Энергосберегающая технология крашения текстильных материалов из белковых волокон природными красителями с использованием натуральных протрав

УДК 677.027.4                                         DOI:

В качестве протрав при окрашивании белковых волокон чаще всего используют соли металлов: сульфат железа (III), алюминиевые квасцы, сульфат меди. Использование экстракта растительного красителя, различных типов протрав и режимов протравления дают возможность получать окраски шерсти, не уступающие по своим характеристикам окраскам, полученным с помощью синтетических протравных красителей. Получа- емые окраски имеют достаточно широкую гамму «благородных» цветов (Шагина и Азимова, 2014).

Экологический аспект применения протрав заключается в токсичном воздействии на сточные воды, например, сульфат меди является экотоксичным и губителен для живых организмов. Однако алюмокалиевые квасцы — безопасный вариант из имеющихся протрав (Шагина и Азимова, 2014).

Традиционная технология окрашивания натуральными красителями является материало- и энергоемкой. Для получения насыщенных оттенков на материале требуется большой расход заготовленного сырья, длительные процессы замочки с последующим экстрагированием красящего пигмента, последующего этапа крашения, протравление материала. В случае использования наземных частей растения весь цикл занимает около 6—7 часов, подземных частей растения, коры — 12 часов. В связи с этим актуальной задачей является разработка энергосберегающего метода окрашивания текстильных материалов из натуральных волокон с минимальной нагрузкой на окружающую среду.

Целью работы является разработка экологичной энергоэффективной технологии крашения шерстяной пряжи натуральными красителями, позволяющей снизить нагрузку на сточные воды, повысить интенсивности окраски с сохранением колористической гаммы на текстильном материале за счет использования биопротрав. Объекты и методы исследований

Объектом исследований выбрана окрашенная по различным технологиям шерстяная пряжа линейной плотности 200 текс. Красящие вещества извлекались из дробленого корня лапчатки прямостоячей, растение не токсично, широко используется в медицинских целях (Кароматов и Мавлонов, 2017).

В качестве биопротрав использованы сок Aloe Vera, сок квашеной капусты, винная кислота.

Квашеная капуста — пищевой продукт, получаемый из капусты при её молочнокислом брожении (квашении). Молочнокислые бактерии, имеющиеся на поверхности свежей капусты, сбраживают сахара из капустного сока и образуют молочную кислоту (Янченко, 2023). Сок образуется как побочный продукт при квашении в достаточном количестве для использования в технологии крашения натуральными красителями.

Винная кислота — распространенный химический реактив в виде природного соединения. На вид представляет собой вязкий белый или бесцветный кристаллический порошок без запаха, но с ярко выраженным кислым вкусом, как у лимонной кислоты. Вещество хорошо растворимо в воде и спирте. Эта кислота достаточно широко распространена в естественном виде: содержится во многих фруктах и ягодах, например, в винограде и рябине.

Этапы технологии крашения натуральными красителями по традиционной технологии (схема 1) и по предлагаемой энергоэффективной технологии (схема 2), представлены на рисунке 1.

схема 1                                   схема 2

Рисунок 1 – Схемы процесса крашения шерстяной пряжи природными красителями

Figure 1 – Schemes of the process of dyeing wool yarn with natural dyes

Согласно схеме 1 корни лапчатки подвергают дроблению и замачивают на 8 часов, после чего экстрагируют растительное сырье в среде горячей воды с температурой 75 оС в течение 100—120 минут, модуль ванны 1:30. Далее раствор отфильтровывают. Пряжу отдельно протравливают в 1 % растворе алюмокалиевых квасцов при температуре 50 °С, в течении 60 минут. Крашение проводят при температуре 90—95 °С в течении 60 минут, модуль ванны 1:50. Для придания пряже более глубокого оттенка проводят ее обработку в теплом слабощелочном растворе (0,25 % раствор аммиака).

Авторами статьи предлагается сокращенная экологичная схема крашения, отличительными особенностями которой являются:

• —    многочасовой процесс замочки заменен на замочку сырья в течении 20 минут с последующей ультразвуковой обработкой корней лапчатки в течении 40 минут при мощности генератора 70 Вт. Это позволит ускорить процесс вытеснения пузырьков воздуха из клеток растения за счет звукокапиллярного эффекта. Ультразвуковая подготовка интенсифицирует последующий процесс экстракции, рабочий раствор имеет более насыщенный оттенок при меньшем расходе сырья (Скобова, Ясинская и Горохова, 2024);

• —    совмещены процессы экстрагирования, крашения и протравления. В красильную ванну добавляют ¹/2 часть от требуемого объема холодной воды и помещают озвученное сырье. Постепенно нагревая ванну до

требуемой температуры проводят экстрагирование в течении 40 минут. Затем вводят в полученный раствор оставшуюся часть холодной воды с добавлением протрав, температура ванны при этом понижается до 40— 45 °С. Погружают в красильную ванну смоченные образцы пряжи и выдерживают в течение 10 минут без повышения температуры. Затем повышают температуру до требуемой и ведут крашение пряжи в течении 30 минут. Модуль ванны 1:50;

• —    для протравления пряжи использовались биопротравы: 2 % раствор винной кислоты, 4 % раствор сока Aloe Vera, неразбавленный сок квашеной капусты. Красильная ванна с Aloe Vera имела рН = 4,4, с винной кислотой рН = 1,7, с соком квашеной капусты рН = 3,3.

Начальная температура экстрагирования влияет в дальнейшем на цвет окрашиваемого материала (Ёлкина, 1980). Поэтому на этапе совмещенного процесса экстрагирования, крашения и протравливания устанавливали три уровня температуры: 60, 80, 100 °С для сравнения получаемых на пряже колористических оттенков (рисунок 2).

Рисунок 2 – Технологический режим совмещенного процесса экстрагирования, крашения и протравливания Figure 2 – Technological regime of the combined process of extraction, dyeing and etching

Степень выбираемости красителя волокном определяли спектрофотометрическим методом. В работе использовали спектрофотометр Solar 2201PB, работающий в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Исследования проводились в режиме поглощения на длине волн от 240 нм до 680 нм.

Результаты исследований

Спектрограммы красильных растворов корня лапчатки (без разбавления), взятых из красильной ванны после процесса окрашивания по схеме 2, представлены на рисунке 3, где кривая 1 при температуре крашения 100 °С, 2 — 80 °С, 3 — 60 °С.

Анализ спектрограмм показывает, что низкая температура экстракции и последующего крашения не поз- воляет в полной мере извлекать красящие вещества из корней лапчатки, а также снижает скорость диффузии красителя в волокно. Максимум спектра приходится на длину волны 340 нм и в интервале 500—550 нм отмечаются множественные пики (рисунок 3 б, 3 в, 3 г). Различие в выбираемости красящих веществ волокном прослеживается на длине волны 550 нм. Максимум спектра соответствует температуре ванны 80 °С, дальнейшее повышение температуры ухудшает процесс диффузии красителя. При крашении в растворе сока квашеной капусты лучшая выбираемость красителя соответствует температуре ванны 100 °С.

Цветовая гамма образцов пряжи, полученных по схеме 1 (рисунок 4) значительно светлее, чем у образцов по

а б (b)

в (c)

г (d)

Рисунок 3 – Спектрограммы красильных растворов после крашения: а – без протрав; б – в присутствии сока Aloe Vera; в – в присутствии винной кислоты; г – в присутствии сока квашеной капусты

Figure 3 – Spectrograms of dyeing solutions after dyeing: a – without mordant; b – in the mordant of Aloe Vera juice; c – in the mordant of tartaric acid; d – in the mordant of sauerkraut juice

1 – контрольный образец (без протравы),

2 – протрава Aloe Vera, 3 – протрава соком квашеной капусты, 4 – протрава винной кислотой Рисунок 4 – Образцы пряжи по схеме 1 Figure 4 – Yarn samples according to Scheme 1

Рисунок 5 – Результат окрашивания пряжи по энергосберегающей технологии Figure 5 – Result of yarn dyeing using energy-saving technology

схеме 2 (рисунок 5, при 100 °С), что подтверждает эффективность сокращенной схемы окрашивания.

Сравнительный анализ колористических эффектов полученных на образцах (рисунок 5) показывает, что при экстрагировании и крашении при температуре 60 °С на пряже получают мягкие пастельные тона: цвет шампанского с использованием Aloe Vera, пыльной розы — с винной кислотой, кремовый оттенок — сок квашеной капусты. По мере увеличения температуры красильной ванны цвет пряжи становится насыщенным, более яркие оттенки соответствуют пряже окрашенной в присутствии винной кислоты. Крашение при максимальной температуре придает пряже яркие, мало различимые цветовые решения, но более насыщенным является цвет, также полученный при использовании винной кислоты.

Анализ полученных результатов

По результатам фитохимического анализа подземных частей лапчатки прямостоячей выявлено присутствие фенольных соединений, в частности, дубильных веществ (танинов) и флавоноидов, проявляющихся на длине волны 280 и 380—410 нм соответственно [Серга-лиева, 2023], цвет растворов всех образцов — темно-коричневый.

Дубильные вещества выделяются из растительного сырья в виде смеси полимеров и представляют собой аморфные вещества желтого или желто-бурого цвета, в растениях встречается смесь гидролизуемых и конденсированных дубильных веществ. Танины содержат большое количество групп -ОН, в связи с чем способны образовывать прочные межмолекулярные связи с белками. Под действием кислот гидролизуемые дубильные вещества распадаются на составные части, конденсированные дубильные вещества — полимеризуются, цвет растворов темнеет (Голиков, 2020).

Анализ спектрограмм растворов без протрав показывает, что при температуре 80 °С достигается максимальная миграция молекул дубильных веществ в волокно, вызванная особой связью с функциональной областью волокна (-NHCO = шерсть) и функциональными группами красителя (-OH или -OH и -C = O) за счет переноса ионов в системе (Botteri et al., 2022).

Выводы

В результате проведенных исследований установлено:

• —    окрашивание шерстяной пряжи водным раствором корней лапчатки целесообразно проводить при температуре рабочей ванны 80 °С, что обеспечит максимальную диффузию молекул красителя в волокно;

• —    снижение температуры крашения со 100 до 80 °С, а также применение совмещенного способа экстрагирования и крашения снижает энергоемкость технологии крашения природными красителями;

• —    кислая рН красильной ванны позволяет получить более насыщенные оттенки на пряже и повысить стойкость пряжи к мокрым обработкам.