ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ НА ОБРАЗОВАНИЕ МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСОВ В СТРУКТУРЕ ХЛОПКОВОГО ВОЛОКНА

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследований по разработке эффективных методов окрашивания хлопчатобумажных тканей с использованием аминированной этилендиамином целлюлозы и комплексообразующих растворов, содержащих ионы d-металлов (Ni²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺). Установлено, что рН раствора является лимитирующим фактором в процессе образования металлокомплексов и оказывает существенное влияние на яркость окраски тканей. Оптимальным диапазоном рН для интенсивного окрашивания хлопчатобумажных тканей является 3,0–4,5 при котором формируется максимальное количество металлокомплексов. Также показано, что повышение температуры обработки (до 90 °С) значительно ускоряет процесс образования металлокомплексов и способствует увеличению прочности и устойчивости окрашивания. Результаты исследований могут быть использованы при создании новых технологий окрашивания текстильных материалов с улучшенными физико-химическими и эксплуатационными характеристиками.

ABSTRACT

This paper presents the results of research on the development of effective methods for dyeing cotton fabrics using ethylenediamine-aminated cellulose and complexing solutions containing d-metal ions (Ni²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺). It was established that the pH of the solution is the limiting factor in the formation of metal complexes and has a significant influence on the color brightness of the fabrics. The optimal pH range for intensive dyeing is 3,0–4,5 within which the maximum number of metal complexes is formed. It was also demonstrated that increasing the treatment temperature (up to 90 °C) accelerates the formation of metal complexes and enhances the fixation and durability of dyeing. The obtained results can be applied in the development of advanced dyeing technologies for textile materials with improved physicochemical and performance properties.

Ключевые слова: красящие композиции, хлопковая ткань, металлокомплексы, время обработки, яркость, фиксация красителей, аминирование, рН раствора, d-металлы.

Keywords: dye compositions, cotton fabric, metal complexes, processing time, brightness, fixation of dyes, amination, pH of solution, d-metals.

Введение

В мире активно проводятся научные исследования [1.c.126;2.c.44-45;3.c.24;4.c.176], направленные на повышение эффективности и специфичности процессов обработки текстильных материалов. Особое внимание уделяется разработке составов нового поколения с улучшенными физико-химическими и технологическими свойствами. Это позволяет создавать широкий ассортимент тканей различных цветов, отвечающих современным требованиям внутреннего и внешнего рынка.

В этом аспекте разработка более эффективных составов красящих композиций на основе солей поливалентных металлов и других органоминеральных ингредиентов, а также создание на их основе технологии окрашивания текстильных материалов в различные цвета, придания им прочности и полировки имеет особое значение.

В работах [5.c.52;6.c.428] изучены принципиальные возможности крашения хлопковых тканей на основе аминирования основы тканы с последующим крашением комплексообразующими ионами d-металлов и показаны, что лимитирующей стадией для данной реакции является pH растворов в образовании металлокомплексов, а таже проникании и фиксации цветовых растворов в структуре хлопковых тканей.

Следует отметить, что pH среды считается основным критерием или показателем в синтетической химии макромолекулярных металлохелатов, так как от него зависит тип, состав и структура образующихся координационных комплексов металлов.

Кроме того, в последние годы все большее внимание уделяется вопросам экологичности и энергосбережения при процессах окрашивания текстильных материалов, что требует разработки новых методов модификации волокон.
Применение инновационных красителей и функциональных добавок позволяет значительно сократить расход воды и химических реагентов, повышая при этом качество окрашивания. Особое значение имеют исследования по созданию многофункциональных материалов, сочетающих декоративные и защитные свойства, что открывает широкие перспективы их использования в различных отраслях. Таким образом, совершенствование технологии аминирования и последующего окрашивания хлопковых тканей имеет не только теоретическую, но и прикладную значимость для современной текстильной промышленности.

Исходя из вышеизложенного, целью настоящего исследования является разработка эффективных методов модификации и окрашивания хлопчатобумажных тканей с использованием аминированной целлюлозы и комплексообразующих растворов ионов d-металлов для получения текстильных материалов с повышенной прочностью, яркостью и устойчивостью окраски.

Материалы и методы

При проведении реакции комплексообразования ионами d-металлов в структуре хлопковой ткани, особенно в воде необходимо, чтобы pH реакционной среды должен выдерживаться в пределах, при котором образуются гидроксиды металлов. Особенно важно значение pH при получении внутрикoмплексных соединений, большинство из них получают в различных средах: в слабокислых, нейтральных или слабощелочных. Интервал варьирования рН оказывает воздействие на поверхностный заряд адсорбента, на степень ионизации, и на видообразования металлсодержащего комплекса адсорбата [7.c.637;8.c.660;9.c.2681-2684].

Для проведения исследований использовались образцы хлопчатобумажной ткани (ГОСТ 29298–2005), предварительно модифицированные этилендиамином. Степень замещения целлюлозы составляла 19,7.

В качестве реагентов применялись соли d-металлов: NiSO₄·6H₂O (ч. д. а., ≥99,0%), CoCl₂·6H₂O (ч. д. а., ≥99,0%), CuSO₄·5H₂O (ч. д. а., ≥99,0%), FeCl₃·6H₂O (ч. д. а., ≥98,0%), а также серная кислота (ГОСТ 4204–77) и нитрит натрия (NaNO₂, ч. д. а.). Все вещества использовались без дополнительной очистки. Растворы готовили на дистиллированной воде (ГОСТ 6709–72).

Значение рН регулировали добавлением растворов H₂SO₄ или NaOH (ГОСТ 4328–77) и контролировали с помощью рН-метра pH-150МИ (Россия), предварительно откалиброванного по стандартным буферным растворам.

Окрашивание аминированных образцов проводили в водных растворах солей d-металлов при модуле ванны 1:20, температуре 30, 60 и 90 °С и продолжительности обработки 5–10 минут.

Яркость и интенсивность цвета определяли фотометрическим методом с использованием спектрофотометра Shimadzu UV-1800 (Япония) в координатах цветовой модели RGB. Для цифровой фиксации цветовых характеристик дополнительно применялся фотоаппарат Canon EOS 600D, изображения обрабатывались в программе Adobe Photoshop CS6 методом цифрового анализа цвета.

Количество образовавшихся металлокомплексов оценивали по изменению оптической плотности и цветовых координат тканей [10.c.96;11.c.113;12.c.56].

Статистическая обработка результатов проводилась с использованием программы OriginPro 9.0; средние значения рассчитывались по трём параллельным измерениям.

В связи с этим, нами проведены эксперименты по изучению влияния pH обрабатывающей ванны на количество металлохелатов, образующихся в структуре хлопкового волокна.

Рисунок 1. Зависимость изменения яркости составляющих окраски хлопчатобумажной ткани, содержащей металлокомплексы кобальта(II) от концентрации серной кислоты в обрабатывающей ванне

Аминированную этилендиамином хлопчатобумажную ткань, со степенью замещения 19,7 (модуль ванны 20), при температуре 90°С обрабатывали комплексообразующим раствором, содержащим ионы d-элементов Ni⁺², Co⁺², Cu⁺² и Fe⁺³. В качестве основного фактора, определяющего качество окрашиваемости, является яркость цвета. Количество образовавшихся металлохелатов определяли по цветовым характеристикам хлопчатобумажной ткани, содержащей металлокомплексы.

Результаты и обсуждение

При изучение влияния pH обрабатывающей ванны в качестве комплексообразователя металлокомплексов нами использованы ионы кобальта (II) и никеля (II) при концентрациях их солей 0,6 и 0,3 г/л соответственно, а также NaNO₂ – 0,25 г/л.

Рисунок 2.Зависимость влияния рН среды на образование металлокомплексов в структуре хлопковой ткани от концентрации кислоты

1 – рН раствора до обработки комплексообразующим раствором, 2 – рН раствора после обработки комплексообразующим раствором.

Образцы хлопчатобумажной ткани, содержащие металлокомплексы кобальта, имеют различную окраску, и она зависит от типа аниона лиганда в комплексном соединении. Из анализа полученных с помощью цифрового фотоаппарата файлов изображений цветовых шкал следует, что в координатах R, G, Р окрашенная ткань поглощает свет в красной области спектра, следовательно, наиболее яркими оттенками оказались зеленые (G) и красные (R), а наименее ярким – розовый (Р) (рис.3).

Образцы хлопчатобумажной ткани, никельсодержащие металлоком-плексы, имеют зеленую окраску, имеющую максимум поглощения в красных области спектра. Следовательно, наименее ярким каналом оказался розовый (Р), а наиболее ярким — красный (R) (рис. 3).

Проведённые исследования показали, что изменение pH обрабатываемого раствора оказывает значительное влияние на количество металлокомплексов, образующихся в структуре хлопковой ткани.

Рисунок 3. Зависимость изменения яркости составляющих окраски хлопчатобумажной ткани, содержащей металлокомплексы никеля (II) от концентрации серной кислоты в обрабатывающей ванне

При изучении крашения хлопчатобумажной ткани, содержащей металлокомплексы никеля (II) установлено, что при обработке хлопчатобумажной ткани комплексообразующим раствором с pH в пределах от 2,9 до 4,5, окрашенная ткань обладает наиболее интенсивной окраской, а это однозначно свидетельствует об образовании максимального количества металлокомплексов в структуре хлопковой ткани. Повышение интенсивности окраски хлопчатобумажной ткани сопровождается уменьшением яркости цветового изображения R, G, B, вызванное уменьшением доли белого цвета в образце.

При очень низком pH раствора связывающие участки на модифицированной целлюлозе хлопковой ткани и пирокатехина, вероятно, будут протонированы, что приводит к низким металлосвязывающим уровням. Оптимальный диапазон pH 3,0–4,5 оставляет связывающие участки непротонированными, максимизирует связывание металла с нитрозопирокатехином и дальнейшему связыванию образовавшегося комплекса в модифицированной целлюлозной ткани.

Рисунок 4. Зависимость влияния рН среды на образование металлокомплексов в структуре хлопковой ткани от концентрации кислоты

1 – рН раствора до обработки комплексообразующим раствором, 2 – рН раствора после обработки комплексообразующим раствором.

Результаты, представленные на рис. 3 и 4, подтверждают практическую возможность модификации хлопчатобумажной ткани растворами, содержащими комплексы d-металлов в присутствии серной кислоты и пирокатехина. Установлено, что повышение pH после обработки связано с процессами комплексообразования: катионы кобальта и никеля прочно координируются с функциональными группами модифицированной целлюлозы, что приводит к формированию устойчивых металлокомплексов. При этом происходит частичная нейтрализация ионов H⁺ за счёт замещения их анионами Cl⁻ или SO₄²⁻, высвобождающимися из исходных солей.

Таким образом, экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что образование металлокомплексов в структуре хлопковой ткани не только способствует закреплению красящих агентов, но и сопровождается изменением кислотности среды, что является важным фактором в оптимизации технологических параметров окрашивания.

Немаловажными факторами в реакции аминирования целлюлозной ткани также является влияние температуры. Представляет интерес изучение влияния температуры на процесс образования металлокомплексов в структуре аминированной хлопковой ткани. Обработка аминированной хлопчатобумажной ткани проводилась при различных температурах: 30, 60, и 90°С (рис.5). Из представленных данных (рис.5) следует, что образование металлокомплексов в структуре аминированной хлопковой ткани происходит весьма интенсивно.

Рисунок 5. Влияние температуры на кинетику образования металлкомплекса на основе катиона никеля в структуре хлопковой ткани при различных окрасках

R₁, G₁, P₁, при температуре 30⁰С; R₂, G₂, P₂, при температуре 60⁰С; R₃, G₃, P₃, при температуре 90⁰С

С повышением температуры скорость образования металлокомплексов значительно возрастает. Наибольшая скорость образования металлокомплексов в структуре хлопкового волокна наблюдается при температуре 90 °С.

Заключение

Повышение температуры обработки способствует не только увеличению степени проникания окрасок обрабатываемого раствора внутрь волокна, но также способствует повышению степени фиксации окрашенных растворов, которая приводить к образованию в структуре ткани металлокомплексов.

Таким образом, анализируя экспериментальные данные по изучению влияния различных факторов на процесс аминирования хлопковой ткани установлено, что наиболее оптимальными условиями образования металлокомплексов структуре хлопковой ткани является температура 90⁰С, рН 3,5-4,5 и продолжительность обработки 7-8 мин.

Список литературы:

1. Абдурахманова Ш.Г., Негматов С.С., Рахимова З.М. Крашение текистильных материалов путем синтез красителя на волокне // XVIII Национальный химический конгресс.г.Карс, Турция.2004 г. –C. 125-128.
2. Рacyлoвa И.Н, Маджидова Ш.Г, Умаров A.P., Неrматов C.C. Применение  информационной технология обpaботки данных для определения условий образования металллокомплексов на основе солей кобальта в структуре хлопкового волокна // Узб.хим. ж., 2010.-№ 6.-C.42-48.
3. Абдурахманова Ш. Г., Маджидова Ш.Г., Бабаджанова М.А., Тургунбаева Ф.М. Изучение взаимодействия в растворах красящих композиций на основе сульфата меди // Композиционные материалы, 2004.-№2.-C.23-25.
4. Маджидова Ш.Г., Расулова И.Н. Разработка технологии аминированных хлопкового волокна //Респ. меж вуз. науч-техн конф. «Нанокомпозиционные материалы»: Тез. Докл- Ташкент., 2009. C.176.
5. Heccoнова Г.Д., Гриневич К.П., Применение кремнеорганических препаратов в текстильной промышленности.- М.: Легкая индустрия, 1992.-52c.
6. Золотарев В.В., Химия и технология органических красителей. – СПб.: Химия, 2015. – 428 с.
7. Zollinger H. Color Chemistry: Syntheses, Properties, and Applications of Organic Dyes and Pigments. – 3rd ed. – Weinheim: Wiley-VCH, 2003. – 637 p.
8. Hunger K. Industrial Dyes: Chemistry, Properties, Applications. – Weinheim: Wiley-VCH, 2007. – 660 p.
9. Ibrahim N.A., El-Hossamy M.B., Hashem M. Novel approach for dyeing of cotton fabrics with reactive dyes. Journal of Applied Polymer Science. 2010;116(5):2680–2689.
10. Махкамов Р.Т., Салиева М.Х. Комплексообразование и его использование в текстильной химии. – Ташкент: Фан, 2008. – 212 с.
11. Смирнов В.Н., Егорова Л.М. Физико-химические основы модификации целлюлозных волокон. – М.: Химия, 2005. – 280 с.
12. Bechtold T., Mussak R. Handbook of Natural Colorants. – Chichester: Wiley, 2009. – 434 p.
13. Khatri A., White M. A review on sustainable dyeing technologies for textiles // Journal of Cleaner Production. – 2015. – Vol. 87. – P. 50–57.