Cationic dyeing in chemical textile processing of cotton fabric

Abstract

Da crescente necessidade de reduzir o consumo de água e o uso de insumos químicos no processamento de substratos têxteis, surgiu uma nova técnica que aumenta a eficácia do tingimento: a cationização da celulose que modifica quimicamente a molécula, tornando-a fortemente catiônica. O objetivo do trabalho é avaliar as diferentes técnicas de cationização de fibras de algodão, aplicando agentes catiônicos inovadores. Uma molécula típica de agente catiônico contém quaternário de amônio e um grupo reativo que interage com a celulose através de ligações covalentes. A cationização é dependente da concentração de NaOH e do agente catiônico, pH, temperatura, tempo e relação de banho. Neste trabalho foram utilizados quatro agentes catiônicos: cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropil trimetil amônio (CHPTAC), cloreto de poli dialil dimetil amônio (PDDACl), cloreto de poliacrilamida-co-dialildimetilamônio (PAcD) e Poliquaternário-2 (P42). Os reagentes P42 e PAcD foram considerados agentes catiônicos inéditos para a área têxtil. Não foi encontrada publicação na literatura que relaciona o uso do P42 e PAcD como cationizantes de tecidos. Os tecidos catiônicos foram tintos utilizando corantes da classe reativa e ácida. As amostras de tecido foram analisadas através de propriedades colorimétricas, solidez à cor, potencial zeta, atividade bactericida, Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Microscopia de Força Atômica (AFM) e Espectroscopia Fotoeletrônica por Raios X (XPS). Também foi investigado o processo de cationização assistido por tratamento com plasma atmosférico. Os tecidos tratados com os agentes cationizantes CHPTAC, PDDACl e P42 foram tintos sem adição de sal e obtiveram força colorística (K/S) igual ou superior ao tingimento convencional. Além disso, enquanto o processo convencional exige 3 banhos de lavação consecutivos, no tingimento com tecido cationizado com CHPTAC um único banho é suficiente para remoção do corante não fixado à fibra. A amostra cationizada com PDDACl apresentou K/S de 45±7 e 48±6, respectivamente para 40 e 20 g/L de agente catiônico, em tingimento com corante Vermelho Reativo 195. Para o CHPTAC, os valores de K/S foram 48±2 para 40 g/L e 41,2±0,5 para 20 g/L. Esses resultados foram superiores ao tingimento convencional, com K/S=32. O agente catiônico P42 apresentou resultados compatíveis com o tingimento convencional, com K/S de 28±3 e 27±1, respectivamente para 40 e 20 g/L. Os agentes catiônicos PDDACl e P42 apresentaram resultados promissores, as amostras tratadas com estes reagentes apresentaram atividade bactericida. A cationização aumentou consideravelmente a interação entre a fibra e o corante ácido, entretanto a fixação do corante à fibra foi menor com o tingimento catiônico. A maior parte do corante ácido retornou à fase liquida após a realização do ensaio de solidez à lavagem. O tratamento com plasma alterou pouco as propriedades dos tecidos catiônicos e tintos. Foi observado o incremento da solidez à luz em algumas amostras tratadas com plasma. Entretanto, basicamente, o efeito da cationização prevaleceu sobre o plasma. A cationização se mostrou promissora por possibilitar o tingimento com cores mais intensas, além de reduzir a carga de efluentes geradas e eliminar a alimentação de sal no processo de tingimento.

Abstract: From the increasing necessity to reduce water consumption and the use of chemical inputs in the processing of textile substrates has emerged a new technique that increases dyeing efficiency: the cationization of cellulose that chemically modifies the molecule, making it strongly cationic. The objective of this work is to evaluate the different cationization techniques of cotton fibers, applying innovative cationic agents. A typical cationic agent molecule contains quaternary ammonium and a reactive group that interacts with cellulose through covalent bonds. The cationization is dependent on the NaOH and cationic agent concentration, pH, temperature, time and material-to-liquor ratio. Four cationic agents were used: 3-chloro-2-hydroxypropyl trimethyl ammonium chloride (CHPTAC), poly diallyldimethylammonium chloride (PDDACl), poly acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride (PAcD) and Polyquaternium-2 (P42). The reagents P42 and PAcD were considered unprecedented cationic agents for the textile sector. No publication was found in the literature regarding the use of P42 and PAcD as cationic agents for fabrics. The cationic fabrics were dyed using reactive and acid dyes. The fabric samples were analyzed by colorimetric properties, color fastness, zeta potential, bactericidal activity, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Atomic Force Microscopy (AFM), and X-Ray Photoelectronic Spectroscopy (XPS). The cationization process assisted by treatment with atmospheric plasma was also investigated. The fabrics treated with the cationic agents CHPTAC, PDDACl and P42 were dyed without the feeding of salt and obtained color strength (K/S) equal to or greater than the conventional dyeing. Besides, while the conventional process requires three consecutive washing baths, in the CHPTAC cationic process, a single bath is sufficient for the removal of the dye non-fixed to the fiber. The cationic fabric treated with PDDACl presented K/S of 45±7 and 48±6, respectively for 40 and 20 g/L of cationic agent, when dyed with Reactive Red 195 dye. For CHPTAC, the K/S values were 48±2 for 40 g/L and 41.2±0.5 for 20 g/L. These results were superior to conventional dyeing, with K/S=32. The cationic agent P42 presented results similar to the conventional dyeing, with K/S of 28±3 and 27±1, respectively for 40 and 20 g/L. The cationic agents Poly diallyldimethylammonium chloride (PDDACl) and Polyquaternium-2 (P42) presented promising results, the samples treated with these reagents showed bactericidal activity. The cationization considerably increased the interaction between the fiber and the acid dye, however, the fixation of the dye to the fiber was lower with cationic dyeing. Most of the acid dye returned to the liquid phase after carrying out the washing fastness test. The plasma treatment little changed the properties of the cationic and the dyed fabrics. An increase in light fastness was observed in some samples treated with plasma. However, the effect of cationization prevailed over plasma. The cationization was promising because it allows the dyeing with more intense colors, besides reducing the effluent load generated and eliminating the feeding of salt in the dyeing process.