Teñido de fibra de tela de pasto tradicional sostenible utilizando el diseño ortogonal Taguchi L16 (4^4)

Oct 14, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 13833 (2022) Citar este artículo

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Durante muchos siglos, la tela tradicional de hierba se ha utilizado como materia prima importante para los textiles del hogar en China, pero su mercado puede ampliarse incorporando color. En este trabajo se utilizaron Reactive Red 2 (R2), Reactive Blue 194 (B194) y Reactive Orange 5 (O5) para explorar el comportamiento de teñido de la fibra de pasto tradicional sostenible utilizando métodos de teñido industriales. Inicialmente, se aplicó esquemáticamente un diseño ortogonal L16 (4^4) para llevar a cabo el proceso de teñido y se determinó que la tasa de fijación total del tinte (T%) del tinte B194 era la mejor entre los tres tintes. En consecuencia, se analizó una técnica estadística de Taguchi a mayor escala para optimizar los parámetros del proceso de teñido (concentración de sal, tiempo de fijación, temperatura de fijación y pH de la solución) de B194, en la cual se encontró que el pH de la solución era el factor más influyente para lograr el T% más alto. Este fenómeno también se verificó mediante análisis de varianza (ANOVA), donde se encontró que el pH de la solución era el mayor contribuyente (50%) y estadísticamente significativo (p <0,05). Finalmente, se realizaron pruebas de confirmación en condiciones optimizadas y se determinó un T% mayor (53,18%) respecto a las condiciones iniciales (48,40%). Más tarde, se utilizaron espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para analizar las características estructurales y se descubrió que la tela de pasto era químicamente estable, aunque aún se observaban materiales gomosos en su superficie, lo que también se confirmó a partir de fotografías digitales. En general, las coordenadas de color y las propiedades de solidez también fueron satisfactorias.

La tradicional tela de hierba, llamada Xiabu, se remonta a hace más de 6.000 años en China1, donde se utilizaba principalmente en ropas de luto, coronas, sombreros, etc. La tela de pasto tradicional se teje artificialmente a mano con hilos gomosos de ramio y la tela presenta un tacto áspero y rígido, buena permeabilidad al aire y propiedades hidrofílicas y antibacterianas2,3. La tradicional tela de hierba ocupa un lugar importante en la historia del desarrollo de los textiles chinos porque encarna la larga historia y la sensibilidad estética del pueblo chino. Como resultado, en 2008, el gobierno chino incluyó este método de tejido histórico en la Lista del Patrimonio Cultural Inmaterial Nacional. El rápido desarrollo de la producción mecanizada ha provocado cambios significativos en el modo de producción tradicional y, como resultado, la producción casera de telas tradicionales de pasto enfrenta dificultades sin precedentes. En la actualidad, las telas tradicionales de pasto todavía se venden en los mercados para decoración, como cortinas, manteles individuales, cojines, etc.1. Ser capaz de generar una amplia gama de tonos de tela de pasto es una excelente recomendación para comercializar sus productos y generar conciencia sobre la tradición de la tela de pasto, ya que hoy en día rara vez se ven telas de pasto multicolores en el mercado4.

La tela de pasto se compone principalmente de fibras celulósicas y materiales gomosos, incluidas hemicelulosa, pectina y lignina5,6. El desgomado es necesario para la producción de hilo fino de ramio, y se pueden utilizar varios tratamientos, como el desgomado químico, el biodesgomado y el desgomado bioquímicamente combinado7,8,9, según los requisitos individuales de cada proceso de hilo de ramio10. Por otro lado, los materiales gomosos proporcionan un rendimiento áspero y rígido7 y contribuyen a la textura única de la tela de pasto tradicional, que son los aspectos cruciales y más característicos de la tela de pasto tradicional. Además, se pueden aplicar algunas herramientas modernas, como la irradiación ultravioleta11, el ultrasonido12, la irradiación de microondas13, la irradiación gamma14 y el tratamiento con plasma15, para mejorar las características de la superficie y el rendimiento del teñido. Sin embargo, estas herramientas son costosas, desagradables para el medio ambiente y carecen de viabilidad de ampliación.

En nuestro informe anterior, el hilo gomoso de ramio se tiñó completamente con tinte reactivo, es decir, los materiales gomosos y las fibras celulósicas formaron enlaces covalentes con tintes reactivos16. Sin embargo, este proceso se centró en los comportamientos de absorción y dispersión del tinte durante el teñido con la adición de carbonato de sodio17,18. En el teñido reactivo, el tono de color final de la sustancia teñida se decide mediante la eficiencia total del tinte (T%), que se basa en el porcentaje de agotamiento del tinte (E%) y la tasa de fijación del tinte (F%)19. En general, las condiciones de teñido están influenciadas por diversos factores20 como la concentración de sal, el tiempo de fijación, la temperatura de fijación y el pH del baño de tinte, y es necesario desarrollar un enfoque sistemático para la planificación, implementación y evaluación del proceso para generar el Mejores resultados.

Tradicionalmente, los procedimientos de optimización que mantienen constantes todos los parámetros mientras se realiza un único cambio se consideran lentos y costosos. En este caso, el diseño de experimentos, a menudo conocido como DOE, es una estrategia que utiliza un enfoque sistemático para identificar el vínculo entre los elementos que influyen en un proceso y el resultado de ese proceso. Generalmente, el enfoque DOE se puede dividir en dos categorías: diseño factorial completo y diseño experimental de Taguchi21,22. Durante el diseño factorial completo, se evalúan y analizan todas las combinaciones posibles de valores de parámetros. Comparativamente, sólo los niveles elegidos se consideran para la evaluación en un estudio de diseño experimental Taguchi. El método Taguchi se considera una técnica robusta ya que utiliza un diseño de matriz ortogonal (OA)23. El OA puede identificar cuantitativamente los parámetros y niveles correctos y se utiliza para disminuir el número de pruebas, la duración de los experimentos, el costo y la cantidad de energía humana requerida. El enfoque Taguchi se basa en gran medida en la relación señal-ruido (S/N) y en las tablas de análisis de varianza (ANOVA) para determinar la significancia estadística, que utiliza una tabla de respuesta para determinar las condiciones óptimas con los factores más influyentes. Posteriormente se han utilizado pruebas de confirmación para verificar la viabilidad de los diseños experimentales24,25. Varios investigadores utilizaron el enfoque de diseño experimental de Taguchi para mejorar la calidad del proceso de teñido de fibras textiles.

Wahyudin et al.26 utilizaron un diseño de matriz ortogonal L9 (3^4) para optimizar el proceso de teñido de tejidos de punto de algodón, en el que el análisis ANOVA fue la principal herramienta estadística. Este estudio confirma que la aplicación de Taguchi juega un papel importante en la reducción del proceso de teñido. Shafiq et al.27 demostraron que una técnica Taguchi L25 (5^4) era factible para extraer el tinte natural en condiciones optimizadas y posteriormente para el proceso de teñido de tejidos de algodón. Hossain et al.28 utilizaron un diseño Taguchi basado en una matriz ortogonal de L9 (3^3) para el teñido profundo de telas de algodón con extracto de cáscara de cacao para maximizar el porcentaje de agotamiento. Por lo tanto, se utilizó la técnica Taguchi para optimizar el proceso de teñido reactivo de la fibra de tela de pasto, que, hasta donde sabemos, es la primera investigación que se publica sobre este tema.

Este estudio explora el rendimiento del teñido de fibra de tela de pasto tradicional sostenible con tres tipos diferentes de tintes reactivos, generalmente categorías de temperatura baja, media y alta, para determinar cuál es el más efectivo. Se aplicó el método Taguchi para analizar la influencia de varios factores de teñido en E%, F% y T%, y finalmente se adquirieron las condiciones óptimas de teñido para cada categoría de tinte reactivo, lo cual es útil para el teñido de alta eficiencia de pasto tradicional. Tela con tinte reactivo. En general, lograr diferentes colores naturales podría ser beneficioso para abordar el desafío de las propiedades de coloración de las fibras de la tela de pasto.

La tela de pasto tradicional (sin desgomar) se compró en un mercado local. Reactive Red 2 (R2, tipo de baja temperatura), Reactive Blue 194 (B194, tipo de temperatura media) y Reactive Orange 5 (O5, tipo de alta temperatura) se compraron de Shanghai Jiaying Chemical Company (China) y se mostraron sus estructuras moleculares. en la Fig. 1. Dalton UK Company (China) proporcionó el detergente no iónico (Luton 500) para el proyecto. Todos los demás compuestos eran de calidad analítica.

Estructuras moleculares de los tres colorantes.

Para los teñidos tradicionales de telas de pasto, se empleó 3 % de la masa de fibra (sobre la masa de fibra) de tinte reactivo en una proporción de licor de 50:1 con un prototipo automático de aparato de teñido de laboratorio de radiación infrarroja rotatorio (Modelo: A-12, AQUA, China). . Otros parámetros de teñido se enumeran en la Tabla 1, y el proceso de teñido en agua se muestra en la Fig. 2. La sal era NaCl y la carbonato de sodio era Na2CO3 para un pH de 8 a 11 y NaOH para un pH de 12. El baño de tinte se calentó hasta la temperatura deseada. temperatura a una velocidad de 2 ° C min-1 y se mantiene a la temperatura deseada durante 30 a 60 min. Después del teñido, se suministró una solución jabonosa (2 g L-1 de detergente no iónico) para lavar las muestras teñidas en una relación de licor de 50:1 a 95 °C durante 15 min, acompañado de secado en estufa a 60 °. C.

Proceso de teñido de tela de pasto con R2, B194 y O5 en agua.

E% se expresa como un porcentaje de la masa de tinte que se ha adsorbido en una tela después de que se ha realizado el teñido (Ec. 1)29 hasta el uso inicial de la masa de tinte. El E% se calculó según la ecuación. (1), donde A0 y A1 se refieren a las absorbancias de la solución de tinte en su longitud de onda de adsorción máxima (λmax) antes y después del teñido, respectivamente. F% es la proporción de tinte fijado en el material y tinte absorbido en esa sustancia después del teñido. El proceso de enjabonado elimina los tintes no fijados. Por lo tanto, el F% se calculó utilizando la ecuación. (2), donde A2 es la absorbancia del tinte en la solución jabonosa. T% es la tasa del tinte fijado en la sustancia respecto al uso inicial del tinte y se calcula mediante la ecuación. (3). Se utilizó un espectrofotómetro ultravioleta-visible (Cary 300, Agilent Technologies, Australia) para medir la absorbancia de la solución de tinte, y los valores de λmax para R2, B194 y O5 son 540 nm, 600 nm y 508 nm, respectivamente.

Para determinar las coordenadas de color de la muestra teñida, se midieron los valores del espacio de color CIElab L*, a* y b*, así como los valores de intensidad del color (K/S), en 20 lugares aleatorios usando un CHN-Spec CS- Espectrofotómetro 650A (Hangzhou Color Spectrum Technology Company, China). El análisis FTIR de la tela de pasto se llevó a cabo utilizando una espectroscopia FT-IR Nicolet iS5 (Thermo Fisher Scientific, EE. UU.). La morfología del hilo de ramio en bruto de la tela de hierba se investigó con una microscopía electrónica de barrido Phillips SEM (FE-SEM, Alemania). La solidez del color al lavado y al roce del tejido se probó de acuerdo con las normas ISO 105-C06:2010 e ISO 105-X12:2016, respectivamente30. Utilizando una tira multifibra, la solidez del color al lavado se determinó midiendo las manchas de las fibras de algodón vecinas y comparando los resultados con la escala de grises estándar ISO31.

El rendimiento de teñido (E%, F% y T%) de la tela de pasto tradicional por R2, B194 y O5 y sus correspondientes desviaciones estándar (Std) de tres teñidos repetidos se enumeran en las Tablas 2, 3 y 4, respectivamente. Además, estos valores fueron analizados mediante el método de análisis de rango y los resultados se muestran en las Tablas 5, 6 y 7, respectivamente. Las desviaciones estándar de cada uno de los parámetros son cercanas, lo que indica que es factible repetir el tono de color.

Para el agotamiento del tinte, los valores de E% de R2 estuvieron en el rango de 45,60% a 64,60%, B194 estuvieron en el rango de 34,95% a 61,44% y O5 estuvieron en el rango de 44,90% a 67,01%, lo que muestra rangos de 19,00%, 26,49% y 22,11%, respectivamente. La mayor diferencia para B194 demuestra que las condiciones de teñido afectan más sensiblemente al E% que los otros dos tintes. Además, vale la pena señalar que el factor sal juega la influencia más importante en relación con el E% entre los tres tintes, ya que ocupó la primera posición en la Tabla 5 (E%), Tabla 6 (E%) y Tabla 7 ( MI%). Además, el % E aumentó al aumentar la concentración de sal de 50 a 80 g L-1 (respuesta de sal en el % E en las Tablas 5, 6 y 7). En el teñido reactivo de telas de pasto, el agotamiento del tinte incluye no solo la adsorción física, sino también la absorción química. En la adsorción física, la adición de sal promueve el agotamiento del tinte porque reduce las fuerzas repulsivas entre el tinte reactivo aniónico y los materiales celulósicos y gomosos aniónicos. En la absorción química, la reacción covalente (es decir, la fijación del tinte) rompe la adsorción física y promueve aún más la adsorción física del tinte. Por tanto, la absorción química es beneficiosa para el valor de E%32.

En la fijación de tintes, los valores de F% de los teñidos con R2 estuvieron en un rango de 60.34% a 71.18%, B194 estuvieron en el rango de 31.94% a 80.44% y O5 estuvieron en el rango de 32.16% a 69.18%, lo que arroja tramos de 10,84%, 48,50% y 37,02%, respectivamente. El valor de diferencia más alto para B194 sugiere que las condiciones de teñido afectan más sensiblemente al F% que los otros dos tintes. La Figura 1 muestra que R2 tiene un grupo diclorotriazinilo (DCT), que es más reactivo en comparación con la vinilsulfona (VS) en B194 y los grupos monoclorotriazinilo (MCT) en O5 y B19432. Esto significa que R2 se une covalentemente más fácilmente con la tela de pasto tradicional, pero también se hidroliza más fácilmente durante el teñido, lo que contrasta con B194 y O5. Durante el teñido alcalino, los grupos hidroxilo de la celulosa y el material gomoso (celulosa-OH y material gomoso-OH) se transfirieron a los aniones de oxígeno de la celulosa y el material gomoso (celulosa-O- y material gomoso-O-, Fig. 3) , respectivamente; mientras tanto, los grupos reactivos se activaron ante situaciones excitadas33. Por lo tanto, elevar el pH del baño de tinte a alcalino aceleró la reacción covalente. Además, una alta temperatura de fijación benefició la reacción covalente ya que es endotérmica34. Sin embargo, la hidrólisis del grupo reactivo se produjo simultáneamente. En otras palabras, el grupo más reactivo reaccionó rápidamente con la tela de pasto y se hidrolizó más fácilmente.

Interacción de la tela de pasto con los sitios funcionales de R2 (a), B194 (b) y O5 (c).

En condiciones alcalinas, el grupo DCT de R2 se hidrolizó primero35 a un grupo MCT, lo que debilitó las propiedades reactivas. Posteriormente, el grupo MCT posiblemente se hidrolizó aún más36 hasta una forma completamente hidrolizada, que comenzó a perder su reactividad. Dado que el grupo DCT es más reactivo (es decir, reacciona fácilmente con la tela de pasto en condiciones alcalinas suaves), las condiciones de fijación del teñido (principalmente pH del baño de tinte y temperatura de fijación) fueron menos sensibles a R2 en comparación con 94 y O5. Por lo tanto, el pH del baño de tintura y la temperatura de fijación ocuparon el segundo y cuarto lugar en la fijación de R2. Sin embargo, cada factor ocupó el primer y segundo lugar, respectivamente, para B194 y O5, como se muestra en la respuesta del pH en % de F en las Tablas 6 y 7. Esto indica que los grupos MCT y VS menos reactivos son más sensibles a los cambios de pH y a la fijación. temperatura dentro de ese rango. Al teñir con B194 y O5, los valores de % de F aumentan al aumentar el pH, pero al teñir con R2, los valores de % de F aumentan con el aumento del pH a 10 y luego disminuyen a pH 11, lo que posiblemente se atribuye a la hidrólisis de R2.

En la fijación de tinte, el T% depende de su E% y F%, que se refiere a la tasa de utilización de la masa de tinte. Los valores de T% del teñido con R2 estuvieron en un rango de 29.77% a 41.13%, B194 estuvieron en el rango de 11.16% a 48.40% y O5 estuvieron en el rango de 15.79% a 40.84%, los cuales muestran diferencias de rango de 11.37 %, 37,23% y 25,04%, respectivamente. El T% más alto, 48.40%, se logró en el B194 bajo condiciones de tintura de 80 g L-1 de sal NaCl, 50 min de tiempo de fijación, temperatura de fijación de 60 °C y pH 11 (Tabla 3, No. 15). acompañado por el 61,44% del E% y el 78,77% del F%. Aunque el F% (78,77%) no fue el valor más alto (80,44%), su E% más alto (61,44%) hizo una enorme contribución al valor de T%. Por lo tanto, la influencia de los factores de teñido en el T% fue complicada20 y vale la pena analizarla de cerca con el método de análisis de Taguchi.

El tono de color de la tela de pasto depende de la masa total de tinte en la tela de pasto teñida, a la que contribuye el agotamiento y la fijación del tinte. Cuando se fijan las masas de sustancia y tinte inicial, el T% expresa la tasa de utilización del tinte y luego se usa para caracterizar el tono del color en comparación con el rendimiento del teñido entre las diferentes condiciones de teñido. Además, el T% más alto entre estos tres tintes se presentó en el teñido B194. Por lo tanto, se seleccionó el T% de teñido B194 para realizar el análisis de Taguchi.

En el análisis de Taguchi, la relación S/N se utiliza para evaluar en qué se diferencia el valor real del previsto, en el que la señal representa los valores deseables y el ruido denota los valores indeseables. Hay tres tipos de relaciones S/N disponibles, y se seleccionó “cuanto más grande, mejor” (Ec. 4)37 de acuerdo con los objetivos de este estudio (mayor tasa de fijación).

donde yi representa el iésimo experimento en el diseño de matriz ortogonal y n indica el número total de ejecuciones experimentales. Los valores S/N promedio se calcularon en el nivel cuatro para los cuatro factores, y los resultados de la respuesta se presentan en la Tabla 8. A partir de este análisis, se supone que el factor con la relación S/N media más grande tiene un valor ideal. En cierto modo, las características delta también se midieron restando los valores promedio mayor y menor de la relación S/N, que son necesarios para determinar los factores más influyentes27. Después de eso, los valores se asignan según un sistema de clasificación, lo que significa que el rango 1 indica el valor mayor, seguido del rango 2 y el rango 3, y así sucesivamente. Fue evidente que el pH de la solución reveló el factor más influyente con un valor delta máximo de 5,94. A esto le siguieron la temperatura (4,69), la sal (2,67) y el tiempo (2,15), como lo indican las clasificaciones de 2, 3 y 4, respectivamente.

Además, la Fig. 4 representa el gráfico de efectos principales de los parámetros del proceso para las relaciones S/N (medias de datos) en T% del teñido B194. Comparando los valores de los parámetros individuales del proceso con una línea continua, se muestra la productividad de los distintos parámetros del proceso. Si un parámetro de proceso particular está cerca de la línea continua, indica que el proceso tiene una influencia menor en el proceso de teñido. Por otro lado, el proceso de teñido se ve afectado principalmente por un parámetro con mayor pendiente. En consecuencia, se demostró que la temperatura de fijación (C) y el pH (D) tienen una influencia estadísticamente significativa en la capacidad de teñido entre los parámetros evaluados, mientras que el tiempo de fijación del teñido (B) y la concentración de sal (A) exhibieron un impacto muy modesto. Teniendo esto en cuenta, las condiciones óptimas se designan como A3B3C4D4, lo que condujo al T% más alto posible cuando se utiliza la técnica Taguchi, ya que el T% más alto posible representa el rendimiento de teñido más eficiente.

Gráfico de efectos principales para relaciones S/N (medias de datos) en T% de teñidos B194.

Para determinar el comportamiento de interacción entre los niveles de los parámetros del proceso, es esencial una evaluación del gráfico de interacción. El paralelismo y el no paralelismo son los dos tipos de comportamientos de interacción que pueden observarse. Las líneas paralelas y no paralelas del gráfico se pueden utilizar para identificar los efectos de interacción de los parámetros de entrada. Las líneas no paralelas muestran una interdependencia sustancial entre parámetros, mientras que las líneas paralelas muestran una interdependencia modesta38,39. En el gráfico de interacción que se muestra en la Fig. 5, existe una interacción sustancial entre las tres variables de sal (A), tiempo de fijación (B) y temperatura de fijación (C), que pueden verse como líneas no paralelas (tres líneas se cruzan entre sí). Por otro lado, se descubrió que el pH (D) tenía líneas esencialmente paralelas, lo que demuestra que sus niveles no dependían tanto entre sí como se pensaba anteriormente. Dado que los gráficos de interacción son excelentes para examinar los factores del proceso, esta investigación muestra que los parámetros elegidos tuvieron un enorme impacto en el teñido reactivo de la tela de pasto.

Gráfico de interacción completo para relaciones S/N (T%).

Es posible utilizar la relación S/N para calcular el nivel óptimo de cada componente. Sin embargo, no puede ofrecer información sobre el elemento más importante del experimento. Las pruebas ANOVA se pueden utilizar para determinar la importancia relativa de diferentes variables en un modelo optimizado basado en un diseño experimental ortogonal. Al principio, se pretendía tener una distribución de medidas, una suma de cuadrados (SS), y luego dividirla por factores SS derivados de los propios hallazgos del ensayo. Para la prueba de Fischer (valor F), se utilizó la relación de valores de MS, que indica el componente más crítico del modelo. Los factores significativos son aquellos que muestran un valor de p inferior a 0,05; este es el umbral en el que se consideran significativos29,40. La Tabla 9 muestra los hallazgos de ANOVA para T%. Se demostró que el pH del baño de tinte tiene un efecto considerable sobre el T%, con un valor F más alto de 14,49, un valor p de 0,02 (significativo) y un porcentaje de contribución general de hasta el 50%. También hubo resultados significativos (valor de p 0,05) para otras variables, como la temperatura de fijación y la contribución porcentual del 29,25%. Además, los porcentajes de contribución del tiempo de fijación y de la concentración de sal fueron del 6,93% y del 9,48%, siendo estos dos últimos los que menos contribuyeron y no resultaron significativos.

Los gráficos residuales (gráfico de probabilidad normal, versus ajustes, histograma y versus orden) para las relaciones S/N de la eficiencia total de fijación del tinte (T%) se muestran en la Fig. 6. El gráfico de probabilidad normal obtenido muestra un patrón similar con la mayoría de los puntos en o cerca de la línea, lo que indica que los residuos se distribuyen normalmente durante todo el proceso de teñido. La gráfica de valores residuales versus valores ajustados se emplea para evaluar si los resultados de salida se ven afectados por los parámetros especificados. Revela que los puntos inferiores se orientan progresivamente de forma horizontal, mientras que los puntos superiores se orientan de forma más arbitraria hacia las líneas residuales (valor cero), lo que demuestra que los residuos tienen una relevancia de varianza constante41,42. Como se ve en el gráfico de barras del histograma, en muy pocas observaciones, los residuos tienen un punto de variación. Finalmente, el estudio de residuos versus orden indica que los residuos observados se distribuyen aleatoriamente hacia las líneas cero, lo que subraya que los residuos dependen en gran medida de la operación de teñido.

Gráficos residuales para relaciones S/N en probabilidad normal, versus ajustes, histograma y versus orden.

Con la ecuación de regresión, es posible calcular y comparar correctamente los valores proyectados en función de circunstancias experimentales20. Para el T% del tinte reactivo, las gráficas ajustadas de las respuestas esperadas frente a las experimentales se muestran en la Fig. 7. Un valor R2 del 89,6%, junto con un R2 ajustado del 98,9%, muestra claramente una buena coincidencia entre la T experimental y la proyectada. %. Los valores, por el contrario, están fuertemente alineados. La capacidad del modelo para predecir con precisión la respuesta es evidente cuando la variación alrededor de la media de las respuestas es menor. El valor P de este estudio es 0,000 y el coeficiente de correlación de Pearson entre el T% previsto y el real fue 0,8959. Esto muestra que los tipos de fijación esperados y reales están fuertemente correlacionados43.

Líneas ajustadas para las relaciones S/N experimentales (T%) y las relaciones S/N predichas (T%).

En el método Taguchi, la prueba de confirmación es necesaria para aclarar los resultados adquiridos y es muy recomendable para métodos estadísticos. El objetivo principal de este estudio es verificar la validez de las pruebas y las respuestas44. Los resultados de los ensayos de confirmación se muestran en la Tabla 10. Una vez deducidas las condiciones óptimas, el siguiente paso es comprobar que el proceso se ha optimizado. Los valores esperados se establecieron con el uso de software. Como resultado, el experimento se llevó a cabo utilizando la configuración óptima y se descubrió que se había logrado una mejora suficiente en la relación S/N. Se mejoró el T% (con un aumento en la relación S/N de 0,82), que era el objetivo principal de esta investigación. Estos hallazgos revelaron que se podría lograr un mejor rendimiento utilizando un diseño experimental estadístico consistente.

Se utilizó el análisis FTIR para determinar la diversidad de grupos funcionales en la tela de pasto original y la muestra teñida acondicionada optimizada por B194 (B194-O). Como se muestra en la Fig. 8, apareció un pico característico dominante a 3421 cm-1 debido a la vibración de estiramiento –OH de los grupos hidroxilo y fenólico. A continuación, se podría atribuir un pico de alrededor de 2906 cm-1 a la vibración de estiramiento de los grupos –CH45. Los picos a 1641 cm-1 correspondieron al grupo acetilo C=O, a 1429 cm-1 se asignaron a la vibración de flexión C-H, y cerca de 1028 cm-1 se deben a la vibración de estiramiento del enlace C-O-C46 ,47,48. En comparación con la tela de pasto original, los principales picos característicos todavía estaban presentes, lo que sugiere que los compuestos no celulósicos se eliminaron durante el proceso de teñido. Todavía se observaron algunos materiales gomosos en la superficie de la fibra teñida, como se correlaciona con las imágenes SEM, como se muestra en la Fig. 9e1.

Espectros FTIR de muestras teñidas en condiciones originales y optimizadas por B194.

Imágenes de (a,a1) original y (b,b1) R2, (c,c1) B194, (d,d1) O5, (e,e1) B194-O tela de pasto tradicional teñida y con sus imágenes SEM, respectivamente.

Las fotografías e imágenes SEM de telas de pasto tradicionales originales y muestras teñidas de telas de pasto después de enjabonarse, incluidas las teñidas con R2 (Tabla 2, No. 12), teñidas con B194 (Tabla 3, No. 15), teñidas con O5 (Tabla 4, No. 6), y teñido con B194 acondicionado optimizado (B194-O) se exhiben en la Fig. 9. Las muestras teñidas mostraron tonos de color satisfactorios, lo que demuestra que los procedimientos tradicionales de teñido reactivo podrían lograr una coloración efectiva de la tela de pasto. Además, los procedimientos de teñido no fueron perjudiciales por la presencia de materiales gomosos, porque los materiales gomosos existían en la tela de pasto antes y después de los procedimientos de teñido, como se muestra en las imágenes SEM.

Además, los valores L*, a* y b*, los valores K/S y la solidez del color al lavado y al frotamiento de las muestras teñidas se enumeran en la Tabla 11. El valor L* de la muestra teñida con B194 fue menor que el de las otras muestras. dos tintes, lo que significa que la muestra teñida con B194 era más oscura. La muestra B194-O apareció más oscura ya que su valor L* era 18,8, algo menor que el de la muestra B194. Además, el valor K/S de la muestra B194-O fue 22,89, ligeramente superior al de la muestra teñida con B194, lo que mostró que la tela de pasto teñida con B194 en condiciones optimizadas obtuvo la mejor intensidad del color. La solidez del color al lavado y al frotamiento de todas las muestras teñidas fue de un nivel alto, Grado 4 o superior, lo que certificó que la solidez del color de la tela de hierba teñida era satisfactoria.

En este estudio, se investigó exhaustivamente el comportamiento de teñido de la fibra de tela de pasto sostenible utilizando tres tipos de tintes reactivos comerciales y se determinó que el tinte B194 logró la tasa de fijación total más alta. Posteriormente, la implementación del diseño Taguchi ayudó a obtener las condiciones óptimas de teñido (A4B3C4D4) con una concentración de sal de 80 g L-1, tiempo de fijación de 50 min, temperatura de fijación de 80 °C y pH de la solución 11. Luego, El análisis ANOVA reveló que el pH de la solución fue el principal contribuyente con una cantidad del 50%. Los modelos ajustados de T% experimental versus predicho mostraron que están fuertemente correlacionados (el valor de P es 0,000). El T% se examinó en condiciones óptimas, que mostraron un valor mayor (53,18%) que en las condiciones iniciales (48,40%), lo que puede correlacionarse con la fotografía de la muestra teñida con B194. Además, las coordenadas de color y las propiedades de solidez fueron satisfactorias. Sin embargo, el trabajo actual sólo podía abordar tintes reactivos y la tasa de fijación total tampoco era tan alta. En consecuencia, el estudio sobre el teñido sostenible de telas de pasto debe realizarse mediante la aplicación de tintes naturales y diversos métodos anhidros, como la microemulsión y el dióxido de carbono supercrítico. Al mismo tiempo, el uso de un agente fijador catiónico podría ayudar a mejorar la tasa de fijación total. En general, estos problemas son aspectos esenciales de las industrias de teñido de textiles, que deben resolverse para ampliar sus usos comerciales futuros.

Los conjuntos de datos generados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable (Prof. Yingjie Cai, Y. Cai).

No se intentó ni utilizó ningún código durante el manuscrito actual.

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Este trabajo fue apoyado financieramente por el Proyecto de Apertura del Laboratorio Clave de Fibras de Biomasa y Tinte y Acabado Ecológico de Hubei, Número de Proyecto: STRZ202115.

Estos autores contribuyeron igualmente: Lina Lin y Tiancheng Jiang.

Laboratorio Provincial de Ingeniería de Hubei para la Producción Limpia y la Utilización de Alto Valor de Materiales Textiles de Base Biológica, Universidad Textil de Wuhan, Wuhan, 430200, China

Lina Lin, Tiancheng Jiang, Le Li, Cong Zhang, Chao Yan y Yingjie Cai

Laboratorio clave de Hubei de fibras de biomasa y teñido y acabado ecológico, Universidad Textil de Wuhan, Wuhan, 430200, China

Lina Lin, Tiancheng Jiang, Le Li, Cong Zhang, Chao Yan y Yingjie Cai

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LLTJLLMNPCZYC realizó todo el trabajo experimental y escribió las partes experimental y de resultados. LLMNPCYVNYC escribió y editó el resumen, la introducción y la revisión de la literatura. MNPCZCYVNYC y todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Chao Yan, Yingjie Cai o Vincenzo Naddeo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lin, L., Jiang, T., Li, L. et al. Teñido de fibra de tela de pasto tradicional sostenible utilizando el diseño ortogonal Taguchi L16 (4^4). Representante científico 12, 13833 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18213-9

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Recibido: 01 de mayo de 2022

Aceptado: 08 de agosto de 2022

Publicado: 16 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18213-9

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