Influencia de la temperatura en la sorción de suavizantes catiónicos microemulsionados sobre algodón.

3 EJ. Carrión SORCION DE SUAVIZANTES MICROEMULSIONADOS SOBRE ALGODON INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA SORCION DE SUAVIZANTES CATlONlCOS MICROEMULSIONADOS SOBRE ALGODON*) E J. Carríón 0.1. RESUMEN 0.3. Résumé. INFLUENCE DE LA LOS suavizantes catiónicos son tensioactivos TEMPERATURE SUR LA que, atiadidos en el último batio de aclarado durante SORPTION D'ADOUCISSEURS el lavado de materias textiles, les wnfieren una serie CATIONIQUES MICROEMULde propiedades deseables por sus usuarios,cuyas magnitudes dependen de su proceso de sorción SIONNES SUR DU COTON sobre las mismas. Esta sorción es más efectiva si el Los adoucisseurs cationiques sont des producto se presenta microemulsionado,dada su tensio-actifs qui, ajoutés a I'ea~ du dernier rincage mayor facilidad de penetración en el sustrato textil. de matieres textiles, leur conferent toute une serie El objetivo de este trabajo fue el estudio de de propriétés désirables pour les usagers, dont las cinéticas de sorción de varias suavizantes I'importance dépend de leur processus de sorption ca t jó n jco s micro emuls jonado tipo de sur les dites matieres. Cette sorption estpl~s effective alquilamonio e amidoimidazolina ambos con dos si le produit est présenté microémulsionné, étant cadenas grasas) sobre un tejido de toalla de algoddn donné sa plus grande facilité de pénetration dans le en función de la temperatura del agua de substrat textile. aplicación.Se consideró también la estructura Ce travail a eu pour objectif d'étudier les química del suavizante. cinétiques de sorption de divers adoucisseurs cationiques microémulsionnés (du type Palabras clave: suavizantes catiónicos, microemulsión, algodón, alkylammonium ou amidoinidazoline tous deux ayant cinética. deux chaines grasses) sur un tissu éponge en coton en fonction de la température de I'eau d'application. On a également consideré la structure chimique de 0.2. Summary. INFLUENCE OF THE /'adoucjsseur. TEMPERATURE ON THE SORPTION OF MICROMots cle: adoucisseurs cationiques, microémulsion, coton, cinetique. EMULSIONATED CATIONIC SOFTENERS ON COTTON Cationic softeners are surfactants 1. INTRODUCCION which,when added to the last rinsing during the Los tensioactivos catiónicos datan de la washing of textile materials,impart a series of década de 1930,cuando se descubrió que varios desirable properties, whose intensdy depends on the tipos de compuestos catiónicos eran sustantivos para sorption process. This sorption becomes more las fibras textiles,en especial para el algodón,siendo effective if the product is used in microemulsion empleados entonces,inicialmente para la mejora de form,as its penetration is facilitated in the textile la solidez al lavado de los colorantes directos substrate. aplicados sobre celulosal).Actualmente estos The aim of this paper was the kinetic study productos son muy utilizados como suavizantes on the sorption of various microemulsionatedcationic textiles capaces de conferir a tales materiales una softeners (difatty alkylammonium and serie de propiedades deseables por los usuarios,de amidoimidazoline wmpounds) on cotton towel fabric. entre las que destaca la mejora del tacto,como This behaviour have been studied as a function of propiedad exigida más importante2),siendo su sorción water application temperature. The chemical structure influyente en la magnitud de tales propiedades.Hay on the softener is also considered. que tener presente la perdida de dicho tacto que se produce por los residuos de las sales insolubles Key words: cationic sofreners, microemulsion, cotton, kinetic. cálcicas que se van acumulando sobre los textiles después de múltiples lavados con aguas duras,lo que hace necesario el uso de tales productos e) Trabajo publicado en el JSDC ,II~O,ZM-X~~ (1994) suavizantes. Dr. Ing. Fco. Javier Carri6n FitB. Profesor Titular de Universidad Actualmente los suavizantes catiónicos en el Departamento de IngenierlaTexúl y Papelera(UPC). Jefe predominan en el sobre Otros gnipos de del Laboratorio de "Tensioactivos y Detergentiadel INTEXTER suavizantes clasificados según su polaridad O y Editw de este Boletln. naturaleza de su componente activo t. - m*. *( EJ. CarnOn SORCION M SUAVWNTES MICROEMULSIONADOS SOBRE AL WDON (anfótero,aniónico,reactivo,no-i6nic0,pseudocatiónico) por diversas razones como son3): a) Son productos que dan el mayor grado de suavidad por peso a relativamente bajas concentraciones. b) Son sustantivos para casi todas las fibras y de fácil aplicación,impartiendo en muchos casos un aclarado duradero. c) Proporcionan un tacto altamente característico y muy apreciado. d) Mejoran en algunos casos la resistencia a la rotura,al desgarro y a la abrasión del tejido. Si el producto suavizante se presenta en forma de microemulsión penetra más fácilmente en el interior de la estructura del tejido con mejoramiento de sus propiedades respecto a las conseguidas con el producto convencional en forma de dispersión que al presentarse con mayor tamaño de partícula se deposita en su superficie4*. Por todo lo indicado el objetivo de este trabajo fue el estudio de la cinética de sorción de varios tipos de suavizantes catiónicos microemulsionados sobre un tejido de toalla de algodón con diferente contenido de incrustaciones de sales inorgáncias en función de la temperatura del agua de aplicación, de la diferente estructura química del suavizante según sea del tipo de sal de amonio cuaternario y de sal de amido imidazolina, ambos con cadenas alquílicas grasas. 2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Materiales 2.1 .l. Sustrato textil Se utilizó un tejido de algodón 100% del tipo de toalla constituida por rizo americano que fue adquirido en Serra y Figueras de Aiguafreda(Barcelona).Este tejido tuvo un descrudado y un blanqueo quimico.Este tejido exento de impurezas antes de su utilización fue enjuagado tres veces con agua destilada.Sus características fueron: a) Peso: 380 ghr? b) La urdimbre de base fue de 24 tex 2ic y la de rizo tuvo 35 tex llc,con una trama de 40 tex llc c) La densidad del tejido fue: 20 hilos /cm y 16 pasadaslcm y d) La relación urdimbrelrizo: 212. 2.1.2. Suavizantes catiónicos Los suavizantes textiles que se utilizaron fueron los tensioactivos siguientes: a) Cloruro de diestearildimetilamonio.En este trabajo se denominó DSDMAC.Este producto fue sumnistrado por KAO Corporation S.A. de Barberá del Vall~s(Barcelona),con un contenido de materia activa de 75 %,con un contenido de amina libre y clorhidratos de amina menor o igual al 1% y con una peso molecular medio de 563. b)Metilsulfato de dialquilhidroxietilmetilamonio, siendo su cadena alquílica de sebo.En este trabajo se denominó DSEMAMS.Este producto fue surninistrado por KaO Corporation S.A. de Barberá del Vallés (Barcelona),con un contenido de materia activa del 85 %y un peso molecular medio de 800. c)Metilsulfato de diestearilamidoetilmetilimidazolina.En este trabajo se denominó DSAEMIMS.Ecte producto fue sumnistrado por Schering y Rewo Química S.A. (Barcelona),con un contenido de materia activa del 75% y un peso rnolecular medio de 732. 2.2. Aparatos 2.2.1. Dispositivo para las cineticas de sorción Para la obtención de las cinéticas de sorción en el algodón se dispuso de un tubo de vidrio alargado de 450 ml de capacidad de de fondo redondeado que se sumergió en un termostato.En el interior de este tubo se introdujo un cilindro hueco con aguieros de acero inoxidable de 16 cm. de largo por 2.6 cm de diámetro,a su alrededor se situóla materia textil(Tejid0 de toalla de algoddn).Este cilindro estuvo sostenido por su eje a un agitador tipo RW 20DZM de Ika-Werk(A1emania) el cual conjuntamente con el tejido se mantuvo a régimen de velocidad constante de 149 r.p.m. dentro del bafio de suavizante mientras duró el proceso de agotamiento del producto suavizante por la sorción sobre el sustrato textil. 2.2.2. Medición del tamafis de partícula de la microemulsión del suavizante La determinación del tamafio de particula de la microemulsioón del producto considerado se realizó mediante un aparato de luz difusa (Light scattering) del tipo Zetasizer III de la Firma Malvern ( U.K.) 2.2.3. Lavado doméstico del tejido de toalla de algodón El tejido de toalla de algodón fue lavado mediante una lavadora automática Miele del tipo Hydromatic W 700. EJ. Carian SORCION DE SUAVIZANES MICROEMULSIONADOS SOBRE ALGODON 2.3. Procedimientos 2.3.1. Concentración inicial de las microemulsiones de los suavizantes Las microemulsiones de los suavizantes catiónicos utilizados se dispusieron a las concentraciones iniciales siguientes6):DSDMAC de 34 g/I;DSEMAMS de 38.1 9 g/l y DSAEMIMS de 34.1 2.3.2. Condiciones operativas para la sorción de los suavizantes Las cinéticas de sorción a temperatura constante de los suavizantes sobre el tejido de algodón de tipo toalla sin lavar y con 50 lavados repetidos se obtuvieron en las condiciones siguientes: a) Concentración del suavizante: 0.3% s.p.f 6 3 g/Kg de fibra b) Temperaturas de las isotermas de sorción a 25Q C32.5QC40QC y 60QC. c) Cantidad de materia por ensayo:14 g. d) Relación de baño de aplicación : 1/15 e) el pH = 6. La determinación del agotamiento del suavizante en el baño de aplicación se efectuó en cada tiempo considerado a partir de la concentración del mismo en el baño residual lo cual fue realizado por el método de valoración de 2 fases7),como promedio de un mínimo de dos valoraciones.Cada tiempo considerado en la cinética a temperatura constante se efectuó de forma independiente a las mismas condiciones indicadas operativas indicadas en el apartado 2.2.1. 2.3.3. Lavado dom6stico del tejido de algodón El tejido de toalla utilizado fue lavado a 30QC de forma repetida mediante 4 g/l de detergente ECE durante 30 minutos de tiempo de lavado y con los correspondientes cuatro aclarados de un lavado doméstico,utilizando agua corriente de 46 QHF. 3. RESULTADOS Y DlSCUSlON 3.1 Cinéticas de la sorción de suavizantes catiónicos microemulsionados Los resultados de las cin6ticas de sorción a diferentes temperaturas (2!jQ C-32.5*C-40QC y 60QC) de los suavizantes catiónicos microemulsionados que fueron utilizados a la concentración de 3 g/Kg de materia textil,convenientemente diluidos en agua bidestilada se indican para el tejido de algodón de toalla sin lavados previos en la Figura 1 para el DSDMAC,en la Figura 3 para el DSEMAMS y en la Figura 5para el DSAEMIMS.Las cinéticas de sorción en las mismas condiciones pero con dicho tejido de toalla de algodón previamente lavado 50 veces se indican en la Figura 2 para el DSDMAC, en la Figura 4 para el DSEMAMS y en la Figura 6 para el DSAEMIMS.En todas estas cinéticas de sorción se puede apreciar que los agotamientos de los suavizantes en su proceso de sorción por el tejido fue superior al 90 % (2.4 g/Kg materia textil) en el último tiempo considerado de 4 minutos y que para todos los tiempos considerados aumentó tal sorción al aumentar la temperatura utilizada en la forma que se discute a continuación. I I 8 1 2 3 4 tiempo (min) FIGURA 1.Cinéticas de sorción a diferentes temperaturas del suavizante microemulsionado DSDMAC sobre el tejido toalla de algodon sin lavados previos a la concentración inicial de 3 g/Kg fibra con RB:1/15 y 2!jQC I-- 1 2 3 4 tiempo (min) FIGURA 2.Cinéticas de sorción a diferentes temperaturas del suavizante microemulsionado DSDMAC sobre el tejido de toalla con 50 lavados repetidos,a la concentración inicial de 3 g/Kg de fibra con RB: 1/15 y 25QC EJ. Carian SORCION DE SUAVlZANTES MICROEMULSIONADOS SOBRE ALGODON tiempo (min) 1.2 3 4 tiempo (min) FIGURA 3. ldem a la Fig. 1 con el suavizante FIGURA 5. ldem a la Fig. 1 con el suavizante microemulsionado DSEMAMS rnicroernulsionado DSAEMIMS C r 1,2 9 2 O o &-.-A-.-& oc Q6 x-x-x LO OC O--o---O ns oc 0-0-0 25 .C 1 2 3 4 tiempo (min) tiempo (min) FIGURA 4.ldem a la Fig. 2 con el suavizante FIGURA 6. ldem a la Fig.2 con el suavizante microemulsionado DSEMAMS microemulsionado DSAEMIMS EJ. Carh SORCION DE SUAVIZANES MICROEMULSIONADOS SOBREALWDON 3.2. Las constantes de velocidad Con tal de caracterizar adecuadamente el proceso de sorción de los suavizantes catiónicos por parte del tejido de algodón sin lavado previo y con 50 lavados repetidos se ajustaron todas las cinéticas obtenidas expuestas en el apartado anterior a una ecuación cinética empírica que permitió obtener las correspondientes constantes de velocidad de cada una de éllas. Para estas cinéticas a temperatura constante se aplicó la misma ecuación cinética de Cegarrapuente que fue deducida anteriormente-para procesos cinéticos de absorción de colorantes por parte de las fibras textilese) y que se aplicó anteriormente en otro trabajo 4, a estos sistemas de sorción de suavizantes catiónicos sobre algodón. La ecuación cinética de Cegarra-Puentee) que se utilizó responde a la expresión siguiente: en donde, C, fue la concentración del suavizante sobre el algodón en el tiempo "tu considerado, Cm fue la concentración del suavizante en el tiempo infinito,en nuestro caso,se consideró la concentración inicial de 3 g/ Kg de algodón(equivale al 100% de agotamiento del suavizante en el bafio de aplicación) t tiempo de la cinética considerado y K Constante de velocidad de la cinética de sorción a la temperatura de 25*C Con esta ecuación cinética se obtuvo una buena correlación a los resultados experimentales de las cinéticas de sorción de este trabajo,con unos coeficientes de correlación de 0.96 a 0.99.Los resultados de las constantes de velocidad y sus respectivos coeficientes de correlación se exponen en la Tabla 1 TABLA 1 Constantes de velocidad de las cinéticas de sorción a diferentes temperaturas de los suavizantes catiónicos sobre algodón sin lavar y después de 50 lavados repetidos que se obtuvieron con la ecuación de CegarraPuent ea). Suavizante catiónico DSDMAC II Il Il DSEMAMS u 18 II DSAEMIMS 8, 11 8, b Temperatura OC 25 32.5 40 60 25 32.5 40 60 25 32.5 40 60 Algodón sin lavar Algodón con 50 lavados repetidos Constante velocidad 0.41 60 0.551 2 0.6358 0.8304 0.4580 0.4959 0.5489 0.6137 0.7258 0.7978 0.9140 1 .O273 Constante velocidad 0.7216 0.7943 1.1368 1.6984 0.5749 0.6348 0.7068 0.81 46 0.9501 1.1013 1.1571 1.4725 Coefici. Correla. 0.99 0.98 0.98 0.99 0.99 0.99 0.99 0.98 0.99 0.99 0.98 0.99 Coefi Corre 0.98 0.99 0.99 0.96 0.99 0.98 0.96 0.97 0.99 0.99 0.99 0.99 EJ. Carian SORCION DE SUAVIZANES MICROEMULSIONADOS SOBRE ALGODON 3.2.1 Influencia de las incrustaciones sobre el tejido de algodón en la sorción de los suavizantes. Tal como se puede apreciar en la anterior Tabla I como en las Figuras 1-6 tanto las constantes de velocidad como las sorciones de suavizantes en las cinéticas obtenidas aumentaron para el tejido de toalla lavado previamente con 50 lavados respecto al mismo tejido sin lavar.Esta variación de comportamiento fue debido al aumento de la cantidad de incrustaciones inorgánicas como consecuencia de tales lavados repetidos en presencia de agua dura de 46QHF y de los residuos orgánicos del detergente utilizado (tipo ECE) que pudieron quedar sobre el tejido después de los aclarados correspondientes, tal corno se aprecia en sus resultados cuantitativos expuestos en la Tabla 2 siguiente. TABLA 2 Incrustaciones inorgánicas y residuos orgánicos sobre el tejido de toalla de algodóng) Con referencia a la Tabla 2 anterior cabe indicar el aumento de tanto de incrustaciones inorgánicas como de residuos orgánicos sobre el tejido de toalla de algodón al cabo de 50 lavados repetidos. Igualmente fue determinado el grado de polimerización del algodón del tejido sin lavar y con 50 lavados repetidos,obteniéndose los valores que se indican en la Tabla 3. TABLA 3 Grados de polimerización del tejido de toalla sin lavar y con 50 lavados repetidos Tejido 1 Algodon sin lavar 1 2090 1 2180 1 1 Algodón con 50 1 1 1 Así pues el grado de polimerización del tejido de toalla de algodón no sufrió atteración después de 50 lavados con el detergente ECE utilizado exento de persulfatos. Como consecuencia de todo lo anterior cabe indicar que el aumento del contenido de incrustaciones en el tejido de toalla de algodón provocó un aumento en la sorción de los tensioactivos catiónicos utilizados como suavizantes textiles. I lavados repetidos 3.2.1. Influencia de la estructura química del suavizante catiónico. Tal como se puede apreciar en la Tabla 1 anterior,tanto para el tejido del algodón con 50 lavados repetidos como tal tejido sin lavar ,el suavizante catiónico DSAEMIMS fue el que,en genera1,presentó mayores valores de las constantes de velocidad de sorción y el producto que tuvo menores valores de las constantes de velocidad de sorción fue el DSEMAMS,el otro suavizante DSDMAC mostró valores intermedios a los anteriores. 2130 1 2240 1 3.2. Control de la temperatura Tal como se puede apreciar en la Tabla 1 anterior para todos los suavizantes catiónicos que se adsorbieron sobre el tejido de toalla de algodon sin lavar o bien con este tejido con 50 lavados repetidos, cabe indicar que al aumentar la temperatura en el rango estudiado de 25% a 60% para todos los suavizantes estudiados se aumentaron sus constantes de velocidad de sorción. La ley que siguió la citada dependencia de las constantes de velocidad con la temperatura fue la de Arrhenius en donde, K = Constante de velocidad a la temperatura T K, = Factor pre-exponencial E = Energía de activación. T = Temperatura absoluta. R = Constante de los gases perfectos Con la expresión de la anterior ecuación en forma logaritmica permitió a partir de su correspondiente ajuste lineal expuesto en las Figuras 7 ,9 y 8 el cálculo de la energía de activación correspondiente asociada al fenómeno de sorción de los suavizantes estudiados para el tejido de toalla de algodón sin lavar y con 50 lavados repetidos. EJ. Carrih SORCION DE SUAVlZANiES MICROEMULSIONADOS SOBRE AL WDON TABLA 4 Energías de activación de sorción de los suavizantes catiónicos sobre algodon sin lavar y con 50 lavados repetidos Y - 0,4 -0,s o-oAlgod6n original -Os8 - *-mAlgod6n hvado 50 veces -1 2.8 3 32 3#4 ll~x lo3 FIGURA 7. Dependencia de In K(constante de velocidad ) en funcion de 1/T,de acuerdo con la ley de Arrhenius2J para el suavizante rnicroemulsionado DSDMAC o -o Algod6n original -* Aigod6n hvado FIGURA 8. ldem a la Fig. 7 para el suavizante microemulsionado DSEMAMS C - - \ o - o Algodón original - - Algod6n hvado - - - *\ 50 veces '\ - - 'o - - 1 1 1 1 I I I FIGURA 9. ldem a la Fig. 7 para el suavizante microemulsionado DSAEMIMS Del análisis de las Figuras 7, 8 y 9 y la Tabla 4 se deduce que el proceso de sorción estudiado sigue bastante bien,en general,la ley de Arrhenius,dados los coeficientes de correlación encontrados. Si la energía de activación la consideramos como el incremento de energía que necesita la molécula de suavizante para adsorberse al algodón cabe indicar que a la vista de sus bajos valores ,la temperatura es poco influyente en el proceso y que existe una gran eficacia en la sorción tales productos sobre el sustrato,siendo sus valores del mismo orden para los tres productos aplicados al algodón sin lavar y con 50 lavados repetidos.sin embargo,hay que indicar que el DSDMAC es ligeramente superior respecto a los otros productos DSEMAMS y DSAEMIMS que tienen valores,en general, casi idénticos al tejido sin lavar lavar y con 50 lavados repetidos,a excepción del DSDMAC aplicado al tejido de 50 lavados repetidos que es ligeramente superior. 4. CONCLUSIONES Con referencia a las cinéticas de sorción sobre el tejido de toalla de algodón sin lavar y con 50 lavados repetidos obtenidas a las temperaturas de 25QC-32.5QC-40QC y 60QC con los suavizantes catiónicos microemulsionados DSDMAC,DSEMAMS y DSAEMIMS utilizados a la concentración inicial de 3 g/Kg de materia textil tejido de toalla de algodón, cabe indicar lo siguiente: 4.1. Todas las cinéticas de sorción que fueron obtenidas a cada una de las temperaturas indicadas aumentando su sorción sobre algodón con el tiempo y con la temperatura considerada. Se presentaron agotamientos casi totales con valores,en general, superiores al 90 % de sorción del suavizante por parte del tejidos de algodón en el mayor tiempo considerado de 4 minutos para todos los suavizantes ensayados. EJ. Car& SORClON DE SUAVlZANTES MICROEMULSIONADOS SOBRE ALWDON 4.2.Todas las cinéticas de sorción 5. AGRADECIMIENTOS presentaron una buena correlación en su ajuste a la ecuación cinhtica de Cegarra-Puentee)con lo que El autor desea expresar su agradecimiento:A la DGICYT del Ministerio de Educación y Ciencia permlió el cálculo de las constantes de velocidad por su soporte financiero en el Proyecto PB 90de todos los suavizantes. 0607.AI Prof.Dr. J.Gac6n por la determinación de los 4'3'EI del de grados de polimerización del algod6n.A la Srta. A. incrustaciones del tejido de toalla de algodón al cabo Sánchez y Sra. M.Simó por su ayuda en el trabajo de 50 lavados repetidos provod un aumento de la experimentalA Kao Corporation S.A. y Schering sorción de los tensioactivos catiónicos utilizados como suavizantes textiles,respecto a la obtenida para Rewo Química S.A. por el suministro de los dicho tejido de algodón sin lavar. suavizantes utilizados. 4.4.EI suavizante catiónico DSAEMIMS (compuesto de imidazolina) fue el que presentó mayores valores de las constantes de velocidad de 6. BlBLlOGRAFlA sorción a las temperaturas consideradas y el 1. Ackerman J.A., J.A.O.C.S., 60,6,1166-1174 suavizante con el que se obtuvieron menores valores (1 983). de dichas constantes de velocidad fue con el 2. Mallinson P., J.Soc.Dyers Colour. 90, 67-71 DSEMAMS (compuesto de amonio cuaternario) ,el (1 974) otro suavizante ensayado DSDMAC (amonio 3. Carrión F.J.,Bol. INTEXTAR, 93, 71 -85 (1988). cuaternario) mostró valores intermedios a los 4. Carrión F.J.,Comunicaciones de las XXlV anteriores. Jornadas del Comité Español de la 4.5.AI aumentar la temperatura se produjo Detergencia, 241 (1 993) un aumento de la sorción de los suavizantes 5. Carrión F.J. y Serra M., Comunicaciones de las catiónicos tanto sobre el tejido de toalla de algodón XXll Jornadas del Comité Espafiol de la sin lavar como para el lavado con 50 lavados Detergencia,22,373, (1991) repetidos. 6. Carrión F.J., Patente de en preparación. 4.6. La energía de activación alcanzó valores 7. Norma UNE 55 536 concordante con el bajos y por tanto fue poco influyente en el proceso Proyecto de Norma Internacional ISO/DIS de sorción que se realizó con gran eficacia a 2871. cualquier temperatura para todos los suavizantes, 8. Cegarra J. y Puente P, Tex.Res. J., 37, 343-350 siendo ligeramente mayor su valor para el DSDMAC (1967). respecto a los otros dos suavizantes DSEMAMS y 9. Norma ISO 431 2:1989. DSAEMIMS que tuvieron valores,en general, similares. Trabajo recibido en: 1995.01.1 6. Aceptado en: 1995.03.27 I