Quimica aplicada (textil)
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1) El documento trata sobre la química aplicada a la industria textil, específicamente sobre colorantes textiles. 2) Explica que los colorantes se adhieren a las fibras textiles a través de enlaces como puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals. 3) Los principales tipos de colorantes textiles mencionados son los directos, ácidos, premetalizados y antraquinónicos.
![ Colorantes Tipo I – lineal
Azul negro naftol 6B
5-amino-3-fenilazo-4-hidroxi-6-(m-nitrofenilazo)-naftaleno-2,7-
bis-(sulfonato sódico)
Rojo Congo
4,4’-bis [4-amino-1-(sulfonato sódico)-3-naftalenoazo]- bifenilo](https://image.slidesharecdn.com/sesion15-quimicaaplicada-210830080127/85/Quimica-aplicada-textil-30-320.jpg)
Quimica aplicada (textil)
- 2. Históricamente, la química ha sido la base del desarrollo de la industria textil. La fabricación de tejidos y telas se conforma de diferentes procesos en los que intervienen una gran diversidad de químicos transportados en agua, principalmente. Así, la química interviene en la manufactura de todos los tipos de fibras, hasta lograr un producto final con las características deseadas. La Cámara Nacional de la Industria Textil (Canaintex) estima que en 2015 el sector textil nacional aportó un 1.4% del PIB manufacturero y que trabaja al 60% de su capacidad. A nivel mundial, los actores clave en la producción del sector textil y del vestido en el mundo son China, Italia e India. El contexto internacional demanda retos a la producción textil mexicana que hoy por hoy no puede competir contra los bajos costos provenientes de Asia, el primer productor de textiles y de prendas de vestir a nivel mundial. La Canaintex estima que una de cada tres prendas importadas de Asia entra al país por debajo de los precios nacionales (dumping), afectando la producción nacional. INTRODUCCIÓN
- 4. Se puede definir la tintura como aquel proceso durante el cual una materia textil, puesta en contacto con la solución o dispersión de un colorante, absorbe a éste de tal forma que el cuerpo teñido tiene alguna resistencia a devolver la materia colorante al baño del cual lo absorbió La resistencia a devolver el colorante es consecuencia de la energía de unión y depende de la relación existente de estructura molecular de la fibra y el colorante y de las condiciones en que se realice la tintura.
- 5. Las fibras textiles que se someten al proceso de teñido tiene un punto común: Son todas polímeros lineales ◦ La lana – polipéptidos ◦ La seda – polipéptidos ◦ El algodón – policelobiosa ◦ El nylon – poliamida ◦ Los polímeros se orientan por regla general a lo largo del eje, cuya forma y magnitud de la orientación determina sus propiedades físicas y su mayor o menor aptitud para la tintura.
- 6. El examen de las fibras textiles por procesos radiológicos lleva a la conclusión que las moléculas de las fibras están agrupadas en estructura cristalina, de una forma regular. Las fibras, no tienen las propiedades físicas de los cristales, lo que hace suponer que dichos cristales se hayan embebidos en una sustancia de naturaleza amorfa, que tiene la misma composición química.
- 7. La fibra se puede considerar en dos estados de ordenación distintos, siendo el estado cristalino el soporte de su estructura y el amorfo el relleno de la misma. A su vez, los colorantes tienen moléculas análogas a las de la fibra, orientación alargada, lo que impide que pasen a través de la estructura cristalina de la fibra, pero sí lo hacen por los “poros” – espacios existentes - en la estructura amorfa de la fibra, lo que hace posible la difusión del colorante hacia el centro, lográndose así el teñido de la misma.
- 8. El teñido se hace en solución acuosa La fibra textil al ser sumergida en agua, tiene tendencia a “hincharse”, debido a los grupos hidroxílicos de la molécula de su estructura amorfa, lo que provoca un aumento del tamaño del “poro”, facilitando la difusión del colorante. La estructura cristalina no presenta diferencia entre su estado seco o húmedo. Lo que se demuestra por análisis de rayos X.
- 9. Algunos ejemplos del % de absorción de agua por algunas fibras, lo que implica un aumento en el tamaño del “poro”: Aumento del diámetro del “poro” Fibras “Hinchamiento” % Agua fijada químicamente Rayón viscosa 65 Lana 26 Algodón 21 Fibras Seca -Å Húmeda - Å Celulósicas Aprox: 5 26 - 100 Lana 6 41
- 10. Se puede definir, en forma general, como: Una sustancia capaz de ser aplicada - en soluciones o dispersiones acuosas o no acuosas – a diversos sustratos que pueden ser: - metales - mampostería - madera - papel - textiles - cuero - pieles - pelos - ceras - plásticos - cosméticos - alimentos - y otros…
- 11. COLORANTES TEXTILES Colorantes Clasificación Sustrato Colores Solidez del color Directos Tiazoicos Azoicos algodón Diversos Buena a la luz celulósicos Poco brillo lana Buena en humedo seda poliamida Básicos papel Diversos Gran brillo cosméticos Aceptable a la luz crayones acrílico téxtil Antraquinónicos Alizarina Índigo a la "tina" algodón Diversos Gran brillo lana muy buena a la luz poliamidas muy buena al lavado algodón excelente rayón
- 12. Ácidos Lana Buenas Sulfuros t Algodón Alta al lavado Metalizados Premet 1:1 Diversos Premet 1:2 Lana Buena Reactivos Celulósicos Diversos buena Brillo Dispersos Poliester Buena a la luz Rayón acetato Buena en húmedo Acrílico Poliamida requieren de un mordente - intermediario que facilita la acción del colorante se obtienen de sulfonar los colorantes básicos y de los premetalizados 1:1 n dependiendo de las modificaciones - cambio de pH - deriva en colorante ácido t ya no se usan tanto por ser más contaminantes que los otros
- 13. En 1876 Witt llegó a la conclusión que el color era el resultado de la presencia en la molécula del colorante de ciertos grupos de átomos que llamó cromóforos, todos ellos insaturados. Por ejemplo: • >C=C< etilénico • >C=O cetónico • >C=S tiocetónico • -N=N- azo • >C=N- ciano
- 14. El grupo a – tiene pares de electrones dadores El grupo b – tiene átomos de H, capaces de formar puentes de H
- 15. Los fabricantes comercializan los colorantes con nombres de fantasía, números y letras que, en general, tratan de indicar algunas de sus características. Por ejemplo, un colorante, de origen inglés, el Amarillo Cromocel 2G es un colorante directo para fibras celulósicas, de tono verdoso (la G sería la abreviatura de “green”, verde en inglés). Rojo Dispersol 4G 160: colorante rojo disperso de tonalidad amarillenta (la G en este caso es abreviatura de “gelb”, amarillo en alemán), con una concentración 160 % con respecto al standard.
- 16. Ácidos Premetalizados 1:2 Directos Antraquinónicos - índigo
- 17. La lana está constituida principalmente por queratinas, proteínas formadas por 19 aminoácidos diferentes que, mayoritariamente, poseen la fórmula general H2N.CHR.COOH. Estos aminoácidos están unidos en largas cadenas polipéptidas:
- 19. Se representan: Grupos amino –NH2 y carboxílicos –COOH, son de naturaleza hidrofílica, al hidratarse: OH – NH+ 3 – R – COOH ▪ La fibra tiene carácter anfótero lo que le confiere afinidad por los colorantes que posean una y otra composición
- 20. Se obtienen a partir de los básicos o directos agregando ácido. Son derivados sulfónicos en forma de sales sódicas de compuestos azoicos, de baja masa molecular. Se caracterizan por la abundancia de grupos sulfónicos. Lo que les confiere gran solubilidad y poca afinidad por la fibra
- 21. La acidez de la solución es de gran importancia en el proceso de tintura Es el vehículo de enlace entre la fibra y el colorante Depende del medio que se efectúe en las debidas condiciones. Se propone la siguiente reacción entre fibra – ácido – colorante:
- 23. En solución acuosa el colorante se presenta totalmente disociado Este anión – del colorante – tiene la facultad de desplazar los aniones del ácido, adicionado para modificar el medio, atraídos por el grupo amino de las proteínas. ¿Por qué los desplaza si son más voluminosos?
- 24. No se puede explicar como mera afinidad iónica Tienen una mayor fuerza debido a la interacción de dipolos, puentes de hidrógeno (Fuerzas de Van der Waals), que no están presentes en el anión del ácido. Las fuerzas de unión aumentan con la masa molecular y decrecen con la solubilidad del colorante. Se ha comprobado que la unión del colorante – fibra, no sólo se realiza con el grupo amino sino también con los grupos amidos:
- 25. ❑ Esta unión es de naturaleza eléctrica ❑ Esto explica porque los colorantes de lana también tiñen poliamidas como el Nylon 6.6
- 26. Directos Reactivos Antraquinónicos
- 27. Fibras celulósica: La distancia que se observa entre cada 2 grupos aislados, es de suma importancia en la afinidad de los colorantes capaces de teñir esta fibra
- 28. La fibra celulósica es hidrófila, es la característica más importante para determinar el comportamiento de los colorantes directos sobre ella. Condiciones para determinar la sustantividad del colorante por la fibra: ◦ Facilidad de la fibra para la absorción del colorante ◦ Mayor resistencia de la fibra a eliminar parte del colorante absorbido en la tintura, en los lavados posteriores ◦ Estructura lineal de la molécula del colorante, si disminuye la linealidad, disminuye la sustantividad
- 29. Baja afinidad: la difusión del colorante dentro de la fibra se verá facilitada. Se obtienen tinturas completas e igualadas Alta afinidad: las primeras cantidades que se fijen “molestarán” la difusión del resto del colorante que viene detrás. Se obtienen tinturas incompletas desigualadas. a – alta afinidad b – afinidad intermedia c – baja afinidad
- 30. Colorantes Tipo I – lineal Azul negro naftol 6B 5-amino-3-fenilazo-4-hidroxi-6-(m-nitrofenilazo)-naftaleno-2,7- bis-(sulfonato sódico) Rojo Congo 4,4’-bis [4-amino-1-(sulfonato sódico)-3-naftalenoazo]- bifenilo
- 31. Colorantes Tipo II – ◦ Menos lineal
- 32. Unión entre la celulosa y un colorante directo – CI – Color Index - Rojo Directo, 28, Rojo Congo Los grupos azo y amido se encuentran en los colorantes a intervalos de 10,8 Å, lo cual indica que ellos pueden contener el espacio de 10,3 Å existente entre los grupos celobiósicos.
- 33. La presencia de grupos sulfónicos y carboxílicos en la molécula del colorante, le confieren gran solubilidad y por consiguiente aumenta la afinidad por la fase acuosa, disminuyendo la sustantividad por la fibra. Estos grupos le confieren electronegatividad a la molécula y como la celulosa en estado húmedo se halla cargada negativamente, existe una repulsión entre colorante y fibra, que reduce la sustantividad Colorantes Directos Otro nombre Grupos sulfónicos Electrolitos C.I. azul directo I Azul cielo clorazol FF 4 Si C.I. Azul directo 10 Azul dianil P 4 Si C.I. Amarillo 12 Crisofenina G 2 No C.I. Rojo II Benzopurpurina 4B 2 No
- 34. Unión por puente H entre fibra celulósica y colorante directo:
- 35. MECANISMO TIPO DE UNIÓN REVERSIBILIDAD enlace de hidrógeno + ESPECÍFICOS enlace covalente - enlace covalente dativo - fuerzas de Van der Waals + enlaces electrovalentes + NO ESPECÍFICOS enlaces ión/dipolo + enlaces dipolo/dipolo + retención mecánica -
- 36. Es un sistema de 2 fases: ◦ Una sólida: el textil – el sustrato – heterogeneidad de las fibras, sus zonas amorfas y cristalinas ◦ Una líquida: solución acuosa que puede contener coloides, dispersiones de uno o más colorantes – el baño ◦ Interfase (Este conjunto es de una complejidad extrema) Etapas: ◦ 1- Difusión del colorante en la fase líquida ◦ 2- Adsorción en la interfase líquido/Fibra ◦ 3- Difusión en el interior de la fibra ◦ 4- Fijación en el interior de la fibra
- 37. Se define por un conjunto propiedades macroscópicas visibles y medibles: ◦ Temperatura ◦ Presión ◦ Composición del baño ◦ pH ◦ Color del baño – determina el punto en el que el sistema ha llegado al equilibrio, donde se igualan las velocidades de adsorción de la fibra por el colorante y difusión del colorante de la fibra al baño.
- 38. Para la lana: ◦ La temperatura del baño ◦ El pH del baño ◦ Afinidad del colorante por la fibra ◦ Tiempo Para el algodón: ◦ la temperatura del baño ◦ Electrolitos del baño ◦ Afinidad del colorante por la fibra ◦ Tiempo
- 39. Equilibrio químico Velocidad de reacción Termodinámica
- 40. Para relacionar el proceso de tintura con la entalpía debemos tener en cuenta las siguientes ecuaciones: ◦ Gº = Hº - TSº ◦ Gº = - RT ln K ◦ Relacionándolas y dividiendo por RT: ◦ (expresión de la ecuación de una recta)
- 41. ◦ Considerando constante la entalpía y la entropía estandar para pequeños intervalos de temperatura, vemos que lnK es inversamente proporcional a la T. ◦ Derivando con respecto a 1/T y finalmente integrando llegamos a la siguiente expresión: Por lo tanto el cálculo de calor de reacción puede realizarse fácilmente conociendo la constante de equilibrio a 2 o más temperaturas y graficando: lnK en la ordenada y 1/T en abscisa, donde la pendiente será: y el punto de corte en la ordenada:
- 43. La afinidad º se define como la diferencia entre el potencial químico standard de una sustancia en dos fases (colorante en la fibra- a1 - y colorante en solución – a2 ) distintas de un dado sistema heterogéneo: º = RT ln(a1 / a2) =(en equilibrio) = RT ln K Como el potencial químico es energía libre molar parcial también tendremos: º = Hº - TSº
- 44. El “calor molar diferencial standard de tintura” Hº representa la diferencia de energía entre los enlaces o uniones rotas en la solución, entre la molécula de colorante y las moléculas de agua que le rodean (enlaces hidrógeno) y los enlaces o uniones que se formen entre el colorante y la fibra que se está tiñendo. En los sistemas fibra/colorante, Hº mide el calor liberado por el sistema y la tintura será siempre un proceso exotérmico. A mayor calor liberado (altos valores de Hº), mayor será la afinidad del colorante por la fibra. Si en cambio introducimos calor, es decir si calentamos el sistema, la afinidad del colorante por la fibra disminuirá .
- 45. En la industrial en general, se calienta para teñir con el fin de disminuir los tiempos de tintura. Esto está motivado por la cinética de la tintura y no por los aspectos termodinámicos del equilibrio final. Al absorberse colorante dentro de la fibra el orden de la fase sólida aumenta y su entropía S disminuirá, pues el colorante se integra al orden preexistente del polímero que forma la fibra. Sin embargo, en todo el sistema la entropía aumentará, pues se libera calor y la tintura será un fenómeno espontáneo que tiende a un equilibrio.