UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y TEXTIL

LABORATORIO DE PROCESADO QUIMICO TEXTIL IIPIT - 50/A

LABORATORIO N9COLORANTES CATIONICOS

Realizado por: Collazos Gmez, Marco Cuicapuza Araujo, RafaelProfesora:Ing.MaraElenaTitoDe Bendez

Fecha de realizacin de la prctica: 06/ 06 /15Fecha de entrega del informe:13/06/15

Lima Per2015

Contenido1.OBJETIVOS22.FUNDAMENTO TERICO33.MATERIALES Y EQUIPOS43.1.EQUIPO43.2.MATERIALES53.3.PRODUCTOS QUIMICOS Y AUXILIARES54.PROCEDIMIENTO55.CALCULOS65.1.Tintura de fibras con colorante Negro Lanaset B al 2 y 3%66.DATOS87.DISCUSION DE RESULTADOS98.CONCLUSIONES109.RECOMENDACIONES1010.BIBLIOGRAFIA1111.MUESTRAS12

1. OBJETIVOS

Conocer, aplicar y evaluar las tcnicas de teido con colorantes cationicos sobre fibras de acrlicas.2. FUNDAMENTO TERICO

COMPOSICION Y ESTRUCTURA FISICOQUIMICA DE LAS FIBRAS ACRILICASLas fibras acrlicas se obtienen mediante un proceso de polimerizacin por adicion del tipo.

Lo que permite una gran flexibilidad en la composicin del polmero a partir del cual se produce la fibra. El componente principal de las fibras acrlicas es el acrilonitrilo , habindose producido de primeras fibras acrlicas a partir de un polmero conteniendo casi un 100% de acrilonitrilo. Las propiedades fsicas de poliacrilonitrilo, punto de fusin elevado, mala solubilidad, etc. Hicieron pensar que la naturaleza de las uniones entre las cadenas era del tipo de unin por puente de hidrogeno entre el grupo nitrilo y el carbono terciario.

Fig. N 1 Enlace de las cadenas de poliacrilonitrilo mediante puentes de hidrogenoESTRUCTURA QUIMICA DE LOS COLORANTES CATIONICOSLa gran mayora de fibras acrlicas se tien hoy con colorantes de tipo cationico, los cuales se caracterizan porque la carga positiva est asociada al cromforo que forma parte de la molecula. Los colorantes cationicos mas empleados se pueden diviri en tres grupos qumicos fundamentales.a) Aquellos que transportan una carga positiva deslocalizada (carga resonante). Dentro de esta clase se encuentran los colorantes mas brillantes, con mayor poder tintrea e inferiores solideces a la luz y al vaporizado; su estructura qumica es del tipo indaminico (azinas, osazinas,tiazinas y derivados del di y trifenilmetano) y son los colorantes cationicos mas antiguos. Una de las estructuras se muestra en la siguiente figura.

Fig. N 2 Estructura qumica de los colorantes catinicos

b) Colorantes con carga del catin localizada (carga no resonante). Estos colorantes son similares a los colorantes dispersos, con cromoforos azo o antraquinoide y cuya basicidad se deriva de grupos sustituyente no asociados directamente con el cromforo. Poseen elevadas solideces a la luz, no son tan brillantes como los colorantes del grupo a y su poder tintreo no es muy elevado, presentando un buena estabilidad qumica a pH elevados. La fig. b, muestra la estructura de un tipo de estos colorantes.c) Colorantes con estructura heterocclica conteniendo nitrgeno cuaternario. En este tipo, los cromoforos azo, azo-metin o similares poseen una estructura similar heterocclica que contiene nitrgeno cuaternario y la basicidad est integrada en el sistema cromoforico. Estos colorantes no presentan buena estabilidad qumica a pH ms elevados y necesitan un anin de acido fuerte para mejorarla, por lo que sus tinturas presentan la mxima solidez cuando se efectan sobre fibras acrlicas que poseen grupos fuertemente cidos, tales como el orlon 42; adems, estos colorantes poseen un poder tintreo mas elevado que los del grupo b y por ello se emplean cuando se tien fibras acrlicas que poseen un bajo contenido de grupos cidos. La fig. c , representa una estructura de estos colorantes.En todos los casos X- es un anin mineral (haluro, perclorato, bisulfato, etc), u organico simple (metil sulfato, venil sulfato, etc.); el papel de estos aniones es el de solubilizar el catin del colorante de forma que el colorante se disocia en medio acuoso, dando origen a un catin de colorante de signo positivo y a un anin de signo negativo.

FISICOQUIMICA DE LA TINTURA DE FIBRAS ACRILICAS CON COLORANTES CATIONICOSDado que, segn hemos visto, las fibras acrlicas poseen grupos cidos fuertes o dbiles o ambos a la vez, y los colorantes son de naturaleza catinica, la unin del colorante con la fibra se realiza mediante enlace de tipo polar, segn el esquema:

Fig. N3 Esquema de enlace colorante con la fibra.Segn este mecanismo y considerando anlogas caractersticas de estructura fsica en las fibras, se puede indicar que:a) La cantidad de colorante que puede admitir una fibra a saturacin, es funcin de los grupos cidos existentes, debiendo estar estos disociados y accesibles para que la reaccin entre colorante y fibra ocurra.b) La disociacin del colorante es tambin necesaria para que se produzca la unin.c) Las variables del sistema tintreo que influyan sobre el grado de ionizacin de la fibra y el colorante, desplazaran el equilibrio de un sentido favorable o desfavorable al grado de unin del colorante con la fibra.Cintica tintrea:La cintica de tintura de las fibras acrlicas se desarrolla en tres etapas fundamentales: Absorcin por la superficie de la fibra del colorante disuelto en el bao Difusin del colorante desde la superficie de la fibra hacia su interior Unin del colorante con la fibra.Esta ltima etapa ha sido discutida anteriormente y es tan rpida que no tiene influencia en el tiempo de desarrollo de la cintica. El tiempo en alcanzar la primera etapa y la velocidad con que se efecta la segunda, determinan la velocidad de tintura.AbsorcinCuando las fibras acrlicas se sumergen en el agua, se produce entre la superficie de la fibra y el medio acuoso un potencial electrocinetico conocido como potencial zeta, adquiriendo la fibra un valor negativo, que segn Vickerstaff y Weston alcanza los 44mV. La presencia simultnea en el medio acuoso de la fibra con carga negativa y el colorante bsico ionizado, origina la atraccin de este que es absorbido en la superficie de la fibra. Glenz y Beckmann encontraron que a bajas concentraciones de colorante en el bao (20g/L), la fibra pierde su potencial negativo y despus resulta ligeramente positiva a consecuencia de la acumulacin de los cationes del colorante en la superficie de la fibra; a su vez, los aniones en exceso neutralizan el exceso de potencial y as sucesivamente; en la siguiente figura se esquematiza el proceso que se produce.

Fig. N 4 Variacin del potencial segn la concentracin del colorante.Un incremento posterior de la concentracin del colorante, por encima de la cantidad necesaria para neutralizar el potencial zeta, varia muy poco el potencia; lo cual es ndice de que la cantidad de colorante absorbido permanece casi constante; se ha visto adems, que la absorcin del colorante es independiente de la relacin de bao, de la duracin de la tintura y de la temperatura, cuando este se encuentra por debajo de la temperatura de transicin de segundo orden de la fibra. La absorcin viene influenciada por el pH de la solucin de tintura, la naturaleza de la fibra acrlica y la basicidad del colorante; ello es fcilmente explicable por la accin de los iones hidrogeno que entran en competicin con los cationes del colorante en la neutralizacin del potencial de superficie de la fibra.DifusinEl estudio de la difusin de los colorantes catinicos en las fibras acrlicas presenta dificultades para determinar los valores exactos de los coeficientes de difusin. Las razones por las cuales estas dificultades son mayores que con otras fibras sintticas, por ejemplo polister, son: El estudio matemtico de la difusin debe tener en cuenta que solo las molculas del colorante se disuelven en la fibra se difunden libremente, mientras que aquellas que estn unidas a la fibra no lo hacen. Por otra parte, la mayora de las fibras acrlicas poseen forma irregular y las ecuaciones de Hill para el clculo de los coeficientes de difusin no parecen ser usadas. Debido a que la absorcin del colorante en la superficie de la fibra es muy rpida, se presentan dificultades para determinar exactamente cundo empieza el proceso de difusin.A pesar de estas dificultades, han aparecido algunos trabajos para tratar de explicar cmo se efecta la difusin del colorante en la fibra. Segn Vogel y colaboradores los colorantes de elevada afinidad son absorbidos rpida y tenazmente por la superficie de la fibra, produciendo una tintura en anillo en el cual todos los sitios disponibles son saturados con el colorante. La solucin tintrea que penetra en el interior de la fibra, despus de haber dejado las capas exteriores es poco rica en colorante y por consiguiente puede aportar poco colorante a estas capas interiores; para que estas aumente su concentracin de colorante es necesario que el colorante se desprenda de las uniones que posee en la superficie de la fibra o bien que desde el bao vuelva a entrar nueva solucin conteniendo colorante, el cual ser absorbido nuevamente por esta nueva porcin interna de la fibra. En el primer caso, la difusin se produce por el traslado de la molcula de colorante de un sitio en la zona externa de la fibra, a otro situado ms internamente, o sea una transferencia que podramos denominar de sitio a sitio; en el segundo, la difusin se produce por el efecto del aporte de nuevas cantidades de colorante efectuado por la solucin tintrea externa a la fibra, o sea lo que podramos llamar una aportacin por olas de solucin tintrea. En general, en colorantes de elevada afinidad se produce una rpida absorcin en la superficie y a una velocidad de difusin relativamente baja. Si los colorantes son de baja afinidad, el mecanismo es similar y solo varia la intensidad con que el colorante se agota en la superficie, ya que en este caso, al ser baja la afinidad, el agotamiento superficial es bajo y la solucin que penetra en el interior de la fibra contiene ms colorante, lo cual le permite a este difundirse ms rpidamente hacia el centro de la fibra y que la tintura sea ms rpida. El coeficiente de difusin se determina a partir de la siguiente relacin:

Velocidad de tinturaLa gran mayora de trabajos de investigacin sobre cinetica de tintura de fibras acrlicas con colorantes catinicos ha sido orienta hacia el estudio de la velocidad total de tintura a fin de conocer su dependencia de las diferentes variables que interviene en el sistema. La regulacin adecuada de la velocidad de tintura es extraordinariamente importante en la tintura de fibras acrlicas, ya que la obtencin de una tintura uniforme depende fundamentalmente de que el colorante sea fijado por la fibra de manera regular en toda su masa, pues no se puede contar con el fenmeno de migracin del colorante para lograr, durante el transcurso de la tintura, una uniforme distribucin de ste en el conjunto de fibras que se tien.Influencia de la temperaturaLas fibras acrlicas presentan a bajas temperatura una estructura muy compacta que solo permite oscilaciones de sus tomos, de mayor o menor amplitud alrededor de su posicin de equilibrio. Cuando la temperatura se eleva y se alcanza la de transicin, la movilidad en los segmentos de las cadenas del polmero se aumenta y a partir de esta temperatura la permeabilidad de la estructura aumenta en funcin del incremento de la temperatura, permitiendo la difusin de los cationes del colorante desde la superficie de la fibra, en donde son nuevamente reemplazados por colorantes existentes en el bao, prosiguiendo as el ciclo de tintura. Dado que las fibras acrlicas poseen constituciones fsico qumicas muy diversas, estas influyen notoriamente en la temperatura o zona de temperatura en donde se produce la permeabilidad de la fibra por los colorantes y por consiguiente, la velocidad de tintura a una determinada temperatura es diferente segn la fibra acrlica de que se trate; como ejemplo de este comportamiento podemos ver en la siguiente figura el comportamiento de las fibras Dralon y Courtelle a diferentes temperaturas de tintura.

Fig. N 5 Influencia de la temperatura en el comportamiento de las fibras.Esta explicacin de la accin de la temperatura sobre la velocidad de tintura, con ser suficiente no llega a aclarar completamente todo el fenmeno. En nuestra opinin, el diferente comportamiento tintreo de las fibras acrlicas en relacin con la temperatura, puede provenir tanto de una mayor apertura de la estructura molecular en su aspecto meramente fsico, como de la aparicin en la fibra de nuevos grupos cidos accesibles al colorante, a consecuencia de dicha mayor permeabilidad de la fibra; este aspecto del problema es actualmente objeto de estudio. La dependencia de la velocidad de tintura, definida por su constante de reaccin K, y la temperatura se obtiene por la aplicacin de la ecuacin de Arrehnius.

De acuerdo con la ecuacin de Arrehnius se puede constatar que el aumento de la temperatura ocasiona un aumento exponencial en la velocidad de teido. Valores para energa de activacin de los colorantes catinicos oscilan entre los 60 y 80 kilocalorias/mol.Por estas altas energas de activacin, las ms altas encontradas en todos los sistemas de teido, un aumento de temperatura en 1C aumenta la velocidad de teido en un 30%. Esto involucra un control estricto de la temperatura de teido para lograr un teido parejo, ya que la reaccin entre el colorante y la fibra es casi irreversible. Esto tambin explica sus pobres propiedades migratorias y sus buenas solideces hmedas.Retardantes Debido a que la afinidad de los colorantes catinicos es muy alta y teidos disparejos no pueden ser corregidos fcilmente por su pobre migracin se ha hecho uso de agentes retardantes. Bsicamente existen dos tipos de retardantes:a) Retardantes anionicos: Basan su accin en la habilidad de formar complejos con el colorante cationico. El complejo formado tiene menor solubilidad que el colorante solo y puede muy fcilmente precipitar, si un dispersante de tipo no ionico no es usado.b) Retardantes catinicos: Los agentes catinicos se comportan como colorantes incoloros que compiten con los colorantes catinicos por los grupos acidicos de la fibra. Por esta razn estos compuestos tambin poseern factores de saturacin como los colorantes. Por ser de menor peso molecular que los colorantes se difunden ms rpidamente entre la fibra, reaccionando con los grupos acidicos. A temperatura de ebullicin el retardador cationico tiende a ser reemplazado por el colorante.3. MATERIALES Y EQUIPOS3.1. EQUIPO

Espectrofotmetro de reflectancia Datacolor 600 Caja de luces Balanza de precisin Cocina elctrica de laboratorio Estufa de Secado3.2. MATERIALES

Hilo de acrlico 100% y mezcla. 1 probeta de 100 ml y de 1L 1 vaso de 250 ml Pipetas de 10, 5 y 1 ml 3 baguetas 1 termmetro Propipeta 4 Matraz erlenmeyer de 100 ml Tijeras Recipiente metlico3.3. PRODUCTOS QUIMICOS Y AUXILIARES

Colorantes Cationicos: Maxilon Marino 2RM, Maxilon Azul GRL 300%, Maxilon amarillo oro GL 400%, Negro haojiacryl, Azul turquesa Haojiacryl. Acido frmico Setamol WS4. PROCEDIMIENTO

El sustrato (5 g total) est conformado por 2.5 g de hilo de mezcla alpaca con acrlico, 2.0 g de hilado 100% acrlico, 0.5 g de hilo 100% acrlico. Los colorantes catinicos se disuelven en empastando con acido actico 1 cc, luego se agrega agua a 90C. Llenar con agua fra los recipientes metlicos, previa determinacin del volumen inicial. Agregar auxiliar Setamol WS 0.5 g/L. Agregar el acido frmico 0.5 g/L (pH=4.5) No se empleo retardante. Calentar el contenido de los recipientes metlicos en la cocina elctrica del laboratorio a 60C. Agregar el Colorante y mantener por 10 min 60C. Verificar el pH empleando la cinta indicadora de pH. Elevar la temperatura a 70C y 80C mantener por 10 min cada uno. Una vez llegado a 98 C mantener por 20 min. Enjuagar en caliente y en frio y secar.

Fig. N6 Curva de tintura empleada para los colorantes Cationicos5. CALCULOS

Sustrato: 5 g en total conformado por:2.5 g Hilado de acrlico/ alpaca titulo 20 Nm2.0 g Hilo 100% Acrlico 40 Nm0.5 g Hilo 100% Acrilico 40 Nm.

R.B.: 1/40Volumen total: 200 cc

Preparacin del colorante:1Se prepara una solucion (1/100) de cada colorante, empastando previamente con 1 cc de acido actico, agregando 49 cc de agua a 90 C.Setamol WS

Se preparan 10 cc de solucin de Setamol WS (1/10)

Acido Frmico

Se preparan 10 cc de solucin de acido frmico (1/10)

6. DATOS

6.1. Resultados del Data colorMaxilon Marino 2RM

Observaciones

El hilado de mezcla de acrlico con alpaca, es menos saturado que el hilado 100% acrlico. Ambos tiene un pico entre 650 700 nm, lo que indica que se trata de un color morado, debido a una colina entre 350 400.

Maxilon Azul GRL 300%

Observaciones

El hilado de mezcla de acrlico con alpaca, es menos saturado que el hilado 100% acrlico. Ambos tiene un pico entre 400 450 nm en la banda del azul y un pequeo pico en 650 700 nm, se trata de color azul que tiene un pequeo % de rojo. Ambas curvas de reflectancia se cortan en un punto, lo que nos indica que existe cierto grado de metameria.

Maxilon amarillo oro GL 400%

Observaciones

Ambos tiene un pico entre 550 650 nm. Tanto para el hilado de 100% acrlico y mezcla, al ser teidas con este colorante sus comportamientos son casi iguales, se aprecia en sus curvas de reflectancia cercanas que poseen la misma forma. Ambos son colores brillantes por la pendiente de la curva.

Negro haojiacryl

Observaciones

En realidad se aprecia un color naranja rojizo, en lugar del negro haojiacryl, existe la posibilidad de que el colorante empleado haya estado con la etiqueta que no le corresponde. Ambos tienen una curva con pendiente pronunciada, son saturados. El hilado 100% acrlico es mas saturado que el hilado mezcla de acrlico / alpaca.

Azul turquesa Haojiacryl

Observaciones

Ambas curvas de reflectancia se cortan en un punto, hay metameria. Presentan picos entre 400 500 nm.

7. DISCUSION DE RESULTADOS

Al realizar el teido en tazas metlicas empleando la cocina elctrica, no se controlo adecuadamente la subida de la temperatura ni se pudo mantener constante la temperatura por el tiempo establecido segn la curva de teido. El sistema estuvo sujeto a muchas variaciones. La agitacin empleada no fue vigorosa, esto sumado a que no se realizo un estricto control de la temperatura provoco un teido disparejo. Los colorantes catinicos no tiene propiedades migratorias buenas, por lo que un teido mal igualado es irreversible. Una vez llegados a 98C se mantuvo por un tiempo mayor al establecido, lo que provoco la hidrlisis del colorante catinico, lo que provoco una prdida del rendimiento. Los diferentes hilados teidos tiene solideces bajas al frote, no se consigui la penetracin adecuada. Para todos los colorantes se aprecia que el hilado ms brillante es el de 100% acrlico, mientras que la mezcla de acrlico es opaca.8. CONCLUSIONES

Se debe controlar estrictamente la gradiente de temperatura para lograr un teido bien igualado, ya que la velocidad de teido est definida por la ecuacin de Arrhenius y el solo incremento en 1C aumenta la velocidad teido en un 30%. Por la rapidez con la que los colorantes catinicos se fijan en las fibras acrlicas, es necesario usar un agente retardante para obtener teidos parejos.9. RECOMENDACIONES

Se recomienda trabajar en las maquinas de teido por glicerina, en estas se puede establecer un control adecuado de la subida de la temperatura.

10. BIBLIOGRAFIA

Pginas Web: Colorantes CatinicosDisponible en: https://upcommons.upc.edu/revistes/bitstream/2099/.../1/Article01a.pdfConsultado: 10/06/15

Informe No 91 Laboratorio de Procesado Qumico Textil II

11. MUESTRAS

Cliente: Universidad Nacional de Ingeniera Material: PolisterProceso: Col. DispersoR.B.: 1/20Peso total: 5gFecha: 06/06/15

Hilo Mezcla Acrlico

12345

Hilo 100% Acrlico

Hilo 100% Acrlico

Conc.CantidadConc.CantidadConc.CantidadConc.CantidadConc.Cantidad

Maxilon Marino 2RM 1%5 cc

Maxilon Azul GRL 300%1%5 cc

Maxilon Amarillo Oro Gl 400%1%5 cc

Negro Haojiacryl1%5 cc

Azul turqueza Haojiacryl1%5 cc

Acido Frmico (1/10)0.5 g/l1.0 cc0.5 g/l1.0 cc0.5 g/l1.0 cc0.5 g/l1.0 cc0.5 g/l1.0 cc

Setamol WS (1/10)0.5 g/l1.0 cc0.5 g/l1.0 cc0.5 g/l1.0 cc0.5 g/l1.0 cc0.5 g/l1.0 cc

Retardante----------

Volumen inicial agot.113 cc113 cc113 cc113 cc113 cc