ΒΑΦΗ ΤΩΝ ΜΑΛΛΙΝΩΝ ΙΝΩΝ ΣΕ ΧΑΜΗΛΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΕΝΖΥΜΩΝ ΩΣ ΒΟΗΘΗΤΙΚΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΚΤΗΣΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΦΟΙΤΗΤΗ ΚΑΡΑΝΙΚΑ ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ ΒΑΦΗ ΤΩΝ ΜΑΛΛΙΝΩΝ ΙΝΩΝ ΣΕ ΧΑΜΗΛΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΕΝΖΥΜΩΝ ΩΣ ΒΟΗΘΗΤΙΚΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΕΥΦΟΡΙΑ ΤΣΑΤΣΑΡΩΝΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...3 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΦΑΝΣΙΜΕΣ ΙΝΕΣ Ιστορική Αναδρομή Χαρακτηριστικά των Ινών Ταξινόμηση των ινών Φυσικές Πρωτεϊνικές Ίνες-Μαλλί Σύσταση και δομή του μαλλιού Μορφολογική Δομή του Μαλλιού ΧΡΩΜΑΤΑ Τα χρώματα του Φάσματος- Η Αίσθηση του Χρώματος Σχέση Χρώματος-Δομής Κατάταξη των χρωμάτων Όξινα χρώματα Βαφή της μάλλινης Ίνας ΕΝΖΥΜΑ Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων Πρωτεάσες Επίδραση των ενζύμων στη μάλλινη ίνα Πλεονεκτήματα Μέτρηση Απορρόφησης-Διαπερατότητας (Νόμος Lambert-Beer) Μέτρηση Ανάκλασης (Νόμος Kubelka-Munk)..29 ΙΙ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Αντιδραστήρια- Όργανα Βαφή Απενεργοποίηση του ενζύμου Προσδιορισμός του προσροφηθέντος χρώματος Έλεγχος ποιότητας βαμμένων δειγμάτων...36 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ Βαφή με το χρώμα NAVY S-B 1S-S Βαφή με το χρώμα NAVY MBR 2S-S Βαφή με το χρώμα BLACK S2B 1S-S Βαφή με το χρώμα BLACK MRX 2S-S Έλεγχος ποιότητας βαμμένων δειγμάτων..52 ΙV. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...55 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.56 2

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συμβατική βαφή των μάλλινων ινών γίνεται στους C. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η βαφή σε χαμηλότερες θερμοκρασίες χρησιμοποιώντας ένζυμα ως βοηθητικά. Επίσης γίνεται και μια ισόθερμη βαφή στους 50 0 C, θερμοκρασία κατά την οποία τα ένζυμα παρουσιάζουν τη βέλτιστη δράση τους. Η βαφή των ινών έγινε με όξινα χρώματα διαφορετικού αριθμού σουλφομάδων. Χρησιμοποιήθηκαν δυο εμπορικά βοηθητικά βαφής και δυο πρωτεολυτικά ένζυμα. Μετά τη διαδικασία της βαφής έγινε άμεσος και έμμεσος προσδιορισμός του προσροφηθέντος χρώματος και έλεγχος της ποιότητας των βαμμένων δειγμάτων με δοκιμές αντοχής στο πλύσιμο και το φως. Τα αποτελέσματα της προσρόφησης του χρώματος και των ιδιοτήτων αντοχής των δειγμάτων των βαμμένων με τα συμβατικά βοηθητικά βαφής και τα ένζυμα συγκρίθηκαν και μελετήθηκε η δυνατότητα χρήσης των ενζύμων ως βοηθητικών για βαφή σε χαμηλή θερμοκρασία. Κλείνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την Αναπληρώτρια καθηγήτρια κ. Τσατσαρώνη Ευφορία για την ενδιαφέρουσα επιλογή του θέματος, τη συνεχή επίβλεψη και την πολύτιμη συνεργασία σε όλη τη διάρκεια της εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Επίκουρο καθηγητή κ. Ελευθεριάδη Ιωάννη για την πολύτιμη βοήθεια, το συνεχές ενδιαφέρον και την αμέριστη συμπαράσταση που μου προσέφερε σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας, το διδάκτορα κ. Νικολαϊδη Νικόλαο για την προμήθεια των χρωμάτων, των βοηθητικών βαφής και για την εποικοδομητική συζήτηση σε ζητήματα που προέκυψαν κατά την πορεία της εργασίας και τέλος τον Επίκουρο καθηγητή κ. Λαζαρίδη Νικόλαο για τη διόρθωση των δοκιμίων. Καρανίκας Ευάγγελος Θεσσαλονίκη Ιανουάριος

4 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1 ΥΦΑΝΣΙΜΕΣ ΙΝΕΣ Ιστορική Αναδρομή Οι υφάνσιμες ίνες είναι στερεά οργανικά πολυμερή με χαρακτηριστικές φυσικές ιδιότητες και γεωμετρικές διαστάσεις, το μήκος τους είναι πολλαπλάσιο της διαμέτρου. Οι φυσικές υφάνσιμες ίνες χρησιμοποιήθηκαν από τον άνθρωπο πριν χιλιάδες χρόνια. Το λινάρι στην Αίγυπτο από το 5000 π.χ., το μετάξι στην Κίνα, το μαλλί στην Ευρώπη και Μέση Ανατολή, το βαμβάκι στην Ινδία και την Αμερική από το 3000 π.χ. Ωστόσο μόνο στα τέλη του 18 ου αιώνα, όταν καθιερώθηκαν και άρχισαν να εφαρμόζονται μηχανικές και χημικές μέθοδοι κατεργασίας και εξευγενισμού της πρώτης ύλης ( π.χ. γνέσιμο, λεύκανση του βαμβακιού) έπαψε η υφάνσιμη ίνα να αποτελεί αντικείμενο της οικιακής οικονομίας. Από την εποχή αυτή καθιερώθηκε το βαμβάκι ως η περισσότερο χρησιμοποιουμένη παγκοσμίως υφάνσιμη ίνα, θέση που κατέχει μέχρι σήμερα. Και ενώ το βαμβάκι αποτελεί και θα αποτελεί για πολλά ακόμη χρόνια την κύρια υφάνσιμη ίνα και οι φυσικές υφάνσιμες ίνες γενικά καλύπτουν το μεγαλύτερο ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής, η μεγάλη αύξηση του πληθυσμού της γης κατέστησε αναγκαία την εξερεύνηση και άλλων πηγών παραγωγής υφάνσιμων ινών. Μερικοί σημαντικοί σταθμοί στην εξέλιξη των τεχνητών υφάνσιμων ινών είναι: - Η διαλυτοποίηση της κυτταρίνης σε χαλκοαμμωνιακό διάλυμα. - Η παραγωγή κυτταρινικών παραγώγων που μπορούν να νηματοποιηθούν από διάλυμα, όπως οι νιτρικοί και οι οξικοί εστέρες της κυτταρίνης. - Η μετατροπή της κυτταρίνης σε ξανθογονική κυτταρίνη, η οποία στη συνέχεια νηματοποιείται και αναγεννώνται οι ίνες κυτταρίνης (ραιγιόν βισκόζης). - Η σύνθεση του νάιλον 66 και του νάιλον 6 και η βιομηχανική παραγωγή τους (Du Pont de Nemours). - Η ανάπτυξη και βιομηχανική παραγωγή στη συνέχεια των πολυεστερικών ινών. Τα πολυαμίδια και οι πολυεστέρες είναι σήμερα τα κυριότερα πολυμερή, που μπορούν να νηματοποιηθούν από τήγμα. - Η παραγωγή συνθετικών ινών από πολυμερή όπως το πολυακρυλονιτρίλιο, που δε νηματοποιούνται από τήγμα έγινε 4

5 δυνατή με τη χρησιμοποίηση νέων διαλυτών π.χ.διμεθυλοφορμαμιδίου. - Ο στερεοειδικός πολυμερισμός του προπυλενίου οδήγησε στην παραγωγή των πολυολεφινικών ινών. - Η σύνθεση πολυμερών με εξαιρετικές ιδιότητες ελαστικότητας, συνεκτικότητας, στιλπνότητας, θερμικής αντοχής κ.λ.π. άνοιξε το δρόμο για την εμφάνιση ινών με ιδιαίτερες απαιτήσεις. - Τέλος εκτός από τα οργανικά πολυμερή και ανόργανα υλικά, όπως γυαλί, άνθρακας κ.λ.π. μπορούν να μορφοποιηθούν σε ίνες Χαρακτηριστικά των Ινών Κάθε ίνα χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω μεγέθη: Γραμμική πυκνότητα Το πάχος των ινών κυμαίνεται μεταξύ μm.όμως ακόμη και η ελάχιστη διαταραχή της ομοιομορφίας της ίνας και της διατομής της επηρεάζει το πάχος της και εμποδίζει την αξιόπιστη μικροσκοπική μέτρηση. Έτσι για μια στατιστικά αξιόπιστη εκτίμηση της λεπτότητας της ίνας συνεκτιμώνται το μήκος και η μάζα της και προκύπτει η τιμή tex ως μονάδα πυκνότητας. Σύμφωνα με τα πρότυπα ISO η τιμή tex εκφράζει το βάρος σε g 1000 m της ίνας. Η τιμή tex αντικατέστησε την παλιότερα χρησιμοποιούμενη μονάδα denier, που εκφράζει το βάρος 9000 m της ίνας σε g. Ανθεκτικότητα Αυτή εκφράζει τη δύναμη που χρειάζεται να εφαρμοστεί στην ίνα για να σπάσει. Εκφράζεται πάντα σε συνάρτηση με την πυκνότητα συνήθως ως η αντοχή σε εφελκυσμό στο σημείο θραύσης και μετριέται σε centinewtons ανά tex (cn/tex ή cn/dtex ή N/tex). Η ανθεκτικότητα των υφάνσιμων ινών κυμαίνεται από cn/tex. Επιμήκυνση Ο μέγιστος βαθμός % επιμήκυνσης στο σημείο θραύσης ποικίλλει με τον τύπο των ινών. Οι συνήθεις υφάνσιμες ίνες και νήματα έχουν τιμές 10-70% ενώ π.χ. στις ίνες spandex (υψηλής ελαστικότητας) συναντώνται τιμές %. 5

6 1.1.3 Ταξινόμηση των ινών Στα εργαστήρια της βιομηχανίας, δημιουργούνται συνεχώς ποικιλίες ινών, που απαντούν σε απαιτήσεις της βιομηχανίας, ιατρικής τεχνολογίας, της μόδας κ.λ.π. Μια συμβατική κατάταξη είναι αυτή που ακολουθεί: Φυσικές Ίνες -Φυτικές (κυτταρίνης) ίνες : βαμβάκι, λινό, γιούτα, σίζαλ κ.τ.λ. -Ζωικές (πρωτεϊνικές) ίνες: μετάξι, μαλλί (προβάτου), τριχώματα άλλων ζώων (κασμίρ, μοχαίρ κ.λ.π.). Τεχνητές Ίνες -Προερχόμενες από φυσικά πολυμερή : αναγεννημένη κυτταρίνη (ραιγίον βισκόζης, modal), οξικοί εστέρες της κυτταρίνης, πρωτεϊνικές (καζεΐνη). -Προερχόμενες από συνθετικά πολυμερή : πολυπροπυλένιο, πολυακριλονιτρίλιο, πολυβινυλοχλωρίδιο, πολυαμίδια (νάιλον 6, νάιλον 66), πολυεστέρες, πολυουρεθάνες. -Άλλες (ανόργανες) : ίνες άνθρακα, γυαλίου, μεταλλικές Φυσικές Πρωτεϊνικές Ίνες-Μαλλί Η κλωστοϋφαντουργία χρησιμοποιεί μεγάλες ποσότητες ινών από διάφορα ζώα, μεταξύ των οποίων το μαλλί του προβάτου παρουσιάζει εμπορικά το μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Δεν είναι γνωστό πότε χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά το μαλλί από τον άνθρωπο για την κατασκευή υφασμάτων, γιατί οι φυσικές ίνες είναι βιοαποικοδομήσιμες και λίγα υφάσματα από την αρχαιότητα έχουν διασωθεί. Αρχικά το πρόβατο εκτρέφονταν για το κρέας και το δέρμα του και όχι για το τρίχωμα του. Ωστόσο, όμως, αρχαιολογικά ευρήματα δείχνουν ότι τα πρώτα υφάσματα που έγιναν από ζωικές ίνες, ήταν μάλλινα. Στη συνέχεια διάφορες γενετικές βελτιώσεις οδήγησαν σε ζώα με καλύτερο τρίχωμα. Για το τρίχωμα άλλων ζώων χρησιμοποιούνται άλλες ονομασίες όπως κασμίρ,μοχαίρ, σέτλαντ κ.ά ή συνοδεύεται η ονομασία από το όνομα του ζώου. Η ανακάλυψη της βαφής είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση των απαιτήσεων για λευκότερα μαλλιά. Βαμμένα μάλλινα υφάσματα χρησιμοποιούνταν στην αρχαία Αίγυπτο εδώ και χιλιάδες χρόνια. 6

7 Οι διάφοροι τύποι μαλλιών ταξινομούνται ανάλογα με τη διάμετρο και το μήκος της ίνας. Το μαλλί της πρώτης ποιότητας παράγεται από το γένος merino, που εμφανίστηκε το Μεσαίωνα στην Ισπανία. Λόγω της άριστης ποιότητας του και της μεγάλης αξίας του η εξαγωγή του απαγορεύονταν μέχρι το 18 ο αιώνα, οπότε εισήχθη σε άλλες χώρες και κυρίως στην Αυστραλία, από όπου σήμερα παράγεται μαλλί εξαιρετικής ποιότητας, όσον αφορά το μήκος, το χρώμα, τη λάμψη και τη λεπτότητα της ίνας. Η ακατέργαστη ίνα περιέχει 25-40% ακαθαρσίες δηλαδή λίπος, ρύπους, φυτικά υλικά, υπολείμματα εφίδρωσης. Το λίπος του μαλλιού είναι ένα μίγμα από διάφορους εστέρες και λιπαρά οξέα, ενώ ο ιδρώτας αποτελείται κυρίως από άλατα καλίου λιπαρών οξέων καθώς και θεϊκές, φωσφορικές και αζωτούχες ενώσεις. Το λίπος, ο ιδρώτας και οι ρύποι απομακρύνονται με πλύση με υδατικό διάλυμα ή οργανικούς διαλύτες. Οι φυτικές ύλες απομακρύνονται με καρβονισμό Σύσταση και δομή του μαλλιού Το μαλλί ανήκει στην ομάδα των πρωτεϊνών, γνωστών ως κερατίνες. Οι κερατίνες κατατάσσονται σε σκληρές και μαλακές ανάλογα με την υφή τους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα των σκληρών πρωτεϊνών, όπως το μαλλί, οι τρίχες, οι οπλές των αλόγων, τα κέρατα, τα φτερά, τα νύχια, τα ράμφη των πουλιών, η συγκέντρωση του θείου είναι μεγαλύτερη κατά 3% από ότι στις μαλακές πρωτεΐνες, όπως το δέρμα. Το θείο εμφανίζεται κυρίως με τη μορφή υπολειμμάτων του αμινοξέος κυστίνη. Οι κερατίνες ταξινομούνται σε επίσης σε α- και β-. Μάλλινη ίνα, που δεν έχει υποστεί έκταση, έχει τη δομή της α-κερατίνης, ενώ η β-κερατίνη όπως π.χ. του φτερού έχει διαφορετικό pattern. Μάλλινη ίνα, που έχει υποστεί έκταση δίνει με ακτίνες Χ εικόνα ανάλογη της β-κερατίνης. Αν και ανήκει στην ομάδα των κερατινών, το μαλλί στην πραγματικότητα περιέχει μόνο 82% κερατινοειδείς πρωτεΐνες που χαρακτηρίζονται από υψηλή συγκέντρωση κυστίνης, περίπου το 17% της μάλλινης ίνας συντίθεται από μη-κερατινοειδείς πρωτεΐνες (χαμηλή περιεκτικότητα σε κυστίνη), ενώ περιέχει επίσης 1% μη πρωτεϊνικό υλικό, κηρώδη λιπίδια και μικρή ποσότητα πολυσακχαριτών. Οι μηκερατινοειδείς πρωτεΐνες και τα λιπίδια δεν κατανέμονται ομοιόμορφα στην ίνα, αλλά συγκεντρώνονται σε ορισμένα σημεία. Οι πρωτεΐνες είναι φυσικά οργανικά πολυμερή με μεγάλο σχετικά μοριακό βάρος. Είναι πολύ διαδεδομένες στη φύση ως βασικά συστατικά των ζωικών και φυτικών ιστών. Βασικές δομικές μονάδες των πρωτεϊνών είναι τα α-αμινοξέα, όπου η πλευρική αλυσίδα R μπορεί να είναι αλειφατική ή αρωματική ή κυκλική ομάδα. Με εξαίρεση τη γλυκίνη τα 7

8 αμινοξέα των πρωτεϊνών είναι οπτικά ενεργά εξαιτίας της ύπαρξης ασύμμετρων ατόμων C. Οι πρωτεΐνες σχηματίζονται με συμπύκνωση L-α-αμινοξέων από τις καρβοξυ- και άμινο-ομάδες τους. Δυο μόρια αμινοξέων συμπυκνώνονται προς σχηματισμό ενός διπεπτιδίου. Συμπύκνωση περισσότερων μορίων του ιδίου ή διαφορετικών αμινοξέων δίνει ένα γραμμικό πολυμερές. Μια τέτοια ένωση μπορεί να θεωρηθεί ως ένα φυσικό πολυαμίδιο γιατί οι δομικές μονάδες ενώνονται με μια αμιδική ομάδα. Στην περίπτωση των πρωτεΐνών ωστόσο η επαναλαμβανόμενη μονάδα NHCHRCOονομάζεται πεπτίδιο και οι αντίστοιχες ενώσεις πολυπεπτίδια. -H 2 O NH 2 CHRCOOH+NH 2 CHRCOOH NH 2 CHRCONHCHRCOOH διπεπτίδιο -nh 2 O NH 2 CHRCONHCHRCOOH+n[NH 2 CHRCOOH] NH 2 CHRCO[NHCHRCO] n NHCHRCOOH πολυπεπτίδιο Η γενική δομή ενός πολυπεπτιδίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, όπου R είναι τα πλευρικά αμινοξέα. Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες στο μαλλί πιστεύεται ότι σχηματίζουν μια α-έλικα. Σχήμα 1.1 Δεσμοί στη μάλλινη ίνα. 8

9 Οι πλευρικές αλυσίδες R ποικίλουν ως προς το μέγεθος και τη χημική δομή τους. Οι μη-πολικές πλευρικές αλυσίδες της γλυκίνης, αλανίνης, φαινυλαλανίνης, βαλίνης, λευκίνης, ισολευκίνης έχουν χαμηλή δραστικότητα και περιορισμένο υδρόφοβο χαρακτήρα. Η σερίνη, θρεονίνη, τυροσίνη περιέχουν υδροξυ-ομάδες, οι οποίες καθιστούν τις πλευρικές τους αλυσίδες πολικές και χημικά δραστικότερες από τις προηγούμενες υδρογονανθρακικές αλυσίδες, ιδιαίτερα σε αλκαλικό περιβάλλον. Οι πλευρικές αλυσίδες, που κυρίως επηρεάζουν τις ιδιότητες του μαλλιού, βαφικές και άλλες, είναι αυτές που περιέχουν όξινες ή βασικές ομάδες. Όξινες καρβοξυ-ομάδες υπάρχουν σε πλευρικό ασπαραγινικό και γλουταμινικό οξύ,ενώ η ιστιδίνη, αργινίνη και λυσίνη περιέχουν βασικές πλευρικές αλυσίδες-ιμιδαζολικές, γουανιδινικές και αμινο-ομάδες αντιστοίχως. Οι πεπτιδικές αλυσίδες στο μαλλί συνδέονται με ομοιοπολικούς σταυροδεσμούς και μη-πολικές αλληλεπιδράσεις-δεσμούς. Οι δεσμοί αυτοί, εκτός του ότι συνδέουν τις πολυπεπτιδικές αλυσίδες μεταξύ τους (inter-chain), υπάρχουν και μεταξύ διαφορετικών μερών της ίδιας αλυσίδας (intra-chain). Οι πρώτοι είναι σημαντικότεροι όσον αφορά τις ιδιότητες και την εμφάνιση του μαλλιού. 9

10 Σχήμα 1.2 Δομή ινών μαλλιού: (a) μη επεξεργασμένη ίνα μαλλιού όπως παραλαμβάνεται, (b) προκατεργασμένη, (c) προκατεργασμένη επεξεργασμένη, (d) ομοεστιακή εικόνα των διατομών του (c) που παρουσιάζουν φθορισμό Ροδαμίνης Β κατιονικής χρωστικής ουσίας σε ανιονικές επιφάνειες ινών Μορφολογική Δομή του Μαλλιού Η λεπτή μάλλινη ίνα αποτελείται από δυο τύπους κυττάρων : τα κύτταρα της εξωτερικής επιδερμίδας (cuticle) και του εσωτερικού κορμού (cortex) που χωρίζονται μεταξύ τους με ένα πλέγμα κυτταρικής μεμβράνης (cell membrane complex). Η μεμβράνη αυτή διαχέεται και μεταξύ μεμονωμένων κυττάρων της επιδερμίδας και αποτελεί τη μόνη συνεχή φάση στο μαλλί. Τέλος το πλέγμα της κυτταρικής μεμβράνης που χωρίζει τα κύτταρα της επιδερμίδας και του κορμού στη μάλλινη ίνα χρησιμεύει ως 10

11 συγκολλητικό μεταξύ των κυττάρων. Μπορεί να διαλυθεί μερικώς ή να αποδομηθεί με μυρμηκικό οξύ ή ένζυμα. Αποτελεί μικρό μέρος της συνολικής μάζας του μαλλιού και είναι περιοχή σχετικά χαμηλής μηχανικής ισχύος. Σχήμα 1.3 Απεικόνιση της δομής ίνας του μαλλιού 11

12 2.1 ΧΡΩΜΑΤΑ Τα χρώματα του Φάσματος- Η Αίσθηση του Χρώματος Χρώμα είναι μια οπτική ιδιότητα των αντικειμένων η οποία απορρέει από το φως που εκπέμπουν, αντανακλούν ή αφήνουν να περάσει μέσα από αυτά. Από την αρχαιότητα ακόμη τα χρώματα έπαιζαν σημαντικό ρόλο στη ζωή των ανθρώπων. Η εμφάνιση του χρώματος ενός αντικειμένου ή ενός διαλύματος απαιτεί από φυσική άποψη την ύπαρξη: μιας φωτεινής πηγής, αντικειμένου, που αντιδρά με την προσπίπτουσα και τον παρατηρητή, ο οποίος θα προσλάβει και θα επεξεργαστεί (με το μάτι και τον εγκέφαλο του ο άνθρωπος, με έναν ανιχνευτή και ηλεκτρονικά στην περίπτωση ενός φασματοφωτομέτρου) την ανακλώμενη ακτινοβολία. Ένας σφαιρικός ορισμός λοιπόν της έννοιας του χρώματος πρέπει να περιλαμβάνει και να συνδέει τη φυσική και αντικειμενική διεργασία της παραγωγής μιας διέγερσης με τη μορφή φωτός και πρόσπτωσης της στο αντικείμενο και το υποκειμενικό της αποτέλεσμα, δηλαδή την αντίληψη της ανακλώμενης ακτινοβολίας από το μάτι του παρατηρητή και τη μεταβίβαση και επεξεργασία της από τον εγκέφαλο. Το χρώμα λοιπόν δεν είναι χαρακτηριστικό ενός αντικειμένου, όπως π.χ. ο όγκος ή η μάζα του, αφού υπάρχει μόνο στο μυαλό του παρατηρητή και μπορεί να οριστεί ως το αποτέλεσμα μιας ορισμένης ακτινοβολίας στο ανθρώπινο μάτι και τον εγκέφαλο. Το φως είναι μια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η περιγραφή της οποίας γίνεται με το μήκος κύματος λ και τη συχνότητα του. Το ανθρώπινο μάτι είναι ευαίσθητο σε ακτινοβολίες μήκους κύματος nm και αυτό το μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος το ονομάζουμε ορατό φως. Κοσμικές Ακτίνες Ακτίνες Υπεριώδης Ορατό Υπέρυθρη Ραδιοκύματα ακτίνες γ X ακτινοβολία φως ακτινοβολία 10-3 nm 10 3 nm 10-1 nm 10 nm nm 10 3 nm 10 9 nm Ορατό Φάσμα Ιώδες Μπλε Πράσινο Κίτρινο Πορτοκαλί Κόκκινο Το πορφυρό χρώμα δεν υπάρχει στο ορατό φάσμα, αλλά προέρχεται από μίξη κόκκινου και μπλε φωτός από τις ακραίες περιοχές του φάσματος. 12

13 Όταν ακτινοβολία ορισμένου μήκους πέσει πάνω σε ένα σώμα, μέρος αυτής απορροφάται από τη μάζα του σώματος. Έτσι το σώμα αυτό εμφανίζεται με το συμπληρωματικό χρώμα αυτού που απορροφά. Οι ενώσεις που στην ορατή δεν απορροφούν, αλλά ανακλούν όλο το φως, φαίνονται λευκές, ενώ αυτές που απορροφούν όλη την ορατή ακτινοβολία φαίνονται μαύρες. Η πληθώρα των αποχρώσεων που συναντώνται στην καθημερινή ζωή, μπορεί να παραχθεί με μίξη των χρωμάτων του φάσματος, προσθετική και αφαιρετική. Προσθετική Μίξη Το απλούστερο είδος μίξης χρωμάτων δεν αφορά τη μίξη χρωστικών ουσιών, αλλά έγχρωμων ακτινοβολιών, π.χ. έγχρωμα φώτα από διαφορετικές λάμπες αλληλεπικαλύπτονται εν μέρει σε μια λευκή οθόνη. Πληθώρα χρωμάτων μπορεί να παραχθεί με την προσθετική μίξη κόκκινου, μπλε και πράσινου, των λεγομένων πρωτευόντων πρόσθεσης (additive primaries). Επιλέχθηκαν δε αυτά τα τρία χρώματα ως πρωτεύοντα στην προσθετική μίξη, γιατί τα μίγματα αυτών δίνουν την ευρύτερη δυνατή γκάμα αποχρώσεων από οποιοδήποτε άλλο σύστημα τριών χρωμάτων. Μίξη ανά δυο των πρωτευόντων δίνει τα λεγόμενα δευτερεύοντα (secondaries) χρώματα, δηλαδή Κόκκινο+ μπλε= μωβ Κόκκινο+ πράσινο= κίτρινο Μπλε+ πράσινο= γαλαζοπράσινο Μπλε+ πράσινο+ κόκκινο= λευκό. Σχήμα 2.1 Μίξη πρωτευόντων χρωμάτων Η χρωματικότητα του χρώματος που παράγεται με προσθετική μίξη δυο πρωτευόντων βρίσκεται πάνω στην ευθεία, που συνδέει τις 13

14 χρωματικότητες αυτών. Μέσα στο τρίγωνο που σχηματίζεται βρίσκονται οι χρωματικότητες όλων των χρωμάτων, που παράγονται με προσθετική μίξη των τριών πρωτευόντων. Γίνεται έτσι φανερό γιατί τα χρώματα κόκκινο, μπλε και πράσινο έχουν επιλεγεί ως πρωτεύοντα πρόσθεσης: σχηματίζουν το μεγαλύτερο δυνατό τρίγωνο μέσα στο διάγραμμα χρωματικότητας. Αφαιρετική μίξη Σχήμα 2.2 Τρίγωνο χρωματικότητας Ενώ ο όρος <<προσθετική μίξη>> περιγράφει τη διαδικασία μίξης έγχρωμων ακτινοβολιών, η αφαιρετική μίξη συνδέεται με αφαίρεση μέρους ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μια φωτεινή πηγή. Η αφαίρεση αυτή γίνεται με απορρόφηση μέρους της ακτινοβολίας από ένα αντικείμενο ή και σκέδαση. Η πρώτη περίπτωση (της απορρόφησης μέρους ακτινοβολίας) ονομάζεται αφαιρετική μίξη. Συναντάται συχνότατα στην πράξη και είναι η βάση της συμπεριφοράς χρωμάτων και βερνικιών στη κλωστοϋφαντουργία. Με ανάμιξη διαφορετικών ποσοτήτων των πρωτευόντων αφαίρεσης προκύπτει πληθώρα ενδιαμέσων αποχρώσεων, π.χ. μωβ με λίγο κίτρινο δίνει πορτοκαλί, μωβ με λίγο γαλαζοπράσινο δίνει ερυθροΐώδες. Με την προσθήκη κατάλληλης ποσότητας μαύρου σε αυτά προκύπτουν χρώματα βαθύτερων αποχρώσεων. Το ίδιο αποτέλεσμα πετυχαίνεται, αν σε ένα ή σε μίγμα δυο πρωτευόντων αφαίρεσης προστεθεί η απαραίτητη ποσότητα των ελλειπόντων ή του ελλείποντος πρωτεύοντος, γιατί με ανάμιξη των τριών προκύπτει μαύρο. 14

15 Ανοιχτότερες αποχρώσεις πετυχαίνονται με την ανάμιξη μικρότερων ποσοτήτων χρωμάτων, αλλά με σταθερή τη μεταξύ τους αναλογία. Αυτό ισοδυναμεί με την προσθήκη λευκού χρώματος. Στην πραγματικότητα όταν πρόκειται για βαμμένα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, ύφασμα, νήμα κ.λ.π. το πρόβλημα είναι πιο πολύπλοκο, γιατί τα χρώματα όχι μόνο απορροφούν, αλλά και σκεδάζουν συγχρόνως την ακτινοβολία. Η περίπτωση αυτή είναι γνωστή ως σύνθετη αφαιρετική μίξη και η γκάμα αποχρώσεων, που μπορούν να επιτευχθούν με αυτή είναι πιο περιορισμένη από αυτήν, που προκύπτει από την προσθετική ή απλή αφαιρετική μίξη Σχέση Χρώματος-Δομής Η σχέση μεταξύ του χρώματος μιας ένωσης και της ύπαρξης ακόρεστων ομάδων στο μόριο της είχε διαπιστωθεί ήδη από το 1868, όταν οι Graebe και Lieberman διατύπωσαν την άποψη ότι η ύπαρξη χρώματος προϋποθέτει την ύπαρξη διπλού δεσμού βασιζόμενοι στην παρατήρηση ότι οι έγχρωμες ενώσεις αποχρωματίζονταν με αναγωγή. Αργότερα (1876) ο Witt συνέδεσε την ύπαρξη του χρώματος με την παρουσία στο μόριο ακόρεστων ομάδων, που ονόμασε χρωμοφόρες και ομάδων όπως NH 2, -OH κ.τ.λ, που τις ονόμασε αυξόχρωμες. Το επόμενο σημαντικό βήμα στη διερεύνηση της σχέσης σύνταξηςχρώματος έγινε από τον H.E.Amstrong (1888), που υποστήριξε ότι η εμφάνιση του χρώματος οφείλεται στην ύπαρξη κινοειδούς μορφής. Αργότερα άλλοι ερευνητές ( Howitt και Mitchell, 1907, Watson και Meek, 1915, Brooker, 1953) επεξεργάστηκαν απόψεις για τη σχέση μεταξύ χρώματος και s συζυγίας και για την επίδραση των αυξόχρωμων στην απόχρωση (Watson 1918), ενώ ο Bury το 1935 διατύπωσε την άποψη ότι η έντονη απορρόφηση του φωτός, που χαρακτηρίζει τα χρώματα, οφείλεται στο συνδυασμό παρουσίας χρωμοφόρου συντονισμού στο μόριο. Ωστόσο μόνο υπό το φως των νεότερων κβαντομηχανικών θεωριών έγινε πλήρως κατανοητό το φαινόμενο της απορρόφησης ενέργειας από ένα μόριο και της σχέσης της δομής του με την ύπαρξη ή όχι χρώματος. Κατά τη θεωρία των μοριακών τροχιακών (Hueckel Molecular Orbital Theory, HMO) η απορρόφηση ακτινοβολίας στην υπεριώδη και ορατή περιοχή του φάσματος αντιστοιχεί σε ανύψωση ενός ηλεκτρονίου από τη δεσμική κατάσταση S 0 στην αντιδεσμική S 1. Διέγερση σε υψηλότερες αντιδεσμικές καταστάσεις S 2 αντιστοιχεί σε απορρόφηση ακτινοβολίας στο άπω υπεριώδες. 15

16 Σύμφωνα με το νόμο Einstein-Stark ένα μόριο απορροφά ένα κβάντο φωτός (φωτόνιο). Η διαφορά ενέργειας μεταξύ της βασικής και της διεγερμένης είναι αντιστρόφως ανάλογη προς το μήκος κύματος λ της απορροφημένης ακτινοβολίας και δίνεται από τη συνθήκη του Bohr: ΔΕ=h ν=h c/λ, (2.1) όπου h: 6, erg sec (σταθερά του Plank) c: ταχύτητα του φωτός λ: το μήκος κύματος της απορροφημένης ακτινοβολίας ν: συχνότητα της απορρόφησης Σύμφωνα με τη θεωρία των μοριακών τροχιακών, που αναπτύχθηκε από τους Hunt, Leonard- Jones και Milliken, δυο ατομικά τροχιακά συγχωνεύονται και δημιουργείται ένα νέο μοριακό τροχιακό με ιδιαίτερη κυματική συνάρτηση. Από ενεργειακή άποψη η αλληλεπίδραση των δυο τροχιακών έχει ως συνέπεια το σχηματισμό μιας νέας ευσταθέστερης κατάστασης της δεσμικής, που αντιστοιχεί στο χημικό δεσμό. Όταν όμως οι φάσεις των τροχιακών είναι αντίθετες, δημιουργείται η αντιδεσμική κατάσταση, που αντιστοιχεί στη διεγερμένη κατάσταση του μορίου. Τα δυο ηλεκτρόνια του δεσμού βρίσκονται στη δεσμική κατάσταση με αντιπαράλληλο spin, ενώ η αντιδεσμική κατάσταση είναι κενή. Στις οργανικές ενώσεις η απορρόφηση του φωτός στην υπεριώδη και ορατή περιοχή του φάσματος οφείλεται σε μετάβαση σ και π δεσμικών και n αδεσμικών ηλεκτρονίων στην αντιδεσμική σ* και π* κατάσταση. Οι κανόνες επιλογής που ισχύουν στα φάσματα υπεριώδους-ορατού ορίζουν ως επιτρεπτές τις διεγέρσεις που φαίνονται παρακάτω: Σχήμα 2.3 Διεγέρσεις φασμάτων υπεριώδους-ορατού 16

17 Από τις παραπάνω διεργασίες η σ σ συναντάται στους κορεσμένους υδρογονάνθρακες. Εμφανίζεται ως έντονη απορρόφηση σε περιοχές υψηλών συχνοτήτων, δηλαδή μήκους κύματος λmax<160nm (άπω υπεριώδες) λόγω της μεγάλης σχετικά ενεργειακής διαφοράς μεταξύ των δυο καταστάσεων. Έτσι οι ενώσεις αυτές εμφανίζονται άχρωμες. Στους ακόρεστους υδρογονάνθρακες η κύρια διέγερση είναι π π*. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ βασικής και διεγερμένης κατάστασης είναι μικρότερη από αυτή της σ σ*, όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα και έτσι η απορρόφηση αυτή εμφανίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, π.χ. στο αιθυλένιο λmax~160nm. Όσο αυξάνει η συζυγία του συστήματος, δηλαδή ο αριθμός των διπλών δεσμών, η δίεγερση π π* που αντιστοιχεί στη διέγερση ηλεκτρονίου από το υψηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (Ηιghest Unoccupied Molecular Orbital, HUMO), στο χαμηλότερο μη κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO), που η ενεργειακή τους διαφορά είναι μικρότερη από αυτή δεσμικήςαντιδεσμικής κατάστασης στο αιθυλένιο και έτσι το μέγιστο της απορρόφησης μετατοπίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κυματος. Τα φαινόμενο αυτό ονομάζεται βαθυχρωμία. Αντίθετα η μετατόπιση της απορρόφησης σε μικρότερα μήκη κύματος ονομάζεται υψιχρωμία. Η προσέγγιση αυτή (ελάττωση ενεργειακής διαφοράς) δεσμικώναντιδεσμικών καταστάσεων με την αύξηση του αριθμού των διπλών δεσμών έχει ως αποτέλεσμα η ένωση να απορροφά στην ορατή περιοχή του φάσματος ( nm) και να εμφανίζεται με χρώμα συμπληρωματικό αυτού που απορροφά. Το 1,8-διμέθυλο-οκτατετράνιο- 1,3,5,7 είναι ο πρώτος αλειφατικός υδρογονάνθρακας που απορροφά στο ορατό και εμφανίζεται κίτρινος. Το αζωβενζόλιο με δυο αρωματικούς πυρήνες και μια αζωομάδα είναι κίτρινο με μήκος κύματος μεγίστου απορρόφησης λmax=400 nm. Η ένωση με τρεις αρωματικούς πυρήνες και δυο αζωομάδες είναι πορτοκαλόχρωμη με λmax=440 nm. Δηλαδή με αύξηση της συζυγίας του συστήματος προκαλείται ελάττωση ενεργειακής διαφοράς π π* και μετατόπιση της απορρόφησης μεγαλύτερα μήκη κύματος προς την κατεύθυνση: κίτρινο πορτοκαλί κόκκινο ιώδες μπλε δηλαδή βαθυχρωμική μετατόπιση. Η διέγερση n π* εμφανίζεται στις καρβονυλικές και στις ετεροαρωματικές ενώσεις με ετεράτομο N και οφείλεται στην ανύψωση ενός μονήρους, αδεσμικού ηλεκτρονίου στην π* αντιδεσμική κατάσταση. Η διέγερση αυτή είναι απαγορευμένη, επειδή τα n ηλεκτρόνια βρίσκονται σε κάθετο επίπεδο σε σχέση με τα π και εμφανίζεται με μικρή ένταση σε λmax~300nm. Τέλος η διέγερση n σ εμφανίζεται στις καρβονυλικές ενώσεις επίσης και γενικά σε όλες τις ενώσεις, που έχουν άτομα με μονήρη 17

18 ηλεκτρόνια (αλκοόλες, αιθέρες, αμίνες, αλκυλαλογονίδια) και οφείλεται σε ανύψωση ενός n ηλεκτρονίου σε μια αντιδεσμική κατάσταση σ* του μορίου. Η διέγερση αυτή εμφανίζεται σε λ<200nm, δηλαδή περίπου το ίδιο με τη διέγερση π π*. Ομάδες που περιέχουν ακόρεστο σύστημα (ηλεκτρόνια σε π και n τροχιακά), όπως -C=C-, -C=O,-NO 2,-N=O,-N=N-, αρωματικός δακτύλιος και η παρουσία τους σε μια ένωση προκαλεί βαθυχρωμία και άρα εμφάνιση χρώματος, ονομάστηκαν από το Witt χρωμοφόρα. Σε ορισμένες περιπτώσεις αρκεί η παρουσία μιας μόνο τέτοιας ομάδας, της Ν=Ν- ή Ν=Ο για να εμφανιστεί η ένωση χρωματισμένη. Σήμερα κατ επέκταση ως χρωμοφόρο ορίζεται κάθε ηλεκτρονικό σύστημα που είναι υπεύθυνο για μια απορρόφηση. Τα έγχρωμα οργανικά μόρια μπορούν να ταξινομηθούν σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με το χρωμοφόρο που διαθέτουν. Αυτές είναι: Ι. Χρωμοφόρα n π*, π.χ,-c=o, -C=N (ιμίνη), RR C=NR (αλδιμίνες ή κετιμίνες), -Ν=Ν- (αζω), -Ν=Ο (νίτρωδο), -ΝΟ 2 (νίτρο) ΙΙ. Χρωμοφόρα δότη-δέκτη, π.χ. ομάδα δότης NH 2, ομάδα δέκτης ΝΟ 2. ΙΙΙ. Άκυκλα και κυκλικά πολυένια π.χ. CH 3 (CH=CH)CH 3 IV. Χρωμοφόρα τύπου κυανίνης. Αυξόχρωμες ονομάζονται κορεσμένες ομάδες με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων, που σε συζυγιακή θέση με χρωμοφόρα προκαλούν βαθυχρωμία και αύξηση της έντασης της απορρόφησης (υπερχρωμία). Τα αυξόχρωμα λόγω της πολικότητας τους συντελούν στη συγκράτηση του χρώματος στη βαφόμενη ίνα. Όσον αφορά την ένταση της απορρόφησης, αυτή εκφράζεται με το μοριακό συντελεστή απόσβεσης ε, που δίνεται από την εξίσωση Beer- Lambert: I 0 Α Ι=Ι 0 e -εcd ή log =A= εcd και ε=, (2.2) I cd όπου Ι και Ι 0 = εντάσεις διερχόμενου και προσπίπτοντος φωτός. c= συγκέντρωση του διαλύματος σε mol/l d= πάχος της στοιβάδας που διέρχεται το φως σε cm. Το Α καλείται οπτική πυκνότητα (Optical Density) ή απορρόφηση (Absorbance) και δίνεται απευθείας από το φασματοφωτόμετρο. Το Ι/Ι καλείται διαπερατότητα % (Transmittance). Εκτός από χρωμοφόρες και αυξόχρωμες ομάδες το μόριο ενός χρώματος περιέχει και άλλες ομάδες, που του προσδίδουν ορισμένες επιθυμητές ιδιότητες. Έτσι π.χ. οι ομάδες SO 3 Na, -OSO 3 Na, -COONa, - OH (ανιονικά χρώματα), -ΝΗ 2, -ΝΗR, -NR 2, -NHR 3 κ.τ.λ (κατιονικά χρώματα) αυξάνουν την υδατοδιαλυτότητα, ενώ οι αλκυλομάδες με πολλά άτομα άνθρακα την ελαττώνουν. Την υδατοδιαλυτότητα επίσης 18

19 επηρεάζει και το μέγεθος του μορίου του χρώματος. Όσο αυξάνει το μοριακό βάρος ελαττώνεται η διαλυτότητα. Τέλος η ύπαρξη στο μόριο του χρώματος ανιονικών (όξινων) και κατιονικών (βασικών) ομάδων ταυτόχρονα δημιουργεί δίπολο (Ζwitterion). Τέτοια δίπολα μπορεί να είναι ουδέτερα ή φορτισμένα θετικά ή αρνητικά ανάλογα με το ph του διαλύματος, τον αριθμό των αντίθετα φορτισμένων ομάδων και το βαθμό διάστασης τους Κατάταξη των χρωμάτων Τα χρώματα κατατάσσονται: α) ανάλογα με τη χημική τους σύνταξη, β) ανάλογα με τον τρόπο βαφής, γ) ανάλογα με την ίνα, για την οποία είναι κατάλληλα. Από χημική άποψη μπορεί να είναι αζωενώσεις, νίτρο- και νιτροδοενώσεις, πολυμεθινικές, αζα[18], αννουλενο- τριαρυλοκαρβονικές, καρβονυλικές ενώσεις κ.λ.π. Από την άποψη του τρόπου βαφής διακρίνονται σε: 1. Υδατοδιαλυτά: Όξινα, απευθείας βάφοντα, αντίδρασης, σύμπλοκα με μέταλλα, βασικά. 2. Αδιάλυτα στο νερό: αναγωγής, θείου, διασποράς, επίστρωσης. 3. Ανάπτυξης (συντίθεται πάνω στην ίνα). Όπως γίνεται φανερό, σχεδόν όλες οι χημικές τάξεις περιέχουν χρώματα διαφορετικά μεταξύ τους ως προς τον τρόπο βαφής και το αντίστροφο. Επίσης χρώματα που βάφουν με ένα ορισμένο τρόπο μπορεί να είναι κατάλληλα για τη βαφή περισσότερων από μια ινών. Τα χρώματα αντίδρασης π.χ. κατάλληλα, για τη βαφή πρωτεΐνικών, κυτταρινικών ή πολυαμιδικών ινών μπορεί από χημική άποψη να είναι αζωχρώματα, ανθρακινονικά χρώματα κ.λ.π Όξινα χρώματα Τα όξινα χρώματα είναι ανιονικά χρώματα σχετικά χαμηλού μοριακού βάρους που φέρουν στο μόριο τους 1-3 σουλφοομάδες. Από χημική άποψη μπορεί να είναι μόνο- ή δισαζωενώσεις, τριφαινυλομεθανικές, 1- αμινοανθρακονικές κ.λ.π ενώσεις. Η ονομασία όξινα χρώματα παραπέμπει στον τρόπο βαφής: τα χρώματα αυτά βάφουν τις πρωτεϊνικές (μαλλί, μετάξι) και πολυαμιδικές ίνες σε όξινο περιβάλλον. Τα όξινα χρώματα χωρίζονται σε δυο είδη, που διαφέρουν μεταξύ τους στο βαθμό συγγένειας του χρώματος με την ίνα: τα χρώματα ομοιομορφίας και τα χρώματα milling. 19

20 Τα χρώματα ομοιομορφίας είναι κυρίως άλατα με νάτριο σουλφονικών οξέων. Βάφουν σε όξινο περιβάλλον παρουσία θεΐκού οξέος και άλατος του Glauber (Na 2 SO 4 10H 2 O). Τα θειΐκά ιόντα του άλατος του Glauber δρουν ανταγωνιστικά προς τις όξινες ομάδες του χρώματος κατά το σχηματισμό δεσμών με τις ίνες και κατά αυτόν τον τρόπο ελαττώνουν την ταχύτητα πρόσληψης του χρώματος από την ίνα. Εξαιτίας της μικρής σχετικά συγγένειας τους με την ίνα, τα μόρια του χρώματος έχουν τη δυνατότητα μετακίνησης, πράγμα που συντελεί στην ομοιομορφία της βαφής. Η ιδιότητα τους αυτή τα κάνει πολύ λίγο σταθερά στο νερό και στις διάφορες υγρές κατεργασίες. Τα χρώματα milling, αντίθετα, βάφουν σε ασθενώς όξινο έως ουδέτερο περιβάλλον (ph ). Έχουν μεγαλύτερη συγγένεια με την ίνα και άρα ικανοποιητική σταθερότητα στις υγρές κατεργασίες, αλλά υπολείπονται των προηγουμένων στη δυνατότητα ομοιομορφίας της βαφής. Στο όξινο ph οι ελεύθερες αμινοομάδες της μάλλινης ίνας πρωτονιώνονται και φορτίζονται θετικά με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται ηλεκτροστατικές έλξεις μεταξύ αυτών και των αρνητικά φορτισμένων σουλφοομάδων των όξινων χρωμάτων. Με τέτοιου είδους ιονικούς δεσμούς κυρίως, αλλά και με δεσμούς υδρογόνου, δυνάμεις Van de Waals, δυνάμεις διπόλου-διπόλου συγκρατείται το ανιονικό χρώμα πάνω στη μάλλινη ίνα. 2.4 Βαφή της μάλλινης Ίνας Η πολύπλοκη μορφολογική δομή του μαλλιού παίζει σημαντικό ρόλο στη βαφική του συμπεριφορά. Ο μηχανισμός της βαφής περιλαμβάνει τρία στάδια: 1.Διάχυση του χρώματος από το υδατικό λουτρό στην επιφάνεια της ίνας. 2. Μεταφορά του χρώματος διαμέσου της επιφάνειας της ίνας. 3. Διάχυση του χρώματος στο εσωτερικό της ίνας. Εφόσον, η μηχανική ανάδευση του λουτρού είναι επαρκής, η ταχύτητα όλου του φαινομένου καθορίζεται από το τρίτο στάδιο, γιατί η προσρόφηση του χρώματος γίνεται ταχύτατα στην επιφάνεια της ίνας. Για να επιτευχθεί ικανοποιητική ανάπτυξη του χρώματος και καλές ιδιότητες αντοχής, είναι απαραίτητη η πλήρης διείσδυση και διάχυση του χρώματος στο εσωτερικό της ίνας. Η ταχύτητα αυτής ρυθμίζεται από την ταχύτητα διάχυσης του χρώματος δια μέσου της επιφάνειας της ίνας στο εσωτερικό της. Μετά τη διείσδυση στο εσωτερικό, το χρώμα πρέπει να διαχυθεί σε όλη την ίνα, ώστε να επιτευχθεί ομοιόμορφη ανάπτυξη του χρώματος και 20

21 καλές ιδιότητες αντοχής. Μόλις το χρώμα διεισδύει στο εσωτερικό της ίνας από τα κενά μεταξύ των κυττάρων της επιδερμίδας, διαχέεται σε όλες τις μη- κερατινοειδείς περιοχές της κυτταρικής μεμβράνης, της ενδοεπιδερμίδας και του εύκολα διογκωμένου υλικού μεταξύ των μακροΐνιδίων του φλοιού. Όσο προχωρεί η βαφή, το χρώμα μεταφέρεται από τις μηκερατινοειδείς περιοχές στις πλούσιες σε θείο πρωτεΐνες της μήτρας, που περιβάλλει τα μικροΐνίδια μέσα στα κύτταρα του κορμού, καθώς και στην Α-στοιβάδα της έξω- επιδερμίδας. Φαίνεται ότι οι υδρόφοβες πρωτεΐνες των περιοχών αυτών έχουν μεγαλύτερη συγγένεια με τα χρώματα από τις μη- κερατινοειδείς περιοχές. Προς το τέλος της βαφικής διαδικασίας οι μη κερατινοειδείς περιοχές, που ήταν σημαντικές στα πρώτα στάδια της βαφής, εμφανίζονται κενές χρώματος. Η θερμοδυναμική ισορροπία του μαλλιού με το χρώμα αποκαθίσταται, όταν ολοκληρωθεί η μεταφορά του χρώματος στις κερατινοειδείς περιοχές. Το στάδιο απαιτεί κάποιο χρόνο μετά την εξάντληση του λουτρού της βαφής που εξηγεί τον παρατεταμένο χρόνο σε υψηλή θερμοκρασία, που απαιτείται για να επιτευχθεί ικανοποιητική βαφή της μάλλινης ίνας. Αν το χρώμα παραμένει στις μη- κερατινοειδείς περιοχές, διαχέεται γρήγορα έξω από την ίνα με αποτέλεσμα φτωχές ιδιότητες αντοχής σε υγρές κατεργασίες. Το είδος των χρωμάτων που μπορούν να βάψουν τη μάλλινη ίνα καθορίζεται από τη χημική δομή. Έτσι το μαλλί φορτίζεται θετικά όταν το ph του υδατικού διαλύματος (λουτρό βαφής) είναι χαμηλότερο από το ισοηλεκτρικό του σημείο και αρνητικά όταν είναι υψηλότερο, ενώ στο ισοηλεκτρικό σημείο, pi, σε ph 4,9 όπου οι φορτισμένες άμινο- και κάρβοξυομάδες σχηματίζουν μεταξύ τους άλατα, εμφανίζεται ουδέτερο. Όταν ph<pi στην ίνα του μαλλιού γίνεται η παρακάτω αντίδραση: RNH (χρώμα-so 3 ) - RΝΗ (χρώμα-so 3 ) Η βαφή γίνεται παρουσία θειΐκού, μυρμηκικού ή οξικού, έτσι ώστε οι φορτισμένες αμινοομάδες να δεσμεύουν τα έγχρωμα ανιόντα. Στο διάλυμα υπάρχει επίσης ίσος αριθμός ανιόντων οξέων και λόγω του μικρού μοριακού τους μεγέθους μπορούν γρήγορα να πλησιάσουν την ίνα και να διαχυθούν στο εσωτερικό της σε αντίθεση με τα μεγαλύτερα ανιόντα των όξινων χρωμάτων, που κινούνται αργά. Τα άλατα όμως των ανιόντων των οξέων με τις φορτισμένες θετικά αμινοομάδες της ίνας διίστανται ευκολότερα από τα άλατα των όξινων χρωμάτων με την ίνα και έτσι εκτοπίζονται αργά τα ανιόντα των οξέων από τα ανιόντα των όξινων χρωμάτων. Εκτός από τους ιονικούς δεσμούς μεταξύ των ανιόντων των χρωμάτων και της ίνας αναπτύσσονται και δεσμοί υδρογόνου, δυνάμεις διπόλου-διπόλου, δυνάμεις Van de Walls, 21

22 που αυξάνονται όσο αυξάνει το μοριακό βάρος των χρωμάτων. Έτσι με την αύξηση των μεθυλενικών ομάδων μιας αλειφατικής πλευρικής ομάδας αυξάνεται η συγγένεια (affinity). Από τα παραπάνω εξάγεται το συμπέρασμα ότι όσο ελαττώνεται το ph σε περιοχή μεταξύ 1.3 και 0.8 τα ανιονικά χρώματα παρουσιάζουν τη μέγιστη προσρόφηση στην ίνα. Σε περιοχές μικρότερες από ph 0.8 παρατηρείται εκ νέου έντονη αύξηση της προσρόφησης των χρωμάτων λόγω πρωτονίωσης των αμινοομάδων της κερατίνης. 22

23 3.1. ΕΝΖΥΜΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα ένζυμα είναι οι καταλύτες που υπάρχουν στα ζωντανά συστήματα, βιοκαταλύτες δηλαδή είναι πρωτεΐνες από χημική άποψη. Τα πρωτεΐνικά αυτά μόρια αποτελούνται από αμινοξέα και έχουν υψηλό μοριακό βάρος. Παράγονται από διάφορους μικροοργανισμούς όπως βακτήρια, μύκητες, φύκη, ιούς και πρωτόζωα. Σήμερα όμως τα ένζυμα παρασκευάζονται με τη βοήθεια της βιοτεχνολογίας σε μεγάλες ποσότητες και με σταθερή ποιότητα, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα. Τρόπος δράσης: με βάση την πρόταση των Michaelis και Menten, για να δράσει ένα ένζυμο (Ε), πρέπει να δημιουργήσει με το υπόστρωμα (S) ένα σύμπλοκο ΕS που μπορεί είτε να διασπαστεί και πάλι σε Ε ΚΑΙ S είτε να δώσει τα προιόντα P της αντίδρασης και να απελευθερώσει το ένζυμο, δηλαδή: E+S ES E+ P Η δημιουργία του συμπλόκου ενζύμου- υποστρώματος οφείλεται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου. Το κέντρο αυτό είναι μια περιοχή του ενζύμου που επάνω της δεσμεύεται το υπόστρωμα ή τα υποστρώματα με δευτερεύοντες συνήθως δεσμούς. Εφαρμογές ενζύμων: στη βιομηχανία δέρματος, χαρτίου, χημικών, κλωστοΰφαντουργίας, φαρμάκων κ.α. Επίσης χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων (παραγωγή κρασιού, ψωμιού, χυμών κ.α). Τα ένζυμα που χρησιμοποιούνται κυρίως στη βιομηχανία είναι: -Αμυλάσες -Κυτταρινάσες -Πρωτεάσες 23

24 -Καταλάσες -Λακάσες -Λιπάσες -Πηκτινάσες -Υπεροξειδάσες Η πρόοδος της γενετικής μηχανικής επιτρέπει το σχηματισμό και την παραγωγή ειδικών ενζύμων κατάλληλων για συγκεκριμένη αντίδραση κάθε φορά (π.χ. αντοχή σε θερμοκρασία, βέλτιστο ph). Ο σχεδιασμός όμως ενός ενζύμου για συγκεκριμένο σκοπό προΰποθέτει τη γνώση της καταλυτικής του δράσης στο υπόστρωμα στο οποίο επιδρά. Στην περίπτωση των φυσικών ινών απαιτείται η κατανόηση της μορφολογίας τους καθώς και οι επιπτώσεις της ενζυμικής κατεργασίας στα δομικά συστατικά τους. 3.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων είναι: 1.Το ph 2. Η θερμοκρασία 3. Η συγκέντρωση του ενζύμου Επίδραση του ph Οι περισσότερες ενζυμικές δράσεις επηρεάζονται σε σημαντικό βαθμό από το ph και τις μεταβολές του, μέσω του ιονισμού των ομάδων στο ενζυμικό σύστημα. Η επίδραση αυτή μπορεί να περιγραφεί από την καμπύλη της ταχύτητας μιας ενζυμικής αντίδρασης ως προς το ph. Η επίδραση αυτή μπορεί να περιγραφεί από την καμπύλη της ταχύτητας μιας ενζυμικής αντίδρασης ως προς το ph. Υπάρχει μια περιοχή, όπου η δραστικότητα του ενζύμου είναι μέγιστη. Αυτή η περιοχή ονομάζεται βέλτιστο ph και αποτελεί εκείνη την τιμή όπου το ένζυμο, ως πολυηλεκτρολύτης, βρίσκεται στο ισοηλεκτρικό σημείο. Συνήθως, για τα περισσότερα ένζυμα που βρίσκουν εφαρμογή στην κλωστοΰφαντουργία, αυτή η τιμή βρίσκεται μεταξύ ph 4 και 6 και ποικίλλει ανάλογα με την πηγή προέλευσης, αλλά και το υπόστρωμα που υδρολύεται κάθε φορά. Ακραίες τιμές του ph μπορεί να έχουν αρνητικές επιπτώσεις στις ανώτερες δομές του ενζύμου με αποτέλεσμα τη μείωση της ταχύτητας της αντίδρασης ή και την ολική καταστροφή του. Για αποφυγή τέτοιων 24

25 φαινομένων ή αυξομειώσεων της τιμής του ph κατά τη διάρκεια της αντίδρασης είναι απαραίτητη η κατάλληλη ρύθμιση του στη βέλτιστη τιμή με στόχο την επίτευξη μέγιστης απόδοσης της ενζυμικής υδρόλυσης. Επίδραση του χρόνου και της θερμοκρασίας Όπως στις περισσότερες χημικές αντιδράσεις έτσι και στις ενζυμικές η θερμοκρασία αυξάνει την ταχύτητα τους. Επειδή όμως οι αυξημένες θερμοκρασίες έχουν την τάση να προκαλούν μετουσίωση των πρωτεΐνών, υπάρχει μια περιοχή, διαφορετική για κάθε ένζυμο, πάνω από την οποία παύει να είναι σταθερό αφού επέρχονται αλλαγές στις ανώτερες δομές του. Αν μελετηθεί η συμπεριφορά του ενζύμου σε διαφορετικές θερμοκρασίες για την ίδια χρονική περίοδο, παρατηρείται ότι η ταχύτητα της αντίδρασης αυξάνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Με την πάροδο του χρόνου και μετά από ορισμένη θερμοκρασία που είναι συνήθως γύρω στους 50 0 C, η ταχύτητα αρχίζει να ελαττώνεται, δηλαδή αρχίζει η καταστροφή του ενζύμου. Αυτή η απώλεια της δραστικότητας καλείται θερμική απενεργοποίηση, έχει λογαριθμική σχέση ως προς το χρόνο έκθεσης στη συγκεκριμένη θερμοκρασία και αποτελεί ένα μη αναστρέψιμο φαινόμενο, που σημαίνει ότι παρατεταμένη επώαση σε τέτοιες συνθήκες προκαλεί πλήρη αδρανοποίηση του ενζύμου. Επομένως, υπάρχει άμεση σχέση της θερμοκρασίας και της χρονικής διάρκειας, κατά την οποία δρα κάποιο ένζυμο. Για την πληρέστερη εικόνα της συμπεριφοράς ενός ενζύμου, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη απόδοση του, είναι απαραίτητη η γνώση και των δύο αυτών στοιχείων, ώστε να καθοριστούν πλήρως οι συνθήκες μιας ενζυμικής διεργασίας. Οι καταλληλότερες συνθήκες που εφαρμόζονται στην κλωστοΰφαντουργία είναι θερμοκρασία μεταξύ C και περιορισμένη χρονική διάρκεια περίπου 30 λεπτών. Έχει αποδειχθεί ότι η ελεγχόμενη ενζυμική υδρόλυση επιφέρει θετικά αποτελέσματα, εκτός από την προστασία του ενζύμου, στην ποιότητα και την εμφάνιση του προΐόντος. Επίδραση της συγκέντρωσης του ενζύμου Για καθαρά ενζυμικά παρασκευάσματα η ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης είναι ευθέως ανάλογη της συγκέντρωσης του ενζύμου. Οι ελάχιστες περιπτώσεις που δεν ακολουθούν αυτό τον κανόνα οφείλονται σε άλλους παράγοντες ξένους προς το ένζυμο, όπως ελάττωση υποστρώματος κ.λ.π. 25

26 3.3 Πρωτεάσες Είναι μια συγκεκριμένη κατηγορία ενζύμων που δρουν κυρίως στο επιφανειακό στρώμα της ίνας, υδρολύοντας τις πρωτεΐνες της επιφάνειας της μάλλινης ίνας δημιουργώντας νέες θέσεις συγκράτησης όξινων χρωμάτων. Οι πρωτεάσες, με τις υπο-ομάδες πρωτεΐνάσες και πεπτιδάσες, μετατρέπουν τα πρωτεΐνικά μόρια και τα πολυπεπτίδια σε απλούστερες ενώσεις όπως τα οργανικά οξέα και αμινοξέα. Ο τρόπος δράσης αυτών των ενζύμων είναι: προσβάλλουν τις καρβόνυλο- (-CO-) και άμινο- (-NO-) ομάδες στις ακραίες αλυσίδες του πολυπεπτιδίου αλλά και στο εσωτερικό τμήμα του μορίου. 3.4 Επίδραση των ενζύμων στη μάλλινη ίνα Όταν το μαλλί χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα σε ενζυμικές αντιδράσεις, ακολουθεί ένα ιδιαίτερο είδος κινητικής των ενζύμων. Η ενζυμική διάχυση παίζει περισσότερο σημαντικό ρόλο στο ετερογενές σύστημα του διαλυτού ενζύμου και του στερεού συστατικού, παρά στο ομογενές, όπου και το ένζυμο και το συστατικό είναι διαλυτά. Η κινητική δεν εξαρτάται μόνο από τη συγκέντρωση των συστατικών της αντίδρασης, τη θερμοκρασία και την τιμή του pη του υγρού, αλλά από τη διάχυση του ενζύμου μέσα στη στερεά φάση του συστατικού και από τη διάχυση των προϊόντων της αντίδρασης έξω από τη στερεά φάση μέσα στο υγρό. Σε συνδυασμό με τα παραπάνω, τα διαχεόμενα παράγωγα της αντίδρασης δηλαδή τα πεπτίδια του μαλλιού δρούν ως διαλυτά συστατικά μέσα στο υγρό και συνδέονται με κάποια ένζυμα. Όσον αφορά το σχηματισμό, η διάχυση του ενζύμου από το υγρό στη μάλλινη ίνα μοιάζει με διάχυση χρωστικής ουσίας. Τα παρακάτω στάδια λαμβάνουν μέρος: 1. Διάχυση του ενζύμου μέσα στο λουτρό βαφής 2. Απορρόφηση του ενζύμου από την επιφάνεια της ίνας 3. Διάχυση από την επιφάνεια στο εσωτερικό της ίνας 4. Ενζυμική καταλυτική αντίδραση Η σύνθετη δομή του μαλλιού περιπλέκει την ενζυμική τροποποίηση στη ίνα. Ένζυμα όπως πρωτεάσες και λιπάσες καταλύουν την αποικοδόμηση των διαφορετικών συστατικών της μάλλινης ίνας, κάνοντας τον έλεγχο της αντίδρασης δύσκολο. Καθώς διαχέονται στο εσωτερικό της ίνας, οι πρωτεάσες υδρολύουν μέρη της εξωτερικής επιδερμίδας και των πρωτεϊνών της κυτταρικής μεμβράνης, καταστρέφοντας ολικά την ίνα αν δεν ελέγχεται η υδρολυτική δράση. 26

27 Επομένως, για ορισμένες εφαρμογές θα ήταν επιθυμητό να περιοριστεί η ενζυμική δράση στην επιφάνεια της ίνας, απενεργοποιώντας το ένζυμο. 3.5 Πλεονεκτήματα Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η εφαρμογή των ήπιων και φιλικών προς το περιβάλλον ενζυμικών διεργασιών έναντι των μεθόδων που είτε περιλαμβάνουν τοξικά αντιδραστήρια και απόβλητα, είτε απαιτούν μεγάλη κατανάλωση νερού και ενέργειας, είναι: - Η αντικατάσταση της μετακατεργασίας με ρητίνες, τασενεργές ενώσεις, άλατα, που γίνεται στα βαμμένα υφάσματα με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων αντοχής τους, η αντικατάσταση του χλωρίου στην κατεργασία και βαφή των ινών από ενζυματικές κατεργασίες αποτελούν σημαντική συμβολή στην πολιτική προστασίας του περιβάλλοντος. - Η παραγωγή των ενζύμων σε ποσότητες είναι οικονομικά εφικτή, έτσι η μέθοδος γίνεται οικονομικά ανταγωνιστική σε σχέση με τις συμβατικές. - Τα ένζυμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάλυμα, ώστε να αποφεύγεται ο σχηματισμός σκόνης και πιθανές αλλεργικές αντιδράσεις, που αυτή συνεπάγεται. - Η απενεργοποίηση του ενζύμου και η διακοπή της ενζυμικής δράσης είναι δυνατή με αύξηση της θερμοκρασίας. - Εκτός από οικονομικό όφελος που θα προκύψει για την επιχείρηση με την τεχνολογική εφαρμογή, σύμφωνα με τα παραπάνω, θα υπάρξει και μια πραγματική αναβάθμιση της ποιότητας εργασίας και ζωής των εργαζομένων που έρχονται σε επαφή με τα χρησιμοποιούμενα σήμερα τοξικά βοηθητικά- φινιριστικά βαφής που προαναφέρθηκαν. 27

28 4.1. Μέτρηση Απορρόφησης-Διαπερατότητας (Νόμος Lambert-Beer) Η συγκέντρωση (ποσότητα) μιας χρωστικής σε διάλυμα, π.χ. λουτρό βαφής ή και σε διαφανές υλικό π.χ. φιλμ, προσδιορίζεται με βάση το νόμο του Lambert-Beer: A=ε c d, (4.1) όπου A=απορρόφηση (absorbance), ε= μοριακός συντελεστής απόσβεσης (L mol -1 cm -1 ) για ορισμένο μήκος κύματος (λmax), (αποτελεί χαρακτηριστική σταθερά κάθε χρωστικής που εμφανίζει μέγιστη απορρόφηση σε κάποιο μήκος κύματος) c= συγκέντρωση σε mol/l και d= το πάχος του διαλύματος σε cm. Ο νόμος αυτός ισχύει για μονοχρωματική ακτινοβολία σε διαλύματα μικρών συγκεντρώσεων, και για μεγέθη μορίων που δε σκεδάζουν το φως, εφόσον δεν υφίσταται σύζευξη της διαλυμένης ουσίας με το διαλύτη. Συνεπώς, γνωρίζοντας το ε ενός χρώματος μπορεί να υπολογιστεί η συγκέντρωση του στο διάλυμα και αφαιρώντας την ποσότητα του χρώματος, που έμεινε στο λουτρό βαφής από την αρχική του ποσότητα μπορεί να προσδιοριστεί έμμεσα η ποσότητα του χρώματος, που προσροφήθηκε από το δείγμα (ύφασμα) κατά τη βαφή. Ο ίδιος έμμεσος προσδιορισμός, γίνεται και σε περιπτώσεις ομοιοπολικώς συγκρατημένου χρώματος σε ύφασμα (χρώματα αντίδρασης). Σε αυτές τις περιπτώσεις, στη συγκεντωση του χρώματος που έμεινε στο λουτρό, προστίθεται το υδρολυμένο, δηλαδή αυτό που δεν αντέδρασε, το οποίο παραλαμβάνει οργανικός διαλύτης (πυριδίνη, DMF κ.ά), μετά από εκχύλιση του βαμμένου υφάσματος. Έτσι με αφαίρεση από την αρχική του ποσότητα του, προσδιορίζεται το χρώμα που συγκρατήθηκε στις ίνες. Ανάλογα μπορεί να γίνει και ο προσδιορισμός χρωστικών σε μίγμα (δυο, ή και περισσότερες) με τη βοήθεια εξειδικευμένου προγράμματος υπολογιστή, ή υπολογισμών, που βασίζονται στη σχέση Α=Α 1 +Α 2 +Α 3, όπου Α 1,2,3 οι είναι επιμέρους απορροφήσεις των χρωστικών που θέλουμε να προσδιορίσουμε και Α η απορρόφηση του μίγματός τους. Είναι γνωστό ότι στα διάφανη υλικά η διερχόμενη και όχι η απορροφούμενη ακτινοβολία δημιουργεί την αίσθηση του χρώματος, με την προΰπόθεση βέβαια να μην υπάρχει σκέδαση του φωτός από το υλικό. Το φασματοφωτόμετρο μετράει είτε την απορρόφηση, είτε τη διαπερατότητα και με βάση την εξίσωση που καθορίζει τη σχέση μεταξύ απορρόφησης και διαπερατότητας (Α=log 1/T), μπορούμε να μετατρέπουμε τη μια στην άλλη. 28

29 5.1. Μέτρηση Ανάκλασης (Νόμος Kubelka-Munk) Ο άμεσος προσδιορισμός της ποσότητας του χρώματος σε βαμμένο στερεό υπόστρωμα, γίνεται με φασματοφωτόμετρο ανάκλασης. Το χρησιμοποιούμενο φασματοφωτόμετρο καταγράφει την εκατοστιαία ανάκλαση (R%) μονοχρωματικής δέσμης μεταβαλλόμενου μήκους κύματος σε όλη την περιοχή του ορατού φάσματος ( nm) ως προς πρότυπη λευκή επιφάνεια του οργάνου. Η σχέση της εκατοστιαίας ανάκλασης με τη συγκέντρωση c (% w-w) του χρώματος στο υπόστρωμα δίνεται από την εξίσωση Kubelka-Munk: K/S=Ac, (5.1) όπου Κ= συντελεστής απορρόφησης S= συντελεστής σκέδασης (scattering), που εξαρτάται μόνο από το υπόστρωμα, Α= σταθερά που εξαρτάται από το χρώμα, το μήκος κύματος και το υπόστρωμα. Ο παραπάνω νόμος γράφεται και ως: Κ/S=(1-R) 2 /2R, (5.2) όπου R= ανάκλαση (% reflectance). Η εξίσωση Kubelka-Munk εφαρμόζεται για μήκη κύματος μεγαλύτερης απορρόφησης του χρώματος (λmax). Η άγνωστη συγκέντρωση c στο υπόστρωμα, προσδιορίζεται από πρότυπη καμπύλη αναφοράς που γίνεται από μετρήσεις της R% στο λmax του χρώματος σε σειρά πρότυπων βαμμένων δειγμάτων. Από τις αντίστοιχες ενδείξεις R% του φασματοφωτόμετρου, υπολογίζονται οι τιμές Κ/S και στη συνέχεια κατασκευάζεται η καμπύλη αναφοράς. Η καμπύλη αυτή ισχύει για τον υπολογισμό της άγνωστης συγκέντρωσης c, μόνο στην περιοχή γραμμικής εξάρτησης του Κ/S με τη συγκέντρωση του c. Για κάθε χρωστική και για κάθε υλικό που χρωματίζουμε δημιουργούμε βάση δεδομένων (αρχείο χρωστικών) με τις ανακλάσεις και τις αντίστοιχες καμπύλες αναφοράς. Όταν μας ζητηθεί να πετύχουμε μια συγκεκριμένη απόχρωση με συνδιασμό των χρωστικών του αρχείου, με τη βοήθεια προγράμματος σε υπολογιστή βρίσκουμε την κατάλληλη συνταγή, εφόσον πρόκειται βέβαια για μίγμα χρωστικών που αναμιγνύονται εκ των προτέρων και βάφουν στη συνέχεια με κάποια τεχνική το υλικό. Όταν λοιπόν θέλουμε να υπολογίσουμε τις αναλογίες με τις οποίες θα αναμιχθούν δυο ή και περισσότερες χρωστικές (συνήθως τρεις ή τέσσερις) για να χρωματιστεί ένα αδιαφανές υλικό, εφαρμόζουμε το νόμο 29

30 των Lambert-Beer (ισχύει και εδώ ο κανόνας της προσθετικότητας των χρωστικών). Εδώ βεβαίως υπάρχουν δυο διαφορετικές περιπτώσεις: Α) Όταν θέλουμε να υπολογίσουμε υδατοδιαλυτές χρωστικές Στην εξίσωση υπολογισμού της συγκέντρωσης από την ανάκλαση, υπάρχει μόνο μια συνολική σκέδαση από το βαμμένο υπόστρωμα και όχι από τα σωματίδια του χρώματος που δεν σκεδάζουν το φως αλλά μόνο απορροφούν. Β) Όταν θέλουμε να υπολογίσουμε αδιάλυτες χρωστικές (πιγμέντα) Στην εξίσωση υπολογισμού της συγκέντρωσης από την ανάκλαση πρέπει να ληφθεί υπόψη, εκτός από την απορρόφηση και η σκέδαση που συνήθως προκαλούν τα σωματίδια των πιγμέντων. 30

31 ΙΙ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 6.1 Αντιδραστήρια-Όργανα Χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω αντιδραστήρια και οργανα: Αντιδραστήρια - Όξινο χρώμα μπλε NAVY S-B 1S-S - Όξινο χρώμα μπλε NAVY MBR 2S-S - Όξινο χρώμα μαύρο BLACK S2B 1S-S - Όξινο χρώμα μαύρο BLACK MRX 2S-S - Ενζυμα: protease from bacillus licheniformis, bioprot multi conc from bacillus lendus - Βοηθητικά βαφής: Kahatex TE, Egalen LT MOS - NaH 2 PO 4 - NaHPO 4 12H 2 O (ρυθμιστικό διάλυμα) - Na 2 SO 4 (Merck) - CH 3 COOH (Merck) - Απεσταγμένο νερό Τα χρώματα και τα βοηθητικά βαφής παραχωρήθηκαν από την Kyke Hellas S.A. Chemidyes. Όργανα - Συσκευή βαφής Rochdale- Banbury - Μεταλλικές φύσιγγες - Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας - Σιφώνια πληρώσεως - Ογκομετρικός κύλινδρος - Ογκομετρικές φιάλες - Κωνικές φιάλες - Ποτήρια ζέσεως - Φασματοφωτόμετρο απορρόφησης υπεριώδους- ορατού, τύπου SHIMADZU UV-2110 PC - Φασματοφωτόμετρο ανάκλασης Macbeth Coloreye Βαφή Πριν από τη βαφή γίνονται οι εξής προετοιμασίες: Κόβουμε το ύφασμα σε δείγματα διαστάσεων, ώστε το καθένα να έχει βάρος 2 g. Ετοιμάζουμε το υδατικό διάλυμα του χρώματος σε συγκέντρωση 0,2 w/v. 31

32 Ετοιμάζουμε το ρυθμιστικό διάλυμα (buffer) NaH 2 PO 4 -NaHPO 4 12H 2 O με ph 6,5 ως εξής : σε ογκομετρική φιάλη 200mL προσθέτουμε 68,5 ml ΝaΗ 2 PO 4 συγκέντρωσης 0,2Μ (27,8 g/1000ml), 31,5 ml NaHPO 4 12H 2 O συγκέντρωσης 0,2M (71,7 g/1000ml) και συμπληρώνουμε με απεσταγμένο νερό. Ετοιμάζουμε το υδατικό διάλυμα Na 2 SO 4 συγκέντρωσης 1g/L. Ετοιμάζουμε τα διαλύματα των βοηθητικών βαφής σε συγκέντρωση 2 g/l. Για όλα τα δείγματα οι τόνοι της βαφής που είναι 1% και 2%, η αναλογία του λουτρού βαφής είναι 1:20, η συγκέντρωση του ενζύμου στο λουτρό είναι 2 g/l και τέλος η συγκέντρωση των βοηθητικών βαφής 2g/L. Ακολουθήθηκαν τρεις διαδικασίες βαφής: Α. Βαφή στους 50 0 C, θερμοκρασία μέγιστης δραστικότητας των ενζύμων Β. Βαφή στους 85 0 C και 70 0 C. Γ. Βαφή στους C, θερμοκρασία στην οποία βάφονται συμβατικά οι μάλλινες ίνες. Α. Ισόθερμη βαφή στους 50 0 C Η βαφή διαρκεί 8 ώρες και οι χρόνοι μέτρησης είναι 2,4,6 και 8h. Σε κάθε μια από τις τέσσερις μεταλλικές φύσιγγες προσθέτονται 10mL διαλύματος του χρώματος, 2-3 σταγόνες CH 3 COOH 40%, 1mL διαλύματος Να 2 SΟ 4 και συμπληρώνονται με το ρυθμιστικό μέχρι τα 40 ml.οι παραπάνω ποσότητες είναι για τόνο 1%. Για 2% τόνο βαφής θα είναι 20mL χρώματος, 1mL διαλύματος Να 2 SΟ 4 και 20mL ρυθμιστικoύ. Στο τέλος προσθέτονται 0,12g του εκάστοτε ενζύμου ή του βοηθητικού βαφής, χρησιμοποιώντας στην περίπτωση του ενζύμου πάντα καθαρά όργανα και προσέχοντας να μη μένει πολλή ώρα εκτός ψυγείου όπου και διατηρείται γιατί υπάρχει κίνδυνος να αδρανοποιηθεί. Τοποθετούνται οι φύσιγγες στη συσκευή βαφής και ξεκινά η διαδικασία. Όταν περάσουν οι δυο πρώτες ώρες αποσύρεται η πρώτη φύσιγγα παραλαμβάνεται το δείγμα και ξεπλένεται με απιονισμένο νερό για να απομακρυνθεί το χρώμα που δεν απορροφήθηκε. Στην συνεχεια γίνεται απενεργοποίηση του ενζύμου ( η μέθοδος της θα αναφερθεί παρακάτω) και αφήνεται να στεγνώσει. Το λουτρό βαφής δεν απορρίπτεται αλλά αποθηκεύεται, γιατί είναι απαραίτητο για τις μετρήσεις. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται για τα επόμενα δείγματα. 32