CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.4 Quá trình nhuộm vật liệu dệt bằng chất màu tự nhiên
1.4.1 Bản chất của quá trình nhuộm vật liệu dệt
Nhuộm là một quá trình nhằm đưa thuốc nhuộm từ môi trường bên ngoài vào sâu bên trong vật liệu để tạo ra các sản phẩm có màu sắc mong muốn đạt các chỉ tiêu chất lƣợng nhƣ độ bền màu, độ đều màu. Nhuộm còn là một quá trình phức tạp liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau nhƣ cấu trúc của vật liệu; bản chất của thuốc nhuộm; điều kiện công nghệ và thiết bị. Mỗi loại thuốc nhuộm chỉ có thể nhuộm màu cho một vài loại vật liệu nhất định, trong đó thuốc nhuộm liên kết với vật liệu bằng những liên kết đặc thù. Ngoài ra nhuộm vải còn là một công việc mang tính nghệ thuật chịu sự chi phối của thị hiếu thẩm mỹ của xã hội[1].
Dung dịch thuốc nhuộm, dù là dung dịch thuốc nhuộm tan trong nước như: dung dịch thuốc nhuộm acid; thuốc nhuộm trực tiếp; thuốc hoạt tính hay dung dịch các thuốc nhuộm không tan trong nước như dung dịch thuốc nhuộm phân tán; hay thuốc nhuộm lưu huỳnh là một hệ đa phân tán. Trong dung dịch nhuộm bao gồm thuốc nhuộm, chất trợ các chất điện ly… Các chất điện ly phân ly hoàn toàn trong dung dịch nhuộm; thuốc nhuộm phân ly một phần tạo thành các ion mang màu trong dung dịch, phần còn lại tồn tại ở dạng hạt liên hợp.
Bởi vậy, trong dung dịch nhuộm luôn luôn có mặt các ion mang màu lẫn không mang màu; các phân tử trung hòa; các hạt liên hợp với nhiều kích thước khác nhau có nhân là các phân tử xung quanh là các ion ở dạng các hạt keo. Tất cả các ion, hạt liên hợp nằm ở trạng thái cân bằng động. Trong quá trình nhuộm, khi một dạng nào đó của thuốc nhuộm khuếch tán vào trong xơ và thực hiện liên kết với xơ, cân bằng này bị phá vỡ, các hạt liên hợp sẽ bị tách ra để hệ đạt đến cân bằng mới và cứ thế quá trình cứ lặp đi lặp lại cho đến lúc đạt cân bằng nhuộm.
1.4.1.1 Động học quá trình nhuộm [1,22,39,52,56,59,87,112,113,128]
Quá trình nhuộm là một quá trình hóa học và hóa lý có sự tham gia của nhiều hệ, trong đó xơ sợi ở trạng thái rắn, dung dịch nhuộm ở hệ phân tán keo. Một quá trình nhuộm điển hình bao gồm năm giai đoạn: thuốc nhuộm khuếch tán từ dung dịch nhuộm tới bề mặt xơ;
thuốc nhuộm hấp phụ lên bề mặt xơ; thuốc nhuộm khuếch tán từ bề mặt xơ vào các mao quản trong xơ; thuốc nhuộm hấp phụ lên bề mặt các mao quản hay hình thành liên kết với xơ;
và cuối cùng là giai đoạn thuốc nhuộm khuếch tán từ vật liệu ra môi trường bên ngoài. Trong đó, các giai đoạn thuốc nhuộm khuếch tán từ dung dịch tới bề mặt xơ và hấp phụ lên bề mặt
Footer Page 48 of 148.
37
xơ phụ thuộc vào chế độ thuỷ động lực học; giai đoạn thứ tƣ cũng có tốc độ khá lớn; trong khi đó giai đoạn thứ ba là giai đoạn có tốc độ nhỏ nhất. Đây chính là giai đoạn quyết định vận tốc của quá trình nhuộm, tác động đến các chỉ tiêu kinh tế.
- Sự khuếch tán thuốc nhuộm từ dung dịch tới bề mặt xơ: Trong điều kiện nhuộm, dung dịch thuốc nhuộm được bơm hoàn lưu trong hệ thống. Nhờ vậy không có sự chênh lệch nồng độ thuốc nhuộm giữa lớp dung dịch sát bề mặt vải lẫn trong dung dịch. Nhƣ vậy sự khuếch tán thuốc nhuộm từ trong dung dịch tới bề mặt xơ là quá trình chịu tác động của ngoại lực.
Vải đƣợc dẫn động nhờ hệ thống trục dẫn nhờ đó sự tiếp xúc giữa thuốc nhuộm với vải hầu nhƣ tức thời.
- Sự hấp phụ thuốc nhuộm lên mặt ngoài của xơ: Trong điều kiện nhuộm, bề mặt xơ sợi tồn tại những trường lực do chưa bão hòa về hóa trị. Bởi vậy, trên bề mặt xơ có những tâm hoạt động. Những tâm này có thể là những vùng dƣ hóa trị hay những vùng tích điện trái dấu với thuốc nhuộm. Nhờ vậy thuốc nhuộm dễ dàng hấp phụ lên xơ nhờ lực tĩnh điện và lực hấp phụ. Sự hấp thụ thuốc nhuộm lên bề mặt xơ tuân theo phương trình hấp phụ Langmuir [39]:
Trong đó:
x là lƣợng thuốc nhuộm hấp thụ vào xơ ở thời điểm nghiên cứu x∞ là lƣợng thuốc nhuộm hấp phụ vào xơ ở thời điểm bão hòa
Co là nồng độ thuốc nhuộm thuốc nhuộm ban đầu trong dung dịch nhuộm - Sự khuếch tán thuốc nhuộm từ bề mặt xơ vào các mao quản: Khác với quá trình khuếch tán thuốc nhuộm từ trong lòng dung dịch thuốc nhuộm tới bề mặt xơ, sự khuếch tán xơ từ bề mặt xơ vào trong các mao quản là một quá trình không phụ thuộc vào ngoại lực mà do sự chênh lệch nồng độ. Khi nhuộm, nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch và bề mặt xơ cao hơn hẳn so với bên trong lõi xơ nên do sự chênh lệch về gradient nồng độ, thuốc nhuộm sẽ khuếch tán từ bề ngoài xơ vào trong lõi xơ theo định luật Fick:
Trong đó: dt: thời gian tính bằng giây
dm/dt: lƣợng thuốc nhuộm khuếch tán vào xơ qua diện tích S trong 1 giây dC/dx: gradien nồng độ thuốc nhuộm tại vị trí x trên xơ
D: hệ số khuếch tán tính bằng cm2/giây
S: diện tích bề mặt xung quanh vị trí x tính bằng cm2
Tuy nhiên, sự khuếch tán thuốc nhuộm từ bên ngoài vào lõi xơ là quá trình khuếch tán trong mao quản. Nó chịu tác động của nhiều yếu tố như kích thước mao quản, kích thước thuốc nhuộm, ảnh hưởng của các chất trợ trong dung dịch nhuộm.
Footer Page 49 of 148.
38
Sự hình thành liên kết giữa thuốc nhuộm và xơ: Sở dĩ chúng ta nhuộm đƣợc vải là do thuốc nhuộm hình thành các liên kết với xơ trong quá trình nhuộm vải. Liên kết giữa xơ và thuốc nhuộm khá phong phú và thường là tổ hợp của các liên kết hóa học và hóa lý. Liên kết giữa thuốc nhuộm và xơ càng mạnh sản phẩm nhuộm càng bền màu.
Liên kết cộng hóa trị: đây là loại liên kết có năng lƣợng liên kết lớn nhất vào khoảng từ 100 tới 200 kcal/mol. Liên kết hóa trị là loại liên kết chủ yếu của các loại xơ cotton hay xơ protein với thuốc nhuộm hoạt tính. Khi thuốc nhuộm liên kết hóa trị với xơ, nó trở thành một bộ phận của xơ, vì vậy độ bền màu của lớp thuốc nhuộm này lớn.
Liên kết ion: liên kết ion hình thành giữa thuốc nhuộm acid hay thuốc nhuộm base cation với xơ protein; polyamide và polyacrilonitryl. Năng lƣợng của liên kết ion thấp hơn so với năng lƣợng liên kết hóa trị.
Liên kết Van der Waals: đây là liên kết của tất cả các thuốc nhuộm với xơ, năng lƣợng liên kết Van der Waals tuỳ thuộc khối lƣợng phân tử và độ phân cực của các phân tử tham gia liên kết. Liên kết Van der Waals là liên kết chủ yếu giữa thuốc nhuộm phân tán với các loại vật liệu nhiệt dẻo.
Liên kết hydro: liên kết chỉ xảy ra trong một số điều kiện nhất định, tuy năng lƣợng liên kết hydro không lớn nhưng có ảnh hưởng đáng kể tới độ bền sản phẩm nhuộm.
Liên kết của những tương tác kỵ nước: đây là loại liên kết sinh ra do sự tương tác giữa các nhóm kỵ nước trong thuốc nhuộm với mạch hydrocarbon của xơ nhiệt dẻo.
- Khuếch tán thuốc nhuộm và chất trợ từ vật liệu ra ngoài dung dịch: Giai đoạn này diễn ra khi nhuộm đã thực hiện phản ứng gắn màu với xơ hoàn toàn hay nói một cách khác là đã kết thúc quá trình nhuộm. Ở giai đoạn này các phần tử thuốc nhuộm không thực hiện phản ứng với xơ sợi được loại bỏ bằng các phương pháp khác nhau tùy thuộc vật liệu nhuộm.
1.4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm
Kích thước mao quản và kích thước phân tử thuốc nhuộm: kích thước phân tử thuốc nhuộm và kích thước mao quản trong xơ ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình khuếch tán thuốc nhuộm từ bề mặt xơ vào trong các mao quản. Phân tử thuốc nhuộm càng nhỏ hay đường kính các mao quản trong xơ càng lớn vận tốc khuếch tán càng lớn. Tuy nhiên, thuốc nhuộm càng dễ khuếch tán vào lõi xơ thì cũng dễ bị di hành ra bên ngoài xơ nên độ bền màu không cao [39].
Nhiệt độ nhuộm: nhiệt độ ảnh hưởng tới quá trình nhuộm trên các yếu tố, hệ số khuếch tán D kích thước mao quản được tính như sau:
Trong đó: DT: hệ số khuếch tán của thuốc nhuộm ở nhiệt độ T Do: hệ số khuếch tán của thuốc nhuộm ở nhiệt độ chuẩn E: năng lƣợng hoạt hóa của thuốc nhuộm
R: hằng số khí lý tưởng
Footer Page 50 of 148.
39
T: nhiệt độ tuyệt đối
Nhƣ vậy khi tăng nhiệt độ hệ số khuếch tán tăng làm tăng tốc độ khếch tán của thuốc nhuộm. Nhiệt độ còn làm tăng các chuyển động nhiệt của xơ làm tăng kích thước các mao quản trong xơ tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán thuốc nhuộm. Tuy nhiên, nhiệt độ cũng ảnh hưởng tiêu cực tới độ bền của xơ và thuốc nhuộm.
Chất điện ly và chất trợ: Dung dịch nhuộm là hệ đa phân tán trong đó có các ion, các hạt keo… sự tồn tại của các ion trong dung dịch nhuộm đã ảnh hưởng tới cân bằng động trong dung dịch nhuộm và hoạt hóa xơ. Trong công nghệ nhuộm chất trợ đóng vai trò khá quan trọng, giảm sức căng bề mặt giúp xơ dễ thấm ƣớt hơn nên thuốc nhuộm dễ khuếch tán vào lõi xơ hơn. Chất trợ còn giúp điều chỉnh ái lực của thuốc nhuộm với xơ giúp sản phẩm nhuộm đều màu. Ngoài ra nó còn bôi trơn cho vải tránh cho vải bị xước khi tiếp xúc với các bộ phận công tác trong máy nhuộm. Tuy nhiên với những đặc trƣng của chất màu tự nhiên, đặc biệt trong phạm vi đề tài trong hỗn hợp dịch trích ly từ vỏ quả măng cụt và quả mặc nƣa chứa khá nhiều thành phần các chất có thể hỗ trợ cho quá trình nhuộm, đóng vai trò nhƣ một chất hoạt động bề mặt, chẳng hạn hợp chất của saponin. Vì vậy, có thể xem xét vấn đề nhuộm chất màu tự nhiên không cần hóa chất mà vẫn có thể đạt độ bền màu mong muốn.
Phương pháp nhuộm tận trích: Trong sản xuất thường chia làm ba phương pháp công nghệ nhuộm phụ thuộc vào điều kiện thiết bị: nhuộm gián đoạn; nhuộm liên tục và nhuộm bán liên tục. Trong phạm vi phòng thí nghiệm chỉ thực hiện phương pháp gián đoạn hay còn gọi là phương pháp nhuộm tận trích; vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu khả năng nhuộm màu của dịch chiết từ vỏ quả măng cụt và quả mặc nưa theo phương pháp nhuộm tận trích. Độ tận trích là tỷ lệ % thuốc nhuộm gắn màu trên vải, đƣợc xác định bằng tỷ lệ hiệu số nồng độ dung dịch thuốc nhuộm trước nhuộm (Co) và nồng độ thuốc nhuộm còn lại trong dung dịch sau nhuộm (Cs) so với nồng độ thuốc nhuộm ban đầu:
Độ tận trích (%) = [(Co – Cs)/Co].100%
1.4.1.3 Sử dụng chất màu tự nhiên để nhuộm vật liệu dệt
Hiện nay chất màu tự nhiên đƣợc nghiên cứu và sử dụng nhuộm cho nhiều loại vật liệu dệt phổ biến nhƣ cotton, tơ tằm, polyamide, len…Trong đó, tơ tằm và cotton là loại vật liệu tự nhiên đƣợc nghiên cứu nhiều nhất với chất màu tự nhiên.
Một số các nghiên cứu gần đây đều cho rằng đối với hầu hết các thuốc nhuộm tự nhiên, để nhuộm đạt hiệu quả bền màu, trong các kết quả nghiên cứu thường đề cập đến việc sử dụng chất ổn định màu hoặc chất hoặc cầm màu, thường sử dụng nhất là các muối kim loại để hỗ trợ các chất mang màu gắn màu hoàn toàn với vật liệu. Trong một số kết quả nghiên cứu, đề nghị chất cầm màu là hỗn hợp phèn [nhôm sunfat Al2(SO4)] và KC4H5O6. Đồng thời nếu nhuộm len, cotton, tơ tằm hay polyamide từ một loại chất màu tự nhiên mà sử dụng nhiều muối kim loại khác nhau nhƣ crom, đồng, thiếc hoặc sắt sẽ nhận đƣợc nhiều màu sắc khác nhau [101].
Footer Page 51 of 148.
40