English Romana


Dezvoltarea unui proces de vopsire ecologic pentru fire si tesaturi tip denim, aplicabil la nivel industrial,  bazat pe coloranti naturali vegetali

 

Program: ERA-NET CROSSTEXNET
Tipul de proiect: proiect de parteneriat ERA-NET
Acronim: VEGDENIM
Data inceperii: 10.10. 2012
Data incheierii: 09.10. 2014

Parteneri:
Coordonator: MODAZEN – Turcia
Partenerul 1: SC PLASTPROD SRL – Romania
Partenerul 2: INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE PENTRU TEXTILE SI PIELARIE (INCDTP) – Romania

Buget total partea Romana: 370.920 Euro
Buget de stat: 324.250 Euro
Cofinantare : 46.670 Euro

Obiective:
Proiectul VEGDENIM are ca obiectiv procesul de vopsire a tesaturilor tip denim utilizand solutii de colorant natural vegetal obtinut din parti ale plantelor precum: radacina, tulpina, frunze, fruct, fara utilizarea de substante chimice. Colorantii naturali si-au pierdut avantajul lor competitiv si aproape au disparut deoarece nu au putut concura cu colorantii sintetici, care au permis procese industriale de anvergura. Cu toate acestea, colorantii de sinteza  au efecte negative asupra mediului si sanatatii umane. Solutii alternative sunt necesare pentru conformarea cu noile regulamente privitoare la productia sustenabila si prietenoasa mediului. Proiectul VEGDENIM urmareste sa: (1) obtina coloranti naturali, (2) sa produca tesaturi denim care vor fi vopsite utilizand acesti coloranti si (3) sa dezvolte un proces de vopsire la nivel industrial pentru aceste tesaturi si articole, utilizand colorantii naturali. Proiectul VEGDENIM are ca scop proiectarea unui sistem de extractie a colorantilor naturali concentrati din plante, realizarea echipamentului de extractie a colorantilor si dezvoltarea liniei de vopsire cu coloranti naturali a firelor, tesaturilor tip denim si a articolelor finite. Unul din obiectivele VEGDENIM este acela de a obtine un pret de cost minim pentru vopsirea cu coloranti naturali.

Rezultate preconizate:
- studiu privind vopsirea cu coloranti naturali;
- echipament prototip de extractie cu abur dezvoltat de SC PLASTPROD SRL; 
- experimentari de vopsire la scara de laborator utilizand coloranti naturali si mordanti adecvati ;
- protocol de testare fizico-chimica a tesaturilor si articolelor vopsite cu coloranti naturali
- aplicarea la nivel industrial a procesului de vopsire cu coloranti naturali de catre coordonatorul de proiect - MODAZEN

Obiectivul acestei prime etape a proiectului l-a constituit realizarea unui studiu documentar asupra vopsirii cu coloranti naturali si caracterizarea firelor de urzeala si batatura utilizate in procesul de fabricatie al tesaturilor tip denim.

Rezumatul etapei
Pentru realizarea obiectivelor proiectului, este necesar pe de o parte, dezvoltarea unor tehnologii de extractie a substantelor tinctoriale din materiile vegetale, pe de alta parte, este necesara dezvoltarea unui proces optim de vopsire a fibrelor de bumbac astfel incat afinitatea fibrei pentru coloranti sa fie marita. Structura fibrei de bumbac, comparativ cu cea proteica a lanii, manifesta o afinitate scazuta pentru vopsirea cu coloranti naturali.
Pentru intelegerea acestor fenomene de natura fizico-chimica cu influenta asupra procesului de vopsire, pentru aceasta etapa au fost studiate plantele ce prezinta compusi cu proprietati tinctoriale in componenta lor, principii de extractie utilizate in prezent si informatii privind chimia fibrelor textile.
Culoarea substantelor se datoreaza prezentei in molecula a unor grupe de atomi, numite grupe cromofore: gruparile nitro (NO2), nitrozo (NO), azo (–N=N–), carbonil (= C=O) si care, legate la un sistem nesaturat C=C, constituie sistemul cromogen.
In functie de structura chimica, in general foarte variata, colorantii vegetali pot fi impartiti in mai multe grupe: porfirinici, carotenoidici, chinonici, flavonoidici, indolici, etc.
Procesul de vopsire depinde, in mare masura, de modul de preparare a colorantului si se poate efectua prin diferite metode: vopsire la rece, vopsire in mediu bazic, vopsire in mediu acid etc.
Vopsirea fibrelor si tesaturilor naturale consta in introducerea lor in extractul vegetal din baia de vopsire, utilizand mordanti adecvati, la temperaturi si durate corespunzatoare ale procesului tinctorial.
Procesul de vopsire a fibrelor si tesaturilor este complicat si include etape de: adsorbtie, difuzie si actiune chimica a colorantului asupra materialului. Vopsirea fibrelor si tesaturilor, in special de bumbac, decurge mai bine in prezenta agentilor de mordansare, care asigura valori satisfacatoare ale rezistentei la lumina si la tratamente umede cu apa, sapun si detergenti.
Actiunea mordantilor consta in: obtinerea (sau mentinerea) unei forme anumite de colorant; formarea de combinatii complexe ale metalelor (Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Al etc.) cu colorantii vegetali, care au culori diferite de cele initiale, asigurand o stabilitate mai mare a stratului tinctorial.
Marea diversitate a proprietatilor fibrelor textile este o consecinta directa a structurii moleculare a polimerului care le constituie. Existenta grupelor polare in structura macromoleculara are implicatii importante, in special in aspectele legate de capacitatea de a absorbi sau ceda vaporii de apa din atmosfera sau de transportul apei (transpiratie, solutiilor de colorant) prin capilaritate, fapt care conduce la proprietati igienico‑functionale si de confort sporite, in raport cu cele care nu poseda asemenea grupe (polimerii hidrofobi).
Referitor la capacitatea fibrelor de a se vopsi, aceasta depinde de prezenta si natura grupelor functionale. In functie de natura grupelor polare se pot lega colorantii din clase diferite (directi, acizi, bazici, de dispersie etc.). Daca fibrele sunt realizate din polimeri fara grupe polare, acestea nu se pot vopsi prin procedeele clasice.
Pentru aceasta etapa a proiectului au fost caracterizate din punct fizico-chimic si fizico-mecanic firele utilizate la realizarea tesaturii de tip denim. Evaluarea rezultatelor parametrilor analizati situeaza fibrele si firele analizate intr-o categorie de bumbac de calitate I sau medie, in functie de clasificarile utilizate. Rezistenta si alungirea la rupere a fibrelor si firelor analizate ofera posibilitatea unor prelucrari si aplicarea unor tehnologii de finisare agresive.
De asemenea, rezultatele determinarilor pentru modificarile dimensionale la spalare la temperaturi superioare sugereaza o comportare ideala in procesul de productie al tesaturilor tip denim.
Obiectivul etapei II a proiectului l-a constituit realizarea echipamentului care va fi utilizat pentru extractia colorantilor naturali si incercari preliminare de vopsire discontinua cu coloranti naturali la nivel de laborator. Sarcina realizarii echipamentului de extractie i-a revenit Partenerului 1, SC PLASTPROD SRL, in colaborare cu subcontractantul sau SC MARTY SRL. Incercarile de vopsire preliminara s-au realizat de catre partenerul lider, MODAZEN INC, in colaborare cu INCDTP.
Rezumatul etapei
La realizarea Etapei II au contribuit toti partenerii implicati in dezvoltarea si implementarea proiectului VEGDENIM. Astfel: Partenerul 1, SC PLASTPROD SRL a avut ca obiectiv realizarea echipamentului de extractie a colorantilor din surse vegetale, iar  partenerul lider, MODAZEN INC in colaborare cu Partenerul 2, INCDTP, a avut drept obiectiv realizarea de incercari de vopsire preliminara la nivel de laborator utilizand coloranti naturali.
Pentru realizarea incercarilor de vopsire preliminara cu coloranti naturali, a fost necesar, pe de o parte, stabilirea unui proces de pregatire si vopsire a tesaturilor tip denim din bumbac astfel incat afinitatea fibrei pentru coloranti naturali sa fie marita, iar pe de alta parte, testarea proprietatilor coloristice dobandite, pentru evaluarea eficientei procesului de vopsire. Structura fibrelor celulozice, comparativ cu cele proteice, determina o afinitate scazuta pentru vopsirea cu coloranti naturali. In vederea depasirii acestor neajunsuri, s-au testat diferite tehnici de pregatire a suportului textil, in vederea cresterii capacitatii de vopsire si a obtinerii de culori durabile, rezistente la lumina si la modificari datorate purtarii.
Procesul de vopsire cu coloranti naturali, asa cum arata si studiile din literatura de specialitate, este un proces greu controlabil, sensibil la o multitudine de factori, cu reproductibilitate scazuta. Incercari repetate de vopsire cu coloranti vegetali extrasi la fierbere din resurse vegetale, realizate de catre partenerul lider MODAZEN INC, au condus la obtinerea de nuante diferite, chiar daca procesul aplicat la nivel de laborator a urmarit conditii de lucru similare. Rezultatele diferite, au fost confirmate si de catre INCDTP, prin realizarea de incercari de laborator asupra rezistentelor coloristice ale probelor vopsite si prin analiza instrumentala a diferentelor de culoare.
Pentru intelegerea fenomenelor de natura fizico-chimica, cu influenta asupra procesului de vopsire, in aceasta etapa, in cadrul INCDTP au fost studiate efectele produse de pH-ul flotei de vopsire, de realizarea sau nu a operatiei de acidulare cu acid tanic, de modificarea culorilor in functie de mordantul aplicat si de alegerea compusului utilizat la fixarea colorantului. S-a constatat faptul ca procesul de vopsire depinde de concentratia colorantului extras din planta, de metoda de vopsire (vopsirea in mediu bazic sau vopsirea in mediu acid), de timpul de contact intre proba si flota de vopsire si de modalitatea de fixare a colorantului.
Conform datelor din literatura de specialitate, vopsirea tesaturilor, in special de bumbac, decurge mai bine in prezenta agentilor de mordansare, care asigura valori corespunzatoare ale rezistentei coloristice. Actiunea mordantilor consta in formarea de combinatii complexe intre metalul din structura mordantului si colorantul vegetal. De asemenea, mordantul poate determina virajul culorii fata de cea initiala, conducand la obtinerea unei game variate de nuante.
Astfel, prima serie de mostre vopsite de MODAZEN INC, pentru care s-a utilizat ca materie vegetala rodie si roiba, nuca, frunzele de ceai si indigo-ul natural, au condus la nuante de roz, maron, maro-kaki si respectiv bleu. Partenerul lider nu a furnizat informatii privind mordantii utilizati in proces, temperatura sau durata procesului de vopsire. S-a constatat faptul ca vopsirea a fost uniforma, fara pete pentru majoritatea colorantilor utilizati, exceptie facand indigo-ul, pentru care probele au fost vopsite neuniform, zone colorate alternand cu zone extrem de decolorate. Rezistentele coloristice efectuate in cadrul INCDTP au evidentiat o buna stabilitate a culorii esantioanelor testate pentru rezistenta vopsirii la apa, la spalare cu detergent, la transpiratie acida si alcalina, la solvent organic, insa pentru rezistenta la lumina s-au obtinut rezultate nesatisfacatoare, expunerea pentru o perioada de aproximativ 90 de ore conducand la o pierdere mai mult decat semnificativa a culorii.
Cea de-a doua serie de mostre vopsite a avut la baza aceiasi coloranti. S-au analizat mai multe esantioane care au fost vopsite cu acelasi colorant, dar provenind din loturi diferite. S-a constatat faptul ca seriile analizate aveau o saturatie diferita,  in cazul vopsirii tesaturii denim cu rodie, nuca si indigo. Si in acest caz, uniformitatea probelor vopsite cu indigo natural nu a fost satisfacatoare.
Pe langa testele coloristice si fizico-mecanice efectuate, pentru seria a doua de probe s-au efectuat si determinari de pH, metale grele si pentaclorfenol. Pentaclorfenolul, (ce se utiliza la tratarea fibrei de bumbac impotriva actiunii degradatoare a microorganismelor) nu a fost evidentiat ca fiind prezent. pH-ul probelor analizate se incadreaza in intervalul admis pentru produsele in contact cu pielea, conform standardului OEKO-TEX 100. In schimb, a fost pusa in evidenta prezenta unor metale grele in valori ce depasesc limitele admise conform aceluiasi standard OEKO-TEX 100 pentru produsele in contact cu pielea. Provenienta acestora poate fi asociata mordantilor utilizati in procesul de vopsire, sau poate fi datorata prezentei de metale grele in apa utilizata in proces sau prezenta in materia vegetala din care s-au extras colorantii naturali.
Avand in vedere faptul ca procesul de vopsire se doreste a fi unul ecologic, rezultatele au fost comunicate partenerului lider pentru a analiza aceste date in functie de tipul de mordanti pe care i-a utilizat. Totodata, deoarece gama de culori obtinute se doreste a fi cat mai extinsa, INCDTP  a studiat efectul a diferiti parametrii asupra culorilor rezultate. Utilizand acelasi suport textil, tesatura denim mercerizata, s-au efectuat teste de vopsire de laborator utilizand atat colorantii incercati de partenerul lider, cat si coloranti selectati din materiile vegetale autohton cunoscute ca detinand proprietati tinctoriale. Au fost selectate urmatoarele materii vegetale: cojile verzi de nuca, foile de ceapa, florile de tei, varza rosie, vinul din struguri negri, pudra din coaja de rodie. S-au realizat vopsiri pe suportul mercerizat cu sau fara tratare prealabila cu acid tanic. S-a studiat modificarea culorii finale functie de mordantii utilizati (alaun de potasiu, sulfat feric, sulfat de cupru, clorura de staniu). S-a constatat faptul ca, desi in literatura tratarea cu acid tanic este recomandata ca pas premergator procesului de vopsire, substratul se modifica, inchizandu-se la culoare, conducand in general la nuante de maro, indiferent de culoarea aplicata. Probele vopsite fara tratare prealabila cu acid tanic au condus la culori pastelate, acoperind o gama vasta de nuante, in functie de tipul de mordant utilizat si de pH-ul flotei de vopsire. De asemenea, s-a constatat ca in cazul anumitor coloranti daca pentru fixarea colorantului se utilizeaza o solutie slaba de acid acetic se obtin nuante luminoase, care insa nu se mentin in timp, ele fiind degradate de actiunea radiatiei ultraviolete. Expunerea la lumina in conditii accelerate determina deschiderea culorii pana spre nuante de alb. Fixarea pe fibra a colorantului este mai eficienta, atunci cand se utilizeaza clorura de sodiu. Culorile obtinute sunt prezentate in descrierea tehnica si stiintifica. Rezistentele coloristice ale probelor vopsite au fost satisfacatoare, constatandu-se ca in general notele acordate modificarii culorii pentru nuantele obtinute din nuca si tanin sunt foarte bune, de asemenea cedarile pe multifibra fiind satisfacatoare. Modificari si cedari mai mari s-au obtinut in cazul utilizarii colorantilor din rodie si a indigo-ului natural.
Ce-a de-a treia serie de vopsiri preliminarii realizate la sediul partenerului lider a utilizat ca suport textil o tesatura denim realizata din amestec bumbac si elastan. Colorantii aplicati au fost cei extrasi din rodie, roiba, nuca si ceai. Rezistentele coloristice au fost similare celor obtinute pentru seriile anterioare, iar prezenta metalelor grele nu a mai fost pusa in evidenta prin testele realizate, conducand la concluzia ca s-a aplicat o etapa suplimentara pentru indepartarea acestora de pe tesatura denim. Avand in vedere experienta anterioara si cererile pentru brevete detinute de partenerul lider, in cadrul comunicarilor asupra realizarii probelor nu au fost furnizate informatii concrete privind procesul aplicat de catre partenerul lider.
Datorita programului de lucru incarcat a partenerului lider, intalnirea de lucru programata in cadrul acestei etape nu a putut fi realizata, comunicarea cu acesta realizandu-se prin intermediul internetului. Partenerul lider a fost invitat sa participe in cadrul conferintei internationale TEXTEH organizata de INCDTP in luna Octombrie 2013, insa  nu a putut onora cu prezenta.

Obiectivul etapei III a proiectului l-a constituit realizarea experimentarilor de vopsire cu coloranti naturali pe linie continua. Incercarile de vopsire  s-au realizat de catre partenerul SC PLASTPROD SRL, utilizand echipamentul de extractie a colorantilor dezvoltat in cadrul proiectului. INCDTP a avut responsabilitatea efectuarii testarilor de laborator pentru a evidentia caracteristicile de rezistenta a materialelor vopsite cu coloranti naturali.
Obiectivul etapei IV, derulate concomitent cu etapa III, l-a constituit diseminarea rezultatelor proiectului in cadrul diverselor manifestari stiintifice internationale.

Rezumatul etapei III si IV
La realizarea Etapei III au contribuit toti partenerii implicati in dezvoltarea si implementarea proiectului VEGDENIM. Astfel: Partenerul 1, SC PLASTPROD SRL a definitivat echipamentul de extractie a colorantilor din surse vegetale, a realizat experimentari de vopsire pe linie continua, cu ajutorul echipamentului dezvoltat, partenerul lider, MODAZEN INC, a efectuat optimizari ale procesului de vopsire, cautand sa obtina rezistente mai bune ale culorilor articolelor denim vopsite, iar Partenerul 2, INCDTP, a avut drept obiectiv realizarea de incercari de laborator pentru evaluarea performantelor coloristice ale materialelor vopsite.
Procesul de vopsire cu coloranti naturali,  este un proces sensibil la o multitudine de factori, cu reproductibilitate scazuta. Incercari repetate de vopsire cu coloranti vegetali extrasi la fierbere din resurse vegetale, realizate de catre partenerul lider MODAZEN INC, dar si de catre Partenerul 1, SC PLASTPROD SRL, au condus la obtinerea de nuante diferite, utilizand loturi diferite de materie vegetala, chiar daca procesul aplicat la nivel de laborator a urmarit conditii de lucru similare.
Mostrele vopsite de MODAZEN INC, pentru care s-a utilizat ca materie vegetala roiba, cojile de nuca si indigo-ul natural, au condus la nuante de roz, maron, maro-kaki si respectiv bleu. Partenerul lider nu a utilizat mordanti in proces, prezenta metalelor grele, determinata experimental de INCDTP, datorandu-se acumularii in planta tinctoriala a metalelor din sol si apa, conform declaratiilor acestuia. Vopsirea realizata de partenerul lider a fost uniforma, fara pete pentru majoritatea colorantilor utilizati.
Rezistentele coloristice evaluate in cadrul INCDTP au evidentiat o buna stabilitate a culorii esantioanelor testate pentru rezistenta vopsirii la apa, la transpiratie acida si alcalina, insa pentru rezistenta la lumina si rezistenta vopsirii la spalare casnica cu detergent fara fosfat si fara albitori optici, s-au obtinut rezultate nesatisfacatoare. Aceasta serie de probe analizate a fost supusa unor vopsiri succesive, alternate de uscari rapide, din considerentul ca expunerea fibrei la colorant in mai multe trepte poate conduce la o mai buna penetrare a suprafetei fibrei, obtinand performante coloristice mai bune.
Pe langa testele coloristice vizuale si instrumentale s-au efectuat si determinari de pH si metale grele. pH-ul probelor analizate se incadreaza in intervalul admis pentru produsele in contact cu pielea, conform standardului OEKO-TEX 100. In schimb, a fost pusa in evidenta prezenta unor metale grele in valori ce depasesc limitele admise conform aceluiasi standard OEKO-TEX 100 pentru produse destinate adultilor. Provenienta acestora poate fi asociata prezentei de metale grele in materialul vegetal din care s-au extras colorantii naturali prin fierbere, conform declaratiei partenerului lider.
In cazul vopsirilor efectuate de Partenerul 1, SC PLASTPROD SRL, pe linie continua, utilizand echipamentul dezvoltat, neuniformitatea vopsirii probelor este destul de mare, in special la nuantele inchise. Observatiile decolorarilor facute prin evaluare vizuala, au fost confirmate de catre INCDTP, prin analiza instrumentala a diferentelor de culoare a tuturor probelor analizate.
La probele vopsite pe linie continua de Partenerul 2, SC PLASTPROD SRL, s-a utilizat materie prima vegetala, furnizata de Partenerul lider (roiba si coji de nuca). Din punct de vedere al rezistentelor coloristice, s-a constatat aceeasi comportare: rezultate slabe pentru rezistenta la spalare si rezistenta la lumina artificiala.
Pentru evaluarea durabilitatii culorii programul experimental a urmarit, pe langa testele de rezistenta initiala si comportarea dupa spalari repetate. Datele au aratatat ca, pentru majoritatea colorantilor utilizati, apare o degradare semnificativa inca dupa cea de-a doua spalare casnica, iar dupa 5 spalari, deja colorantul nu se mai regaseste pe substratul vopsit.
Rezultatele rezistentelor coloristice ale colorantilor naturali s-au comparat apoi cu rezistentele coloristice ale unor probe vopsite cu coloranti de sinteza directi. Au fost selectati acestia ca urmare a similitudinilor in procesul tehnologic de vopsire, a temperaturilor, a conditiilor de lucru. Asa cum era de asteptat, rezistenta coloranti de sinteza directi este mult mai buna fata de cei naturali, insa o usoara degradare a culorii se observa si in cazul acestora.
Analiza pH-ului extractului apos a evidentiat o incadrare in limitele impuse de eticheta ecologica OEKO-TEX 100. Avand in vedere faptul ca in cazul colorantilor naturali, procesul practicat la noi in tara prevede si adaugarea de mordanti in flota de vopsire, s-au efectuat determinari de metale grele asupra suportului vopsit. Aceste determinari au aratat prezenta metalelor grele in cantitati ce depasesc limitele impuse de OEKO-TEX 100.
Ca o concluzie generala, vopsirea cu coloranti naturali continua sa fie un proces neuniform, instabil, influentat de o multitudine de factori. Rezistentele coloristice ale probelor realizate atat de Partenerul Lider cat si de Partenerul 1 ne arata rezultate nesatisfacatoare obtinute dupa spalarea casnica si industriala si dupa expunerea la lumina. Expunerea la apa, la solutii artificiale de transpiratie acida si alcalina, nu duc la degradari foarte mari ale culorilor, comparativ cu testele mentionate anterior. Rezultatele de evaluare coloristica, realizate instrumental, au confirmat observatiile facute prin apreciere vizuala.

Rezutatele experimentate obtinute au fost diseminate si vor fi prezentate si dupa incheierea proiectului in cadrul a sase manifestari stiintifice:

  • Seminar POLIFEST 2014 – organizat de Universitatea Politehnica din Bucuresti in perioada 9 - 11.04.2014.
  • Conferinta Stiintifica Internationala "Innovative solutions for sustainable development of textiles and leather industry", organizata in perioada 23 – 24.05.2014 de catre Universitatea din Oradea.
  • Conferinta Internationala Narossa (a 19-a Conferinta Internationala pentru resurse regenerabile si biotehnologii pentru plante), ce a avut loc in perioada 16 – 17. 06.2014 in Polonia, la Poznan.
  •  
  • Conferinta internationala CORTEP 2014 (a 15a Conferinta pentru Textile si Pielarie din Romania), desfasurata in perioada 04 – 06.09.2014 in Poiana Brasov, Romania
  • AAIC 2014 (a 26-a intalnire a Asociatiei pentru cercetari avansate in materii prime industriale) ce a avut loc in Atena, Grecia, in perioada 13 – 19.09.2014.
  • Conferinta internationala ICAMS (Internarional Conference Advanced Materials and Systems) ce se va desfasura in perioada 23 – 25.10.2014 in Bucuresti.
  • Prezentare la cea de-a doua editie a expozitiei “Fashion Peek“, organizata de “Federatia Patronala din Industria Textile, Confectii si Pielarie din Romania -FEPAIUS” in perioada 23 – 24.10.2014.