و کدورت آن:
آب باید شفاف و عاری از کدورت باشد. گفته می شود کدورت آب به دلیل وجود ذرات ریز و معلق از نوع مواد معدنی و یا خاک و گل و لای و یا مواد آلی از قبیل سبزینه ها، جلبک ها، چربیها، باکتری ها و غیره می باشد.
رنگ آب مربوط به وجود مواد آلی محلول و یا کلوئیدی در آب می باشد برای سنجش رنگ آب از دستگاه و روش های مختلف مانند Tintometre می توان استفاده کرد.

در عمل و برای سرعت بخشیدن به کار کافی است مقداری از آب را در شیر و یا لوله آزمایش ریخته و رنگ و کدورت آن را در برابر نور سنجید که در این صورت آب باید کاملاً زلال و شفاف و بیرنگ باشد برای قابل استفاده کردن آب های کدر در یک روش بنا به مورد استخرهای بزرگی در مسیر آن حفر می کنند و آب را قبل از استفاده مدتی در آن به صورت راکد نگهداری می کنند و به این ترتیب ذرات درشت و بزرگ به صورت لجن در ته استخر ته نشین می شود سپس برای صاف کردن مواد کلوئیدی و ذرات ریز آب روئی را قبل از استفاده از پالایه عبور می دهند و یا در مخازن دیگری با استفاده از مواد ته نشین کننده که معمولاً هیدروکسید آلومینیم است(سولفات آلومینیوم + کربنات سدیم) آن را در۵/۷- ۷/۵=PH زلال می کنند.

یون های مزاحم:
معمولاً وجود یونهای آهن و منیزیم و کلسیم در آب سبب بروز مسائلی از جمله زردی کالا به خصوص در عملیات شستشو و سفید گری، نا یکنواختی رنگرزی و کاهش مقاومت کالا می گردد و لذا باید آنها را از آب خارج کرد.
قلیائی آب:
معمولاً آب ها شامل بی کربنات های مختلف هستند که میزان آنها بستگی به منبع تهیه آب دارد که چون درجه قلیایی بودن آب در نتیجه کار رنگرزی و شستشو بسته به روش کار مؤثر است باید PH آب مرتباً توسط معرف متیل اورانژ کنترل گردد.
سختی آب:
وجود نمک های کلسیم و منیزیم در آب به نام سختی آب تعریف می شود. وجود این املاح در عملیات شستشو تولید صابونهای نا محلول و چسبناک می کند که روی کالا رسوب کرده و سبب نایکنواختی در رنگرزی می شود هم چنین وجود این املاح سبب رسوب بعضی از رنگزاها در حمام رنگرزی و ایجاد رسوب در مخازن رنگرزی و لوله ها و دیگ های بخار می گردد. لذا برای پیش گیری از خسارات گوناگون ناشی از سختی آب باید آب را به یکی از روش های متداول بر حسب شرایط کارگاه قبل از مصرف نرم نمود.

انواع سختی:
سختی ها بر دو نوع تعریف می شوند:
۱- سختی موقت: کربنات های کلسیم و منیزیم به طور کلی املاح غیر محلول هستند ولی وجود دی اکسید کربن آنها را به بی کربنات های محلول در آب تبدیل می کند. روابط ۱۶٫۱ و۱۶٫۲و۱۶٫۳و۱۶٫۴
۱۶٫۱ Ca(HCO3)2 CaCo3+CO2+H2O →
۱۶٫۲ MgCo3+CO2+H2O → Mg(HCO3)2
که در اثر حرارت مجدداً گازCO2 آزاد شده و بی کربنات به کربنات تبدیل می شود.
۱۶٫۳ Ca(CO3H)2← CaCO3+CO2+H2O
16.4 mg(CO3H)2 MgCO3+CO2+H2O

مقدار مجموع بی کربنات کلسیم و بی کربنات منیزیم به نام سختی موقت و یا سختی کربنات تعریف می شود این املاح چون در حضورCO2 به صورت محلول هستند به آنها سختی موقت گفته می شود.
۲- سختی دائم: وجود کلرورها- سولفات های کلسیم و منیزیم در آب چون در اثر دی اکسید کربن ایجاد رسوب کرده و یا در اثر جوشیدن تجزیه نمی شوند لذا در آب ایجاد سختی دائمی می کنند که باید آنها را به شکلی از محیط دور کرد.
۳- سختی کل: مجموع سختی موقت و سختی دائم به نام سختی کل تعریف می شود.
اندازه گیری سختی و واحد آن:

 

یکی از نشانه های آب سخت آن است که صابون در آب کف نمی کند لذا از این خاصیت می توان برای تشخیص آب سخت و میزان سختی آن استفاده کرد در زیر توضیح این روش ساده و عملی مختصراً آمده است.

جدول ۱۶- سختی آب مناسب برای کارگاههای رنگرزی
نام مواد موجود در آب مقدار مواد برحسب p.p.m
سیلیس ۳- ۵/۰
سختی کل معادل CaCo3 25-0
آهن معادل Fe 2/0-1/0
منگنز معادل Mn 2/0-0
مواد قلیایی(در مقابل متیل اورانژ) معادل CaCO3 64-35
مجموع جامدات محلول در آب ۱۵۰- ۶۵
ph 5/8-7

لوازم مورد نیاز:
– آب مقطر
– آب سخت
– محلول صابون و انکلین(صابون استاندارد)
– ارلن، مایر دردار به حجم ۲۵۰ میلی لیتر
– بورت مدرج شیردار
– پایه

روش آزمایش:
ابتدا ۷۰ میلی لیتر از آب سخت را بدرون ارلن مایر منتقل کرده و قطره قطره محلول استاندارد صابون را به آن اضافه کنید و محلول داخل ارلن را تکان دهید هنگامی که کف روی سطح محلول ارلن مشاهده شد افزودن محلول صابون را به ۲/۰ میلی لیتر کاهش دهید. هرگاه کف به مدت حداقل ۵ دقیقه بر روی سطح آب ثابت باقی بماند تمامی مواد معدنی که باعث سختی آب می گردند تبدیل به صابون غیر محلول شده و رسوب خواهند کرد. حال همین آزمایش را با ۷۰ میلی لیتر آب مقطر تیتر کنید و مقدار صابون مصرفی آن را تعیین کنید که حدوداً بالغ بر یک میلی لیتر خواهد شد از مقدار صابون مصرفی جهت تیتر کردن آب سخت کم کنید.

اگر آب از سختی زیادی برخوردار بود می توانید آنرا با حجم مساوی آب مقطر رقیق کرده و سپس آن را تیتر کنید. دقت کنید در این آزمایش
– اولاض حجم آب مصرفی همیشه ثابت باشد.
– ثانیاً هرگاه بیش از۱۰ سانتی متر مکعب محلول صابون به منظور تولید کف پایدار در سطح آب به کار رود، نتایج حاصل به علت تولید و دخالت یون های کلسیم و منیزیم نا محلول دقیق نخواهد بود. در این صورت لازم است حجم معینی از آب سخت مورد آزمایش را با حجم معینی از آب مقطر طوری مخلوط کنید که ۵۰ سانتیمتر مکعب آن با حداکثر۱۰ سانتیمتر مکعب محلول صابون کف پایدار تولید کند. روش های دیگری برای اندازه گیری سختی از جمله استفاده از معرف EDTA و یا روش های یونیزاسیون وجود پس مانده لجن به ترتیب بالا پس از آبگیری و خشک کردن ممکن است به عنوان کود در بخش جنگلدار و کشاورزی و مرتع داری به کار رود(که در این صورت باید میزان مواد سمی در آن در حدود مجاز باشد) و یا ممکن است آن را سوزاند و کلوخه کرد.
سختی آب معمولاً برحسب مقدار وزنی کربنات کلسیم در یک میلیون واحد وزنی آب(p.pm) محاسبه می شود واحد سختی در کشورهای مختلف با یکدیگر متفاوت است.
در واحد انگلیسی آبی که دارای سختی ۴-۰ درجه باشد نرم و۲۰-۷ درجه متوسط و بالاتر از۲۰ آب سخت نامیده می شود.
آب مناسب برای مصرف در گارگاه رنگرزی باید مطابق جدول ۱۶٫۱ باشد.
آب مناسب جهت دیگ های بخار و تحت فشار کم باید سبک بوده و عاری از اکسیژن انیدرید کربنیک- اسیدهای آزاد و ترکیبات آلی دیگر باشد و سختی کل آن نباید از۳۵ p.p.m بیشتر باشد برای دیگ های بخار که تحت فشار کار می کنند سختی کل آن باید تقریباً نزدیک صفر باشد.
برای رفع سختی آب روش های گوناگون وجود دارد که به طور عموم عبارتند از:
۱- آهک- سودا

۲- تبادل یونی(امروزه متداول تر از سایر روش ها است و درهر ظرفیتی از کارخانه قابل اجراست)
۳- استفاده از مواد سختی گیر
۴- تقطیر
با توجه به شرایط کارگاه و حجم تولید از طرفی و تفاوت قیمت روش های مختلف از نظر اقتصادی برای انتخاب روش مناسب مشاوره با مهندسین مشاور آب و فاضلاب لازم است.

پسآب در کارگاههای رنگرزی:
پس آب کارخانجات رنگرزی حاوی مقادیر مختلفی مواد شیمیایی و رنگزا است که در اثر عدم جذب و یا فعل و انفعالات مختلف، مواد درآن به جا می ماند.