Окраска хлопчатобумажной ткани природными красителями

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №33

Ногинского района Московской области

Конкурс «Юный химик»

Окраска хлопчатобумажной ткани

природными красителями

Автор   Пташник Иван   10 класс

Руководитель                    Медведева

 Елена Леонидовна

учитель химии

Электроугли    2010 год

Содержание

Введение

Обоснование темы проекта и её актуальность                                  стр. 3

1. Аналитический обзор

1.1 Классификация природных красителей                                       стр. 4

1.2  Окраска растительных волокон                                                   стр.  5

1.3  Выбор природного материала для получения красителей        стр. 6

2.Экспериментальная часть

2.1 Методика извлечения красителя из растительного сырья          стр. 7

2.2 Окраска хлопчатобумажной ткани в нейтральной среде            стр. 7

2.3 Окраска хлопчатобумажной ткани в кислой и щелочной

      средах                                                                                                стр. 8

2.4 Проверка устойчивости цвета ткани в кислой среде                   стр. 9

2.5 Проверка устойчивости цвета ткани к температуре,

      свету, моющим средствам                                                              стр.10

Выводы                                                                                                  стр. 11

Список литературы                                                                               стр. 11

Введение

Обоснование выбора темы проекта и ее актуальность

Синтетические красители были созданы около 150 лет назад. До этого ткани окрашивали в разные цвета природными красителями, получаемыми в основном из растений. Я решил выяснить, в какие цвета могли окрашивать свою одежду наши предки, жившие в средней полосе России, используя доступные растения. В настоящее время использование природных красителей может найти применение в окраске тканей для одежды людей, страдающих аллергией на синтетические красители или для этнографических реконструкций.

Цель работы: получить образцы ткани, окрашенные натуральными красителями, воспроизводящие цвета одежды наших предков, и исследовать устойчивость окраски.

План работы над проектом

1. Изучение литературы по темам:

1.  Окраска тканей древними славянами;
2.  Растения, содержащие природные красители;
3.  Химия природных красителей;
4.  Научные основы технологии окраски тканей из растительных волокон.

2.  Анализ литературных данных о растениях; выбор доступных растений (встречающихся в Московской области).
3.  Сбор растений в окрестностях города.
4.  Получение красителей из растительного сырья.
5.  Окраска хлопчатобумажной ткани красителями:

1. В нейтральной среде;
2. В нейтральной среде с предварительной протравкой;
3. В кислой среде;
4. В щелочной среде;

6. Проверка устойчивости окраски ткани:

1. В кислой среде
2. При действии солнечного света и моющих средств.

1. Формулирование выводов.
2. Оформление отчета о работе.
3. Создание компьютерной презентации на основе полученных в работе материалов.
4. Защита проекта.

Аналитический обзор

1. Классификация природных красителей

Природные красители – органические соединения, которые вырабатываются живыми организмами и окрашивают животные и растительные клетки и ткани. Они широко распространены и крайне многообразны. Часто в природе встречаются одни и те же или близкие по строению красители, поэтому целесообразно классифицировать их по типам химических соединений.

Алифатические и алициклические красители - каротиноиды, содержащие различные функциональные группы. Это: углеводороды - С40Н56 ликопин, изомер каротина (красный); спирты- ксантофил (желтый); кетоны – астицин (фиолетовый); альдегиды; эфиры. С удлинением цепи сопряженных двойных связей окраска углубляется.

Ароматические красители, например гиперицин (R=СН3) и псевдогиперицин (R=СН(ОН)СН3), (формула I) темно-фиолетовый и темно-красный красители цветов зверобоя продырявленного (Hypericum perforalum) [1].

                                                                               ФормулаI  
Ализарин (формула II)содержится в корнях марены красильной (Rubia tinctorium), экстракт из которых применяли для крашения ещё в древних Египте, Персии и Индии [2]. Похожие цвета (красный и желтый) при окрашивании тканей дает подмаренник настоящий (Galium verum) [3,4]. Можно предположить,

Формула II       что его краситель сходен с ализарином.

Некоторые растения содержат дубильные вещества, например таннин (группа фенольных соединений) в гранате обыкновенном (Punika granatum), образующий с целлюлозой прочные связи [2].

Гетероциклические красители. К кислородсодержащим гетероциклам относятся флавоноиды - производные флавона (R=Н), флавонола (R=ОН), формула VIII [1].

Сходны с ними антоцианидины ( формула X), окрашивающие цветы, ягоды, плоды и овощи в красный, фиолетовый, синий и черный цвета. В природе флавоноиды существуют в виде агликонов и гликозидов, антоцианидины - только в виде гликозидов (антоцианов). Именно они придают фиолетовую окраску плодам черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus) [3,4].Многие антоцианы обладают антимикробным действием, а кверцетин, содержащийся в репчатом луке (Allium cepa), (формула XI) относится к группе витамина Р [1,3]. Катехины являются родоначальниками дубильных веществ.

Формула XI

Азотсодержащие гетероциклы. К ним относятся наиболее древние природные красители - индиго и пурпур античный, а также хлорофилл,  пигмент зеленых частей растений.

2. Окраска растительных волокон

Основным растительным сырьем для изготовления тканей древними славянами был лён. Хлопчатобумажные ткани, изготовленные из хлопчатника, появились в России гораздо позже. Однако именно хлопчатобумажная ткань была выбрана мной для получения окрашенных образцов в связи с её большей распространенностью и дешевизной. А так как оба вида тканей произведены из целлюлозных волокон, полученные результаты окраски тканей должны быть похожими.

Для окраски льняных и хлопчатобумажных волокон можно использовать активные и прямые красители, растворимые в воде. Достаточно высокое сродство к целлюлозным волокнам связано со структурой молекул прямых красителей, имеющих относительно длинную цепь сопряженных двойных связей. Кроме того, для проявления высокого сродства к волокну молекула прямых красителей должна иметь группы, способные к донорно-акцепторному взаимодействию (ОН; NH2; N=N -для разных видов волокон). Удерживаются прямые красители на волокне силами Ван-дер-Ваальса, водородными связями [1,5].

Активные красители образуют при крашении с функциональными группами волокна прочные ковалентные связи. Таким образом, краситель входит в состав макромолекулы волокна, что обеспечивает высокую устойчивость окрасок к стирке, трению, действию растворителей, применяемых при химчистке одежды. Для более прочного сцепления красителя с волокнами ткани может применяться предварительная «протравка» - обработка ткани солями металлов. При этом положительно заряженные ионы металлов прочно удерживаются функциональными ОН¯ - группами волокон и образуют с молекулами красителя комплексные соединения. Примером протравного красителя может служить ализарин марены красильной [1,5].

Древними славянами использовались для протравы оксиды железа, кристаллогидраты сульфатов (купоросы) MIISO4·nH2O, кристаллогидраты двойных сульфатов (квасцы) МIMIII(SO4)·12H2O [6,7]. При этом получаемая окраска ткани зависела от иона металла, например, соли железа дают темные оттенки коричневого и зеленого, алюмокалиевые квасцы КАl(SO4)2·12H2O способствуют увеличению яркости красителя, не меняя цвета [7,8]. Для получения солей железа нашими предками могло использоваться ржавое железо с последующим подкислением среды красильного раствора, например, щавелем. Применение алюмокалиевых квасцов древними славянами Подмосковья кажется мне сомнительным, хотя эта соль встречается в природе в виде минерала алунита, месторождения которого находятся в Азербайджане [3] и могла быть привезена купцами.

3. Выбор природного материала для получения  красителей

Основным источником красок для изготовления нашими предками «крашенной одежды», которая считалась более нарядной и дорогой, чем одежда из некрашеной ткани, были натуральные красители. Анализ остатков тканей, найденных на территории северо-восточной Европы для периода IX-XI веков, подтверждает использование красителей растительного происхождения: индиго, корня марены, коры дуба и крушины [6]. Так как климат Европы в период с девятого века по наши дни не претерпел значительных изменений, в качестве местных, наиболее дешевых красителей, могли применяться и другие растения, которые и теперь растут рядом с нами в поле или лесу.

Сравнивая литературные данные о растениях, которые содержат красители [4,6,7,8], и растениях, произрастающих в нашей области [4,9], я выбрал растения, которыми могли пользоваться для окраски одежды славяне, жившие в тех же местах, где живем сейчас мы. Исключение – гранат, однако его могли привозить купцы из Азербайджана, где в качестве красителя он используется и сейчас для окраски шерсти. Также учитывалось и разнообразие получаемых окрасок. Результаты представлены в виде таблицы (таблица 1).

Таблица 1. Растительные красители

Экспериментальная часть

2.1   Методика извлечения красящего пигмента из растительного сырья

Дикорастущие растения, использованные для приготовления красителей, были собраны мной в поле и лесу, расположенных на окраине нашего города (восточное Подмосковье). Культурные растения: плоды граната – куплены в магазине, а лук репчатый выращен на дачном участке.

Сам процесс крашения относительно прост и технология его воспроизведена в основном на основе этнографических материалов [6,7].

Большинство красителей, содержащихся в травянистых растениях (цветах, листьях и корнях) водорастворимы. Их легко извлечь простым вывариванием растительного сырья. Вода, используемая для этого, должна быть обессоленной, чтобы краситель не выпал в осадок. За неимением дистиллированной использовалась горячая кипяченая вода.

Предварительно измельченное растительное сырье вываривалось в течение 1 часа в эмалированной посуде; вода должна полностью покрывать растительный материал. Выкипающую воду нужно периодически доливать. Производить вываривание желательно в проветриваемом помещении в связи с сильным запахом красильного раствора.

Далее растительный отвар процеживался. Полученный экстракт можно хранить в прохладном месте несколько часов, но лучше сразу использовать для окрашивания образца ткани.

2.2   Окраска хлопчатобумажной ткани в нейтральной среде

Окрашиваемый материал – белая хлопчатобумажная ткань предварительно была выстирана в теплой воде со стиральным порошком для удаления возможных загрязнений следами жира.

Окраска производилась в эмалированной посуде (в которой ранее осуществлялось вываривание). Красильный экстракт доводили до кипения и в него опускали окрашиваемый материал. Далее его кипятили на медленном огне в течение 15- 20 минут. Окрашиваемую ткань желательно периодически переворачивать для достижения равномерной окраски. Вынув окрашенную ткань из раствора растительного красителя, ее оставляли     Рисунок 1 Образцы окрашенной ткани

для просушки на сутки на свету.

Это способствовало достижению большей устойчивости окраски. Затем материал полоскали в чистой теплой воде.

В результате были получены образцы окрашенной ткани (рис.1). В центре неокрашенная ткань. Слева направо красители из растений: подмаренник, лук, гранат, хвощ, крапива, толокнянка, льнянка, зверобой, черника. Кроме первого и последнего образцов, в общем, полученный цвет можно назвать коричневатым.

Рисунок 2.

Образцы окрашенной ткани. Верхний ряд–окрашивание без «протравки», нижний ряд – окрашивание с предварительной протравкой КАl(SO4)2·12H2O.

Красители из растений, слева направо: подмаренник, лук, гранат, хвощ, крапива, толокнянка, льнянка, зверобой, черника.

Для придания более ярких оттенков окрашенной ткани были использованы алюмокалиевые квасцы КАl(SO4)2·12H2O. Их применение не изменяет «натуральный» цвет красителя. Окрашиваемый материал сначала пропитывался 1% раствором квасцов (5 г квасцов на 0,5 л кипяченой воды), для этого кипятился в эмалированной посуде в течение 30 минут. Далее производилась окраска образца. В результате были получены образцы окрашенной ткани (рис.2). Видно, что большинство образцов приобрело более насыщенный цвет

2.3   Окраска хлопчатобумажной ткани в кислой и щелочной средах

Окраска природных красителей также зависит от кислотности среды. Поэтому было дополнительно проведено окрашивание в кислой и щелочной средах. Кислотность раствора повышалась добавлением в красильный экстракт 9% уксусной кислоты СН3СООН: 2 столовые ложки на 0,4 л экстракта. Щелочность раствора повышалась добавлением 1 столовой ложки (около 15 г) питьевой соды NaHCO3 на 0,4 л экстракта. Нашими предками в качестве аналогов могли использоваться листья щавеля и древесная зола.

Образцы тканей, заметно изменивших цвет в зависимости от кислотности среды, представлены на слайде №5 презентации (гранат, зверобой, черника). Остальные образцы цвет не изменили (подмаренник) или изменили незначительно (лук, крапива, хвощ, льнянка).

1. Проверка устойчивости цвета ткани в кислой среде

На каждый образец была нанесена капля 9% уксусной кислоты. Образцы розового, желтого, зеленоватого и желто – коричневого цветов: подмаренник, гранат, хвощ, крапива, толокнянка, льнянка первоначальный цвет не изменили.

Обесцвечивание произошло у образца, окрашенного луком в нейтральной среде.

Рисунок 3.

Изменение цвета образцов окрашенной ткани в кислой среде

Цвет всех образцов, окрашенных черникой, изменился на яркий красно- фиолетовый. Такой же цвет приобрел образец, окрашенный зверобоем в щелочной среде; в то время как образцы тканей, окрашенные им в нейтральной и кислой средах изменения цвета не дали (рис. 3).

Данный факт можно объяснить тем, что красящими веществами черники являются антоцианы. Разнообразие их окраски обусловлено тем, что в зависимости от кислотности среды происходит структурное изменение молекулы, которое можно описать схемой:

где А-остаток глюкозы.

В кислой среде антоцианы находятся в виде пирилиевых солей (красный цвет), в нейтральной – в хиноидной форме (фиолетовые), а в щелочной – в виде солей этой формы – калиевых, кальциевых, натриевых или магниевых- (синий или сине – зеленый цвет) [1]. Это подтверждается и полученным цветом при окраске в разных средах: черника в кислой среде дала фиолетовую окраску образца, а в щелочной среде – сине-серую. Вероятно, сходным образом изменяется и цвет гиперицина, красителя зверобоя, давая в кислой среде ярко-фиолетовую окраску.

Для «лукового» образца можно предположить, что кверцитин в нейтральной среде недостаточно прочно «садится» на ткань, так как у образца, окрашенного в щелочной среде, обесцвечивания не происходит.

Таким образом, большинство окрашенных образцов, особенно желтоватых и коричневатых цветов устойчивы к действию кислоты.

Вывод: к действию кислоты устойчивы образцы, окрашенные в кислой среде, хотя их цвет получается не очень ярким.

2.5   Проверка устойчивости цвета ткани к температуре, свету, моющим средствам

Высушенные после полоскания в чистой воде окрашенные образцы ткани были проглажены горячим утюгом. Изменения цвета не наблюдалось. Вывод: красители устойчивы к высокой температуре.

Для проверки устойчивости к свету и моющим средствам окрашенные образцы ежедневно в течение недели стирались мылом в теплой (около 50°С) воде. Все время они находились под действием яркого солнечного света (рис.4).

               Рисунок 4.

Изменение цвета образцов после стирки и действия солнечного света

Линька при стирке (изменение цвета мыльной пены) происходила только у образца, окрашенного луком, что подтверждает предположение о недостаточно прочном сцеплении красителя с волокнами ткани. Изменение цвета при первой стирке произошло у образцов, окрашенных зверобоем и черникой на соответственно ярко-зеленый и сине-серый, что объясняется щелочным характером среды. При дальнейших стирках цвет несколько ослаб. Остальные образцы также дали некоторое ослабление цвета, не меняя основного тона расцветки.

Вывод: природные красители устойчивы к моющим средствам и солнечному свету. Более устойчивы к стирке образцы, окрашенные в щелочной среде.

Выводы

В результате проведенной работы были получены образцы тканей розового; желтого; зеленого; разных оттенков коричневого от светлого до темного; фиолетового цвета.

Красители для окраски могут быть легко получены из доступного природного растительного сырья. Возможно применение корней, коры, цветов, плодов, листьев и стеблей разных растений. Используемые растения могли расти на данной территории с IX века.

Процесс крашения ткани прост и мог осуществляться древними славянами и их потомками - жителями Подмосковья (X-XIX веков).

Усиление цвета природного красителя достигается предварительной обработкой ткани раствором алюмокалиевых квасцов, что было возможно для наших предков, хотя и увеличивало стоимость окрашенной ткани.

Изменение среды красильного раствора при окраске приводит к изменению получаемого цвета.

Полученные образцы желтоватых, желто-зеленых и коричневых цветов устойчивы к действию кислот и моющих средств. К действию кислот устойчивы образцы, окрашенные в кислой среде. К действию моющих средств устойчивы образцы, окрашенные в щелочной среде.

Ткани, окрашенные природными красителями, не линяют и устойчивы к действию света.

В настоящее время возможно создание одежды из тканей, окрашенных природными красителями.

Список литературы

1. http://www.xumuk.ru :  Химическая энциклопедия;
2. http://www.xumuk.ru :  Большая советская энциклопедия;
3. http://ru.wikipedia.org ;
4. Лекарственные растения. Энциклопедия. – Мн.: Книжный дом, 2005;
5. Химия и жизнь (Cолтеровская химия, часть II)/ под ред. Тарасовой Н.П. – М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 1997;
6. Семенова М. Мы – славяне! Популярная энциклопедия. – СПб.: Издательский дом «Азбука - классика», 2007;
7. http://www.simvolika.org/article_002.htm: Раимкулова Ю.Д., Семенецкий М.И. Растительные красители. Технология окраски тканей в период с IX-XI в.в. на территории Самбийского полуострова;
8. http://lib.rus.ec Сергеев Василий. Плетение из соломки – от деда Василия;
9. Луговые травянистые растения. Биология и охрана: Справочник/ Губанов И.А. и др.-М.: Агропромиздат, 1990.