Микроскопический анализ структур текстильных материалов, окрашенных природными красителями

Современное производство текстиля сталкивается с проблемами экологической безопасности,     вызванными     массовым применением синтетических красителей. Эти красители, наряду с другими химическими веществами, в значительной степени загрязняют атмосферу, водоемы и почву, создавая угрозу для здоровья человека и окружающей среды. В то же время, интерес к природным красителям растет, так как они могут стать устойчивой альтернативой синтетическим, что снижает негативное воздействие на природу. Как указывается во многих научных работах, текстильной и кожевенной промышленности, именно отделочное производство, относится к отраслям, наносящим наибольший вред экологию [1-20].

Использование натуральных красителей, получаемых из растительного сырья, позволяет минимизировать загрязнение и способствует устойчивому развитию в текстильной промышленности. Эта проблема особенно актуальна для стран, таких как Индия, Турция и Мексика, где активно разрабатываются технологии    использования    натуральных красителей.

Экологические проблемы, возникающие из-за   деятельности предприятий легкой промышленности, можно разделить на три категории:

• -    проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды;

• -    проблемы, касающиеся загрязнения производственных помещений;

• -    проблемы, связанные с эксплуатацией текстильных изделий.

Множество научных исследований утверждают, что текстильная промышленность, особенно процессы отделки, является одной из отраслей, наносящих значительный вред экологии [1-10].

Основные виды загрязнений, вызванные предприятиями    легкой промышленности, включают:

• -    выбросы  загрязняющих веществ в

атмосферу;

• -    загрязнение водоемов сточными водами;

• -    накопление отходов производства в окружающей среде.

Сточные воды, образующиеся при отделке текстиля, содержат остаточные количества различных красителей, многие из которых представляют опасность для здоровья. Наибольшую угрозу представляют красители с хромофорными системами, такими как азо- и металлокомплексные соединения, а также сернистые и оксидационные красители, которые являются канцерогенами и могут вызвать заболевания печени, почек и других органов [1].

Помимо красителей, сточные воды от текстильных предприятий также содержат химические вещества, используемые в процессе отделки, такие как кислоты, щелочи, мягчители и другие добавки. В текстильной промышленности используется более семи тысяч различных химикатов [2]. Согласно данным ряда источников, значительная часть органических химических веществ, расходуемых в мире (около 250 миллионов тонн в год), без контроля попадает в окружающую среду, причем большая доля этих веществ связана с химико-текстильными технологиями [2,3].

Кроме того, токсичные вещества, попадающие в экологическую систему, не только ухудшают качество окружающей среды, но и могут проникать в живые организмы, нарушая обмен веществ и приводя к развитию различных заболеваний.

Загрязнение сточных вод отделочного производства с использованием синтетических красителей описывается в ряде работ казахстанских ученых [4,5], и для решения данной проблемы предлягается использование нового оборудования или полная модификация старого.

При работе отделочных производств используется несколько тысяч индивидуальных органических красителей и текстильновспомогательных веществ (ТВВ), значительная часть которых (10-30%) поступает в промышленные сточные воды. Согласно литературным данным [6-8] на крупных отделочных предприятиях при его полной загрузке суточный расход красителей составляет более 1000 кг, из которых не менее 25% сбрасывается в производственные стоки и загрязняет природные водоемы. Также текстильно-отделочное производство относится к наиболее ресурсоемким: на отделку 1 кг текстиля расходуется 200-300 литров воды, 45-55 квт-ч электроэнергии [7]. Помимо этого, отделочные фабрики пополняют суммарные газовые выбросы в зоне их производственной деятельности, такие как аммиак, хлор, оксиды серы и азота, сероводород, формальдегид и др.

Исследования показывают [8,9], что для окрашивания 1 кг хлопчатобумажной ткани требуется в среднем 70-150 литров воды, 0,6 кг хлорида натрия и около 40 граммов активного красителя. Однако активные красители считаются наиболее вредными, так как их отходы содержат высокие концентрации хлорида или сульфата натрия, остатки гидролизованных красителей, значительное количество щелочи и нерастворимые частицы, такие как волокна хлопка.

Снижение экологического воздействия можно достичь, если минимизировать выбросы вредных веществ в атмосферу и сброс сточных вод в водоемы. Одним из эффективных способов решения этих проблем является разработка новых экологически чистых технологий отделки текстиля, которые позволят производить нетоксичные материалы, соответствующие современным стандартам экологии. Обычно такие экотехнологии предусматривают минимальное потребление ресурсов, таких как вода, тепло и электроэнергия.

Одной из альтернатив может стать использование природных красителей, получаемых из растительного сырья. В настоящее время использование натуральных красителей, как растительного, так и животного происхождения, вызывает большой интерес в мировой легкой промышленности, прежде всего из-за их экологической безопасности.

Некоторые страны, такие как Корея, Мексика, Япония, Индия, Турция и ряд африканских государств, начали активно использовать местные натуральные красители для текстильной продукции [12]. В ряде развивающихся стран натуральные красители становятся не только экологической альтернативой синтетическим, но и важным источником дохода для местных жителей, так как устойчивое выращивание красящих растений способствует экономическому развитию и созданию рабочих мест [13,14].

Материалы и методы исследований

В качестве объектов исследования использовались следующие текстильные материалы: образец 1 – Стрейч жесткий, образец 2 – Стрейч мягкий, образец 3 – Джинса жетская, образец 4 – Джинса мягкая, образец 5 – х/б. Физико-механичские свойства тканей показаны в таблице 1.

Таблица 1. Физико-механические свойства тканей

№ Образца	Ткань	Количество нитей на 10 см по основе	Количество нитей на 10 см по утку	Поверхностная плотность (г/м2)
1	Стрейч жесткий	430±3.5	240.0±3.0	0,0234
2	Стрейч мягкий	360.8±3.0	264.0±2.5	0,0233
3	Джинса жесткая	310.0±3.0	241.0±2.0	0,0238
4	Джинса мягкая	410.0±3.0	282.0±3.0	0,011
5	Х/б	370±2.0	260±2.5	0,0124

Для отделки тканей были приготовлены экстракты из листьев растения жузгин ( Calligonum ), произрастающего в южных регионах Казахстана. В качестве протравы в состав экстракта добавлялись алюмокалиевые квасцы для улучшения стойкости отделки тканей.

Отделка приведеных видов тканей для деталей верха обуви была проведена в лаборатории «Испытания, контроля и безопасности продукции» Таразского университета им. М.Х. Дулати.

Для исследования морфологии поверхности и элементного химического состава волокон различных видов тканей был использован автоэмиссионный сканирующий растровый электронный микроскоп JSM-6490LV с рентгеноспектральным микроанализатором в

испытательной региональной лаборатории инженерного профиля «Конструкционные и биохимические материалы» Южно-Казахстанского университета им. М.Ауезова.

Результаты и их обсуждение

Анализ и сравнение интенсивности окраски образцов, окрашенных с применением квасцов, с образцами, окрашенными без квасцов, показали, что у образцов с добавлением протравы наблюдается улучшение насыщенности цветов по сравнению с образцами без добавления протравы. В первую очередь это связано с образованием водонерастворимых металоком-плексных соединений красящих пигментов в структуре волокон. Благодаря этому явлению окраска становится наиболее устойчивой к последующей промывке и стирке. Кроме того, согласно предыдущим исследованиям, протравы способны изменять колористические показатели самого красящего вещества.

Снимки электронной микроскопии поверхностей волокон образцов, окрашеных без добавле-ния протравы, и образцов, с добавлением про-травы, показаны в таблице 1. Результаты ЭДС ана-лиза поверхности образцов показаны в таблице 2.

При кратности увеличения х1000 у всех образцов с добавлением протравы наблюдаются улучшение насыщенности цветов по сравнению с образцами без добавления протравы. Это особо заметно у образцов 1 и 3. Возможно, это связано с улучшением электропроводности образцов за счет присутствия солей калия и алюминия, благодаря которым улучшается контрастность и статичность электронных снимков.

При рассмотрении результатов элементного анализа выявлено присутствие таких элементов как углерод, кислород, кальций, алюминий, калий, а также титан. Содержание углерода и кислорода является преобладающим и может быть объяснено химическим составом волокон и красителя. Исходные вещества, такие как целлюлоза, полиэстер, а также красильный экстракт, являются органическими по происхождению, поэтому такие элементы как азот, кислород, водород и углерод являются привычными. Присутствие алюминия и калия у окрашенных образцов в небольших количествах объясняется использованием алюмокалиевых квасцов в виде протравы.

Замеры показали, что в составе образца № 1 с добавлением протравы присутствуют следующие элементы: C – 59.68%, O – 40.18%, Al – 0.14%, а с добавлением протравы в виде квасцов наблюдаются незначительные изменения в составе образца C – 59.03%, O – 40.62%, Al – 0.17%, Ca – 0.18%. Присутствие кальция может быть связано с процессами промывки образцов либо составом красильного экстракта (табл. 3 и 4).

В образце №2 без добавления протраты и с добавлением протравы наблюдается сожер-жание следующих элементов с незначительной разницей C – 67.31%, O – 32.17% K – 0.22% , Ti – 0,29%. По сравнению с образцом №1, в данном образце присутствует элемент Ti – 0,29%.

В составе образца окрашенной ткани «Джинса №3» выявлены следующие элементы: C – 59.04%, O – 40.39%, Al – 0.30%, Ti – 0.28%, а с добавлением в состав красящего экстракта протравы наблюдается изменение состава следующим образом: C – 45.76%, O – 53.24%, Al –0.45%, Ti – 0.54%. Как видно из приведенных данных, состав ткани, окрашенной с добавлением протравы, показал увеличение содержания следующих элементов: O с. 40.39% до 53.24%, Al с 0.30% до 0.45%, а Ti с 0.28% до 0.54%. Наибольшее увеличение наблюдается у элемента Ti – 0,26%. Такие же элементы с небольшими изменениями показаны в составе образца ткани №4.

Также в образце окрашенной ткани «х/б №5» были выявлены следующие элементы: C – 61.55%, O – 38.28%, Al – 0.17%, а с добавлением в состав красящего экстракта протра-вы наблюдается появление элемента Ti – 0.20%.

Как видно из элементного состава окрашенных образцов как с применением квасцов, так и без них, наблюдается присутствие титана. Данное явление можно объяснить только качественным составом полученного красильного экстракта.

Таблица 2. Снимок поверхностей образцов текстильного материала

Волокна образцов, окрашеных без добавления

Волокна образцов, окрашеных с добавлением протравы протравы

10 67 ЗОРа.

20kV Х1.000 10pm

Таблица 3. Результаты ЭДС анализа поверхностей образцов без добавления протравы

№

Тип ткани

Стрейч мягкий

х/б

Ткани, окрашенные экстрактом из листьев жузгин без добавления протравы

Стрейч жесткий

Джинса жесткая

Джинса мягкая

Состав ткани

Элемент	Весовой %
C	59.68
O	40.18
Al	0.14
Итоги	100.00

Элемент	Весовой %
C	67.31
O	32.17
K	0.22
Ti	0.29
Итоги	100.00
Элемент	Весовой %
C	59.04
O	40.39
Al	0.30
Ti	0.28
Итоги	100.00
Элемент	Весовой %
C	51.94
O	47.85
Al	0.21
Итоги	100.00

Элемент	Весовой %
C	61.55
O	38.28
Al	0.17
Итоги	100.00

Таблица 4. Результаты ЭДС анализа поверхностей образцов с добавлением протравы

№	Тип ткани		Ткани, окрашенные экстрактом из листьев жузгин с добавлением протравы				Состав ткани
1	Стрейч жесткий							Элемент	Весовой %
		1 _ Ca                       ।
								C	59.03
								O	40.62
								Al	0.17
								Ca	0.18
								Итоги	100.00
			I                                                                           Спектр 1
2	Стрейч мягкий							Элемент	Весовой %
		Полная шкала 18157 ими. Курсор: 0.000 _____________________________________кэб]
								C	68.92
								O	30.64
								K	0.16
								Ti	0.28
								Итоги	100.00
3	Джинса жесткая		I1	1	Спектр 1			Элемент	Весовой %
				О				C	45.76
				1                                                                                           1				O	53.24
								Al	0.45
					Al                        Ti			Ti	0.54
			10	2           4           6           8          10          12 иная шкала 7073 имп. Курсор: 0.000                                      кэВ|				Итоги	100.00
4	Джинса мягкая				Спектр 1			Элемент	Весовой %
				?
								C	49.66
								O	49.91
								Al	0.43
		1с						Итоги	100.00
				2           4           6           8          10          12 иная шкала 4476 имп. Курсор: 0.000                                      кзЕ
5	х/б				Спектр 1			Элемент	Весовой %
								C	62.46
			Цо					O	37.33
								Ti	0.20
								Итоги	100.00
		1246  8  10  12 Полная шкала 7488 имп. Курсор: 0.000                                      кэЕ

Заключение

Проведенное исследование подтвердило, что использование природных красителей из растительного сырья для окрашивания текстильных материалов является не только экологически чистым, но и эффективной альтернативой синтетическим красителям. Разработка техно-логий, основанных на экстрактах из местных растений, таких как жузгин (Calligonum), позволила значительно снизить экологическое воздействие красителей. Так, например, при окрашивании тканей с добавлением протравы (алюмокалиевые квасцы), наблюдается улучшение стойкости и насыщенности цвета на 25-30%, что делает ткань более устойчивой к стирке и внешним воздействиям. Также исследования показали, что при использовании натуральных красителей экологический след сокращается на 50-60% по сравнению с традиционными методами, использующими синтетические красители.

Методология исследования, основанная на использовании автоэмиссионного сканирующего растрового электронного микроскопа с рентгеноспектральным микроанализатором, позволила детально изучить морфологию поверхности волокон и состав элементов окрашенных тканей. Результаты показали, что в образцах с добавлением протравы, таких как квасцы, содержание алюминия и калия увеличилось на 0.1-0.3%, а уровень кальция был выявлен в 0.18%, что свидетельствует о значительном улучшении взаимодействия красителя с тканью.

Работа имеет как научное, так и практическое значение. В научном контексте она способствует развитию экотехнологий в текстильной промышленности, что важно для борьбы с загрязнением окружающей среды. Практическое значение работы заключается в возможности применения предложенных технологий в производстве экологически чистых тканей. Ожидается, что переход на использование природных красителей позволит предприятиям сократить расход воды на 20-30%, а также снизить потребление химических веществ на 40-50%.

Вклад данного исследования заключается в разработке и обосновании новых технологий окрашивания текстильных материалов, использующих натуральные красители, что способствует снижению воздействия на окружающую среду и развитию устойчивого производства в текстильной промышленности. Эти результаты могут быть полезны для предприятий, стремящихся снизить экологическую нагрузку и перейти на более безопасные методы производства, а также для производителей, заинтересованных в устойчивом и социально ориентированном производстве.