Comportamiento tintóreo de los componentes relax y retráctil en hilos high-bulk

BOLETíN INTEXTER (U.P.C.) 2001. Nº 119 J. Maillo, P. Puente, J. Gacén y M. Batriu TINTURA DE LOS COMPONENTES DE LOS HILOS HIGH-BULK 45 COMPORTAMIENTO TINTÓREO DE LOS COMPONENTES RELAX Y RETRÁCTIL EN HILOS HIGH-BULK J. Maillo*, P. Puente**, J. Gacén*** y M. Batriu**** 0.1. Resumen Se ha estudiado la evolución de la absorción de colorante en hilos HB y la variación de la estructura fina producida por los tratamientos de tintura. El estudio se ha realizado utilizando dos fibras acrílicas de diferente procedencia comercial. Con ellas se han preparado hilos 100% Relax (N) y 100% Retráctil (R), e hilos HB 55% N – 45% R y 45% N-55% R. Con cada uno de los hilos se han efectuado cinéticas de tintura punto a punto y cinéticas de tintura con registro gráfico. Se ha estudiado la evolución de la microestructura de las fibras a lo largo del proceso tintóreo mediante la técnica de solubilidad diferencial en mezclas DMF/H2O. Palabras clave: Fibra acrílica, hilos High-Bulk, estructura fina, cinética tintórea. 0.2. Summary: DYEING BEHAVIOUR OF THE RELAX AND RETRACTILE COMPONENTS IN HIGH-BULK THREADS The evolution of colorant absorption in HB threads and the variation in the fine structure produced by the dyeing treatments were examined. The study was performed using two acrylic fibres from different commercial origins. These were used to prepare the following threads: 100% Relax (N) and 100% Retractile (R), e-threads HB 55%, N-45% R and 45%N-55% R. Point-to-point kinetic studies of dyeing and kinetic studies of dyeing with graphic recording were carried out for all threads. The evolution of the fibre micro-structure was studied throughout the dyeing process by means of the technique of solubility differential in DMF/H20 mixtures. Key words: Acrylic fibre, High-Bulk threads, fine structure, dyeing kinetics. 0.3. Résumé: COMPORTEMENT DES COMPOSANTES RELAX ET RÉTRACTILE À LA TEINTURE DES FILS HIGH-BULK Il s’agit de l’analyse de l’évolution de l’absorption de colorant par les fils HB, et de la variation de la structure fine produite par les traitements de teinture. L’étude a été menée à l’aide de deux fibres acryliques de différente origine commerciale, qui ont été utilisées pour préparer des fils 100% Relax (N), 100% Rétractile (R), des fils HB 55%N-45%R et 45%N-55%R. Chaque type de fil a été soumis à des cinétiques de teinture point par point (par étapes) et à des cinétiques de teinture avec enregistrement graphique (continu). L’évolution de la microstructure des fibres au cours du processus de teinture a été analysée par le biais de la technique de solubilité différentielle dans des mélanges DMF/H20. Mots clé: Fibre acrylique, fils High-Bulk, structure fine, cinétique de teinture. 1. INTRODUCCIÓN Los hilados High-Bulk (HB) acrílicos están formados por fibras encogibles (R) y fibras no encogibles (N) y desarrollan su voluminosidad tras un tratamiento térmico en húmedo o en seco. Cada vez es más frecuente simultanear el desarrollo de la voluminosidad con la operación de tintura. Ello significa que ésta se aplica a dos sustratos de microestructura notablemente diferente y por tanto del comportamiento tintóreo presumiblemente distinto. Esta circunstancia ha sugerido el estudio de comportamiento tintóreo de hilados 100% R y 100% N, para conocer en que medida se diferencian y también como evoluciona su microestructura a medida que avanza el proceso de tintura. Para evaluar las diferencias de estructura fina se empleará la técnica de solubilidad diferencial1-2), ensayo de gran sensibilidad y simplicidad que permite conocer en que medida sustratos con distintas microestructuras que conducen a comportamientos tintóreos diferentes, * Dra. Ing. Josefina Maillo Garrido, Profesora Titular de Polímeros Textiles de la E.T.S.E.I.T., Departamento de Ingeniería Textil y Papelera (U.P.C.). ** Dr. Ing. Publio Puente Garrido, Profesor Titular Jubilado. *** Dr. Ing. Joaquín Gacén Guillén. Catedrático de Universidad de Polímeros Textiles en la E.T.S.E.I.T., Departamento de Ingeniería Textil y Papelera (U.P.C.). Jefe del Laboratorio de Polímeros Textiles del INTEXTER (U.P.C.). **** Ing. Mireia Batriu. 46 BOLETÍN INTEXTER (U.P.C.) 2001. Nº 119 J. Maillo, P. Puente, J. Gacén y M. Batriu TINTURA DE LOS COMPONENTES DE LOS HILOS HIGH-BULK conservarán las diferencias de estructura fina después de la operación de tintura. Se estudiará también el comportamiento tintóreo de los hilados HB de distinta composición (45% N – 55% R y 55% N – 45% R), para conocer si las variaciones de composición pueden conducir a diferencias tintóreas o barrados. Este estudio se realizará sobre dos fibras acrílicas de diferente procedencia comercial, y el mismo tipo de comonómero modificante. 2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Materia Hilado (1/50) de fibra acrílica A (brillante 3,3 dtex) de composición 100% Relax (N); 55/45 (N/R); 45/55 (N/R) y 100% Retráctil (R). Hilado (2/52) de fibra acrílica B (brillante 3,3 dtex) de composición 100% Relax (N); 55/45 (N/R), 45/55 (N/R) y 100% Retráctil (R). 2.2. Tintura Las cinéticas de tintura punto a punto se han realizado en un aparato Linitest con colorante Rojo Sandocryl B-2 GLE (C.I. Basic Red 44) en su forma comercial. La fórmula de tintura utilizada fue: Colorante.......................1,2% s.p.f. Sulfato sódico anhidro ....10% s.p.f. Acetato sódico ...............1,5% s.p.f. Ácido acético hasta ........pH 4,5 Relación de baño ...........1/70 Los tiempos elegidos fueron 5, 10, 20, 30, 40, 60, 90 y 120 minutos, para ambas fibras A y B. Las temperaturas seleccionadas fueron 80, 84 y 88ºC para la fibra A y 80 y 84ºC para la fibra B. Las cinéticas con registro gráfico se realizaron en un equipo3) conectado a un espectrofotómetro, lo que permitió registrar gráficamente el colorante absorbido en función del tiempo. El colorante y la fórmula de tintura fueron los anteriormente descritos y la temperatura de 84ºC. 2.3. Solubilidad diferencial Se entiende por solubilidad diferencial de una fibra acrílica a una temperatura determinada el porcentaje de fibra disuelta después de permanecer 30 minutos en contacto con una mezcla dimetilformamida/agua (DMF/H2O) de composición adecuada2). Fibra A, 92,5%/7,5% (DMF/H2O), 40ºC. Fibra B, 97,5%/2,5% (DMF/H2O), 27,5ºC. Esta técnica es muy sensible a las variaciones de la estructura que se pueden producir en las fibras acrílicas a lo largo de su proceso. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En las figuras 1 y 2 se ha representado la absorción de colorante a 84ºC en función de t 1/2 partiendo de las cinéticas de los sustratos A y B en el equipo Linitest. Gráficas semejantes se han encontrado con la fibra A a 80 y 88ºC y con la fibra B a 80ºC. El hilado 100% N presenta en todos los casos una absorción de colorante muy superior a la del 100% R, ocupando los hilados 55N/45R y 45N/ 55R posiciones intermedias. Comparando ambas fibras A y B se puede observar que su comportamiento tintóreo es muy diferente. En la tintura a 84ºC el hilado 100% N de la fibra A llega al equilibrio en 60 minutos, mientras que la fibra B en las mismas condiciones sólo ha absorbido el 72,9% del colorante presente en el baño de tintura. En las mismas condiciones (84ºC y 60 minutos) el hilado 100% R de la fibra A sólo ha absorbido el 51,2% del colorante y la fibra B el 15,9%. En el caso de los hilados HB la absorción de colorante se incrementa a medida que aumenta el porcentaje del componente relax. La figura 3 muestra la evolución de las cinéticas de tintura, con registro gráfico, encontradas con los cuatro hilados de la fibra A a 84ºC. Estas cinéticas, se han realizado para poder estudiar el comportamiento tintóreo de estas fibras en los momentos iniciales de la tintura, ya que su estudio es difícil en las cinéticas punto a punto. En estas gráficas, en las que se representan los Ct frente a (t1/2) , y en las obtenidas con la fibra B, se observa un comportamiento muy similar en ambos tipos de fibras. El tramo inicial es prácticamente recto, lo que nos indica que todas las cinéticas siguen la ley de Fick, no detectándose los cambios de estructura fina que se producen en la fibra simultáneamente, a los que se hace posterior referencia al comentar la solubilidad diferencial. El cálculo de los coeficientes de difusión se puede realizar a través de la resolución de Crank4), de la segunda ley de Fick de la que obtuvo la ecuación reducida para un cilindro y superficie de concentración constante: 2/1 22/1 t r Dt p 4 C C      = ∞ Aunque en este trabajo la tintura se realizó por agotamiento, en el caso particular de las fibras acrílicas con colorantes catiónicos puede considerarse como si la fibra absorbiera instantáneamente suficiente colorante para saturar la superficie, manteniéndose esta circunstancia en las primeras etapas de la tintura. En consecuencia, para calcular los coeficientes de difusión se puede utilizar la ecuación anterior, aplicándola a los tramos rectos de las gráficas de la figura 3. BOLETíN INTEXTER (U.P.C.) 2001. Nº 119 J. Maillo, P. Puente, J. Gacén y M. Batriu TINTURA DE LOS COMPONENTES DE LOS HILOS HIGH-BULK 47 FIGURA 1: Cinéticas de tintura fibra A (Linitest) FIGURA 2: Cinéticas de tintura fibra B (Linitest) FIGURA 3: Cinéticas de tintura fibra A (continuo) 48 BOLETÍN INTEXTER (U.P.C.) 2001. Nº 119 J. Maillo, P. Puente, J. Gacén y M. Batriu TINTURA DE LOS COMPONENTES DE LOS HILOS HIGH-BULK La pendiente m de los tramos iniciales rectos vendría dada por la expresión: rpD C4 m1/2 2/1 ∞ = Y despejando D, “coeficiente de difusión”, resultaría: ∞ =C4 p rm D22 22 (1) en donde r (radio de las fibras) es 9,435x10-4 cm. La tabla 1 contiene los valores de C∞ y de los coeficientes de difusión calculados. En ella se observa que los hilos de 100% N tienen los coeficientes de difusión más elevados y que los más bajos corresponden a los hilos 100% R, ocupando los hilos HB posiciones intermedias. Lo indicado es válido tanto para la fibra A como para la B. Si se comparan los valores correspondientes a la fibra A con los de la fibra B, se aprecia que la fibra A tiene unos coeficientes de difusión muy superiores a los de la fibra B, tal como cabría esperar de los resultados obtenidos en las cinéticas de tintura. Sin embargo, las cantidades de colorante en el equilibrio (C∞) presentan valores mayores para la fibra B que para la fibra A. Ello significa que la fibra B es de tintura más lenta, pero absorbe más colorante en el equilibrio TABLA 1 Parámetros tintóreos C∞ (g/kg) Coef. de difusión (cm2/min)1010 100% N 49,2 2,23 55% N 45% R 47,6 1,11 45% N 55% R 48,5 0,96 FIBRA A 100% R 50,2 0,54 100% N 77 0,54 55% N 45% R 74 0,46 45% N 55% R 70,2 0,36 FIBRA B 100% R 72,1 0,25 Las figuras 4 y 5 muestran la evolución de la solubilidad diferencial en función del tiempo de tintura. En el caso de la fibra A se observa que la solubilidad diferencial del hilo 100% N permanece prácticamente constante a lo largo de todo el tiempo de tintura. En el caso del hilo 100% R se presenta una acusada disminución en los primeros 40 minutos, permaneciendo después prácticamente constante. Los hilos HB de diferente composición ocupan posiciones intermedias y equivalentes a las que corresponderían a su composición N/R. En el caso de la fibra B el comportamiento global es muy similar, pero los cambios en el hilado 100% R ocurren de una forma más pronunciada y en los primeros 20 minutos de tintura. En el caso de la fibra A las diferencias de solubilidad entre los hilos 100% N y 100% R se presentan mayores, que en el caso de la fibra B. Las figuras 6 y 7 relacionan la solubilidad diferencial con el % de colorante absorbido a 84ºC, por las fibras A y B, respectivamente. En los hilos 100% N de ambas fibras la solubilidad diferencial se mantiene prácticamente constante al aumentar la cantidad de colorante absorbido por la fibra, mientras que en el caso de los hilos 100% R se produce una disminución brusca de la solubilidad diferencial, siendo esta más pronunciada en el caso de la fibra B. Los hilos HB ocupan posiciones intermedias. En la figura 8 se ha representado la evolución de los coeficientes de difusión en función de la solubilidad diferencial de los sustratos que han permanecido 120 minutos en el baño de tintura. En ambas gráficas puede observarse una excelente correlación lineal y de signo negativo, de modo que los mayores coeficientes de difusión corresponden a los sustratos con menor solubilidad diferencial (sustratos 100% N). Este comportamiento confirma lo observado anteriormente al estudiar el comportamiento tintóreo de sustratos acrílicos de diferente grado de relajación5). El mayor coeficiente de difusión de los sustratos N sería consecuencia de una zonas amorfas más abiertas y la menor solubilidad diferencial sería debido a que estos sustratos presentan una estructura fina global más compacta. BOLETíN INTEXTER (U.P.C.) 2001. Nº 119 J. Maillo, P. Puente, J. Gacén y M. Batriu TINTURA DE LOS COMPONENTES DE LOS HILOS HIGH-BULK 49 FIGURA 4: Solubilidad diferencial de las muestras teñidas. Fibra A FIGURA 5: Solubilidad diferencial de las muestras teñidas. Fibra B FIGURA 6: Relación entre colorante absorbido y solubilidad diferencial. Fibra A 50 BOLETÍN INTEXTER (U.P.C.) 2001. Nº 119 J. Maillo, P. Puente, J. Gacén y M. Batriu TINTURA DE LOS COMPONENTES DE LOS HILOS HIGH-BULK FIGURA 7: Relación entre colorante absorbido y solubilidad diferencial. Fibra B FIGURA 8: Relación entre solubilidad diferencial y coeficiente de difusión 4. CONCLUSIONES En las condiciones experimentales propias de este estudio se puede concluir que: 4.1. Los hilos 100% N de ambas fibras presentan mayores coeficientes de difusión que los hilos 100% R. Los hilos HB presentan valores intermedios. 4.2. Los valores de saturación de colorante son prácticamente iguales, cualquiera que sea la composición N/R de los hilados de ambas fibras. 4.3. En los primeros 20 minutos de la tintura se produce una importante disminución de la solubilidad diferencial de los sustratos 100% R y muy escasa cuando se trata de los sustratos 100% N. 4.4. Existe una excelente correlación lineal de signo negativo entre el coeficiente de difusión y la solubilidad diferencial de los sustratos estudiados de cada fibra. 5. BIBLIOGRAFÍA 1. Gacén, Maillo y Baixaulí; Melliand Textilberichte, Febrero 1985, pp. 127-132. 2. Gacén, Maillo, Baixaulí; XII Congress IFATCC, Budapest, (1981). 3. Diseño, P. Puente. Laboratorio Tintorería, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Terrassa (UPC). 4. Peters R.H.; The Physical Chemistry of Dyeing. Ed. Elsevier Publishing Company pp. 563 (1975). 5. Maillo, Puente, Gacén, Correas. Journal Society of Dyers and Colourists, Vol. 114, , pp. 134-138, Abril (1998).