رنگرزی الیاف پلیاستر عموما با مواد رنگزای دیسپرس صورت میگیرد، وجود مواد رنگزای سطحی از مشکلات این رنگرزی است که سبب کاهش ثبات مرطوب، سایشی و تصعیدی این الیاف رنگرزی شده به ویژه در عمقهای رنگرزی بالا میگردد. لذا حذف مواد رنگزای سطحی در این رنگرزیها ضروری است. فرآیندی که به طور معمول برای حدف این مواد رنگزای سطحی انجام میشود شستشوی احیایی است که در آن از دی تیونیت سدیم به عنوان احیاکننده و از هیدروکسید سدیم به عنوان قلیا استفاده میشود. این عملیات در زدودن الیگومرهای سطحی و نیز سایز مواد شیمیایی همراه الیاف رنگرزی شده مانند کریر نیز نقش دارد. متاسفانه این فرآیند آلاینده محیط زیست است و همچنین مشتقات حاصل از مواد کاربردی در آن، برای انسان مضر هستند.
روشهای جایگزین و تحقیقات بیشتر با آلایندگی کمتر
از جمله روشهای جایگزین میتوان به استفاده از مواد فعال سطحی، استفاده از آنزیمها، استفاده از عوامل احیایی متفاوت، شستشوهای اکسیدی، روش کاتالیزور نوری، استفاده از پلاسما، روش الکتروشیمیایی و نیز استفاده از مواد رنگزای دیسپرس خاص سنتز شده که به سادگی زدوده میشوند، اشاره کرد.
هر یک از این فرآیندهای جایگزین، دارای مزایا و معایبی هستند و استفاده از آنها نیازمندیهای ویژه دارد.
مقدمه
الیاف پلیاستر، به ویژه پلی اتیلن ترفتالات، مهمترین لیف مصنوعی از نظر حجم تولید و کاربرد است که حدود 52 درصد سهم بازار تولید الیاف در سال 2020 مربوط به این الیاف بوده است. رایجترین نوع الیاف پلیارت از ترکیب پلیاتیلن ترفتالات با اتیلن گلیکول بدست میآید، اگرچه این الیاف میتوانند از ترکیب اتیلن گلیکول با پلیمرهای دیگر مانند پلیمتیلن ترفتالات، پلی بوتیلن ترفتالات، پلی اتیلن نفتالات، پلی کربنات، پلیلاکتید و پلی اتیلن اگزالات نیز ساخته شوند. شکل زیر نحوه سنتز الیاف پلیاستر با پلی اتیلن ترفتالات را نشان میدهد.
پلیاستر لیفی گرمانرم با مدول اولیه و استحکام کششی بالا است و از نظر ابعادی در برابر عملیات حرارتی پایدار است و مقاومت خوبی در برابر چروک دارد. این الیاف جذب آب پایینی دارند و در درمای 20 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 65 درصد تنها 0.4 درصد جذب رطوبت دارند. الیاف پلی استر به علت ماهیت آبگریزی که دارند، در برابر بسیاری از مواد شیمیایی در محلولها و به ویژه در زیر دمای شیشهای مقاوم هستند و اثر احتمالی چنین موادی تنها به سطح الیاف محدود میشود.
مواد رنگزایی که به طور معمول برای رنگرزی الیاف پلیاستر استفاده میشوند، مواد رنگزای دیسپرس نام دارند. از این ماده رنگزا ابتدا برای رنگرزی استات سلولز و سپس به طور گسترده برای رنگرزی پلی استر استفاده شد. مواد رنگرزای دیسپرس مورد استفاده برای پلیاستر، معمولا نسبت جرم به قطبیت بالایی دارند و نسبت میان آبگریزی و آبدوستی این مواد رنگزا به گونهای است که افینیته مناسب به لیف پلیاتر دارند و در صورت ایجاد شرایط مناسب، پراکنشی پایدار در آب ایجاد مینماید.
این مواد رنگزا از لحاظ ساختار شیمیایی عمدتا در گروههای آزو و آنتراکینون قرار میگیرند. تولید مواد رنگزای آزو راحت و ارزان است و به طور معمول خواص ثباتی خوبی را از خود نشان میدهند. مشکلی که این مواد رنگزا دارند، تمایل آنها به احیا در شرایط دمای بالای رنگرزی و به ویژه در حضور احیاکنندهها است که میتواند در مورد آمینهای آروماتیک منجر به تولید مواد سرطانزا گردد.
خوشبختانه اکثر مواد رنگزای آزوی تجاری جدید، این آمینهای آروماتیک سرطان زا را تولید نمیکنند. مواد رنگزای آنتراکینون نسبت به مواد رنگزای آزون گرانتر هستند. میتوان از این مواد رنگزا برای رنگرزی مخلوط پلیاستر با الیاف مصنوعی دیگر استفاده کرد و این نوع مواد رنگزا ثبات نوری خوبی دارند.
الیاف پلیاستر قبل از رنگرزی نیاز به پیش عملیات دارند اگر چه الیاف مصنوعی (همچون پلیاستر) برخلاف الیاف طبیعی، عاری از هرگونه آلایندههای طبیعی هستند اما نیاز به مرحله آماده سازی قبل از رنگرزی دارند تا روغنها، مومها و هر گرونه عوامل کاتیونی حذف شوند.
این عملیات معمولا با 2 گرم بر لیتر کربنات سدیم و ماده فعال سطحی آنیونی در 40 تا 50 سانتی گراد انجام میشود.
میتوان سازوکار انتقال ماده رنگزا از محلول رنگرزی به لیف را در چهار مرحله توضیح داد که ابتدا مولکول ماده رنگزا از ذرات ماده رنگزا جدا شده و به حالت تک مولکولی حل شده در حمام رنگرزی در میآید.
سپس این مولکولها از محلول به سمت لیف حرکت کرده و روی سطح الیاف قرار میگیرند. پس از آن، به داخل الیاف نفوذ میکنند و در نهایت تثبیت ماده رنگزا در لیف اتفاق میافتد. در طی فرآیند رنگرزی ساختار الیاف باز شده، تا فضای کافی برای ورود مولکولهای ماده رنگزا ایجاد شود. این باز شدن ساختار میتواند توسط مواد شیمیایی مانند کریر و یا با روشهای حرارتی انجام شود. سپس مولکول ماده رنگزا توسط نیروهای فیزیکی نگه داشته میشود و در نهایت ماده رنگزا داخل زنجیرهای پلیمر حبس فیزیکی میشود. با توجه به این موضوع، رنگرزی پلیاستر با مواد رنگزای دیسپرس عمدتا شامل سه روش استفاده از کریر، رنگرزی در دمای بالا و ترموزول میشود.
مواد رنگزای دیسپرس معمولا خواص ثباتی خوبی روی پلیاستر دارند. با این حال به دلیل حلالیت کم، این مواد رنگزا تمایل به تجمع و رسوب روی سطح الیاف دارند. اگر این رسوبات حذف نشوند، میتوانند بر درخشندگی، ثبات شستشویی، سایشی و تصعیدی ماده رنگزا تاثیر نامطلوبی بگذارند.
شستشوی احیایی به روش مرسوم
پس از رنگرزی، به ویژه در عمقهای رنگرزی متوسط به بالا، مولکولهای ماده رنگزا که هنوز به الیاف نفوذ نکردهاند بر روی سطح منسوجات رسوب مینمایند.
مولکولهای ماده رنگزا که جذب سطحی شدهاند اتصال ضعیفی به لیف دارند و زمانی که منسوجات نوسط مصرفکنندگان استفاده میشوند، سبب تغییر رنگ تدریجی منسوجات شده یا در حین شستشو سبب لکه دار شدن نسوجات همراه میگردند یا حتی در حین پوشیدن سبب لکهدار شدن منسوجاتی که در تماس با آن هستند، میشود. همچنین وجود این مواد رنگزای سطحی سبب کاهش ثبات تصعیدی منسوجات میگردد و میتوانند درخشندگی منسوج را نیز تغییر دهند.
ویژگی مواد رنگزای دیسپرس، یعنی حلالیت کم در آب و تشکیل ذرات سطحی چند مولکولی، حذف مواد رنگزای سطحی را دشوار میکند. بنابراین، برای زدودن بهتر و کاملتر این ذرات، فرآیند شستشو با استفاده از عوامل احیاکننده مدنظر قرار گرفت. در کنار مولکولهای ماده رنگزای باقیمانده سطحی، مشکل الیگومرهای سطحی نیز وجود دارد. الیگومرها پلیاسترهایی با وزن مولکولی کوچک هستند که در طی پلیمریزاسیون پلیاتیلن گلیکول با اسید ترفتالیک تشکیل میشوند. پس از رنگرزی و با کاهش دما، الیگومرها از پلیمر خارج شده و به دلیل حلالیت کم در آب روی سطح الیاف رسوب میکنند. این رسوبات سطحی توسط مواد رنگزای دیسپرس رنگرزی نمیشوند. آنها همچنین مراکزی را برای هسته زایی مواد رنگزای دیسپرس ایجاد کرده و در نتیجه پراکنش ماده رنگزا در محلول را مختل میکنند. این الیگومرها در آب محلول نیستند و شستشوی ساده آبی روش موثری برای زدودن آنها نیست و برای زدودن این رسوبات الیگومری عموما نیاز به شستشوی احیایی وجود دارد. در شستشوی احیایی، الیاف پلی استر رنگرزی شده، در حمام احیایی قوی شامل هیدروکسید سدیم و دی تیونیت سدیم و در دمای 70 تا 80 درجه سانتی گراد به مدت 20 تا 30 دقیقه عمل میشود. به طور معمول دی تیونیت سدیم، به عنوان عامل احیاکنند برای شستشوی احیایی پلی استر استفاده میشود. سدیم دی تیونیت، همچنین به عنوان هیدروسولفیت سدیم نیز نامیده شده و معمولا با نام تجاری هیدرو در صنعت شناخته میشود. شکل زیر ساختار دی تیونیت سدیم را نشان میدهد.
بسیاری مواد رنگزای دیسپرس حاوی گروه آزو هستند این گروه به راحتی در عملیات با عوامل احیاکننده به دو گروع آمینه تقسیم میشوند.
در مواد رنگزای دیسپرس بر پایه آزو، مکانهای مزدوج گسترده در مولکول وجود دارد. از بین رفتن این سامانه منجر به از بین رفتن رنگ در ماده رنگزا میشود. شستشوی احیایی از خواص احیایی دی تیونیت سدیم، برای تخریب سامانه کانژوگاسیون مولکولهای ماده رنگزا استفاده میکند. بنابراین دی تیونیت سدیم، ساختار ماده رنگزا آزو را با ارائه یک الکترون، به آمینهای بی رنگ، تبدیل میکند. دو مول دی تیونیت برای احیا یک پیوند آزو مورد نیاز است. شکل زیر سازوکار شستشوی احیایی بر روی مواد رنگزای دیسپرس با ساختار آزو را نشان میدهد.
سازوکار شستشوی احیایی برای مواد رنگزای آنتراکینون توسط سدیم دی تیونیت شامل افزودن یون دی تیونیت به اتم کربن هر گروه کربونیل است. این اتفاق سبب حل شدن مواد رنگزای سطحی آنتراکینونی و زودن آنها میکردد. شکل زیر سازوکار شستشوی احیایی بر روی مواد رنگزای دیسپرس با ساختار آنتراکینونی را نشان میدهد.
روش شستشوی احیایی مرسوم به دلیل احتمال تولید آمینهای سرطانزا در مواد رنگزای با ساختار شیمیایی آزو برای سلامتی انسان مضر بوده و همچنین تقاضای اکسیژن شیمیایی BOD و تقاضای اکسیژن زیستی COD آب را افزایش داده و آلاینده محیط زیست است. این روش زمانبر روده و نیازمند انرژی حرارتی است.
همچنین نیاز به تغییر PH از اسیدی در عملیات رنگرزی به قلیایی در شستشوی احیایی و سپس خنثی سازی محلول، از مشکلات دیگر شستشوی احیایی مرسوم است به عمین علت محققین همواره در تلاش بودهاند تا روشی مناسبتر را جایگزین شستشوی احیایی مرسوم کنند.
روشهای جایگزین شستشوی احیایی مرسوم
روشهای زیادی برای جایگزینی شستشوی احیایی مرسوم ارائه شده است. در ادامه این روشها و مزایا و معایب هر یک، در مقایسه با روش مرسوم ارائه میشود.
1. استفاده از عوامل احیاکننده دیگر
امروزه با توجه به معایب استفاده از دی تیونیت سدیم، تعدادی از تحقیقات به یافتن جایگزینی برای دی تیونیت سدیم اختصاص داده شده است. دو ترکیب آلی محلول در آب که مورد توجه خاص بوده اند، دی اکسید تیواوره (فرمامیدین سولفونیک اسید) و هیدروکسی استن هستند که هر دو در شرایط قلیایی، به عنوان عوامل احیاکننده عمل میکنند که ساختار آنها را در زیر میتوانید ببینید.
در این روش، شستشوی احیایی نمونههای رنگرزی شده در 70 درجه سانتی گراد به مدت 20 دقیقه با استفاده از دی اکسید تیواوره یا هیدروکسی استن انجام شد. پس از انجام عملیات، ثبات شستشویی و ثبات سایشی نمونهها بررسی شدند. با توجه به نتایج مشخص شد که استفاده از این روشها، مادره رنگزای سطحی را جذف کرده و باعث افزایش ثبات شستشویی و سایشی آن شده است. در این روش استفاده از فرمامیدین سولفونیک اسید ( دی اکسید تیواوره) باعث کاهش مقادیر BOD نسبت به روش شستشوی احیایی مرسوم شده بود.
هنگام افزایش دما در محیط قلیایی، پیوند C-S موجود در فرمول شیمیایی فرمامیدین سولفونیک اسید، تحت شکافت ناجور کافت ( Heterolytic ) قرار میگیرد و به اوره و اسید سولفینیک آبکافت میشود.
اسید سولفینیک به آنیون سولفینات تبدیل میشود که خواص احیاکنندگی قوی از خود نشان میدهد. یون سولفینات با اکسیژن موجود در سامانه واکنش میدهد تا یون رادیکال سولفینات، رادیکال سولفیت و دیگر گونههای اکسیژن فعال همراه با سایر محصولات، تجزیه شده و در نهایت منجر به تشکیل سولفات شود. هیدروکسی استن در محیط قلیایی و در دمای بالای 80 درجه سانتی گراد، خواص احیاکنندگی قوی از خود نشان میدهد. این ماده به دلیل وجود گروههای هیدروکسیل و کربونیل و داشتن جرم مولکولی کم محلول در آب است.
2. استفاده از فرآیند مبتنی بر شستشو
3. استفاده از مواد فعال سطحی
3-1. استفاده از مواد فعال سطحی کاتیونی
3-2. استفاده از مواد فعال سطحی غیر یونی
4. استفاده از روشهای اکسیدی
4-1. استفاده از پراکسید هیدروژن
منبع برای مطالعه بیشتر:
