ИССЛЕДОВАНИЕ ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОКРАШЕННЫХ ХЛОПЧАТОБУМАЖНЫХ ТКАНЕЙ КРАСЯЩИМИ КОМПОЗИЦИЯМИ НА ОСНОВЕ СОЛЕЙ ПОЛИВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты исследований с применением цифрового фотоаппарата и компьютерной обработки данных по«3SS SL» красящих композиций на основе солей железа и мел, для крашения

Установлено, что при обработке хлопчатобумажной ткани γ-аминопрошлтриэтотссисиланоми растворов композиции на основе солей переходных металлов, нитрита натрия и производного фенола в кислой среде образуется прочный хелатный комплекс нитрозофенола с катионами поливалентного металла, который взаимодействует с модифицированной хлопковой целлюлозой с образованием ковалентной связи.

Разработаны оптимальные составы порошковых красящих композиций на основе солей поливалентных металлов для целлюлозных волокон и технологии крашения тканей на их основе.

Порошковые красящие композиции для текстильных материалов на основе целлюлозных волокон, благодаря взаимодействию с волокном, способствуют образованию солевых, координационных и ковалентных связей к образованию на волокне окраски, обладающей высокой прочностью к различным физико-химическим воздействиям

ABSTRACT

Results of studies carried out with the use of digital camera and computer data processing has given; the compound of the dye compositions based on iron and copper salts for dyeing cotton fabrics has determined. It has been established that when processing of cotton fabrics by γ-aminopropyltriethoxysilane and by solution of composition based on salts of transition sodium nitrite and phenol derivative in an acidic medium the stable chelate complex of mtrosophenoi with the polyvalent metal cations is formed, which reacts with the modified cotton cellulose with forming a covalent bond.

Based on the conducted research were designed the optimum compounds of powder dye compositions based on salts or polyvalent metals for cellulosic fibers and technology of fabric dyeing based on them.

Powder dyeing compositions for textile materials based on cellulose fibers due to their interaction with the fiber contribute to .the formation of salt, coordination and covalent bonds and the formation the color on the fiber having high strength to various physical and chemical influences

Ключевые слова: информационные технологии, хлопчатобумажная ткань, γ-аминопропилтриэтоксисилан, аминирование, крашение, красящая композиция, соли поливалентных металлов, производные фенола, технология, крашения, механизм крашения

Keywords: information technology, cotton fabric, γ-aminopropyltnethoxysilane, amination, dyeing, dyeing composition, polyvalent metal salts, phenol derivatives, technology of dyeing, dyeing mechanism

Введение. Современный уровень развития вычислительной техники и методов математического моделирования дают уникальную возможность для перевода как промышленного производства, так и научных исследований на качественно новый уровень. Цифровые модели сложных конструкций, точное описание и воспроизведение природных явлений и процессов, тонкая многопараметрическая оптимизация - все это становится реальным сегодня.

Современные теоретические воззрения в области крашения волокнистых материалов различными красителями основываются на функциональной зависимости между величинами сродства, определяемых в основном природой окрашиваемого материала, и коэффициентом диффузии, который при данной температуре для одного и того же волокна зависит от геометрических размеров придающих окраску соединений и скоростью крашения. С уменьшением сродства и увеличением коэффициента диффузии наблюдается повышение скорости крашения.

Химическое строение волокнообразующего полимера оказывает очень большое влияние на фиксацию красителей, поскольку функциональные группы элементарных звеньев, концевые группы макромолекул, другие элементы цепи главных валентностей и боковые группы являются потенциальными активными центрами, на которых может происходить физическая и химическая сорбция красителей.

В зависимости от строения потенциальных активных центров и строения красителей может реализоваться широкий набор сил взаимодействия между ними: от межмолекулярной физической до ковалентной химической. Фиксация волокном красителей, как одна из основных стадий, включает диффузию красителей в волокно. При этом очень важным является геометрический размер молекулы или иона соединения, придающего окраску, поскольку они в значительной степени определяют скорость диффузии в волокно.

Способ крашения посредством синтеза на волокне окрашенных нанометаллокомплексов из низкомолекулярных соединений простого строения является наиболее рациональным решением проблемы интенсификации процессов крашения. Это обусловлено тем, что молекулы исходных соединений не обладают практически сродством к волокну и вследствие малых геометрических размеров показывают высокие значения коэффициентов диффузии в волокнистый субстрат, что способствует достижению максимального прокрашивания волокна за минимальное время пребывания его в растворе.

Целью данного исследования является разработка состава красящих композиций на основе солей поливалентных металлов и органоминеральных ингредиентов, способствующих образованию окрашенных металлокомплексов в структуре хлопкового волокна.

Объектами исследования являются: хлопковое волокно, хлопчатобумажная ткань, γ-аминопропилтриэтоксисилан, сульфат железа, сульфат меди, нитрит натрия и серная кислота.

В большинстве случаев цветометрические характеристики (координаты цвета, светлота, насыщенность цвета, цветовой тон и яр.) окрашенных тканей рассчитывают на основе спектров поглощения или диффузного отражения [1]. С распространением цифровой фотографии, настольных сканеров и компьютерных технологий трансформации цветового изображения появился быстрый, объективный и автоматизированный способ оценки цветометрических характеристик окрашенных образцов [2, 3].

Согласно основному закону учения о цвете [4], практически любой цвет может быть представлен в виде суммы трех линейно независимых цветов. В качестве основных цветов используют красный (R). зеленый (G) и синий (В), т.е. три монохроматических излучения с длинами волн 700,0; 546,1 и 435,8 нм, соответственно. Цвет любого оттенка и интенсивности можно получить, варьируя относительные количества (интенсивности, яркости) этих трех составляющих. В данном случае говорят о представлении цвета в цветовой системе R, G, В. В современных графических редакторах, позволяющих осуществлять различные операции разложения цвета на составляющие и синтеза цвета из составляющих, информация о цвете пикселя хранится в трех цветовых каналах, соответственно, R, G и В. в виде чисел из интервала 0-255. При этом число 0 отвечает нулевой яркости, а число 255 - максимальной. Тогда, по правилам аддитивного цветосинтеза, комбинация 0, 0, 0 отвечает черному цвету, сочетание цифр 255, 255, 255 - белому цвету максимальной яркости, комбинация из одинаковых чисел в интервале 0-255 - некоторому серому цвету промежуточной яркости.

Окрашенные образцы тканей фотографировали с использованием цифровой фотокамеры Canon 40D, объектив 28-135, режим макросъемки расстояние 0,5 м. диафрагменное число 5,6, фокусное расстояние F-135. Была использована внешняя вспышка Canon Speeclite 430EXII в автоматическом режиме. ЕТТЕ-П - головка вспышки находилась под углом 45⁰, что дало возможность вести съемку отраженным мягким светом. Цветоделение изображений шкал и определение яркостей R-, G-, В-каналов выполняли в графическом редакторе Adobe Photoshop 7,0. Выбирали в строке меню «Image-Histogram» и считывали значения яркости каждого из трех каналов. Математическую обработку результатов осуществляли в редакторе Origin 8.6. В ходе обработки строили зависимости яркости R-,     G-, В-каналов от концентрации определяемого компонента и находили аппроксимирующую функцию для каждой зависимости.

Результаты исследования и их анализ. Для установления возможности применения цифрового фотоаппарата и компьютерных программ цифровой обработки изображения для определения закономерностей аминирования хлопчатобумажной ткани. изучено влияние концентрации у- амийопропилтриэтоксисилана на количество образовавшихся металлокомплексов железа и меди в структуре хлопкового волокна при аминировании при 75 °С (рисунки 1,2).

Установлено, что при обработке хлопчатобумажной ткани 5 % раствором у-аминопропилтриэтоксисилана при температуре 75 °С достигается наибольшая степень замещения и на хлопчатобумажной ткани образуется оптимальное количество металлокомплексов. Полученные данные показали, что с помощью цифрового фотоаппарата и компьютерных программ цифровой обработки изображения можно с высокой точностью определять цветовые характеристики окрашенных тканей, как и с помощью спектроскопии диффузного отражения, с использованием лабораторного спектрофотометра.

Как известно [5], наличие первичных аминогрупп в молекулах полимерного субстрата дает возможность их диазотирования с получением солей диазония. ооладающих высокой активностью. Диазотирование проводилось в кислой среде в присутствии эквивалентного количества нитрита натрия, который под действием кислоты переходит в азотистую кислоту.

При сочетании дназониевой соли с фенолами или «минами образуются окрашенные соединения. Реакция проводится в слабокислой среде в присутствии ацетата натрия, который способствует созданию слабокислой среды. Из выше изложенного следует, что текстильные материалы, содержащие первичные аминогруппы, могут быть окрашены красящими композициями, состоящими из фенола или его производных, ацетата и нитрита натрия: крашение должно проводиться в присутствии кислоты.

Как известно, азогруппа обладает низкой прочностью к свету. При действии солей меди, никеля, кобальта [6] азогруппы способны образовать комплексные соединения, устойчивые к свету. Таким образом, для образования на хлопчатобумажной ткани окрасок, прочных к различным физико-химическим воздействиям, красящие композиции должны включать нитрит натрия, ароматическое оксисоединение, ацетат натрия, соль поливалентного металла.

Модифицированное хлопковое волокно в качестве функциональных групп содержит амино- и гидроксильные группы и небольшое число карбоксильных групп. При обработке волокна красящей композицией могут одновременно протекать ряд процессов как способствующих непосредственному окрашиванию волокна, так и не приводящие к его крашению: диазотирование аминогрупп модифицированного хлопкового волокна с образованием солей диазония и взаимодействие их с фенольными производными, комплексоооразование азогрупп с катионами поливалентных металлов, солеобразование катионов вводимых солей с карбоксильными группами волокна, реакции между компонентами красящих композиций с образованием комплексных соединений. В этой связи оптимальное соотношение компонентов красящих композидий не может быть установлено по стехиометрическим коэффициентам соответствующих реакций. Наиболее целесообразным приемом установления оптимальных соотношений по расходу компонентов композиций является экспериментальный подбор. Изучено влияние каждого компонента красящей композиции на цветовые характеристики окрашенных образцов хлопчатобумажной ткани.

Для изучения влияния концентрации солей поливалентных металлов на цветовые характеристики окрашенных образцов хлопчатобумажной ткани крашение проводилось при модуле ванны 25 из 3 % растворов красящих композиций при температуре 96-98 °С. Концентрация нитрита натрия равнялась 0,5 г/л, резорцина - 0,5 г/л. Концентрация сульфата железа в красильной ванне изменялась от 0,25 до 1,00 г/л (рисунок 3), сульфата меди в красильной ванне изменялась от 0,25 до 0,6 г/л (рисунок 4).

Образцы хлопчатобумажной ткани, окрашенные красящими композициями на основе сульфата железа, имеют голубовато-зеленую окраску, а сульфата-меди - серую окраску.’ Из анализа полученных с помощью цифрового фотоаппарата файлов изображений цветовых шкал в координатах R,-G, В следует, что окрашенная ткань поглощает в красной' области спектра, следовательно, наименее ярким канатом оказался красный (R) канал; а наиболее яркими - зеленый (G) и синий (В). Увеличение концентрации сульфата железа в красильной ванне от 0.25 до 0,5 r/л сопровождается увеличением интенсивности окраски хлопчатобумажной ткани, наблюдается уменьшение яркости цветного изображения R, G, В каналов, вызванное уменьшением доли белого в цвете образцов. При дальнейшем увеличении содержания сульфата железа происходит уменьшение интенсивности окраски, что, по-видимому, связано с увеличением скорости образования металлокомплексов железа в красильной ванне Оптимальной концентрацией сульфата железа в красильной ванне является 6,5 г/л. При обработке хлопчатобумажной ткани раствором состава: сульфат меди, нитрит натрия, резорцин, серная кислота ткань приобретает серую окраску, имеющую максимум поглощения в синей области спектра. Следовательно, наименее ярким каналом оказался синий (В) и наиболее ярким - красный (R).

Одним из компонентов красящих композиций является NaN0₂, который при крашении в кислой среде переходит в азотистую кислоту, способствующую переходу аминогрупп модифицированного хлопкового волокна в диазотирозаняый амин. Проведенные исследования показали [7], что NaN0₂ также взаимодействует с катионами поливалентных металлов с образованием комплексных соединений различного состава и соответствующей прочностью. В связи с этим концентрация NaN0₂  в композициях определена также с помощью экспериментального подбора (рисунки 5, б).

Из полученных данных видно, что с увеличением концентрации нитрита натрия в композиции интенсивность окрасок возрастает и достигает своего максимального значения при концентрации нитрита натрия 0,4-0,5 г/л. Дальнейшее увеличение концентрации нитрита натрия в красильной ванне не приводит к существенным изменениям интенсивности полученных окрасок.

Соли диазония способны вступать во взаимодействие с катионами поливалентных металлов с образованием комплексных соединений. Сама по себе азогруппа не способна давать устойчивые комплексы с металлами, если при этом не образуется хелатной связи, Для образования хелатной связи необходимо наличие гидроксильной или аминогруппы в о-положении к азогруппе. Для образования прочных окрашенных комплексов хлопкового волокна в состав композиций введен резорцин. Концентрация резорцина в красильной ванне изменялась от 0,15 до 1,00 г/л. Концентрация сульфата железа и нитрита натрия равнялась 0,5 г/л.

Концентрация резорцина в комплексообразующем растворе изменялась от 0,15 до 1,0 г/л. Наиболее насыщенные ^окраски образуются при концентрации резорцина 0,5 г/л комплексообразующем растворе, содержащем катион Fe³⁺ - 0,75 г/л в растворах, содержащих катион Сu²⁺ . Дальнейшее увеличение концентрации резорцина в красильной ванне приводит к уменьшению интенсивности окраски и незначительно влияет на цветовой тон (рисунки 7, 8).

В существенном количестве исследований показана решающая роль pH растворов в образовании металдохелатов. Вариации pH могут оказывать воздействие на поверхностный заряд адсорбента и степень ионизации и видообразование металлического адсорбата. В связи с этим изучено влияние pH обрабатываемого раствора на координаты цвета хлопчатобумажной ткани (рисунок 9).

Установлено, что изменение pH обрабатываемого раствора оказывает сильное влияние на чисто металлокомплехсов, образовавшихся в структуре хлопкового волокна. При поддержании обрабатываемого раствора от З.б до 4.0 ткань приобретае^- наиболее интенсивную окраску, что'свидетельствует об образовании максимального   количестве металлокомплексов в структуре хлопкового волокна Повышение интенсивности окраски хлопчатобумажное ткани сопровождается уменьшением яркости цветового изображения R, G, В, вызванное уменьшение доли белого в цвете образца.

При очень низком pH раствора связующие участки на модифицированной целлюлозе хлопкового волокна и резорцине, вероятно, будут протонированы, что приводит к низким металлосвязующим уровням, Оптимальный диапазон pH 3,6-4,0, оставляя связующие участки непротонированными, максимизирует связывание металла с нщрозорезорцином и дальнейшее связывание образовавшегося комплекса с модифицированным целлюлозным волокном.

Полученные данные (рисунок 9) свидельствуют о том что при обработке хлопчатобумажной ткани раствором композиции pH раствора повышается, что, по-видимому, может явиться свидетельством связывания катионов кооальта в комплекс и нейтрализацией ионов H⁺ обрабатываемого раствора освобождающимися ионами Сl^-. B процессе обработки хлопчатобумажной ткани pH обрабатываемого раствора повышается, что, по-видимому, является свидетельством связывания катионов кобальта в комплекс и нейтрализацией ионов H⁺ обрабатываемого раствора освооождающимися ионами Сl^-

Было изучено влияние температуры на процесс образования металокомплексов в структуре аминированного хлопкового волокна (рисунок 10). Обработка хлопчатобумажной ткани проводилась при температурах 20 50. 80 и 98 ⁰С. Кинетические кривые, приведенные на рис 10, показывают, что образование металдокомплексов в структуре аминированного хлопкового волокна происходит весьма интенсивно. С повышением температуры скорость образования металдокомплексов значительно возрастает.

Повышение температуры обработки способствует повышению скорости проникновения компонентов обрабатываемого раствора внутрь волокна и образованию в структуре волокна металдокомплексов. Наиболее оптимальной является температура 98 °С: как и образование комплексных соединений в растворе, образование металдокомплексов в структуре хлопкового волокна при 98 с происходит с очень большой скоростью (в течение 5-7 мин),

Заключение. На основании проведенных исследований было установлено, что композиции на основе солей железа и меди, нитрита натрия и фенолов способны окрашивать аминированное хлопковое волокно. Оптимальное соотношение компонентов красящих композиций ^посооствующее образованию максимального количества металлокомплексов в структуре хлопкового волокна, зависит от природы катиона поливалентного металла и составляет для композиции состава сульфат железа, нитрит натрия, резорцин 1:1:1; для композиции сульфат меди, нитрит натрия, резорцин 1:5:7,5.

С помощью цифрового фотоаппарата и компьютерных программ цифровой обработки изображения можно с высокой точностью определять цветовые характеристики окрашенных тканей. Использование специальных программ позволит повысить точность и скорость определения параметров.

Список литературы:

1. Джадд Д„ Вншещш Г. Цвет в науке и технике. -М.: Мир 1978 -592 с
2. Шишкин Ю.Л., Дмитриенко С.Г., Медведева О.М., Бадакова С.А., Пяткова Л.Н. Применение сканера и компьютерных программ цифровой обработки изображений для количественного определения сорбированных веществ //Журн. аналит. химии, 2009-Т. 59. -№2. –С. 119-124.
3. Апяри В.В., Дмитриенко С.Г. Применение цифрового фотоаппарата и компьютерной обработки данных для определения органических веществ с использованием диазотированного пенополиуретана //Журн. аналит. химии, 2010.-Т. 63. -№6. –С.581-588.
4. Кирилов Е.А., Цветоведение –Л: Легпромбытиздат, 1987. -128с.
5. Венкатараман К. Химия синтетических красителей. –Л: Госхимиздат, 1956-803с.
6. Будатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа. –М: Химия, 1972. -408с.
7. Абдурахманова Ш.Г., Маджидова Ш.Г. Изучение взаимодействия в растворах красящих композиций на основе сульфата меди //Композиционные материалы, 2010.-№2. –С. 23-25.