Desarrollos en Química Textil

Han habido muchos desarrollos en el área de tintura, estampado y acabado, y muchos de estos desarrollos se están destacando en estudios publicados.
 
Muchos de estos centros de investigación se han concentrado en tres áreas: colorantes naturales como alternativas a colorantes manufacturados; problemas del medio ambiente, incluyendo la remoción del color del agua de desperdicio y la reducción en la fuente; y estudios de aplicación del colorante, tales como el teñido sin agua, nuevos auxiliares de teñido, y estampado digital. La mayoría de estos desarrollos se han publicado en revistas tales como AATCC Review(1), Tecnología de Coloración(2), Colorage(3), Fibras y Polímeros(4), Diario de Investigación Textil(5), El Diario del Instituto Textil(6), y el recientemente lanzado Diario de Investigación AATCC(7). Estas revistas cubren los resultados, desde la investigación fundamental y aplicada, así como también perspectivas breves sobre tópicos de interés general para los lectores.

 

Figura 1: Plantas que se pueden cultivar: índigo, gualda y rubia y sus asociadas estructuras moleculares. “Indigofera tinctoria1″ y “Reseda lutea1” (Cortesía de Kurt Stüber, Wikimedia)

 
Colorantes naturales
La investigación sobre los colorantes naturales está inspirada por la creencia que tales colorantes son alternativas amenas a la protección del medio ambiente en comparación con los colorantes manufacturados, debido a que son bio-degradables, son renovables, y son percibidos como no tóxicos, especialmente puesto que algunos de ellos son usados en productos alimenticios, en medicinas y en cosméticos (FD&C), en donde son sometidos a normas estrictas y estándares toxicológicos. La mayoría de estos colorantes se obtienen en plantas más bien que de fuentes de animales (Ver Figura 1).
 
En la actualidad, la aplicación de colorantes naturales a los textiles involucra al algodón como el principal sustrato, aunque la seda es una meta frecuente. Este proceso requiere cuatro pasos principales: extracción de la planta; mordentado; enjuagado; y teñido. El segundo paso es especialmente importante debido a que la naturaleza no desarrolló sus colores teniendo en cuenta los textiles. Por consiguiente, los mismos no tienen una sustantividad inherente para la fibras textiles y se deben bondear a través del uso de un intermediario, como se ilustra en la Figura 2.
 

Figura 2

 
Recientes desarrollos en esta área incluyen el estampado con chorro de tinta en el algodón usando colorantes naturales tales como anato, cutch, y puerto dorado (Ver Figura 3). La evaluación de las propiedades de solidez indican una solidez al lavado y una solidez al roce típicos de los niveles de colorantes directos de Clase A, y de una baja solidez a la luz(8). El anato se ha usado también en el teñido de tejidos de yute, usando bio-mordantes tales como myrobolan y pomogranato, además de mordantes tradicionales, incluyendo alúmina y FeSO4.
 

Figura 3

 
La mejor solidez al lavado fue obtenida usando alúmina, con un post-mordentado con mordantes inorgánicos que permiten la mejor combinación del rendimiento del color y las propiedades de solidez(9). De manera similar, la investigación relacionada con el uso de un mordante de arcilla tipo bentonita
 
([Na0.4Ca0.03K0.01][Al1.6Mg0.3Fe0.1]Si4O10(OH)2) en lugar de un mordante tradicional se ha reportado para la aplicación de Alizarin a la lana(10). Pre/post-tratamientos a niveles de porcentaje de 3- a 10-% fueron conducidos, con el pre-tratamiento dando una ligeramente mejor solidez al lavado y el post-tratamiento dando una ligeramente mejor solidez a la luz.
 
Estudios de aplicación de colorantes
En vista del amplio interés en la búsqueda de soluciones para minimizar los niveles de sal y color en el agua de desperdicio del colorante después del colorante del algodón, especialmente con colorantes reactivos, se han llevado a cabo estudios con la cationización de la celulosa de algodón.
 
Los resultado de estos esfuerzos fueron sumarizados en un reciente estudio(11). El corazón de este trabajo está sumarizado en la Figura 4, en donde el intermediario reactivo (3-chloro-2-hydroxypropyl) cloruro de amonio trimetilo (CHPTAC) es usado para producir grupos catiónicos en el algodón que son atraídos a los colorantes aniónicos en la ausencia de sal.
 

Figura 4

 
El uso de colorantes reactivos conduce a una reducción significante en el color del agua de desperdicio y a una mayor fijación del colorante en la fibra. La consideración comercial de esta tecnología está ahora en desarrollo. Además, la presencia de grupos catiónicos en  el algodón abre las puertas para el uso de colorante ácidos, para permitir obtener tonos más brillantes. En estudios relacionados, se han desarrollado especies de reactivos basados en poliméricos y clorotrizinas (Ver ejemplos en Figura 5), para producir algodón catiónico.
 

Figura 5

 
El uso de bióxido de carbono super-crítico
(SC-CO2) como medio para el teñido sin agua del poliéster está recibiendo una atención renovada, debido al diseño y comercialización de nueva maquinaria.
 
Desarrollos en esta área fueron reportados en la Conferencia sobre Tecnología de Teñido AATCC 2013(12). Los desarrollos de la actualidad han abierto una manera sostenible para el teñido del poliéster (PET) que muy pronto será seguida por el teñido de fibras naturales, tales como lana y algodón, en una escala comercial. En otros estudios de SC-CO2(13), se construyó una máquina a escala de laboratorio para desarrollar un método para el teñido de tejidos en cuerda con Disperse Red 74 (Ver Figura 6).
 

Figura 6

 
En comparación con los procesos de teñido convencional, los costos de funcionamiento fueron reducidos al emplear este proceso de teñido en una máquina de teñido en cuerda. Además, se reportó una eficiencia de reciclado de CO2, en una gama de 92-95 %.
 
En otras investigaciones de aplicaciones, se ha reportado sobre un método para el teñido de fibras sintéticas usando colorantes dispersos, luego de construir un agente dispersante. En este trabajo, el Disperse Red 60, conteniendo una adición de poly(óxido de etileno)–poly(óxido de propileno) (Ver Figura 7) fue sintetizado, y se demostró que da propiedades de desempeño y solidez comparables a una mezcla física de colorante disperso y un agente dispersante(14).
 

Figura 7
 

 
Estampado digital
La transferencia de un diseño, desde la mente creativa del diseñador a un sustrato sin la necesidad de usar plantillas o presión es ahora posible usando las tecnologías de estampado digital(15). Su uso en señales, banderas, textiles técnicos, accesorios para el hogar, y prendas básicas, es bien conocido. Las tintas de estampado digital contienen colorantes de tipo ácido, disperso o reactivo, o pigmentos. La tecnología se puede usar para realizar pruebas, muestras, y lotes cortos que son más económicos que los métodos convencionales.
 
Los procesos de estampado digital ofrecen una gama de procesos de colores que incluyen 3 colores (CYM), 4 colores (CYMK), 5,6,7 y 8 opciones de gama de colores extendidos, igualando la creciente demanda del mercado por colores completos. Muchos creen que esta tecnología será el camino futuro para el estampado textil debido a que ofrece posibilidades que no están disponibles con los métodos convencionales, incluyendo el uso de colores ilimitados, gráficas tonales, tamaños de repetición ilimitados, cambios de diseño rápidos y frecuentes, diseños de líneas finas y gran precisión, lotes cortos económicos, individualización en masa, alta definición, y calidad fotográfica.
 
En la Figura 8 se pueden ver ejemplos de algunos estampados digitales interesantes. El desarrollo de cabezas de estampado que permiten el estampado tanto con pigmentos como tintas basadas en colorantes, y que permiten velocidades que se aproximan a la tecnología de estampado rotativo, hace que sea posible de nuevo el estampado textil de manera local económica.

 

Figura 8

 
Temas ambientales y regulatorios
Teniendo en cuenta la fuerte influencia de las regulaciones ambientales en la manufactura de colorantes y en las prácticas de aplicación, parece ser apropiado terminar este artículo discutiendo los temas regulatorios que ejercen un impacto en las operaciones de la química del color. Muchas de las actividades en esta área se pueden trazar al descubrimiento de tumores en la vejiga en varios trabajadores de plantas de tintorería, que fueron expuestos a aminas aromáticas tales como benzidinas y beta-naftiláminas durante la manufactura de colorantes tipo azo. Este reconocimiento llevó a la terminación del uso de tales precursores en muchas partes del mundo occidental.
 
Una vez que se demostró que los colorantes azo tales como Direct Black 38 pueden ser metabolizados en sistemas mamíferos para producir el precursor de la benzidina usada en su manufactura (ver Figura 9), se instituyeron regulaciones tales como la directiva EU Directive 2002/61/EC(16).
 

Figura 9

 
Este fue un importante desarrollo debido a que previno la venta de productos que contienen colorantes que fueron manufacturados de un grupo de 20 (ahora 22)(17) aminas aromáticas. Como se ilustra en la Figura 9, el metabolismo de estas aminas aromáticas luego de su liberación de los colorantes azo es de gran preocupación, debido a su potencial para producir iones de nitrenio que pueden reaccionar con el DNA para producir mutaciones — un paso inicial en la formación de tumores malignos.
 
Este conocimiento contribuyó a otros estudios internacionales, regulaciones y políticas, tales como el Canadian Environmental Protection Act, 1999 (CEPA 1999), IARC (Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer) Monograph99, and Registration, Evaluation, Authorisation, and Restriction of Chemicals (REACH).
 
CEPA cubre las sustancias químicas hechas o importadas a Canadá, y presta atención a los colorantes de tipo ácido azo, directos, disperses, de metal complejo, y reactivos(18). Los IARC Monographs cubren la evaluación del riesgo de carcinógenos en los humanos(19), mientras que REACH cubre las sustancias químicas hechas o importadas a la Unión Europea, con énfasis en el uso de 151 sustancias químicas de gran preocupación, y se espera que se implementará completamente en el 2015.
 
Un resultado clave del reporte IARC 2010 fue la designación de colorantes metabolizados como benzidinas como pertenecientes al Grupo 1 — carcinógenos para los humanos. Esto fue un importante desarrollo debido a que igualó los colorantes basados en benzidinas con la benzidina misma.
 
Un componente clave del reporte de la CEPA 2015 se relacionó con la evaluación de 61 colorantes reactivos azo y 8 colorantes reactivos azo. Estas 69 substancias constituyeron dos subgrupos de azo aromático y substancias basadas en benzidina evaluadas como parte de la Iniciativa del Agrupamiento de Substancias del Plan de Manejo Químico del Gobierno de Canadá, basado en similaridad estructural y aplicaciones. Los colorantes en este grupo fueron identificados como prioridades para la evaluación debido a que reúnen los criterios de categorización bajo la subsección 73(1) de CEPA 1999 y/o fueron considerados como prioridad basados en otras preocupaciones para la salud humana.
 
Solo 7 colorantes — 6 colorantes directos azo y 1 colorantes reactivos azo — fueron reportados como que fueron importados en cantidades superiores a 100 kilogramos al año, que fue lo máximo reportado por la encuesta. Ultimamente, se concluyó que los 69 colorantes no cumplían con ninguna de los criterios elaborados en la sección 64 de la CEPA 1999.
 
La legislación REACH es la más reciente y extensa de este tipo(20). Esta regulación de la Unión Europea está diseñada para mejorar la protección de la salud humana y para proteger el medio ambiente de los riesgos a que pueden ser expuestos por las substancias químicas, incluyendo colorantes, mientras que al mismo tiempo mejora la competitividad de la industria química de la E.U. También está diseñado para promover métodos alternos a la evaluación de los peligros de las substancias, con el fin de reducir el número de ensayos o pruebas en animales. Las compañías son responsables por la recolección de información relacionada con las propiedades y el uso de las substancias que ellas fabrican o importan a, o por encima, de 1 tonelada al año. También tienen que hacer una evaluación de los peligros y riesgos potenciales presentados por cada substancia.
 
Esta información es comunicada a la Agencia Europea de Productos Químicos (ECHA). A través de un formulario de registro que contiene la información sobre los peligros y, en casos relevantes, una evaluación de los riesgos que el uso de la substancia pueda poseer y cómo estos riesgos pueden ser controlados. De esta manera, un tipo de Plan de Manejo Químico (CPM) es asociado con cada substancia registrada.
 
El camino adelante
Es claro que el uso de colorantes, tanto naturales como sintéticos, para la coloración de textiles, es algo que no se va a dejar de usar, ya que cada uno sirve un propósito único. Es igualmente claro que los primeros no van a desplazar a los segundos en un grado significante, debido a su superior capacidad de solidez, a su facilidad de producción y aplicación, y a la consistencia del producto de los colorantes sintéticos.
 
De manera similar, el estampado digital y los colorantes tipo CO2 tienen un gran potencial como métodos de coloración clave para la próxima década, debido principalmente a las velocidades de estampado y a la sorprendente reproducibilidad de la imagen que está asociada ahora con el estampado digital y el fuerte interés en el uso de colorantes sin agua asociados con el teñido con colorante CO2.
 
Si, ciertamente, las fibras naturales se pueden teñir efectivamente usando medios
 
SC-CO2, esto podría ser un desarrollo notable. Las regulaciones sobre la protección del medio ambiente que rodean a los colorantes y a la coloración también van a permanecer en uso aunque a primera vista, pueden aparecer un punto doloroso para realizar negocios en este sector, con un poco de ingenuidad, estas regulaciones también pueden proveer una gran oportunidad para nuevos negocios.
 


Nota del Editor: El Dr. Harold S. Freeman es decano asociado para investigación y profesor Ciba-Geigy de Química de Colorantes de la Universidad estatal de Carolina del Norte, en el Departamento de Ingeniería Textil, Química y Ciencia, en Raleigh, N.C.



Septiembre-Octubre de 2015
 
Figura 1: Ilustración de un colorante teñido bondeado a una celulosa de algodón usando un mordante (Met; un ión de metal tal como Al3+, Fe2+)
 
Figura 2: Colorantes naturales evaluados para el estampado de algodón con chorro de tinta.
 
Figura 3: Formación de algodón catiónico y atracción de colorantes aniónicos en la ausencia de sal.
 
Figura 4: Ejemplos de otros compuestos usados para la cationización del algodón.
 
Figura 5: Estructura molecular de colorante azo usado en el teñido en cuerda de PET con SC-CO2.
 
Figura 6: Estructuras de Disperse Red 60 antes (izquierda) y después (derecha) de la modificación.
 
Ejemplos de textiles estampados de manera digital.
 
Figura 8: Ilustración del paso metabólico asociado con un colorante azo basado en benzidina.
 
Figure 9: Ilustración del paso metabólico asociado con un colorante azo basado en benzidina.
 
 
Referencias
1.   http://www.aatcc.org/media/Read/AR/index.htm
2.   http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1111/(ISSN)1478-4408
3.   http://www.worldcat.org/title/colourage/oclc/1564207
4.   http://www.springer.com/chemistry/polymer+science/journal/12221
5.   http://trj.sagepub.com/
6.   http://www.texi.org/publicationsjti.asp
7.   http://www.aatcc.org/media/Read/Journal/index.htm
8.   Coloration Technology, 130 (3), 2014, 200-04.
9.   AATCC Journal of Research, 1(3), 2014, 20-26.
10.  Coloration Technology, 130 (1), 2014, 54-61.
11.  AATCC Journal of Research, 1(3), 2014, 11-19.
12.  Proceedings of the AATCC International Conference & Exhibition, pp. 109-116.
13.  Coloration Technology, 130 (2), 2014, 102-111
14.  Coloration Technology, 129 (5), 2013, 377-384.
15.  Colourage, LXI (7), 2014, 30-32.
16.  Anon, “ETAD Information Notice No. 6”, Textile Chemist and Colorists, Vol. 28, 1996, pp11-13.
17.  http://www.tfl.com/web/files/eubanazodyes.pdf
18.  http://ec.gc.ca/ese-ees/default.asp?lang=En&n=899CF15C-1
19.  IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, Vol. 99 (2010), Some Aromatic Amines, Organic Dyes, and Related Exposures.
20.  http://echa.europa.eu/regulations/reach
 
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