رنگرزی کالای پنبه ای و پشمی با رنگدانه نانوذرات کربن سیاه

مقدمه
کربن در نوع غیر بلورین آن اساساً گرافیت است اما به صورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد. این شکل کربن، بیشتر به صورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل ذغال چوب و سیاهی چراغ (دوده) را تشکیل می دهد. در فشار و دمای اتاق، کربن به شکل گرافیت پایدارتر است که در آن هر اتم با سه اتم دیگر به صورت حلقه های شش وجهی- درست مثل هیدروکربنهای معطر – به هم متصل شدهاند. هردو گونه شناخته شده از گرافیت، آلفا (شش ضلعی) و بتا (منشور شش وجهی که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی همانند دارند تنها تفاوت آنها در ساختار بلوریشان میباشد. گرافیتهای طبیعی شامل بیش از ۳۰% نوع بتا هستند در حالی که گرافیتهای مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا میباشند. نوع آلفا از طریق فرآوری مکانیکی میتواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز براثر دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد دوباره به صورت آلفا برمیگردد. [۳۰]
گرافیت به سبب پراکندگی ابر pi ، هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقه های آن که اغلب به وسیله اتمهای دیگر تفکیک شدهاند، تنها به وسیله نیروهای واندروالس به هم چسبیده اند به گونهای که به راحتی یکدیگر را کنار میزنند. [۳۰]
در دما و فشارهای خیلی بالا، کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد. الماس ساختار مکعبی مانند سیلسیم و ژرمانیم دارد و (به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن) با نیترید بور همالکترون(BN) در کنارهم بوده و سختترین جسم از نظر مقاومت در برابر سایش به شمار میرود.
کربن سیاه یا کربن بلک مشهورترین نانوذره ای است که ده ها سال به طور انبوه تولید شده است و در تایرهای اتومبیل به منظور افزایش طول عمر آنها به کار رفته است و علت رنگ سیاه تایر نیز، وجود این افزودنی سیاه رنگ است. همچنین کربن، پایه و اساس مواد بسیاری در طبیعت است و از زمانهای دور به عنوان ماده رنگزا به کار برده شده است. گذشته از آن در دهه ۱۹۳۰ برای اولین بار روشهای فرآوری بخار جهت تولید نانوذرات بلوری مورد استفاده قرار گرفت. در سالهای اخیر پیشرفتهای بسیار بزرگی در زمینه امکان ساخت نانوذرات کربن سیاه و کنترل شدید بر روی اندازه، ترکیب و یکنواختی آنها صورت گرفته است[۲۹].

بخش تجربی
۲-۱- مواد و وسایل
به منظور رنگرزی کالا در این پروژه از ۴ نوع رنگدانه نانوذرات کربن سیاه با مشخصات زیر استفاده شد.
رنگدانه های کربن سیاه اصلاح شده (عاملدار شده) با متوسط اندازه ۱۵ نانومتری(Code180IQ)، ۱۷ نانومتری(Code 170IQ)، ۲۰ نانومتری (Code 160IQ)، با ساختار و مشخصات زیر:

جدول ۱- مشخصات نانوذرات کربن سیاه عامل دار شده مصرفی

شکل ۱- ساختار نانوذرات کربن سیاه عامل دار شده مصرفی در تحقیق حاضر

و رنگدانه کربن سیاه خالص ۲۵ نانومتری محصول شرکت دگووسا با ساختارگرافیت و آرایش فضایی sp2 و مشخصات اصلی زیر:

جدول ۲- مشخصات نانوذرات کربن سیاه خالص مصرفی

مواد شیمیایی و تعاونی مورد استفاده در تحقیق حاضر:
– تنظیمکننده pH اسیدی: سیتریک اسید، C6H8O7
– ۲hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic acid ، محصول شرکت MERCK آلمان
– یکنواختکننده و الکترولیت: نمک سدیم کلراید با فرمولNa.chloride(NaCl) محصول شرکت MERCK آلمان
– تنظیمکننده pH قلیایی: سود با فرمول NaOH محصول شرکت MERCK آلمان
– دیسپرسکننده: دیسپرسکننده غیر یونی مول (محلول ۱ درصد)
– کالای مصرفی: پارچه ۱۰۰% پنبه ای سفید شده تاری – پودی و پارچه ۱۰۰% پشمی
به منظور مشاهده تغییرات سطحی الیاف پارچه پشمی و پنبه ای بعد از عملیات رنگرزی با نانوذرات کربن سیاه از دستگاه میکروسکوپ الکترونی پویشی SEM ، مدل XL30 ساخت شرکت فیلیپس (Philips) از کشور هلند استفاده شد.
رنگ نمونه ها توسط دستگاه اسپکتروفتومتر انعکاسی دیتاکالر اینترنشنال مدل Color Quality Control ساخت آمریکا اندازه گیری شد.
هیترمگنتیک، بشر۵۰ و۱۰۰ سیسی، ترمومتر، ارلن ۱۰۰ سیسی، ارلن ۱۰۰۰سیسی، بالن ۱۰۰۰ سیسی، پیپت ۲سیسی و آون، سایر وسایلی بود که در پروژه حاضر استفاده شد.

شکل ۲- ساختار نانوذرات کربن سیاه خالص مصرفی در تحقیق حاضر

۲-۲- روش کار
رنگرزی: در این مرحله ابتدا نمونه های ۱ گرمی از پارچه پنبه ای سفید شده و پارچه پشمی را تهیه کرده و سپس یک شستشوی اولیه به منظور زدودن چربیها و آهار روی پارچه انجام میشود.
در این پروژه از ۴ نوع رنگدانه نانوذرات کربن سیاه استفاده شده است که درصدهای مختلفی از هر رنگدانه – البته با توجه به محدودیتهای زمانی و اهداف پروژه- برای آزمایش رنگرزی(رمق کشی) انتخاب و آزمایش انجام شدهاست. بنابراین برای آزمایش هر رنگدانه به چند حمام رنگرزی مختلف نیاز بود. همچنین برای تعیین اثر pH ، ۸ حمام رنگرزی با pH متفاوت آماده شد.
L:R برای همه حمام ها ۵۰:۱ تنظیم شد و رنگرزی با هر رنگدانه با غلظتهای ۳%، ۵% و ۱۰% وزنی نسبت کالا شروع شد. دمای رنگرزی دمای جوش و مدت زمان رنگرزی ۱ساعت در جوش تنظیم گردید. محلول ۱۰% اسید سیتریک و هیدروکسید سدیم برای تنظیم pH اسیدی و قلیایی استفاده شد.
میکروسکوپ الکترونی پویشی SEM: درتحقیق حاضر، هدف از انجام تصویر برداری SEM از نمونه ها، مشاهده توزیع نانوذرات بر روی الیاف و تعیین اندازه ذرات (به عبارتی مشاهده عدم تجمع نانوذرات بر روی لیف) است . به علت تعداد زیاد نمونه های رنگ شده، چند نمونه که بهتر رنگ گرفته بودند انتخاب شده و پس از آمادهسازی، توسط میکروسکوپ SEM مذکور تصویربرداری شدند.
طیف سنجی: در پروژه حاضر از دستگاه دیتاکالر اینترنشنال استفاده گردید. نتایج آنالیز این دستگاه با دقت و حساسیت بالاست و قابل تکرار می باشد. دستگاه توسط یک کامپیوتر و با نرم افزارهای ویندوز ۹۵/۹۸ و نرم افزار تخصصی DCshell کار میکند.
از مهمترین خصوصیات این دستگاه میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
به آسانی میتوان دستگاه را کالیبره کرد. پس از روشن کردن دستگاه، توسط یک حفره سیاه که درون یک جعبه سرامیکی تعبیه شده است رنگ مشکی را کالیبره کرده و سپس با دو قطعه سرامیکی سفید و سبز، رنگ دستگاه کالیبره میشود. محدوده طول موج اشعه مرئی دستگاه برای نورهای مرئی و پرتوهای مادون قرمز با طول موج کوتاه از ۴۷۰ تا ۸۰۰ نانومتر است.

نتایج و بحث
۳-۱- نتایج آزمایش رنگرزی
بطور کلی عوامل زیر در بهبود رمقکشی و رنگپذیری کالای پشمی و پنبهای نقش داشته اند:
هر چه اندازه ذرات کوچکتر باشد، احتمال جذب ذرات به درون کالا بیشتر است.
pH اسیدی ضعیف در رنگرزی با نانوذرات عامل دار نتایج بهتری نسبت به pH قلیایی نشان داد.
البته رمق کشی با نانوذرات عامل دار بر روی کالای پشمی در pH اسیدی ضعیف در مقایسه با کالای پنبه ای در همان شرایط نتایج بهتری نشان داد.
بر خلاف نانوذرات عامل دار، نانوذرات کربن سیاه خالص، نتایج رنگرزی بهتری در شرایط قلیایی بر روی کالای پنبه ای نشان داد. در شرایط اسیدی نتایج رنگرزی کالای پشمی با این نانوذرات به خوبی نتایج حاصل از رنگرزی با نانوذرات عامل دار نبود.
وجود مقدار اندکی دیسپرس کننده در سریعتر پخش شدن ذرات در سطح آب مفید بود ولی نمونه هایی که بدون وجود دیسپرس کننده در حمام رنگرزی، رمقکشی شدند(خصوصاً درنمونه های پشمی) نتایج قابل قبولی داشتند.
وجود الکترولیت در رنگرزی کالای پنبه ای بیشتر نقش یکنواخت کننده و تسریع کننده رمقکشی را داشت. البته الکترولیت در نیمه زمان رنگرزی ، پس از جذب اکثر نانوذرات به سطح کالا افزوده شده است.

۳-۲-نتایج SEM
همان گونه که تصاویر زیر نشان می دهند نانوذرات کربن سیاه بر روی سطح تک لیف ها قرار گرفته و توزیع شده اند.

شکل ۳- تصاویر حاصل از SEM بر روی نمونه رنگرزی نشده پشمی با وضوح ۲۵۰۰(a) و نمونه پشمی رنگرزی شده با printon156 با وضوح ۲۵۰۰ (b) و با وضوح ۱۵۰۰۰ (c)

شکل ۴- تصاویر حاصل از SEM بر روی نمونه رنگرزی نشده پنبه ای با وضوح ۲۵۰۰ (a) و نمونه پنبه ای رنگرزی شده با printon156 با وضوح ۲۵۰۰ (b) و با وضوح ۱۵۰۰۰ (c)

۳-۳- نتایج طیف سنجی
آن چه از طیف سنجی (اسپکتروفتومتری انعکاسی) بر روی نمونه های رنگ شده برمیآید اطلاعاتی است که علاوه بر بیان شاخصهای رنگی فام رنگ، عمق رنگ و روشنایی ، اختلاف رنگی نمونه های رنگ شده را نسبت به نمونه مرجع از همان کالا بیان میکند.
در اینجا توضیح چند نکته لازم است:

L* = Lightness روشنایی
a* = redness-greenness میزان قرمزی- سبزی
b* =yellowness-blueness. میزان زردی- آبی

ΔE اختلاف رنگی بین نمونه آزمایش و نمونه استاندارد را بیان میکند.
ΔL*= L*sample – L*standard
ΔL*مثبت بدین معنی است که نمونه آزمایش روشنتر از استاندارد است.
ΔL*منفی بدین معنی است که نمونه آزمایش تاریکتر از استاندارد است.
در جداول ۳ و ۴ نتایج حاصل از طیف سنجی بر روی نمونه پنبهای و پشمی به ترتیب نشان داده شده است. همانطور که مشخص گردیده است کمترین L* نشان دهنده بیشترین تیرگی و بیشترین ΔE* نشان دهنده بیشترین اختلاف رنگی نمونه آزمایش با نمونه مرجع سفید رنگ از همان نمونه پارچه است.

جدول ۳- اطلاعات حاصل از طیف سنجی نمونه پارچه پنبه ای

جدول ۴- اطلاعات حاصل از طیف سنجی نمونه پارچه پشمی

طبق نتایج طیف سنجی نمونه ها، ΔE* نسبتاً بزرگی هم در برخی از نمونه های پنبهای و هم در نمونه های پشمی ملاحظه شد. پس به طور کلی میتوان گفت نانوذرات کربن سیاه (هم عاملدارشده و هم خالص) با در نظر گرفتن شرایط مناسب رنگرزی، بر پارچه پشمی و یا پنبهای جذب شده اند. البته احتمال میرود این جذب نانوذرات بر روی کالای پنبه ای یا پشمی، به صورت پیوندهای واندروالسی و یا حبس فیزیکی و یا هر دو عامل یاد شده باشد. هرچند در مورد نانوذرات عامل دار شده احتمال ایجاد پیوندهای هیدروژنی نیز وجود دارد.

پیشنهادات
در رنگرزی کالا با نانوذرات کربن سیاه از بیندرها استفاده نشد و میزان مصرف دیسپرس کننده و مواد کمکی کاهش یافت و این موضوع سبب صرفه جویی در هزینه های رنگرزی شده است. از طرفی چون کربن مادهای ارزان قیمت و در دسترس است میتوان در مقیاس وسیعی از این ماده در صنایع رنگرزی منسوجات استفاده نمود.

جدول ۵- مقایسه هزینه اقتصادی نانوکربن وارداتی و تبدیل مواد به نانوذرات

در جدول۵، برآورد هزینه واردات نانوذرات آماده و هزینه تبدیل کربن سیاه (دوده) موجود در داخل کشور به ناوذرات به طور حدودی مقایسه شده است.
با توجه به مطالب و تحقیقات ارایه شده امید است با یک محاسبه دقیق و تعیین شرایط بهینه، بتوان نانوذرات کربن سیاه را در داخل کشور تولید و در صنایع مختلف به کار گرفت.

مراجع
[۱] آبراهات، “رنگینه ها و واسطه های آنها”، ترجمه حاجی شریفی، مرکز نشر دانشگاهی تهران، ۱۳۶۹
[۲] امیرشاهی، سید حسین، “جزوه اصول تکنولوژی رنگ”، دانشگاه امیرکبیر تهران
[۳] Li1, D., Sun, G., “Coloration of textiles with self-dispersible carbon black nanoparticles”, Division of Textiles and Clothing, University of California, Davis, CA 95616, USA, 2005
[۴] Tauber, G., Kalbitz, W., Mclntosh, R., Hasenzahl, S., Nelli, L., “Carbon Black Pigments for Ink Application”, Germany, 2005
[۵] http://www.tainst.com , Determination of Carbon Black Pigment in Nylon 66 by TGA, Thermal Analysis Application Brief, Number TA-122
[۶] Nahed S. E. Ahmed Reda M. E., “The use of new technologies in coloration of textile fibers”, Springer Science-Business Media, 2009