Tối ưu hóa quá trình nhuộm vải tơ tằm bằng dịch chiết từ quả mặc nưa

2013 International symposium on Chemical Engineering (ISCE2013) October 30- 31, 2013, Ho Chi Minh City, Vietnam TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH NHUỘM VẢI TƠ TẰM BẰNG DỊCH CHIẾT TỪ QUẢ MẶC NƯA Phạm Thị Hồng Phượng1, Hoàng Thị Lĩnh2, Trần Trung Kiên2, Lê Võ Sơn Quân1 Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM, 2Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Mail: pthphuong78@gmail.com TĨM TẮT Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình nhuộm vải tơ tằm với dịch chiết từ mặc nưa Dịch mặc nưa chiết dung môi nước nhiệt độ thường theo tỷ lệ mặc nưa nước 1:20, tỷ lệ mặc nưa sử dụng so với vải 5:1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nhuộm khoảng từ 75÷95oC, thời gian nhuộm 1÷3 số lần nhuộm 1÷20 lần đến cường độ màu vải tơ tằm Sản phẩm nhuộm đạt tiêu độ bền màu với xử lý ướt cao, đạt đến cấp 4–5; đồng thời độ tăng khối, độ hút ẩm vải sau nhuộm tăng lên đáng kể Từ khóa tơ tằm, mặc nưa, Lãnh Mỹ A ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm qua, với kết nghiên cứu giới, ngành dệt nhuộm nước có chuyển vượt bậc trước nguy suy thối mơi trường Đó vấn đề sử dụng thuốc nhuộm có nguồn gốc tự nhiên từ cây, quả, hoa, lá…thay cho thuốc nhuộm tổng hợp Mặc nưa có tên khoa học Diospyros mollis Griff loại nhóm gỗ nhỏ thuộc họ Thị, mặc nưa hình cầu, màu xanh, đường kính khoảng 1-2 cm, chín có màu vàng, trồng nhiều Campuchia, Lào, Thái Lan, Myanma Mặc dù mặc nưa loại sử dụng loại thuốc nhuộm màu đen để nhuộm vải tơ tằm, mà sản phẩm tiêu biểu lụa Lãnh Mỹ A, Tân Châu thời tiếng khắp Nam Bộ xuất vào thập niên 80[1,2,3,4] Nhưng bị mai quy trình sản xuất dài, tốn nhiều thời gian nguyên liệu, giá thành sản phẩm cao, suất thấp, nhuộm màu đen, chưa đảm bảo độ bền màu ma sát sản phẩm không đáp ứng nhu cầu sản xuất cơng nghiệp hàng hóa số lượng lớn Chính thế, mục tiêu nghiên cứu tối ưu hóa trình nhuộm tơ tằm dịch chiết từ mặc nưa theo phương pháp tận trích, đề xuất quy trình nhuộm tối ưu, tiết kiệm thời gian, tạo nhiều gam màu từ ghi xám đến đen, thân thiện môi trường NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu CE-090 355 2013 International symposium on Chemical Engineering (ISCE2013) October 30- 31, 2013, Ho Chi Minh City, Vietnam Vải tơ tằm có nguồn gốc từ làng nghề Nha Xá, xã Mộc Nam, huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam Quả mặc nưa thu gom công viên Gia Định, thành phố Hồ Chí Minh vào thời điểm từ tháng 04 đến tháng 11, mặc nưa dùng để nhuộm lớn xanh 2.2 Phương pháp nghiên cứu Cách tiến hành: Quả mặc nưa sau thu gom bảo quản tủ lạnh ngâm dung dịch có chất bảo quản kali sorbat từ 5÷7 ngày giữ màu xanh tươi Quả mặc nưa sơ chế, xay nhuyễn theo tỷ lệ nước thích hợp Sau khuấy hỗn hợp vắt loại bỏ bã, thu dịch mặc nưa có màu vàng xanh, mùi Vải cho vào dung dịch nhuộm nhiệt độ phịng ngâm khoảng 5÷10 phút, tiến hành nhuộm máy nhuộm winch khảo sát yếu tố ảnh hưởng Sau tiến hành giặt ấm nhiệt độ 50oC, giặt lạnh xả Sau lần nhuộm, giặt nhẹ, hong khô, cân khối lượng vải tính tốn cường độ màu vải, kiểm tra tiêu bền màu với giặt, clo mồ hôi Trong nghiên cứu đề cập đến yếu tố thời gian, nhiệt độ số lần nhuộm Xác định cường độ màu thông qua độ tăng khối: dịch mặc nưa nhuộm tơ tằm cho màu trắng xám đến đen tuyền thuộc tông màu ghi có bước sóng nằm ngồi vùng khả kiến nên đánh giá cường độ màu theo mật độ quang khơng xác; đồng thời chất màu tự nhiên gắn màu lên vải thường diễn theo chế tạo màng, màu đậm lớp màng dày lên Phương pháp xác định tiến hành sau: mẫu vải trước nhuộm sấy khô 35oC 30 phút, để nguội bình hút ẩm, đem cân, tiếp tục sấy 30 phút cân lại đến khối lượng khơng đổi, khối lượng tuyệt đối Đem mẫu vải nhuộm, sau nhuộm xong, giặt sạch, hong khơ làm tương tự trình tự để xác định khối lượng khô tuyệt đối Cường độ màu tính theo cơng thức (1) với I: cường độ màu, P1: khối lượng khô tuyệt đối mẫu trước nhuộm, P2: khối lượng khô tuyệt đối mẫu sau nhuộm, S: diện tích mẫu nhuộm (m2), t : thời gian thí nghiệm (giờ) I = P2 − P1 ( g / m / h) S ×t (1) Kiểm tra độ bền màu sản phẩm sau nhuộm: Độ bền màu giặt theo tiêu chuẩn ISO 105 (C0-C06), độ bền màu với Clo theo tiêu chuẩn ISO 105-E03, độ bền màu với mồ hôi theo tiêu chuẩn ISO 105-E04[5] Thiết lập mơ hình thực nghiệm: Sử dụng phương pháp luân phiên biến để nghiên cứu tác động yếu tố ảnh hưởng đến cường độ màu vải, đồng thời xác định tâm quy hoạch cho phần làm tối ưu thực nghiệm Mục tiêu tối ưu hóa cường độ màu vải để đạt đến màu đen truyền thống, đảm bảo độ bền màu đạt độ lặp lại màu cao triển khai sản xuất cơng nghiệp Xây dựng mơ hình thực nghiệm theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm TĐY 23 với tâm quy hoạch vừa tìm Xây dựng phương trình hồi quy tính tốn tìm trình nhuộm tối ưu theo phần mềm SAS phiên 9.1 chạy Windows Mơ hình chọn mơ hình tuyến tính: ŷ = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3 Thực nghiệm thực thực nghiệm yếu tố tồn phần (TYT): có k yếu tố yếu tố có n mức số thí nghiệm phải thực là: N = nk = 23 = Hàm mục tiêu y cường độ màu vải tơ tằm sau nhuộm I; yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu gồm: Z1 số lần nhuộm (lần); Z2 nhiệt độ nhuộm (oC); Z3 thời gian nhuộm (giờ) [6,7] Kết thí nghiệm phân tích phương sai nhân tố ANOVA (Anova single factor) so sánh sai khác giá trị trung bình phương pháp DUNCAN (Duncan’s Multiple Range Test) phần mềm thống kê SAS, phiên 9.1 chạy Windows CE-090 356 2013 International symposium on Chemical Engineering (ISCE2013) October 30- 31, 2013, Ho Chi Minh City, Vietnam KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ màu phương pháp luân phiên biến Hình Ảnh hưởng số lần nhuộm đến cường độ màu Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến cường độ màu Hình Ảnh hưởng thời gian đến cường độ màu vải Ảnh hưởng số lần nhuộm: Kết thí nghiệm xử lý phương pháp ANOVA, so sánh sai khác giá trị trung bình phương pháp DUCAN phần mềm SAS, biểu diễn đồ thị hình Kết xử lý số liệu cho thấy khác biệt cường độ màu số lần nhuộm nằm khoảng 5÷10, số lần nhuộm 15 20 khơng có sai khác với mức ý nghĩa α = 0.01 có cường độ màu cao Tuy nhiên số lần nhuộm 20 cường độ màu khơng có sai khác rõ rệt Đồng thời, xét mặt kinh tế chọn số lần nhuộm 15 lần thích hợp cường độ màu cao Ảnh hưởng nhiệt độ nhuộm: Kết thí nghiệm xử lý phương pháp ANOVA, so sánh sai khác giá trị trung bình phương pháp DUCAN phần mềm SAS, biểu diễn đồ thị hình Kết xử lý số liệu cho thấy tăng nhiệt độ từ 75÷95oC cường độ màu vải nhuộm tăng đạt cao 85oC Điều xảy nhờ tăng nhiệt độ tốc độ nhuộm cao hơn, xuyên thấu thuốc nhuộm tốt hơn, khuếch tán nhanh, màu tốt Tăng nhiệt độ làm cấu trúc tơ tằm mở ra, tính linh động phân tử màu tăng vượt qua rào cản lượng hoạt hóa q trình nhuộm Tuy nhiên, để đảm bảo tính chất mềm mại, hút ẩm tốt tơ tằm tránh bị cứng nhuộm nhiệt độ cao nên chọn nhiệt độ thích hợp 85oC Ảnh hưởng hưởng thời gian nhuộm: Kết thí nghiệm xử lý phương pháp ANOVA, so sánh sai khác giá trị trung bình phương pháp DUCAN phần mềm SAS biểu diễn đồ thị hình Kết xử lý số liệu cho thấy, cường độ màu vải đạt giá trị cao thời gian nhuộm sau có xu hướng giảm dần kéo dài thời gian nhuộm Điều phù hợp với kết nhuộm thực tế sản xuất, việc kéo dài thời gian nhuộm khơng tốt cho q trình nhuộm vải tơ tằm gây q trình biến đổi số hợp chất dịch mặc nưa, ảnh hưởng đến liên kết hydro cấu trúc tơ tằm làm cho độ bền lý củavải tơ tằm sau nhuộm giảm Chính vậy, cường độ màu đạt giá trị cao 19.429 (g/m2/h) thời gian Nếu tiếp tục tăng thời gian nhuộm ảnh hưởng không tốt đến cường độ màu; điều thể rõ giá trị cường độ màu 2.5 19.394 (g/m2/h), 18.871(g/m2/h) 3.5 17.245 (g/m2/h) 3.2 Quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa Kết chọn mơ hình thực nghiệm thí nghiệm theo mơ hình trình bày bảng CE-090 357 2013 International symposium on Chemical Engineering (ISCE2013) October 30- 31, 2013, Ho Chi Minh City, Vietnam Bảng Mơ hình thực nghiệm TYT 23 kết thí nghiệm theo mơ hình Số thí nghiệm 10 11 Số lần nhuộm Z1 10 20 10 20 10 20 10 20 15 15 15 Nhiệt độ nhuộm Z2 80 80 90 90 80 80 90 90 85 85 85 Thời gian nhuộm Z3 1.5 1.5 1.5 1.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2 Cường độ màu Y 16 17.1 16.9 21.1 19.5 20.1 18.4 21.7 20.3 20.9 20.5 Để việc tính tốn thuận lợi, ta chuyển từ hệ trục tự nhiên Z1, Z2, Z3 sang hệ trục khơng thứ ngun Giá trị trung bình thí nghiệm tâm phương án để xác định phương sai tái Giá trị trung bình thí nghiệm tâm: y0 = ∑y j =1 j n0 = 20.3 + 20.9 + 20.5 61.7 , = = 20.57 3 với n0 số thí nghiệm tâm n0 = 3; phương sai tái tính Sbj=0.108 Kiểm định tính ý nghĩa hệ số kiểm định theo tiêu chuẩn Student Kết nhận phương trình hồi qui có dạng: ŷ =18.85 + 1.15x1 + 0.675x2 + 1.075x3 + 0.725x12 - 0.55x23 Kiểm định tương thích mơ hình thực nghiệm thực theo tiêu chuẩn Fisher Tra bảng F1-p(f1,f2) với p = 0.05, f1 = N – l = – = 2, f2 = n0 – = – = 2; F0,95(2,2)=19,2; ta có F < F1-p(f1,f2) phương trình hồi quy tìm tương thích Như phương trình biến thực là: y = -54.35 – 2.235Z1 + 0.14Z2 + 20.85Z3 + 0.029Z1Z2 – 0.22Z2Z3 (2) Phương trình (2) cho thấy cường độ màu vải tơ tằm sau nhuộm phụ thuộc vào yếu tố: số lần nhuộm, nhiệt độ nhuộm thời gian nhuộm tỷ lệ thuận với chúng Như vậy, tăng yếu tố cường độ màu tăng ngược lại Ngoài ra, việc tăng hay giảm cường độ màu phụ thuộc vào tương tác cặp yếu tố ảnh hưởng lẫn nhau, tăng tương tác số lần nhuộm với nhiệt độ nhuộm cường độ màu tăng tăng tương tác nhiệt độ nhuộm thời gian nhuộm cường độ màu giảm Điều chứng tỏ yếu tố ảnh hưởng lớn đến trình nhuộm cường độ màu vải tơ tằm sau nhuộm Tối ưu hóa thực nghiệm thực phương pháp đường dốc nhất, điểm không, mức sở: x1 = 15 lần; x2 = 85oC; x3 = Chọn bước chuyển động yếu tố x1 δ1=1 Mục tiêu đề tài tìm thơng số tối ưu để cường độ màu cao nhất: y = f(x1, x2, x3), ymax = Max y(x1, x2, x3) Sử dụng chương trình SAS để tìm giá trị x1, x2, x3 để y đạt cực đại với miền ràng buộc: -1 ≤ x1, x2, x3 ≤ 1; chuyển sang biến thực: Zj = xj*ΔZj + Z0j Xử lý tối ưu phần mềm SAS 9.1 kết giải toán trình bày sau: x1 x2 x3 Z1 (lần) Z2(oC) Z3(giờ) ymax 0.3138 0.495 0.81 16.569 87.475 2.405 21.8 Từ kết cho thấy điểm tối ưu cho cường độ màu vải tơ tằm thông số ảnh hưởng đến trình nhuộm đạt sau: số lần nhuộm 16.567 lần (≈ 17 lần), thời gian nhuộm 2.405 (≈ 2.4 giờ), nhiệt độ nhuộm 87.4750C (≈ 880C) Tuy nhiên, giá trị lớn cường độ màu không nằm điểm mà vùng lân cận xung quanh điểm tối ưu KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho thấy thời gian nhuộm, nhiệt độ nhuộm số lần nhuộm ảnh hưởng lớn đến cường độ màu vải tơ tằm sau nhuộm dịch chiết mặc nưa Khi tăng thời CE-090 358 2013 International symposium on Chemical Engineering (ISCE2013) October 30- 31, 2013, Ho Chi Minh City, Vietnam gian nhuộm, nhiệt độ nhuộm số lần nhuộm cường độ màu tăng lên ngược lại; cường độ màu đạt tốt 21.8 (g/m2/h) Vải tơ tằm sau nhuộm kiểm tra với tác nhân khác giữ màu sắc bền vững, độ bền màu đạt cấp 4-5 Kết thay quy trình nhuộm truyền thống có số lần nhuộm đến 30-40 lần, thời gian đến giờ/ lần; khẳng định cần thiết màu tự nhiên mặc nưa nguyên liệu dồi dào, dễ tái sinh Mặt khác, việc gom mặc nưa để nhuộm xử lý rác mơi trường mà cịn tạo giá trị kinh tế mặc nưa khơng mang lại hiệu ngồi việc tận dụng thuốc nhuộm nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Amnuay Jintasirikula, Yodhathai Thebtaranonthb-Chemical investigation of Diospyros mollis, GRIFF; Chemical constituents of the black heartwood, ScienceAsia 22 (1996):111-116 C Mahidol, P.Sahakitpichan and S Ruchirawat-Bioactive natural products from Thai plants, Pure Appl Chem., 1994, Vol 66, (No 10-11), pp 2353-2356 M.Maridass-Phytochemicals From Genus Diospyros (L.) and their Biological Activities, Ethnobotanical Leaflets 12 (2008): 231-244 Dominique Cardon-Natural dyes: sources, tradition, technology and science, Archetype (2007) Nhiều tác giả - Kỹ thuật nhuộm-In hoa hoàn tất vật liệu dệt, NXB KH& KT (2004) Nguyễn Cảnh - Quy hoạch thực nghiệm, NXB Trường ĐHBK TP Hồ Chí Minh (1993) Trần Trí Dũng - Excel, Solver Cho Kỹ Sư, NXB Khoa học Kỹ thuật, (2005) ABSTRACT OPTIMIZATION OF DYEING PROCESS FOR SILK FABRIC WITH AQUEOUS EXTRACTED FROM THE FRUIT OF DIOSPYROS MOLLIS Phuong Pham Thi Hong1, Linh Hoang Thi2, Kien Tran Trung2, Quan Le Vo Son1 Industrial University of HoChiMinh City, Hanoi University of Science and Technology Research on optimization of the process of dyeing on silk fabric with aqueous extract of diospyros mollis fruit Aqueous extract of diospyros mollis fruit were extracted with a water solution at temperature in room and ratio of diospyros mollis fruit to water is 1/20, in that ratio of diospyros mollis fruit to fabric is 5:1 Investigate the influence of temperature in the range 75÷95oC, the influence of time in the range 1÷3 hours and dyed 1÷20 times to the colour strength of silk fabric have been dyed The products obtained the colour strength very good in dyed samples and the wet fastness properties were found to be very good level 4–5 Keyword: silk, natural dyes, diospyros mollis fruit CE-090 359 ... cận xung quanh điểm tối ưu KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho thấy thời gian nhuộm, nhiệt độ nhuộm số lần nhuộm ảnh hưởng lớn đến cường độ màu vải tơ tằm sau nhuộm dịch chiết mặc nưa Khi tăng thời CE-090... không tốt cho trình nhuộm vải tơ tằm gây trình biến đổi số hợp chất dịch mặc nưa, ảnh hưởng đến liên kết hydro cấu trúc tơ tằm làm cho độ bền lý củavải tơ tằm sau nhuộm giảm Chính vậy, cường độ... 21.8 Từ kết cho thấy điểm tối ưu cho cường độ màu vải tơ tằm thơng số ảnh hưởng đến q trình nhuộm đạt sau: số lần nhuộm 16.567 lần (≈ 17 lần), thời gian nhuộm 2.405 (≈ 2.4 giờ), nhiệt độ nhuộm