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Acabamento, Tingimento, Estamparia e Lavanderias

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A difusão como controle da tintura

São muitos os parâmetros a considerar quando falamos em processo de coloração têxtil

Cada fibra e cada corante apresentam aspectos singulares que submetem os processos de beneficiamento a um controle global cada vez maior, a fim de gerar produtos aceitos pelo mercado e que atendam as exigências dos consumidores. Ainda bem que os mecanismos físico-químicos presentes no processo de tintura apresentam, em muitos casos, uma fenomenologia análoga a todos os tipos de fibras e corantes, o que facilita seu controle. A análise desta fenomenologia e das etapas comuns que regem o sistema é o objeto deste trabalho.

Coloração têxtil
O tingimento dos tecidos, que segue uma gama de cores ditadas pela moda e tendências de cada país e estação do ano, é um processo complexo e abrange vários parâmetros:

• Substrato têxtil:
grande variedade de possibilidades de tipos de fibra, fio e tecido.

• Corante:
depende, basicamente, do tipo de fibra, além das propriedades finais do produto exigidas pelo mercado.

• Auxiliares:
grande variedade de efeitos para aplicação nos diferentes processos de tintura. Os tipos e função destes produtos dependem do material a ser tingido e dos corantes utilizados no processo.

• Parâmetros do processo: índices de temperatura, velocidades de circulação do banho de tingimento, relação do banho, dosagem de corantes e/ou auxiliares e número de enxágües posteriores são alguns dos parâmetros a serem definidos no processo de tingimento. Será que de fato são conhecidos na prática pelos tintureiros? Pois são cruciais já que, dependendo do substrato, do corante ou da máquina utilizada, podem ser muito diferentes.

• Máquinas: elemento importante, já que não depende apenas dos substratos e corantes, mas também da tecnologia utilizada que define, de forma decisiva, os parâmetros do processo.

A partir do que foi exposto, surgem as primeiras perguntas:

• O que podemos afirmar a respeito do processo de tingimento?
• É fácil de “controlar”?
• Pode ser quantificado?

Considerando os vários parâmetros e a total ou parcial interdependência entre eles, as respostas seriam respectivamente:

• É muito complexo.
• Não parece muito exeqüível.
• Provavelmente não.

Apesar disto, se ao invés de analisarmos por componentes, estudarmos o processo do ponto de vista dos mecanismos envolvidos, podemos simplificar o esquema, pois:

• Há etapas do processo comuns a substratos quimicamente similares.
• Os mecanismos de tingimento podem ser agrupados em famílias de corantes e fibras.
• Há algumas máquinas que, por seu design, podem ser utilizadas em processos diferentes.

No entanto há máquinas e processos exclusivos para determinado tipo de substrato. Com a análise por mecanismos, conseguimos atingir inicialmente um grau de unificação. Vejamos se podemos transcender focando em etapas e mecanismos do processo de tingimento. Se o enfoque proposto é correto, deveria esclarecer uma série de perguntas quando da avaliação de um processo de tingimento convencional:

• Quão profundo deve penetrar o corante na fibra?
• Do que depende o grau de penetração e solidez?
• Qual a influência dos parâmetros de processo?
• Como e em que intensidade o design da máquina influencia o processo?

Para responder a estas perguntas e outras, devemos considerar as principais etapas do tingimento e
seus mecanismos.

FIGURA 1
Esquema básico de um processo de tingimentoa



A partir da figura 1, podemos identificar 5 etapas:

1- O corante, os auxiliares e os produtos químicos se unem no banho em suas fórmulas simples, ou formando agregados moleculares que são submetidos a equilíbrios físico-químicos específicos que dependem das espécies presentes no sistemab.

2- No banho, as moléculas de corante se movimentam até as áreas próximas à superfície da fibra. Esta mobilidade se deve a um fenômeno misto de transporte que envolve dois aspectos:

• Difusão das espécies presentes: parâmetro relacionado à existência de índices de concentração no banho. Conforme a estrutura química de cada espécie de elemento químico presente no banho e a distribuição de sua concentração no mesmo, a difusão correspondente a cada uma delas, será específicac. As mesmas espécies em banhos de composições diferentes apresentam outras dispersõesd.

• Convecção forçada: provocada pela velocidade de circulação do banho em relação à do substrato têxtil a ser tingido. O nível de incidência deste mecanismo de transporte está relacionado aos componentes tangenciais e lineares da velocidade do banho eà viscosidade do mesmoe.

Difusão através das camadas limite hidrodinâmicas e difusionais

A circulação de fluídos ao redor de uma superfície costuma provocar uma série de turbulências que distorcem a velocidade de circulação do banho ao subtrair parte dos componentes tangenciais da mesma. Por isto, forma‑se uma camada de espessura H até obter os componentes direcionais corretos (veja figura 2).

FIGURA 2
Camadas limite hidro-dinâmicas e difusionais



A camada limite difusional ( D) é uma membrana do tipo elétrica, constituída por uma combinação de cargas provenientes da absorção da água por parte da fibra e das subseqüentes compensações negativas da mesma por parte dos eletrólitos e outras espécies químicas presentes no banhof.

Como em qualquer sistema heterogêneos existe uma mistura de efeitos eletro cinéticos de grande complexidade.

O sistema descrito torna‑se muito complexo se consideramos que os banhos de tingimento apresentam agentes modificadores da tensão superficial que podem alterar a fenomenologia do processo.

Adsorção na superfície da fibra
As estruturas moleculares que transpõem as barreiras constituídas pelas camadas limite hidrodinâmicas e difusionais são adsorvidas na superfície da fibra por interações cuja intensidade depende das relações de afinidade entre corante e o substrato.

Difusão no interior da fibra
As moléculas que se encontram na superfície da fibra se difundem para o interior da estrutura macromolecular. A difusão líquido-sólida depende de vários dos fatores já comentados anteriormente:

• Tamanho molecular da espécie a difundir;
• Estrutura interna da fibra;
• Os mecanismos divergem segundo as fibras: naturais, regeneradas (artificiais) ou sintéticas;
• O grau de aumento de volume das fibras deve ser levado em conta, pois pode gerar ou inibir interações intracatenárias na estrutura fina da fibra.

A difusão é a etapa mais lenta – do ponto de vista cinético é, portanto, a que controla ou limita todo o processo.

Quantificação do processo de tingimento
Se os mecanismos forem adequados, alcança-se certa quantificação do processo de tingimento. Para isto, o mesmo deve se basear em parâmetros que possam ser determinados experimentalmente.

Os parâmetros propostos podem ser vistos na figura 3 C0 corresponde à concentração inicial de corante no banho, Cbt à concentração de corante no banho em um tempo t e Ct à concentração de corante no interior da fibra.

Como se vê na figura 3, a espessura da camada limite difusional é dez vezes menor do que a da camada limite hidrodinâmica, sendo muito influenciada por esta.

FIGURA 3
Parâmetros do processo de tingimento



Análise do processo

A quantificar do processo a partir das variáveis experimentais especificadas na figura 3, pode ser realizado de duas formas: Análise Cinética e Análise Matemática.

Análise Cinética

A partir de expressões cinéticas do tipo semiempírico e da evolução de Ct/C∞ referente ao tempo t, pode‑se determinar os valores das constantes e dos parâmetros cinéticos diretamente relacionados ao processo de tingimento em determinadas condições de trabalho. Estes modelos permitiriam “simular” e “prever” a evolução do sistema em tais condições. Seguem abaixo algumas das equações utilizadas:

O coeficiente (a) da equação de Cegarra- Puente-Valldeperas é sensível à variação do esgotamento, a e b na equação de Urbanik são constantes experimentais sem aparente relação com fenômeno algum, mas muito úteis na hora de relacionar os dados experimentais à equação para todos os tempos e situações.

FIGURA 4
Equações cinéticas semi-empíricas



A constante n da equação de Chrastil é denominada pelo próprio autorg como coeficiente de resistênciaà difusão. Seus valores estão compreendidos entre 0 e 1 e, quanto mais próximo a 1, menor a resistência substrato à difusão do corante.

Análise Matemática
Qualquer fenômeno relacionado à difusão pode ser explicado pelas leis de Fick:

Jx é o fluxo de corante difundido por uma superfície A.



A presença de concentração de corante no interior da fibra descarta a primeira lei, devendo‑se então recorrer à segunda.

A Lei de Fick apresenta o inconveniente de não ter solução exata, por isto, no decorrer do tempo, diversos autores têm proposto uma série de aproximações h i j k matemáticas como solução.

De qualquer forma, estas aproximações são muito complexas e difíceis de tratar. É por isto que no Intexter (UPC/Espanha), foram realizadas uma série de simplificações para que o sistema possa ser resolvido com sistemas informáticos de regressão não linear como Data Fit (Oakdale Engineering, USA).

Abaixo os modelos propostos e suas aproximações correspondentes:

FIGURA 5
Aproximação da equação de Crank
 
FIGURA 6
Aproximações da equação de Kilby
 
FIGURA 7
Aproximação da equação de Rais-Militky



Analogias matemáticas

Conforme anteriormente mencionado, qualquer dos enfoques, cinético ou matemático, expressam evoluções análogas da relação Ct/C∞ com relação a t. Em um dos casos na função de k(T), t e em outro de D/r2(T), t.

Seria possível haver alguma relação matemática entre ambos os parâmetros?

Alguns dos autores como Chrastill e Urbanikm sugerem esta existência. Existe também uma relação na equação de Cegarra-Puente-Valldeperas quando utilizadas as analogias propostas por Urbanik.

FIGURA 8
Analogias entre parâmetros cinéticos e de transporte
mássico para Cegarra-Puente Valldeperas



Aplicação dos modelos propostos

Na Intexter, foi estudado durante anos o comportamento do tingimento da fibra Tencel®. Em tais estudos foram aplicados os modelos anteriormente descritos. Segue abaixo um exemplo dos resultados experimentais obtidos:

Seu comportamento foi comparado ao da fibra de viscose.

Na figura abaixo, podemos verificar o comportamento de ambas as fibras quanto ao processo de esgotamento no equilíbrio de distintas condições de temperatura e de concentração de eletrólito (0.5, 1.0 e 1.5 g/L de NaCl). Nas legendas da figura, vemos o símbolo V usado a Viscose e T para Tencel®, assim como a concentração de NaCl utilizada em cada caso.

FIGURA 9
Efeito da temperatura no esgotamento do Tencel®
 
FIGURA 10
Comparação Viscose-Tencel.
Esgotamentos no equilíbrio



Aplicando os modelos anteriores aos resultados experimentais, foram obtidos os valores de k a partir dos modelos cinéticos e D/r2 a partir das aproximações propostas para os modelos matemáticos, assim como das analogias previamente estabelecidas.

Conclusões
A partir da análise do processo de tingimento dos mecanismos envolvidos, podem ser estabelecidas equações que permitem quantificar os processos cinéticos e a coloração têxtil. Isto permite definir um novo conceito relacionado à etapa de controle do processo, a Difusão Ótima, que levaria a um “rendimento de tingimento adequado às necessidades do mercado, não só em coloração, mas também em propriedades finais de solidez”.

Considerando estes novos conceitos de quantificação numérica do processo, podemos criar tanto corantes quanto auxiliares que reduzam os tempos necessários, sem perder em qualidade final da cor.

Estas novas estruturas químicas devem considerar preocupações ambientais, pois ao serem criadas
para a difusão ótima (diferente para cada tipo de processo) poderiam otimizar a quantidade exata de corante necessário para garantir a cor, contaminando menos as águas residuais.

FIGURA 11
Resultados obtidos.
Modelo Cegarra-Puente- Valldeperasn
 
FIGURA 12
Valores dos Coeficientes aparentes de Difusão para modelos cinéticos e matemáticos



Atualmente, isto já é possível quando aplicamos as novas tecnologias ao setor de tingimento como: elaboração de corantes e auxiliares por computador, monitoramento online do processo quanto à concentração e estado físico dos elementos presentes, “interfaces” computadorizadas que comparem a situação real com a desejada e programada, etc. Este último aspecto é atualmente objeto de um novo programa de pesquisa da Intexter para alcançar a medição contínua não destrutiva do estado real do banho de tingimento em cada momento do processo cinético.

Referências Bibliográficas
a Lis, M.J: Lectura Tesis Doctoral. Comportamiento cinético de fibras Tencel con colorantes directos. INTEXTER. Junio 2001

b Cegarra, J-Puente, P-Valldeperas, J. “Fundamentos científicos y aplicados de la tintura de materias textiles”. UPC, Terrassa, 1981, pag.2-3

c Cussler. “Diffusion. Mass transfer in fluid systems”. Cambridge University Press. 1992. pag.2-8

d Rattee, I.D. – Breuer, M.M. “The Physical Chemistry of Dye Adsorption”. Academic Press. New York. 1974.pag. 63-64

e Cussler. Ref.3. pag. 49-50

f Rattee,I.D. – Breuer, M.M. Ref 4, pag.4-15

g Chrastil, J. Adsorption of Direct Dyes on Cotton: Kinetics of Dyeing from finite baths. Textile Research Journal. July 1990, pag. 413-416

h Crank. “Mathematics of diffusion”. OxfordUniversity Press. London.1957. pag. 71

i Rais-Militky. The approximate solution for Diffusion-controlled Dyeing from a finite bath. JSDC. October 1975. pag 344

j Urbanik, A. Equation for Diffusion-controlled Dyeing from a finite bath simplified rate of dyeing. JSDC. December 1974, pag. 444

k Urbanik, A. Equations representing Diffusion controlled rate of dyeing curves: a retrospective and further approximations. Textile Research Journal. June 1989. pag. 33

l Chrastil. Ref 7, pag. 415

m Urbanik. Ref 10, pag. 445

n Lis,M.J. “Comportamiento cinético de fibras Tencel con colorantes directos”.Tesis Doctoral.UPC. Junio 2001
 

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Professor Valldeperas Morell

Data de publicação: 30/09/2007

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