Relación entre el potencial zeta y la deposición en el lavado de impurezas sólidas sobre tejidos de algodón, poliéster y poliéster-algodón tratados con diferentes aprestos.

Relación entre el potencial zeta y la deposición en el lavado de impurezas sólidas sobre tejidos de algodón, poliéster y poliéster-algodón tratadoscon diferentes aprestos (*) Dr. J. F. Carrión y Dr. J. Ribé Instituto de Investigación Textil y Cooperación Industrial de Terrassa. Universidad Politécnica de Barcelona RESUMEN La deposición de impurezas sólidas sobre substratos textiles, en un proceso de lavado, está motivada por acciones de diverso tipo, como puedan ser las mecánicas, químicas, eléctricas y de adsorción. El fenómeno eléctrico se estudia a través del potencial electrocinético o potencial zeta. Este potencial depende de la superficie de la fibra y del medio polar en que está inmersa. Por ello, se dispusieron tejidos de algodón, poliéster y poliéster-algodón tratados con diversos aprestos. Se efectuaron en tales tejidos pruebas de deposición de negro de humo en presencia de diferentes concentraciones de laurilsulfato sódico, y de este tensioactivo y un electrolito neutro. Se relacionaron los potenciales zeta de los tejidos utilizados con los resultados de la deposición que se obtuvieron. RESUME La déposition d'impuretés solides sur des substrats textimles, dans un processus de iavage, est motivée par des actions de type diverse, tels que mécaniques, chimiques, électriques et d'adsortion. Le phénomene électrique est étudié a travers le potentiel électrocinétique ou potentiel zéta. Ce potentiel dépend de la surface de la fibre et du milieu polaire dans lequel il est immersé. Pour cela, on a disposé des tissus de coton, polyester et polyester/coton traités avec des apprets divers. Sur ces tissus on a effectué des essais de déposition de noir de fumée en présence de différentes concentrations de lauryl-sulfate de sodium, ainsi que de ce surfactif et un electrolyte neutre. Les potentiels zéta des tissus utilisés ont été mis en rapport avec les résultats de la déposition obtenus. (*) Comunicación presentada a las XII Jornadas del Comité Español de la Detergencia. Barcelona, 25 al 28 febrero 1981. BOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N." 79, 1981 23 SUMMARY Deposition of solid impurities of textile substrates, in washing, is due to different causes which can be of mechanical, chemicai, electrical or adsorption origin. The electrical phenomenon is studied by the electrokinetic potential or zeta potential. This potential depends on the fibre surface and the polar medium in which in steeped. For this reason, we used cotton, polyester, and polyester-cotton materials, treated with different textile finishing. Deposition trials of carbon black in presence of sodium laurylsulfate at ,different coneentrations, and of this surfactant with neutral electrolyte were carried out. Zeta potentials' of the materials used were related to the results obtained in deposition. 1. Introducción Un proceso heterogéneo, como es un lavado, está formado por la fibra y la solución de lavado, conteniendo el detergente, electrolitos y la suciedad. Esta suciedad puede ser de dos tipos; o bien un compuesto sólido constituido por pequeñas partículas, o un componente fluido que será principalmente aceite o grasa. Esta suciedad existente en el baño de lavado, puede presentar el fenómeno de la deposición sobre el substrato textil. Esto es debido a la existencia de unas fuerzas de diverso tipo, como puedan ser las mecánicas, químicas, eléctricas y de absorción. Si bien en general se tienen unos resultados prácticos sobre la deposición, no existen unos fundamentos teóricos que se adelanten a la práctica. Dada, pues, la carencia de una teoría precisa, resulta compleja su comprensión y se considera como una aplicación particular de la teoría general sobre la estabilidad de coloides de Derjaguin, Landa~, Vervey y Overbeek (1) (2). Teniendo en cuenta que en la solución del lavado, la mayor parte de los substratos textiles y las partículos de suciedad están cargadas negativamente, alrededor de su superficie aparece una doble capa eléctrica, con su correspondiente potencial zeta. Este potencial puede ser medido mediante medidas electrocinéticas, y será de gran utilidad para esclarecer el fenbmeno de deposición y llegar a facilitar su estudio de una forma semicuantitativa. El potencial zeta de la fibra está en función de los siguientes factores: a) Superficie de la fibra, según esté modificada física o químicamente. b) Medio polar en que está inmersa la fibra, que será variable según la naturaleza de los electrolitos y de los detergentes. Por todo lo indicado el objetivo de este trabajo es el de relacionar las pruebas de deposición con los potenciales zeta. Con este objeto, se dispusieron tejidos de algodón, poliéster y poliéster-algodón sin tratar y tratados con diferentes aprestos. Se efectuaron pruebas de deposición de negro de humo, en presencia de diferentes concentraciones de laurilsulfato sódico, y de este tensioactivo y cloruro sódico. Se midieron los potenciales zeta de los tejidos a emplear en las pruebas de deposición en las mismas condiciones iónicas que en el lavado. 24 BOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N." 79, 1981 2. Parte teórica La carga eléctrica que adquiere una fibra o impureza al ponerse en contacto con un medio polar, depende de los siguientes factores (3): a) La ionización de la superficie del sólido. b) La adsorción de iones positivos o negativos de carga opuesta a la superficie. c) Los iones de la disolución polar. Teniendo en cuenta que los iones de carga opuesta serán atraídos y los iones del mismo signo serán repelidos, llegará a formarse una doble capa eléctrica alrededor de la superficie de la fibra o de la impureza en el equilibrio dinámico que se establezca, bajo la influencia de 'las fuerzas electrostáticas y térmicas existentes en el medio acuoso. Según los modelos aparecidos de la constitución de la doble capa eléctrica, se puede indicar lo siguiente (Fig. 1): Fig. 1. Doble capa eléctrica para la fibra e impureza y distribución de los potenciales. Adheridos a la superficie de la fibra o impureza se encuentran los iones de carga opuesta a la superficie, convenientemente hidratados, absorbidos mediante fuerzas electrostáticas o de Van Waals superando incluso la agitación térmica. Junto a ellos existe otra capa, la difusa de Gouy-Chapman, en la que coexisten iones de signos opuestos, pero con predominio de los de signo contrario a la superficie del sólido cuanto más pequeña es la distancia a éste (3). Esta capa se termina en donde la concentración de los iones en su interior es igual a la de la solución. Tal como se indican en la Figura 1, caben señalar los potenciales siguientes: (4,) potencial de superficie, ($6) potencial en el plano de Stern y (E,) potencial zeta que es la diferencia de potencial entre el extremo de la capa de Stern y cualquier otro punto de la solución de electralito. Este potencial puede ser determinado experimentalmente por los métodos electrocinéticos adecuados. Para la caracterización del potencial zeta de las materias fibrosas se ha empleado el método del potencial de flujo (4). El potencial zeta se calculó empleando la. ecuación de Helmholtz-Smoluchwski (5) siguiente: BOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N? 79, 1981 25 Siendo P la presión, en cm. de Hg, necesaria para conseguir el flujo de fluido a través de ,la célula. AV El potencial medido en mV. x Conductividad específica del electrolito en S/cm. E Constante dieléctrica de la solución. q La viscosidad del fluido en poises. 3. Parte experimental 3.1. Materiales 3.1.1. Tejidos Fueron empleados los siguientes tipos de tejidos Empa: Algodón «Style 400~ blanqueado de 80 x 80. Poliéster «Style 767», Dacron 100 % tipo 54. Poliéster/Algodón 65/35, (213) de 80 cm. ancho y 165 g/m2 En los indicados tejidos se aseguró su limpieza mediante una extracción de shoxlet durante 24 horas en una mezcla de disolventes compuesta por etanol y benceno en la proporción 2: 1 (mezcla azeotrópica). Lavándose a continuación con agua bidestilada. 3.1.2. Productos químicos. Se emplearon el lauril sulfato sódico y el Na C1, en la forma de reactivos químicos para anklisis. Se utilizó el negro de humo Raven 1040, de la Firma Columbian con un diámetro de partícula de 29 mp con una área superficial de 85 m2/g, según catálogo. Para su utilización en los lavados se empleó dispersado convenientemente en alcohol isopropílico con ayuda de un vibroagitador. 3.1.3. Aprestos Se realizaron los siguientes aprestos: a) Aplicación de una resina de tipo reticulante. Se empleó en Fixapret CPN (Basf) que es la *Dimetilo1 4,5 dihidroxi etilen urea (45 %). Se prepararon 100 gil. de esta resina, junto con 15 g/l. de cloruro magnésico. Se escurrió el género en foulard al 90 C/c, se secó a 110°C y se pasó por el Rame durante 2 minutos a 1600 C. b) Aplicación de un hidrofugante resistente al lavado. Se empleó el Persistol HP (Basf) que es una N-metilol úrea con un ácido graso superior. Este producto se empleó a la concentración de 100 g/l., junto con 3,s g/l. de sulfato de aluminio. Se escurrió el género al 90 C/c, se secó a 1103 C y se pasó por el Rame durante 1 minuto a 160° C. C) Aplicacibn de una silicona elastomérica. Fue empleado el producto Ultratex FSA (Ciba-Geigy). Este producto fue aplicado en la concentración de 40 g/l. junto con los productos Phoboton WS, 8 g/l. catalizador Dicrylan W, 4 g/l. y 1 ml/l. de ácido acético 80 %. Se pasó por el foulard con 80 %, se secó a 11ODC. Se pasó por último por el Rame, de la forma siguiente: Algodón 3 min. a 145" C, Poliéster 90 seg. 160" C y Poliéster/Algodón 4 a 5 min. a 155" C. 26 BOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N," 79, 1981 3.2. Aparatos En los procesos de ,lavado se utilizó el ~Launder-Ometern. Los grados de ensuciamiento de los tejidos, se determinaron a partir de las reflactancias obtenidas mediante el colorímetro E,lrepho de Carl Zeiss. Las medidas del potencial zeta se efectuaron con un aparato según el esquema siguiente: r(aWiU8 S0lucibn iJLrdglm wI.M Fig. 2. Esquema del aparato utilizado. a) Una célula que estuvo constituida por un tubo de vidrio de 12 mm. de diámetro que contenía dos electrodos de Ag-AgC1, separados a una distancia de 1 cm. Entre 110s electrodos fue colocado el tejido. b) La disolución dispuesta para circular por la célula se colocó en un recipiente de vidrio de 3 litros de capacidad. Se aplicó una presión estática de nitrógeno variable y se obtuvieron los diferentes flujos por la altura barométrica de mercurio. c) La diferencia de potencial1 entre los electrodos fue medida por un pH/,mV-metro marca Digilab-517 de Crison, de una exacti,tud de 0,l mV. d) La conductividad de la disolución fue determinada con un conductímetro Radiometer tipo CDM 2 e, la célula de conductividad fue de 1 cm-' a 200 C. 3.3. Procedimientos 3.3.1. Pruebas de deposición: Se efectuaron según la norma ISO 105-C061 DAD 1. Las muestras de tejido fueron de 10 x 4,s cm. La temperatura de lavado fue de 60oC. El tiempo de l/z hora y fueron empleadas 25 bolas de acero para la agitación. El baño fue de 50 ml. y se introdujo 1 mg. de negro de humo dispersado en alcohol isopropílico. 3.3.2. Medida del grado de ensuciamiento relativo al tejido inicial: Fpe determinado el grado de ensuciamiento con la fórmula de Florio y Merserau (6) a partir de los valores triestí,mulos obtenidos con las reflactancias medidas en el tejido. La fórmula es la siguiente: A c = ( (X, - X,)' + (Y, - Y,)' + (Z, - ZT ) M siendo X,, Y, y X, los valores triestímulos de la muestra blanca antes de los lavados y X,, Y,, Z, los valores trisetímulos de la muestra una vez efectuada la deposición o ensuciamiento. Estos, fueron promedio de cuatro determinaciones. BOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N." 79, 1981 27 3.3.3. Medida del potencJa1 zeta: El potencial zeta se determinó a 20°C +- 2 0,s" C, aplicando la ecuación de Helmholtz-Smoluchwski citada en el apartado 2. La manipulación del aparato (Fig. 2) fue de la misma forma que se indicó en otro trabajo anterior (4), teniendo en cuenta que las probetas de tejido se prepararon con 40 discos del tejido de igual diámetro de la célula, ambientados previamente en la solución de medida. 3.4. Pruebas realizadas a) Ensayos de deposición: La deposición de negro de humo, sobre tejidos en ensayos de lavado, fue realizada en presencia de diferentes concentraciones de lauril sulfato sódico. Los tejidos fueron de algodón, poliéster y pcliister-algodón con y sin apresto. Además, se obtuvieron deposiciones sobre tales tejidos utilizando una concentración de electrolito y dos condeentraciones de laurilsulfato sódico. b) Mediciones de potenciales zeta: Se efectuaron mediciones de los pstenciales zeta de los tejidos con y sin apresto, antes de las pruebas de deposición y en las mismas contliciones iónicas que en los lavados. 4. Resultados 4.1. Relación entre el grado de ensuciamiento y In cantidad dc negro de humo que se depositó sobre los tejidos utilizados. A partir de muestras de algodón, poliéster y poliéster-algodón, aprestadas con el Persistol HP, ya que fue el apresto con el que se obtuvieron mayores valores de deposición, se obtuvo un escalonado de diferentes cantidades conocidas de negro de humo. Para lograr esto, varias muestras se sometieron a las condiciones de lavado indicadas en el apartado 3.3.1., en presencia de 10-3M de laurisulfato sódico, durante el tiemp~ de lavado suficiente hasta obtener un agotamiento total en el baño di: lavado. En estas muestras, fueron determinados los respectivos grados de ensuciamiento con la indicada fórmula de Florio y Merserau (6), y se les encontró una relación lineal con el logaritmo de la cantidad de negro de humo depositada. Las rectas de ajuste de estas linealidades se exponen en la Tabla 1. TABLA 1 Rectas de ajuste entre los grados de ensuciamiento (AC) y el logaritmo de la concentración de humo. Tejidos aprestados Persistol HP Rectas de ajuste correlación Coef. Algodón AC = 35,1734.log c + 160,02 0,997 Poliéster AC = 39,7782.108 c + 166,67 0,994 Poli-Algodón AC = 45,5163.log c + 184,l o 0,995 4.2. Cúlculo del error del potencial zeta. Se escogieron al azar tres determinaciones, de las que se tenían prsgramadas. Se repitieron seis veces las mismas mediciones de potencial zeta en 28 BOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N," 79. 1981 días diferentes. Los resultados que se obtuvieron se exponen en la Tabla 11 siguiente: TABLA 11 Media e intervalo de confianza del valor medio de potenciales zeta Lauril sulfato Na Cl Alcohol Media e intersódico molll. isopropííico Tejido valo confianmol/l rnlll. za del valor medio en mV 1,6.10-3 1 O-' 20 Po1.-Algo. 32,5 I 1,7 1,6.102 1 O-' 20 Poliéster 78,5 I 3,5 20 Algodón con 1 o-' Fixapret CPN 18>3 * 4.3. Resultados de las cantidades de negro de humo depositadas y potenciales zeta respectivos en los tejidos empleados. Los valores de las cantidades de negro de humo depositadas y los potenciales zeta sobre los tejidos de algodón, poliéster y poliéster-algod6n aprestados y sin aprestar, respecto a la influencia de la concentración de laurilsulfato sódico (Na DS), se exponen en las tablas 111, IV, V y VI. Hay que señalar que todas las soluciones iónicas utilizadas para las mediciones de los potenciales zeta, fueron preparadas en presencia de 20 m111 de alcohol isopropílico, ya que este producto fue empleado en la dispersión del negro de humo añadido en los lavados. TABLA 111 Cantidades de negro de humo depositadas y E, para los tejidos de algodón poliéster y poliéster-algodón en función de la concentración de Lauril sulfato sódico (Na DS). Na DS ALGODON POLIESTER POLIESTER-ALGODON molll. mglm2 E, (mV) mglm' E, ímV) mglm' E, (mV) - - BOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N," 79, 1981 TABLA IV Cantidades de negro de humo depositadas y 5 para los tejidos de algodón, paliéster y poliéster-algodón aprestados con Persisto1 HP, en función de la concentración de Na DS. Na DS molll. ALGODON mglm2 5 (mV) POLIESTER POLIESTER-ALGODON mg/m2 5 (mV) mglm2 E fmv) TABLA V Cantidades de negro de humo depositadas y E para los tejidos de algodón, poliéster y poliéster-algodón aprestados con Fixapret CPN, en función de la concentración de Na DS. -- Na DS ALGODON POLIESTER POLIESTER-ALGODON moílí. rnglm2 6 (mV) mglm2 fmV) mglm" (mv) TABLA VI Cantidades de negro de humo depositadas y E para los tejidos de algodón, poliéster y poliéster-algodón aprestados con Ultratex FSA, en función de la concentración de Na DS. Na DS AfiGODON POLIESTER POLIESTER-ALGODON moilí. mgIm2 E fmv) mglm2 E fmV) mglm2 E 5mV) 30 BOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N." 79, 1981 Le deposición del negro de humo y los potenciales zeta de los tejidos de algodón, poliéster y poliéster-algodó-n aprestados y sin aprestar, en presencia de Na DS y del electrolito Na C1 a la concentración de 102M, se exponen en las Tablas VI1 y VIII. Deposición del negro de humo y 5 en presencia de lWM Na DS y 10JM Na C1. Tratamiento ALGODON POLIESTER POLIESTER-ALGODON tejido mglm* 5 (mV) mglm2 5 (mV) mglm2 E (mV) Sin tratar 5,5 10,4 99,5 65,6 12,9 23,3 Fixapret CPN 25,7 18,3 33,') 37,2 79,4 41,2 Persisto1 HP 263 45,8 251,8 43,8 112,2 37,6 Ultratex FSA 51,3 21,l 248,3 67,3 64,9 38,3 TABLA VI11 Deposición del negro de humo y 5 en presencia de 1.6 x 1WM de Na DS y 10" de Na C1. Tratamiento ALGODON POLIESTER POLIESTER-ALGODON tejido mg/m2 5 (mV) mglmz 5 ímV) rnglm" fmv) Sin tratar 1,9 20,l 17 78,s 5,1 32,s Fixapret CPN 11 40 5,9 43,9 10 41,2 Persisto1 HP 11,s 51,8 90 60,8 14,5 62,2 Ultratex FSA 5,s 35,7 37,s 75,6 11,9 50,2 5. Discusión El fen6meno de la deposición o redeposición de impurezas sólidas sobre fibras, viene influenciado por los mismos potenciales que gobiernan la estabilidad de las dispersiones coloidales. H. S. Stillo y R. S. Kolat (7) mencionan los tres tipos de fuerzas siguientes: a) Fuerza eléctrica, que puede ser atractiva o repulsiva y que es debida al fenómeno de la doble capa eléctrica. Como se ha indicado anteriormente es evaluada por el potencial zeta, el cual se determina por métodos electrocinéticos. b) Fuerzas que no están influenciadas por el medio exterior, tales como son: las fuerzas de Van der Waals y las fuerzas de repulsió-n de Born y c)Fuerzas no eléctricas repulsivas. Cabe indicar que cuanto mayor es la barrera de energía o mayor es el potencial zeta más estable es una dispersión. Cuando ocurre lo contrario, es .más inestable y se tiene el fenbmeno de la deposición. En la deposición debe tenerse preBOL. INST. INV. TEXTIL TERRASSA, N." 79, 1981 3 1