Estudio sobre sistema atomizador por aspersión hidráulica como nuevo recurso

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 21814 (2022) Citar este artículo

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Este estudio presenta el sistema de atomización por pulverización hidráulica (HS) como un nuevo método de teñido y acabado continuo que ahorra recursos para tejidos de lana. Aquí, la tela de lana se teñía y terminaba utilizando tintes y acabados comerciales mediante el método HS de uno o dos pasos. Los resultados obtenidos del análisis de intensidad del color (K/S), diferencia de color (ΔECMC) y solidez del color presentaron la aprehensión del método HS en el teñido de tejidos de lana con diferentes GSM y tintes. El rendimiento del acabado del tejido de lana se midió mediante análisis del ángulo de contacto con el agua. El análisis muestra que el rendimiento del acabado del método HS fue sustancial para alcanzar un ángulo de contacto con el agua de hasta 145° manteniendo al mismo tiempo una alta solidez al lavado y la abrasión. Entre el método HS de un paso y el de dos pasos, el método de un paso mostró un mejor rendimiento con una alta eficiencia de recursos en comparación con el método de dos pasos. Los resultados del análisis estadístico no muestran significación estadística del peso de la tela, el tipo de tintes y los acabados para el rendimiento del nuevo método HS, que es crucial para la implementación industrial a escala real y la ampliación de este proceso. Los hallazgos de este informe son de gran importancia ya que presenta una alternativa más ecológica a los métodos convencionales de teñido y acabado de tejidos de lana que consumen muchos recursos.

La atomización es esencialmente el proceso de convertir un líquido a granel en pequeñas gotas. Es una interrupción de la influencia consolidante de la tensión superficial causada por la acción de fuerzas internas y externas. La atomización por pulverización es la transformación de un líquido en una pulverización de partículas finas1. Este proceso se utiliza ampliamente cuando se distribuye material sobre un área de superficie controlada en diversos campos debido a su alto control del proceso, baja generación de desechos y fácil operación. La fumigación es el medio más utilizado de aplicación de pesticidas para el control de plagas en la agricultura y la silvicultura2. Recientemente, la tecnología de pulverización hidráulica atrajo la atención de muchos investigadores en la funcionalización de textiles debido a su viabilidad, sostenibilidad y beneficios económicos3,4,5. Li, Arumugam et al. (2020) informaron sobre una célula solar orgánica totalmente recubierta por pulverización fabricada directamente sobre tela de algodón de poliéster estándar6. Samanta y Bordes (2020) propusieron un método de preparación de textiles conductores mediante recubrimiento por pulverización de dispersiones de grafeno a base de agua7. Sadanandan, Bacon et al. (2020) informaron que el recubrimiento por aspersión de grafeno sobre tejidos textiles se está convirtiendo en una de las técnicas más prometedoras para superar las limitaciones de las estructuras irregulares y toscas de los tejidos textiles8. El recubrimiento por pulverización es un proceso potencial para realizar películas más delgadas sobre textiles. En base a esto, la tecnología de pulverización puede ser una alternativa reconocida al proceso de recubrimiento por rotación y deposición sin contacto en comparación con, por ejemplo, la serigrafía. El recubrimiento por pulverización también se beneficia de una gama más amplia de parámetros reológicos aceptables en comparación con la impresión digital, que limita estrictamente estas propiedades.

El sistema de atomización por pulverización hidráulica es un proceso continuo que pulveriza el material deseado en la tela en gran medida a través de un atomizador9. En este sistema ya no es necesario preparar grandes depósitos de productos químicos. Además de eso, durante el procesamiento, no hay interacción física y química (como ocurre con los métodos convencionales) que protege las características inherentes del material tratado10. Además, el proceso reduce la descarga de residuos ya que se necesitan menos o menos productos químicos en comparación con los métodos convencionales, lo que resulta en una reducción del consumo de energía y otros recursos en procesos posteriores de gestión/tratamiento de residuos11,12.

En la actualidad, los aspectos de sostenibilidad en términos de procesos de producción son una preocupación seria en las industrias de procesamiento textil a nivel mundial. De los muchos desafíos en los procesos textiles convencionales, la falta de sensibilidad a los recursos, la producción de desechos y el consumo de agua dulce son los más cruciales que necesitan una solución sólida e inmediata. Durante muchos años se han introducido varios métodos avanzados, como el teñido con amoníaco líquido13, el teñido con fluidos supercríticos14, el teñido con agentes reticulantes15, el teñido con espuma16 y el teñido a base de nanopartículas17, etc.18, pero la mayoría de estas tecnologías no han abandonado el entorno del laboratorio debido a la falta de interés por parte de la comunidad empresarial relevante ya que estos procesos implican inconvenientes relacionados con el costo de instalación, baja polaridad, proceso por lotes de baja capacidad, diseño vertical, distribución de fluidos no homogénea, acumulación de químicos, proceso de operación poco confiable, etc.14,19, 20.

En la búsqueda de una mejora sostenible del procesamiento textil hacia un sistema de producción más ecológico, existe una necesidad urgente de un nuevo sistema avanzado que reemplace los procesos de producción húmedos convencionales y al mismo tiempo ofrezca perspectivas de implementación industrial a escala real en términos de viabilidad, ingeniería de procesos y duración de las tiradas. etc.21.

Por ello, proponemos el sistema de atomización por aspersión hidráulica como el nuevo método para teñido y acabado de textiles (tejidos de lana). Hasta donde sabemos, no existen estudios que exploren el teñido-acabado de tejidos de lana mediante un sistema de atomización por aspersión hidráulica. Para este estudio se eligió el tejido de lana debido a su amplio uso en prendas de vestir, mantas, sudaderos, aislamientos, tapicería, textiles técnicos, etc. Además, el procesamiento actual de tejidos de lana que utilizan tintes ácidos/reactivos requiere una gran cantidad de recursos, lo que requiere una actualización muy necesaria hacia una alternativa más ecológica.

El tinte ácido nivelador monosulfonado (Telon Yellow T-3R) y el tinte reactivo bifuncional (Realan Red EHF) utilizados en este estudio se adquirieron de DyStar Pte. Ltd. Ltd (Singapur). Agente humectante (Rucowet FN), acabados repelentes al agua sin fluorocarbonos ❴Acabado 1 (F1): Ruco-Dry ECO DCF, Acabado 2 (F2): Ruco-Dry DHE❵ fue proporcionado por Rudolf GmbH (Alemania). Todos los productos químicos básicos como el ácido acético (CH3COOH), el carbonato de sodio (Na2CO3 · 10H2O) y el sulfato de sodio (Na2SO4) eran de calidad analítica y se usaban tal como se recibieron de Sigma Aldrich Ltd. sin ninguna purificación adicional. Dos tipos diferentes de tejido de lana (lana merino noruega); a) Tejido de lana 1 (W1): 469 GSM, lavado, fresado, esquilado y decatizado; (b) Tejido de lana 2 (W2): se utilizó 264 GSM, prelavado, termofijado.

En este estudio, se estudió el teñido y acabado de tejidos de lana en uno y dos pasos utilizando el método HS y se comparó con procesos convencionales. Se utilizó el sistema de atomización por pulverización hidráulica MiniMax de Imogo AB junto con FlexDyer a escala de laboratorio. Los detalles del sistema de atomización MiniMax HS y los parámetros de la máquina se encuentran en el Apartado. 1.1 de la información de respaldo. Para todos los estudios, las muestras se acondicionaron a una temperatura de 20 ± 2 °C y una humedad relativa del 55 ± 5% durante 24 h y todos los parámetros se eligieron en función de los respectivos estudios preliminares (consulte la Sección 1.2 de la información de respaldo). Los procesos involucrados en este estudio se presentan esquemáticamente en la Fig. 1 y se describen a continuación;

Proceso de teñido y acabado de dos pasos de tejidos de lana mediante el método HS: en el proceso de dos pasos, los tejidos de lana se teñían y terminaban en procesos separados (ver Fig. 1a). La relación entre la solución de pulverización y la tela fue de 1:0,4 con una tasa de absorción del 80 % seguida de una fijación del tinte estándar en un autoclave de laboratorio (98 °C durante 90 min). Las soluciones de pulverización se prepararon disolviendo tintes ácidos (tinte 1: 8,75 g/l, pH ~ 3) o tintes reactivos (tinte 2: 20 g/l, pH ~ 4,5) en agua. Después del teñido, las muestras se enjuagaron y secaron en condiciones ambientales antes de aplicar los acabados hidrofóbicos comerciales (Acabado 1: 80 ml/l, pH ~ 5 y Acabado 2: 125 ml/l, pH ~ 4) seguido de una absorción del 80 %. secando (W1: 160 °C durante 2 min, W2: 160 °C durante 1 min) y curando (W1: 170 °C durante 1 min, W2: 170 °C durante 0,5 min) en una máquina stenter de laboratorio Mathis. Sin embargo, en este experimento las muestras fueron pulverizadas y acabadas por ambos lados.

Proceso de teñido-acabado en un solo paso de tejido de lana mediante el método HS: los tejidos de lana se teñieron y terminaron al mismo tiempo con una tasa de recuperación del 80% (ver Fig. 1b). El tinte y la solución de acabado se prepararon por separado y se mezclaron para fraguar cuatro soluciones de pulverización que incluían dos tintes y dos agentes de acabado hidrofóbicos comerciales como: Ácido + F1 (pH 3,5), Ácido + F2 (pH 3,5), Reactivo + F1 (pH 4,5), Reactivo + F2 (pH 4,5). El spray se aplicó en ambos lados de la tela antes de la fijación en autoclave de laboratorio (98 °C). Después de la fijación, las muestras se secaron y curaron en una máquina ramificadora de laboratorio Mathis igual que el método de dos pasos.

Proceso convencional de teñido y acabado de tejidos de lana: los tejidos de lana se teñieron en una máquina de teñido por extracción y luego se terminaron mediante un método de curado en seco con almohadilla (ver Fig. 1c). Normalmente, para teñir, la proporción de licor era 1:20. La solución se preparó disolviendo tinte ácido (0,35 g/l) o tinte reactivo (0,8 g/l) y las telas se teñieron siguiendo las respectivas curvas de teñido estándar (tinte ácido: pH). ~ 3,2, 98 °C, 90 min; Colorante reactivo: pH ~ 4,5, 98 °C, 60 min). Para el acabado, se aplicaron acabados hidrofóbicos comerciales con una tasa de absorción del 60 % y una presión de dos bares. Las muestras resultantes se curaron en una máquina stenter de laboratorio Mathis (W1 + F1: 160 °C durante 2 min + 170 °C durante 1 min, W1 + F2: 140 °C durante 3 min, W2 + F1: 160 °C durante 1 min + 170 °C durante 0,5 min, W2 + F2: 140 °C durante 2 min).

Pasos del proceso de (a) proceso de teñido-acabado de dos pasos de tejido de lana mediante el método HS, (b) proceso de teñido-acabado de un solo paso de tejido de lana mediante el método HS y (c) proceso de teñido-acabado convencional (de dos pasos) de tejido de lana.

En total, se prepararon e investigaron comparativamente 24 muestras en este estudio para comprender la viabilidad del método de atomización de HS para el teñido y acabado de un tejido de lana como un proceso avanzado que ahorra recursos. En la Tabla 1 se proporciona un resumen de todas las muestras y sus descripciones correspondientes.

La caracterización de las muestras se realizó en términos de medidas de color (tintura), ángulo de contacto con el agua (acabado) y solidez de tintes y acabados al lavado y abrasión. Los tejidos de lana preparados, teñidos y acabados se caracterizaron completamente para comprender la eficacia del método avanzado de teñido y acabado HS, recientemente introducido y que ahorra recursos. Para estudiar el rendimiento del teñido, se realizaron mediciones de color de las muestras con un espectrofotómetro Datacolor 500. Los datos de color se midieron en la región del espectro visible de 360 a 700 nm y se convirtieron en valores de triestímulo que describen un punto específico en el espacio de color. Con esta herramienta de medición se midieron y utilizaron dos valores de color diferentes en la evaluación del color. La intensidad del color se midió mediante la ecuación de Kubelka-Munk (Ec. 1) utilizando la reflectancia de las muestras teñidas (R), el coeficiente de absorción (K) y el coeficiente de dispersión (S), y se expresó como K/S.

Además de la intensidad del color, se midió la diferencia de color entre muestras y se expresó como el valor ΔECMC. Para obtener un valor medio del valor K/S y ΔECMC, se utilizaron cuatro lecturas diferentes de reflectancia en diferentes posiciones de cada muestra. Estas mediciones se realizaron con tres réplicas de cada muestra. Las muestras se acondicionaron antes de medirlas y, para obtener una medición precisa del color, se dobló la tela, por lo que se midió una doble capa. Para evaluar el rendimiento del acabado hidrofóbico, se midió la hidrofobicidad de las muestras en términos de ángulo de contacto con el agua utilizando un tensiómetro óptico de Biolin Scientific (Attension Theta). El ángulo de contacto con el agua (\({\theta }_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}\)) se midió tomando el ángulo de contacto promedio después de 2 s una vez que la gota de agua (gota tamaño 5 μL) se estabilizó sobre la superficie de la tela. Se realizaron tres mediciones independientes en cada muestra y se informó el valor medio con coeficiente de variación. La solidez de tintes y acabados al lavado se midió según norma ISO 6330:2012 en un lavadora tipo A. Las muestras se lavaron según el programa 4 N (según lo comentado en la norma), con una carga máxima de 2 kg, a 40 ± 3 °C, durante 30 min y con 20 ± 1 g de un detergente en polvo sin fosfatos, sin abrillantadores ópticos ni enzimas. Para probar la solidez del color a lo largo del tiempo, se repitió el lavado con otros tres ciclos, con un paso de secado intermedio a 70 °C durante 25 minutos y se acondicionó antes de realizar más pruebas de color. La solidez de los tintes y acabados a la abrasión se midió utilizando un Martindale SDL Atlas M235 con una velocidad de 47,5 revoluciones por minuto según ISO 12.947–1:1998, una carga de peso de 9 kPa y un total de 10.000 pasadas. Como paño opuesto se utilizó un tejido de lana estándar.

Se realizó un análisis estadístico para determinar si existe una diferencia significativa en los datos recopilados al implementarlos en la herramienta estadística Minitab. Para determinar la diferencia significativa entre los procesos (convencional, de dos pasos y de un paso HS) se realizó una prueba ANOVA unidireccional con un intervalo de confianza del 95% con la hipótesis nula que establece que todas las medias son iguales y la hipótesis alternativa que establece que en al menos una media es diferente. Para probar la diferencia significativa entre las mediciones antes y después de la prueba de lavado, se realizó una prueba t pareada con un intervalo de confianza del 95% con la hipótesis nula que indica que la media de las diferencias (μd) es igual a 0 y la hipótesis alternativa que indica que la la media de diferencias no es igual a 0.

Los resultados de este estudio se presentan en dos partes; La Parte 1 presenta los resultados relacionados con el rendimiento de teñido de los tejidos de lana resultantes preparados mediante el método HS de dos o un paso en relación con el método de teñido por agotamiento convencional. La Parte 2 presenta los resultados relacionados con el rendimiento de acabado de los tejidos de lana resultantes preparados mediante métodos HS (de dos pasos o de un paso) en relación con el método convencional de curado en seco con almohadilla.

Se llevó a cabo un estudio comparativo para evaluar el rendimiento del teñido del método HS de dos pasos y de un paso en relación con el método de teñido por agotamiento convencional mediante mediciones de intensidad del color (K/S), mediciones de diferencia de color (ΔECMC) y solidez a lavado y abrasión en base a medidas de color de los tintes de tejidos de lana.

Todos los tejidos de lana teñidos con tintes ácidos y reactivos se evaluaron mediante mediciones de intensidad del color para identificar la diferencia entre el método de teñido convencional y el HS. En principio, el valor de intensidad del color proporciona evidencia relacionada con la profundidad del color en la superficie del tejido teñido22. Los resultados presentados en las figuras 2b y c muestran los gráficos de los valores K/S de las muestras de tejido de lana teñida preparadas con tinte ácido y tinte reactivo. Los resultados de muestras teñidas con ácido y reactivo mostraron que existe una diferencia significativa en la intensidad del color según el método de teñido utilizado, que también es visible a simple vista (Fig. 2a). Las muestras teñidas convencionalmente mostraron valores de intensidad de color más altos que las muestras teñidas con HS. Esto puede deberse a la posible limitación de la difusión de los tintes en el método de teñido HS en comparación con el método de teñido convencional, que restringió la distribución uniforme de los tintes en los poros del tejido de lana23.

(a) Fotografías digitales de las muestras; (b) Mediciones de intensidad del color (K/S) de tejidos de lana teñidos con ácido; (c) Mediciones de intensidad del color (K/S) de tejido de lana teñida reactiva (= Convencional; = Método HS de dos pasos; = Método HS de un solo paso).

Puede ocurrir una mayor difusión en los métodos convencionales debido al uso de electrolitos en el método convencional (que no se usó en el método HS) que influye en la solubilidad y adsorción de los tintes en las fibras24. La fibra de lana se hincha en líquido y las condiciones ácidas cargan los aminoácidos en la superficie, lo que hace posible que el tinte entre en la fibra y forme fuertes enlaces con las fibras25. Como la fijación del tinte en el método HS es un proceso bastante seco, donde la tela se somete solo a calor seco mientras está húmeda por el líquido rociado, la fibra de lana se hincha menos y afecta el proceso de fijación del tinte. La superficie del tejido retiene menos humedad (característica de la lana) durante la fijación y los tintes migran a un ambiente más húmedo con un pH más bajo. El nivel de tintes no fijados no es mayor, por lo que la fijación parece tener lugar más profundamente en el tejido. Sin embargo, el valor K/S de las muestras teñidas utilizando nuevos métodos HS mostró una intensidad de color significativa de hasta 14,0, que es adecuada para aplicaciones comerciales.

Una mirada de cerca a los resultados muestra que existe una diferencia notable en la intensidad del color entre las muestras con acabado teñido HS de un paso y de dos pasos. Las muestras teñidas con HS en un solo paso mostraron una mejor intensidad del color que las muestras teñidas con spray en dos pasos. La escasa intensidad del color en el método de teñido HS de dos pasos puede deberse a la manipulación del color durante el paso de acabado. Aunque el método de teñido para ambos casos fue el mismo, en el método de un solo paso, los tintes y acabados se mezclaron y rociaron sobre la tela de lana juntos, mientras que en el método de dos pasos, los tintes y acabados se rociaron por separado sobre las muestras para formar un conjunto capa por capa de tintes y acabados. Se descubrió que la extensión de la diferencia en la intensidad del color entre las muestras teñidas de un paso y de dos pasos estaba influenciada por el tipo de acabados utilizados y el peso de la tela (ver Fig. 2). Se encontró que el Acabado 2 (Ruco-Dry DHE) produce más diferencia de color que el Acabado 1 (Ruco-Dry ECO DCF). El tejido de lana más liviano (W2/264 GSM) proporcionó una mejor intensidad del color en muestras teñidas con HS en comparación con el tejido de lana más pesado (W1/469 GSM).

Para comprender mejor el rendimiento del teñido del método convencional y HS, se evaluó la diferencia de color de muestras de tejidos de lana teñidos con ácido y reactivo. Al principio, el análisis comparativo de la diferencia de color de las muestras teñidas con HS (un paso) se llevó a cabo con respecto a las muestras preparadas mediante el método convencional (ver Fig. 3a). Después de eso, también se estudió la diferencia de color entre las muestras teñidas con HS de uno y dos pasos (Fig. 3b). Los resultados de la diferencia de color entre las muestras de telas de lana teñidas con HS y teñidas por agotamiento convencionales muestran una diferencia de color significativa que puede detectarse a simple vista, ya que todas las muestras mostraron un valor de ΔECMC superior a 1,0. Esto indica la posible diferencia de color de las muestras debido a las condiciones de teñido en diferentes combinaciones de método HS (de un paso o de dos pasos), tejido de lana (W1 o W2) y agente de acabado (F1 y F2) a los que se puede someter. a la optimización ante procesos masivos a escala industrial. Sin embargo, la diferencia de color para la tela W1 (469 GSM) fue la más fuerte: 6,6 para los tintes ácidos y 6,7 para los tintes reactivos. Para la tela W2 (264 GSM), las diferencias de color son 4,5 para tintes ácidos y 4,1 para tintes reactivos. Esto enfatiza las características de dos procesos textiles diferentes para lograr rendimientos alterados del producto. Una mirada cercana a los resultados revela que los tintes ácidos representan una mayor diferencia de color que los tintes reactivos. Los tintes reactivos son más adecuados para un proceso de teñido continuo, ya que el mecanismo de teñido depende menos del hinchamiento de la fibra de lana bajo altas temperaturas y la presencia de agua26,27. Por otro lado, la diferencia de color en un método HS de un paso es menor que en el método de dos pasos (ver Fig. 3a). Un análisis más detallado de la medición de la diferencia de color entre las muestras teñidas de dos pasos y de un paso (ver Fig. 3b) muestra que la tela W1 teñida con tintes ácidos o reactivos y terminada con F1 ha mostrado valores de ΔECMC, que son lo suficientemente altos como para ser detectado a simple vista humano28. Por el contrario, la diferencia de color del tejido W2 teñido con tintes ácidos y acabado con F1 ha mostrado un valor de ΔECMC inferior a 1, lo que indica la existencia de una diferencia de color más allá del límite de detección del ojo humano.

Diferencia de color (ΔECMC) entre (a) muestras teñidas con HS (dos pasos) y muestras teñidas por agotamiento convencionales; (b) Muestras teñidas con HS de uno y dos pasos (cuadrado sombreado = puntos de diferencia de color).

La solidez del color es un análisis esencial para determinar el rendimiento del teñido. Las muestras de tejido de lana resultantes preparadas mediante el método de teñido convencional o HS se sometieron a un análisis de solidez al lavado. El rendimiento del teñido sobre la solidez al lavado se evaluó basándose en mediciones de intensidad del color, que se representan en la Fig. 4. Los resultados muestran que, independientemente del método utilizado, los valores K/S de la mayoría de las muestras han disminuido después del lavado. La disminución de K/S después del lavado puede explicarse como la pérdida de tintes sueltos del tejido durante el lavado29,30. Algunas muestras mostraron un aumento sorprendente en la intensidad del color después de cuatro ciclos de lavado en comparación con un ciclo, lo que puede deberse a la uniformidad de los tintes en la superficie de la tela después de que se eliminaron posibles manchas de tintes. Este novedoso estudio ha abierto varias discusiones nuevas a través de sus hallazgos, donde la investigación del fenómeno reportado de intensidad del color relacionado con el lavado es uno de ellos. Aunque esto está fuera del alcance de este trabajo, ciertamente se puede explorar para comprender mejor la tecnología HS para teñido y acabado.

Solidez al lavado basada en la medición de la intensidad del color (K/S); a) Tejidos de lana teñidos con ácido; (b) Tejido de lana teñido reactivo (= K/S estándar (izquierda); = K/S después de 1 lavado (centro); = K/S después de 4 lavados (derecha)).

La solidez del color del tejido de lana resultante en términos de lavado se ha evaluado adicionalmente basándose en la diferencia de color de las muestras antes y después del lavado. Los resultados se presentan en la Tabla 2, que mostró que las muestras teñidas con tintes ácidos tienen un color significativamente diferente después del lavado (observado tanto para el método convencional como para el HS). El resultado muestra que el tejido W2 mantiene mejor su color después del lavado que el tejido W1, ya que los valores de ΔECMC tienen una diferencia significativa menor. Una comparación entre tintes ácidos y reactivos muestra que los tintes reactivos tienen una mejor solidez al lavado que los tintes ácidos, ya que la mayoría de los valores de ΔECMC se mantienen cerca o <1, lo que se puede encontrar para ambos tipos de telas teñidas con tintes reactivos. En general, la diferencia de color aumentó con el número de lavados para las muestras preparadas con los tres métodos (método HS de un paso, método HS de dos pasos y método convencional). Una mirada cercana a los resultados proporciona evidencia de una diferencia de color comparativamente mayor en las muestras teñidas con HS que en las muestras teñidas convencionalmente. El ΔECMC en HS1-W1@AF1 después de un lavado fue de 3,73 y aumentó a 5,34 después de cuatro lavados, mientras que C-W1@AF2 tiene un ΔECMC inicial de 0,71 después de un lavado que aumentó a 1,50 después de cuatro lavados. Esto puede deberse al impacto sucesivo de los ciclos de lavado en la interacción de los tintes ligeramente adheridos/adheridos con la superficie de la tela, lo que provoca la abstracción de tintes de la tela31. Sin embargo, a pesar de la pérdida de tintes, la intensidad del color es lo suficientemente alta como para conservar las características del tejido teñido como material coloreado, como lo respalda el análisis K/S.

La solidez del color de tejidos de lana teñidos seleccionados con respecto a la abrasión se estudió basándose en la intensidad del color K/S (antes y después de la abrasión) de acuerdo con el método descrito anteriormente (sección de caracterizaciones de materiales). Los resultados muestran que las muestras preparadas mediante un sistema de atomización por pulverización hidráulica no mostraron diferencias significativas en la intensidad del color después de la prueba de abrasión, independientemente del proceso de uno y dos pasos, así como de los tintes utilizados. Este fenómeno es particularmente importante ya que el sistema de atomización por pulverización hidráulica es un proceso de coloración continuo que excluye varios procesos posteriores al tratamiento en comparación con el método convencional. Se puede realizar un estudio detallado como estudio adicional para comprender el mecanismo de solidez superior del color de tejidos de lana teñidos seleccionados con respecto a la abrasión.

Para comprender el efecto de cada método de preparación y el rendimiento de los acabados hidrofóbicos, todas las muestras terminadas se estudiaron comparativamente mediante la medición del ángulo de contacto con el agua y su solidez con respecto al lavado y la abrasión. Se realizó un análisis ANOVA unidireccional de los datos para determinar la diferencia significativa entre las muestras.

Para evaluar la hidrofobicidad de las muestras, se realizaron mediciones del ángulo de contacto como se describió anteriormente en la sección de caracterizaciones de materiales. La Figura 5 muestra el \({\theta }_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}\) del tejido de lana preparado con Ruco-Dry ECO DCF (F1) o Ruco-Dry Finaliza DHE (F2). Los resultados muestran una diferencia significativa en \({\theta }_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}\) del tejido de lana acabado dependiendo del método de preparación utilizado. En general, todas las muestras terminadas con cualquiera de los dos acabados mostraron un mayor ángulo de contacto con el agua sobre la tela cuando se preparó con el método HS en comparación con las muestras preparadas mediante el método de acolchado convencional. Esto puede explicarse por la naturaleza hidrofóbica de la lana, que repele el líquido que ingresa al núcleo de la fibra o tejido26,32. Como lo más probable es que el líquido de acabado no penetre completamente en la tela, los químicos repelentes al agua reaccionarán principalmente con las fibras en la superficie de la tela, lo que resulta en ángulos de contacto más altos para las muestras terminadas HS en comparación con las muestras acolchadas convencionales.

Análisis del ángulo de contacto con el agua de tejidos de lana con acabado hidrofóbico; (a) Ruco-Dry ECO DCF (F1); (b) Ruco-Dry DHE (F2) y (c) imagen digital de la hidrofobicidad del tejido de lana.

En cuanto a Ruco-Dry ECO DCF (F1), muestras preparadas con el método de acolchado convencional para tejido W1, a \({\theta }_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}\) Se registró un ángulo de 125°, que puede incrementarse en 9° si se prepara mediante un método HS de dos pasos y en 14° si se prepara mediante un método HS de un solo paso. Esto indica un mejor rendimiento de acabado del método HS respecto al método de acolchado convencional una vez que se desea un efecto de superficie, en este caso una repelencia al agua. La comparación del método HS de un paso y de dos pasos muestra que el método HS de un paso es más eficiente que el método de dos pasos. El alto rendimiento de acabado está relacionado con la distribución pareja y uniforme de los acabados sobre la superficie del tejido de lana. Por otro lado, una comparación entre el tejido W1 y el tejido W2 muestra que no existe una diferencia significativa en el rendimiento del acabado, a diferencia de la diferencia en el rendimiento del teñido. Para las muestras preparadas con Ruco-Dry DHE (F2), las muestras preparadas con el método HS muestran un mejor rendimiento de acabado que las muestras acolchadas convencionalmente. Sin embargo, no se encontraron diferencias significativas entre el método HS de un paso y el de dos pasos. En general, se encontró que el rendimiento de acabado de las muestras preparadas con Ruco-Dry DHE era mayor que el de Ruco-Dry ECO DCF. Las muestras terminadas con Ruco-Dry DHE se acercan a propiedades superhidrófobas con ángulos de contacto entre 140 y 150° para muestras de HS de un solo paso33,34. También es notable que no haya una diferencia significativa en los ángulos de contacto promedio entre los dos tejidos diferentes W1 y W2.

Las propiedades de solidez de los acabados aplicados en los dos tejidos de lana se han estudiado con respecto al lavado como se presenta en la Tabla 3. Los resultados muestran que, en general, casi todas las muestras disminuyen en el rendimiento de acabado después del lavado, lo que puede estar relacionado con la eliminación de acabados adheridos o adheridos sin apretar en la superficie de la tela. Al comparar las muestras terminadas con HS acolchadas convencionalmente, de un paso y de dos pasos, la pérdida de rendimiento es más prominente en las muestras preparadas con el método HS de un paso seguido por el método HS de dos pasos y, por último, el método de relleno convencional. Las diferencias en \({\theta }_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}\) para las muestras preparadas con métodos HS pueden estar relacionadas con el hecho de que los agentes hidrofóbicos parecen hacer enlaces más débiles en un proceso de pulverización directa. Como es probable que haya más aminoácidos cargados negativamente que positivamente en la superficie, los agentes repelentes al agua forman enlaces más débiles con la superficie de la fibra. Durante el lavado, estos enlaces se rompen fácilmente, lo que hace que el tejido pierda parte de su hidrofobicidad35. Además, no existe una diferencia significativa en los ángulos de contacto promedio para todas las muestras después del lavado; las muestras de los tres procesos muestran ángulos de contacto similares. Para los tejidos W1 acabados con Ruco-Dry Eco DCF estos ángulos de contacto son de 129° preparados por el método convencional y de 132° y 130° en el método HS de dos pasos y de un paso, respectivamente. Esto es similar para los tejidos W2 con el mismo acabado, donde los ángulos de contacto varían respectivamente de 131° (acolchado convencional) a 133° (HS de dos pasos) y 132° (HS de un paso). Después de un ciclo de lavado, las muestras se secaron en secadora para restaurar el efecto completo del acabado repelente al agua. La realineación del agente hidrófobo sobre la superficie de la fibra puede hacer que el ángulo de contacto aumente después del lavado, como se ve con las muestras convencionales. En general, Ruco-Dry DHE tuvo un peor desempeño en la prueba de lavado que Ruco-Dry Eco DCF, mientras que los ángulos de contacto iniciales de DHE fueron mayores que los de DCF como se presenta en la Tabla 3.

Para comprender mejor las diferencias entre las muestras preparadas mediante los tres métodos, los resultados se analizaron mediante una prueba t pareada. La Tabla S1 de la información complementaria analiza los valores de P de la prueba t pareada realizada. Si el valor P es inferior a 0,05, se debe rechazar la hipótesis nula, es decir, la media de las diferencias es 0. Esto significa que las diferencias en las medias antes y después del lavado son significativamente diferentes cuando el valor P es inferior a 0,05. Algunas muestras muestran una diferencia insignificante en su ángulo de contacto antes y después del lavado, aunque falta una coherencia en los valores. Generalmente, las muestras teñidas y acabadas convencionalmente muestran una diferencia significativa más baja.

Otro factor que puede afectar el desempeño de los acabados es la abrasión. Por ello, también se ha estudiado la solidez de los acabados hidrofóbicos sobre lana respecto a la abrasión a partir de la medición del ángulo de contacto con el agua. De manera similar a la solidez al lavado, el desempeño de los acabados hidrofóbicos también se vio afectado por la abrasión. En general, la pérdida de rendimiento es más prominente en muestras preparadas con HS de un paso seguido por HS de dos pasos y por último con acolchado convencional como se presenta en la Tabla 4. Como se mencionó anteriormente, la pulverización directa en el método HS provoca la aparición de hidrófobos. El acabado forma enlaces menos fuertes debido a la falta de aminoácidos cargados positivamente en la superficie de la fibra, que por lo tanto se eliminan más fácilmente.

Para determinar si la diferencia entre las medias antes y después de la abrasión es significativamente diferente, se llevó a cabo una prueba t pareada. La Tabla 4 presenta los valores t y P que se obtuvieron del experimento, así como los ángulos medios de contacto con el agua antes y después de la abrasión. Si el valor P es inferior a 0,05, se debe rechazar la hipótesis nula, es decir, la media de las diferencias es 0. En la mayoría de los casos, esto significa que los ángulos de contacto de las muestras teñidas y acabadas convencionalmente no difieren significativamente antes o después de la abrasión. Sin embargo, todas las muestras de tejidos de lana teñidas y acabadas con los métodos HS, excepto HS2-W1@F1, C-W1@F2, HS2-W2@F1 y C-W2@F2, muestran que no existe una diferencia significativa en el contacto. mediciones de ángulo antes y después de la abrasión, ya que los valores P están por debajo de 0,05.

Se ha investigado el aspecto sostenible del proceso de atomización de HS en términos de uso de agua, energía y productos químicos. Los métodos HS propuestos son el proceso de teñido-acabado continuo; por lo tanto, el tiempo de procesamiento no estuvo dentro del alcance del estudio. Sin embargo, la velocidad del proceso está sujeta a optimización en tiempo real durante las producciones a granel. La Tabla 5 muestra una descripción general del consumo de recursos en diferentes métodos HS en comparación con los métodos convencionales. Los resultados muestran que los métodos HS atribuyen propiedades prometedoras de eficiencia de recursos con un ahorro de hasta un 88 % de agua y un 100 % de productos químicos, dependiendo del tejido y el proceso que reemplazó. Sin embargo, en este proceso se utiliza más de un 200% más de colorante, ya que el baño de tinte HS es mucho más concentrado y debe optimizarse antes de aplicaciones industriales a gran escala. Junto con los registros de Imago, se puede ver que el nuevo método HS reduce el consumo de energía, agua y produce menos residuos, lo que es idéntico a la trifecta sostenible: energía, agua y residuos netos cero. Los cálculos a gran escala dependen mucho de muchas variables, pero al menos se puede hacer una comparación de los métodos a escala de laboratorio, lo que puede permitir predicciones para la producción industrial. El contenido de estos baños se puede traducir a su contenido por gramo de tejido. Al comparar los resultados entre el método HS de un paso y de dos pasos, se puede observar que el método de un paso utiliza un 50% menos de agua porque combina dos baños en uno. Debido al cambio en el porcentaje de absorción del 60 al 80 % de los productos químicos repelentes al agua, se añadió un 25 % menos de estos productos químicos al baño de un solo paso. Debido al mayor contenido del agente humectante más alcalino en el baño, fue necesario agregar más ácido acético para ajustar el valor del pH.

El baño de tinte reactivo es menos ácido y por lo tanto requiere menos ácido para equilibrar el pH. La reducción de energía utilizada proviene del proceso de fijación del tinte. En un proceso de teñido por agotamiento, el líquido del baño debe permanecer a una determinada temperatura durante todo el proceso, lo que consume energía. El método diferente para la fijación del tinte, en un autoclave en lugar de un baño calentado y en movimiento, provoca una reducción en el uso de energía. Las aguas residuales generadas en el método HS también son menores que en un proceso convencional. El tinte o líquido de acabado se utiliza casi en su totalidad, lo que reduce las aguas residuales del proceso de teñido y acabado.

En resumen, este trabajo introduce un nuevo método para teñir y terminar tejidos de lana mediante un proceso de atomización por pulverización hidráulica. El nuevo método tuvo éxito en el teñido de tejidos de lana con tintes reactivos y ácidos en condiciones ambientales. El acabado del agente hidrófobo sobre tejidos de lana teñidos también se logró con gran rendimiento. El rendimiento del teñido y el acabado observado a través de la intensidad del color (K/S), la diferencia de color (ΔECMC), el análisis de solidez del color y (\({\theta }_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{ O}}\)) el análisis estableció la viabilidad de los nuevos métodos como se resume a continuación;

El tejido de lana resultante mostró una intensidad de color significativa de hasta 14, lo que ofrece la posibilidad de teñir diferentes profundidades de color, desde tonos medios a oscuros. Cuando se compara entre los métodos HS de un paso y de dos pasos, parece que el método HS de un paso da como resultado una mayor intensidad del color y una menor diferencia de color, al tiempo que ofrece la ruta más rápida y ecológica para teñir lana.

El acabado hidrofóbico en tejido de lana mediante método HS ofreció mejor desempeño que el método de acolchado convencional. Mientras que el método HS logra \({\theta }_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}\) tan alto como 145°, que está cerca de la superhidrofobicidad, el \({ \theta }_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}\) mediante el método de relleno fue de 135°.

El método HS es de hecho un método eficiente en agua, energía y productos químicos, con una reducción del 88 % en el uso de agua en comparación con el método de teñido y acabado convencional. Se utilizaron menos auxiliares durante el proceso de teñido debido a la precisión de la máquina HS. El método HS afecta positivamente a la trifecta del desarrollo sostenible al mejorar los aspectos ambientales, sociales y económicos.

Los resultados informados en este estudio son de gran importancia ya que establecieron el proceso de atomización de HS como un proceso textil novedoso y eficiente en recursos hacia una técnica escalable. Los resultados basados en el proceso a escala de laboratorio predicen condiciones prometedoras para un proceso industrial a escala real, donde las reducciones cruciales en el uso de agua y productos químicos y, por lo tanto, aguas residuales menos contaminadas son algunas de las principales ventajas. Los resultados generales también enfatizan que los beneficios medioambientales deben sopesarse frente al rendimiento de los tejidos teñidos y acabados con estos procesos novedosos.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

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Los autores desean aprovechar esta oportunidad para expresar su agradecimiento a la Universidad de Borås (Suecia) por apoyar financiera y logísticamente esta investigación.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Universidad de Boras.

Tecnología de Materiales Textiles, Departamento de Tecnología Textil, Facultad de Textiles, Ingeniería y Negocios, Escuela Sueca de Textiles, Universidad de Borås, 50190, Borås, Suecia

Roos Mulder, Mohammad Neaz Morshed, Sina Seipel, Ulrika Norén y Vincent Nierstrasz

Imogo AB, 216 16, Limhamn, Suecia

Ellinor Niit

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RM, SS, UN y EN diseñaron el estudio y realizaron los trabajos experimentales. MNM y VN reunieron, analizaron e interpretaron los datos. Todos los autores participaron en la redacción y revisión del manuscrito.

Correspondencia a Mohammad Neaz Morshed o Sina Seipel.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Mulder, R., Morshed, MN, Seipel, S. et al. Estudio sobre el sistema de atomización por pulverización hidráulica como nuevo método de teñido y acabado eficiente en recursos para tejidos de lana. Representante científico 12, 21814 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26172-4

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Recibido: 23 de agosto de 2022

Aceptado: 12 de diciembre de 2022

Publicado: 17 de diciembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26172-4

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