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UFRN, Natal-RN, Brasil.
Professor Titular, Centro de Tecnologia,
CText FTI, FRSA., CCol FS DC., SENIOR MEMBER AATCC.
Prof. Rasiah Ladchumananandasivam, B.Sc., M.Sc., PhD., AUMIST.,
Por
PROCESSOS QUÍMICOS TÊXTEIS
Tingimento Têxtil – Volume III
NaO 3 S
NH (^2) OH
SO 3 Na OMe
N=N
OMe N=N (^) SO 3 Na
SO 3 Na
OH NH 2
2008 (2 Edição – revisada)
NATAL, RN - BRASIL.
CURSO DE ENGENHARIA TÊXTIL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO E TÊXTIL
CENTRO DE TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
a
F = dsdt = − D dcdx
ii
TINGIMENTO TÊXTIL
iv
Também a química envolvida e a preparação e aplicação dos deferentes tipos de corantes foram descritos. Do ponto de vista da concentração nos aspectos práticos, todavia, os assuntos teóricos teoria foram suprimidos devido a importância dos aspectos práticos.
Este trabalho faz parte da série de apostilas preparadas pelo Professor Rasiah Ladchumananandasivam como apoio às aulas ministradas no Curso de Engenharia Têxtil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
CONTEÚDO
Página 1. TEORIA DO TINGIMENTO 1.1 Introdução 1.2 TEORIA DO TINGIMENTO 1.3 Estrutura Química e Propriedades dos Corantes 1.4. Influência da estrutura da fibra na absorção do corante. 1.5. Seleção de Corantes e Processos de Tingimento 1.6 Classificação dos Corantes. 1.7. Efeito de Assistentes ( Auxiliares ), no Tingimento. 1.8. Outros usos de corantes 1.9. Nomes Comerciais 1.10. Produtos Auxiliares ao Tingimento 1.11. Auxiliares no Banho do Corante 1.12. Termos Técnicos Usados em Tingimento 1.13. Quantidade de Corantes e Auxiliares 1.14. Cálculos de tingimento 1.15. Diferentes classes dos corantes e suas propriedades e aplicação 1.16 Corantes Diretos. 1.17 Efeitos de Tratamentos de Acabamentos. 1.18 Corantes para Fibras Celulósicas 1.19 Falhas comuns 1.20. Corantes À Tina 1.21. Corantes reativos. 1.22 Lavagem
2. MAQUINARIA E PROCESSOS 2.1 Métodos de aquecimento 2.2 Máquinas de tingimento para tow, fibras curtas, top e fio. 2.3. Bomba 2.5. Aquecimento 2.6. O fluxo do banho 2.7. Relação do banho (R:B) 2.8. Tipos de embalagens 2.9. Máquinas para tingir mechas (tow e top – fibras soltas –rama ou plumas) 2.10. Máquinas para tingir fio no rolo do urdume (urdume perfurado) 2.11. Tingimento contínuo das fibras, fios, tow e top.
v
2.12. Máquinas de tingimento de fio em forma de meadas 2.13. Máquinas circulares 2.14. (^) Máquinas para tingir fio em forma de tubete (cop) 2.15. Secagem 2.16 Máquinas de tingimento à jato 2.17. Máquinas de tingimento a jato – “Softflow” compactos 2.18. Máquinas de tingimento a jato: Jato de ar. 2.19. Máquinas híbridas e máquinas especiais (novel) 2.20 Bibliografia. 2.21 Questões
Atualmente, quase todos os corantes são preparados sinteticamente, tendo como base o alcatrão. e sabemos que o primeiro corante sintético ( MOUVINE ) preparado comercialmente foi a Anilina, em 1856, por W. H. Perkin. Por causa do grande número de diferentes fibras e outros materiais que requerem tingimento, e a grande variação nos tipos de desgaste e rasgamento aos quais estão sujeitos os materiais têxteis, diferentes corantes são fabricados e o número está aumentando constantemente. Há três formas nas quais os materiais têxteis podem ser tingidos:
- Em forma de rama (fibra solta) antes da conversão em fios.
- Em forma de fio.
- Em forma de tecidos. O tingimento pode ser definido como uma aplicação de cores para todo o corpo do material têxtil com algum grau de solidez: isso implica uma certa penetração dos corantes dentro das fibras individuais e um grau prático de durabilidade, sendo o mais importante a uniformidade de aplicação das cores.
1.2 Teoria do Tingimento O tingimento pode ser considerado sob dois aspectos: i) O aspecto cinético - refere-se a importância da velocidade com que os corantes são absorvidos. ii) O aspecto termodinâmico - examina a distribuição do corante entre a fibra e o banho quando o equilíbrio está estabelecido.
1.2.1 As forças de atração responsáveis pela absorção do corante são:
- Ligação Iônica.
- Pontes de Hidrogênio.
- Ligação Covalente.
- Forças de Van der Walls.
- 2.1.1 A ligação iônica - resulta de uma atração entre duas cargas nos átomos, a positiva e a negativa, que resulta da transferência dos elétrons.
Ex: No caso do NaCl:
Na 2 8 1 Na 28 ⎯ →⎯ - + (^) e − Cl2 8 7 Cl8 8
- (^) e − ⎯ →⎯ - 2 Na ++ Cl −⋅⋅→⋅⋅ Na + Cl − No caso do tingimento de fibras, os amino grupos de lã (Carga Positiva) atraem os ânions dos corantes ácidos.
DSO 3 − +^ H N 3 +^ −^ lã ⎯ →⎯^ DSO H N 3 − 3 +− lã ( D - CORANTE ) ( AMINO GRUPO - LÃ ) ÂNION DO CORANTE ÁCIDO
No entanto, os grupos carboxílicos (carga negativa) da lã atraem os corantes básicos.
DN H O OC − lã ⎯⎯→ DN H OOC − lã
- − + − 2 2 CÁTION DO CORANTE BÁSICO
GRUPO CARBOXÍLICO DA LÃ
A ligação iônica é facilmente quebrada e precisa ser suplementada por outras forças de atração entre a fibra e o corante, em particular a força de Van Der Wall. Estas forças atuam somente em pequena faixa, e são as forças iônicas de faixas relativamente longas que dão atração primária.
1 .2.1.2. A ponte de hidrogênio - resulta da habilidade do hidrogênio em aceitar um segundo par de elétrons, em que, ele é compartilhado entre dois átomos de oxigênio e um átomo de nitrogênio. O ----- H ----- O O ----- H ----- N Aqui o átomo de hidrogênio serve como uma ponte entre dois átomos eletronegativos, ligando um por ligação covalente, e o outro por forças puramente
Aqui na formação de uma molécula de ácido clorídrico o único elétron de hidrogênio é em compartilhamento com outro elétron do átomo de cloro, que resulta na formação de uma ligação covalente. No tingimento, os corantes reativos são ligados à fibra por meio de uma ligação covalente, que é muito mais forte que qualquer outra ligação por exemplo, o corante reativo forma ligação covalente com os grupos hidróxilos de fibras celulósicas e com amino grupos da lã.
D ⎯ R ⎯ Cl + HO ⎯ celulose ⎯⎯ → D ⎯ R ⎯O⎯ celulose + HCl (corante reativo) (grupo hidroxila da celulose)
D ⎯ R ⎯ Cl + H 2 N ⎯ Lã ⎯⎯ → D ⎯ R ⎯ HN ⎯ Lã + HCl (corante reativo) (amino grupo da lã)
1.2.2. Relação de tingimento.
Quando uma fibra é mergulhada no banho do corante, o processo de tingimento acontece em três estágios: (i) Transferência do corante do banho, na direção da superfície da fibra. (ii) Adsorção do corante pela superfície da fibra (fixação). (iii) Difusão do corante da superfície para dentro da fibra. Realmente, o primeiro estágio consiste de duas partes, desde que exista uma camada estática da solução do corante na vizinhança das fibras. A espessura desta camada de difusão varia inversamente de acordo com a velocidade do fluxo através das fibras. No fluxo, como no tingimento em escala industrial, a difusão através dessa camada é que determina a relação de tingimento. Nas condições de laboratório o índice do fluxo é ajustado para que o estágio (iii) venha a se tornar a relação determinante. O estágio (ii) é virtualmente instantâneo, a difusão do corante na fibra é governada pela lei de FICK.
F =
ds dt
D dc dx
= − (^) (1)
Onde F = velocidade da transferência/área de secção transversal unitária. ds = Quantidade de corante que se difunde através da distância-padrão no intervalo de tempo (dt) muito pequeno. c = Concentração em um ponto; x, a distância difundida; e D (uma constante) é o coeficiente de difusão. A lei de Fick é meramente uma afirmação de que a relação de difusão ds/dt é proporcional a concentração gradiente dc/dx. No estado acima, a equação de Fick não está bem adaptada ao trabalho experimental, mas após manipulação apropriada, ela pode ser integrada para dar uma equação na forma de uma série infinita. A verdadeira equação é obtida dependendo da forma do substrato. As fibras de seção transversal, tais como lã, correspondem a cilindros de raios infinitamente longos, e neste caso a integração resulta na equação de HILL.
c c
t (^) Ae By^ Ce Ey ∞
= 1 − −^ − − (2)
Onde: y = Dt / r2 e A, B, C, E etc, são constantes dos valores
conhecidos. Esta equação é baseada em uso de um banho infinitivo. Isto é, uma alta relação de banho é usada, em que não há nenhuma mudança na concentração do banho durante o tingimento. Vários tingimentos, por exemplo, nos fios torcidos folgadamente, são executados numa temperatura fixa através de agitação. O corante na fibra é depois determinado pela extração e afirmação calorimétrica. Um tingimento por muitas horas dá a concentração-equilíbrio de um corante numa fibra (C∞), muitos tingimentos em tempos curtos dão valores de (ct). Tabelas e
gráficos relacionados com Ct/C∞ à Dt/r^2 podem ser encontrados. Assim, os
cálculos são simples, uma vez que o raio da fibra é conhecido. O coeficiente de
difusão "D" pode ser expresso em cm2/min ou cm2/seg. Diferentemente da relação de difusão, ele é independente da concentração gradiente ou quantidade de corante na fibra, uma vez que a lei de Fick é obedecida.
exaustão em tempos diferentes, e traçada com o tempo de tingimento, uma parábola do tipo ilustrado abaixo é obtida, Figura 1.2.
E
X
A
U
S
T 40
Ã
O
t^12 tempo^ → Figura 1.2Relação entre a exaustão e o tempo. Por causa da aproximação gradual para o equilíbrio final, o tempo de chegada ao equilíbrio não pode ser medido corretamente, mas o tempo de chegada à metade do equilíbrio final pode ser medido. O tempo de meio tingimento ( (^) t 12 ) que já fora obtido é proporcionalmente
inverso à relação de difusão na fibra, isto é, tempos curtos de meio tingimento indicam difusão rápida e conversa. Os valores de meio tingimento dependem muito das condições experimentais. Como exemplo tem-se a porcentagem de corante usado. Estes valores são úteis para comparar os membros de uma série de corantes aplicados dentro de condições idênticas. O efeito geral da temperatura no tingimento é ilustrado no gráfico seguinte. A elevação da temperatura aumenta a relação de tingimento, mas diminui o equilíbrio de exaustão.
↑^40 o^ C E 60ºC X 80 o^ C A 100ºC U S T Ã O (%) 0 A TEMPO → B Figura 1.3 Efeito geral da temperatura na exaustão do corante. O efeito da temperatura na relação de difusão do corante numa fibra é dado pela energia de ativação da difusão. A difusão acontece de regiões de altas concentrações para regiões de menores concentrações. Mas nem todas as moléculas de corantes têm energia suficiente para superar o restritivo das moléculas na vizinhança. A medida que a temperatura é elevada, um maior número de moléculas adquire a quantidade mínima de energia necessária para que se libertem, como é ilustrado no gráfico ( A ), assim, a relação de difusão aumenta de acordo com a temperatura. O número de moléculas ativadas é proporcional a concentração total dos corantes e ao termo abaixo. (−E/RT) (4) Onde R é a constante (1,99 cal/mol por grau), T é a temperatura absoluta e E é a quantidade pela qual a energia de uma molécula ativada supera a energia média das moléculas. A lei de Fick é aplicada, somente, para as moléculas ativadas, onde a concentração é desconhecida. Contudo, o termo exponencial pode ser incluído no coeficiente de difusão, e pode ser descrito:
D D e
ERT t
= ⋅ −^ /
φ (5)
Vickerstaff mostrou que as energias de ativação de uma curta classe de corantes na fibra são muitas vezes semelhantes, para que um único valor possa descrever as propriedades de um grupo de corantes com relação a temperatura. Alguns dos valores são descritos abaixo:
Tabela 1.1 Energia de Ativação com Relação a Diferentes Sistemas de Tingimento: Tipo do Corante Fibra Energia de Ativação (E) (kJ/mol) Kcal mol- Componentes uniões de azóicos Raion Viscose 42 10 À tina Raion Viscose 52 12, Direto Raion Viscose 59 14 Corante ácido de igualização Lã 92 22 Corante ácido ao pisão Lã 121 29 Disperso Polipropileno 105 25 Disperso Poliéster 167 40 Corantes Básicos Acrílicos 251 60 A magnitude de energia de ativação indica qual é a temperatura de tingimento que vai ser requerida. Quando " E " representa 40 kJ/mol, o tingimento é feito na temperatura ambiente; 80 kJ/mol indica que a temperatura 60º - 80ºC praticável. Com " E " representado 130 kJ/mol, o tingimento tem que ser feito a temperatura perto de 100ºC, e quando " E " tem o valor de 140 kJ/mol, tem que ter equipamentos especiais para permitir o uso de temperatura de 120 - 140ºC.
1.2.3 Linhas de Isotermos de Adsorção
Exceto quando ocorre uma combinação química real, no caso de corantes reativos, o tingimento consiste de divisão do corante entre a fibra e o banho. Se desejarmos um tingimento econômico, a divisão final no equilíbrio deve ser em direção à fibra, isto é, tem que ter uma boa exaustão de banho (esgotamento).
O efeito da concentração do corante na divisão pode ser expresso graficamente depois de levar os tingimentos ao equilíbrio numa temperatura fixa com quantidade de corantes variáveis, e depois medindo a quantidade de corante na fibra (D) (^) f e no banho residual (D)s são obtidos três tipos de linhas isotérmicas de adsorção.
[D] f
[D]s Figura 1.5 Isotermo de Freundlich A linha isotérmica de Freundlich (equilíbrio) é aplicada para a adsorção dos corantes diretos e à tina pelas fibras celulósicas.
( D ) (^) f = K ( D )χ s (7) Onde: K é uma constante e χ é o poder fracional na transformação dos logaritmos.
log ( D ) (^) f = logK+xlog( D ) s (8) Assim, traçado um log (D) f contra log (D)s, uma linha reta é obtida. Se o
poder fracional na equação 7 é unidade, então,
( D ) (^) f = K ( D )χ s (9)
recebido uma linha reta:
A equação de Langmuir é:
( ) s
f s f (^) K D
K C D D 1 ( )
( ) ( )
= (^) (10)
Onde: K é uma constante e (C) (^) f é a concentração de corante na fibra quando todos os lugares da reação estão ocupados. Para estruturas de corante-fibra:
( (^) f f )
f s (^) S D
D a
D [ ] [ ]
1 [ ] [ ] −
= ⋅ (11)
e S
f S f (^) aD
a S D D 1 [ ]
[ ] [ ] [ ]
⋅ ⋅ = (^) (12)
[S]f representa a concentração dos pontos acessíveis numa fibra qualquer e então corresponde teoricamente adsorção monocamada do corante.
D (^) f a S f Ds [ S ] f
1 [ ] [ ]
1 [ ]
1 = + (13)
ou f f s
f (^) a S a D D
D [ ] [ ] [ ]
[ ] = − (14)
O procedimento mais comum é plotar [ D ] f
(^1) contra [ D ] s
Figura 1.8 (a) [ D ] f
(^1) contra [ D ] s
(^1) Figura 1.8 (b) s
f D
D
[ ]
[ ] contra [ D ] f
As diferentes formas de adsorção:
(a)
(b)
(c)
[ D ] f
[ S ] f
[ D ] s
1
s
f D
D
[ ]
[ ]
[ S ] f
[ D ] f
