Dyeing and Printing Natural Fibers with Algae-Based Colorants

Abstract

[ES] La inminente necesidad de un desarrollo sostenible ha influido en el crecimiento de la industria, abriendo el camino para la transición progresiva hacia una bioeconomía sostenible. La evolución de la industria textil, caracterizada por altos niveles de contaminación, exige la continua exploración de alternativas a los recursos fósiles y procesos contaminantes. En este sentido, el presente estudio propone la exploración de una alternativa sostenible de colorantes naturales procedentes de biomasa de algas, para su aplicación en procesos de coloración, seleccionados por su reducido impacto ambiental, tanto en el cultivo de las algas, como en la extracción de colorantes, y su posible aplicación textil. Este estudio tiene como objetivo explorar la viabilidad del uso de colorantes procedentes de algas para su aplicación en procesos de coloración textil, como la tintura por agotamiento y estampación pigmentaria. La selección de micro y macroalgas ha sido realizada según criterios que facilitan un cultivo optimizado y simple, ofreciendo diferentes colores básicos para la industria textil, como son el azul (C-ficocianina), el rojo (R-ficoeritrina), el amarillo (ß-caroteno), y el verde (Clorofila a). Los extractos líquidos concentrados en colorantes se han empleado en los procesos seleccionados de acabado textil, para conferir color a fibras naturales, como el algodón y la lana. La viabilidad de las fuentes alternativas de colorantes sostenibles mencionadas anteriormente ha sido estudiada mediante el análisis de la influencia de ciertos auxiliares de coloración, como son los mordientes. Una serie de mordientes convencionales (metálicos, y recién descubiertos) y biomordientes han sido seleccionados para investigar su capacidad de mejora de las propiedades y eficacia de coloración de los colorantes sostenibles. Asimismo, se han estudiado aproximaciones teóricas relacionados con la posible unión fibras-mordientes-colorantes. La implicación del uso de mordientes en los procesos de tintura por agotamiento y estampación pigmentaria se ha caracterizado a través de la medición de las coordenadas cromáticas del espacio de color; el espectro de reflectancia junto con la fuerza del color. El análisis se ha completado con el cálculo del coeficiente de absorción, en base al colorante remanente en los efluentes del agua residual de tintura (para los procesos de tintura). No obstante, la influencia de los mordientes sobre la calidad de los procesos de coloración ha sido evaluada mediante ensayos de medición de solideces al lavado y a la luz realizados según normativas europeas en vigor. El proceso de tintura por agotamiento se ha optimizado para determinar los valores óptimos para la temperatura, relación de baño de tintura, pH, tiempo de proceso, teniendo en cuenta la sensibilidad de los colorantes frente a los factores degradantes y de proceso. Siguiendo el carácter sostenible del proceso, se ha realizado una evaluación preliminar de los efluentes de aguas residuales de tinturas, a través de mediciones de indicadores como DBO5, DQO, contenido en metales, y el comportamiento frente a un tratamiento biológico de aguas residuales. Igualmente, se investigó el posible valor añadido de los colorantes estudiados, midiendo la capacidad de protección solar y antimicrobiana. El proceso de estampación pigmentaria abordó la investigación de la viabilidad de los colorantes mediante el empleo de la pasta de estampación sintética convencional, completada con la evaluación de la alternativa representada por la pasta de estampación natural, considerando, al mismo tiempo, la disponibilidad comercial de los componentes. Los resultados obtenidos confieren una validación preliminar de la idoneidad de la aplicación de materia colorante procedente de algas en procesos de tintura por agotamiento y la estampación pigmentaria sobre sustratos textiles de algodón y lana, a escala de laboratorio, con elementos clave para las perspectivas de funcionalización textil, abriendo así el camino para futuras investigaciones que hará posible el escalado de los procesos y el uso industrial de materiales alternativos sostenibles en la industria textil.

[CA] La creixent necessitat per a un desenvolupament sostenible ha tingut un gran impacte en el creixement de la indústria, obrint el camí per a la transició progressiva cap a una bioeconomia sostenible. L'evolució de la indústria tèxtil, caracteritzada per els alts nivells de contaminació fomenta la contínua exploració d'alternatives als recursos fòssils i processos contaminants. En aquest sentit, el present estudi proposa l'exploració d'una alternativa sostenible de colorants naturals procedents de biomassa d'algues, per a la seua aplicació en processos de coloració, seleccionats a causa de l'impacte ambiental reduït, generat pel cultiu de les algues, l'extracció de colorants, i la seua possible aplicació tèxtil. Aquest estudi té com a objectiu explorar la viabilitat de l'ús de colorants procedents d'algues per a la seua aplicació en processos de coloració tèxtil, com la tintura per esgotament i estampació pigmentària. La selecció de micro i macroalgues ha sigut realitzada segons criteris que faciliten un cultiu optimitzat i senzill, que proveeix colors bàsics per a la indústria tèxtil, com són el blau (C- ficocianina), el roig (R-ficoeritrina), el groc (ß-caroteno, i el verd (Clorofil·la a) . Els extractes líquids concentrats en colorants s'han emprat en els processos seleccionats d'acabat tèxtil, per a conferir color a fibres naturals, com el cotó i la llana. La viabilitat de les fonts alternatives de colorants sostenibles mencionades anteriorment ha sigut abordada per mitjà de l'anàlisi de la influència de certs auxiliars de coloració, com són els mordents. Una sèrie de mordents convencionals, metàl·lics, acabats de descobrir i bio mordents ha sigut seleccionada per a investigar la seua capacitat de millora de les propietats i eficàcia de coloració dels colorants sostenibles. A més a més, es va estudiar aproximacions teòriques relacionades amb la unió plausible entre fibres-mordents-colorants. La implicació de l'ús de mordents en els processos de tintura per esgotament i estampació pigmentària s'ha analitzat mitjançantassajos de caracterització, contemplant la caracterització objectiva del color per mitjà del mesurament de les coordenades cromàtiques de l'espai de color; l'espectre de reflectància junt amb la força del color; anàlisi completada pel càlcul del coeficient d'absorció, a base del colorant romanent en els efluents de l'aigua residual de tintura (per als processos de tintura). No obstant això, la influència dels mordents sobre la qualitat dels processos de coloració ha sigut avaluada per mitjà d'assajos de mesurament de solideses al llavat i a la llum realitzats segons normatives europees en vigor. El procés de tintura per esgotament ha sigut optimitzat per a determinar els valors òptims per a la temperatura, relació de bany de tintura, pH, temps de procés, valorant el caràcter sensible dels colorants front als agents degradants i de procés. Recolzant el caràcter sostenible del procés, s'ha realitzat una evaluación preliminar dels afluents d'aigües residuals de tintures, mitjançant mesuraments d'indicadors, com DBO5, DQO, contingut en metalls, i el comportament enfront d'un tractament biològic d'aigües residuals. Igualment, es va investigar el possible valor afegit dels colorants procedents d'algues, mesurant la capacitat de protecció solar i antimicrobiana. El procés d'estampació pigmentària va abordar la investigació de la viabilitat dels colorants per mitjà de l'ocupació de la pasta d'estampació sintètica convencional, completada amb l'avaluació de l'alternativa representada per la pasta d'estampació natural, considerant, al mateix temps, la disponibilitat comercial dels ingredients. Els resultats obtinguts confereixen una validació preliminar de la idoneïtat de l'aplicació de matèria colorant procedent d'algues en processos de tintura per esgotament i l'estampació pigmentària sobre substrats tèxtils de cotó i llana, a escala de laboratori, amb elements clau per a les perspectives de funcionalització tèxtil, obrint així el camí per a futures investigacions que farà possible l'escalat dels processos i l'ús industrial de materials alternatius sostenibles a la indústria tèxtil.

[EN] The crucial need for sustainable development has an immense impact on industrial evolution paving the path for a progressive transition towards a sustainable bioeconomy. Considering the pollutant evolution of the textile industry, approaches to exploring environmentally friendly alternatives to fossil-based resources and polluting processes have become the most current practice nowadays. In this sense, this study proposes the exploration of a sustainable alternative colorant material for coloration applications, from algae-based feedstock, considering the reduced environmental pressure embroiled by algae cultivation, colorant extraction, and its possible further textile application. This study explores the viability of the use of algae-based colorants for their application in exhaustion dyeing and pigment printing coloration techniques for the textile industry. Micro and macroalgae strains selection was performed according to criteria ensuring facile and optimized cultivation and the provision of basic colors for the textile industry as blue (C-phycocyanin), red (R-phycoerythrin), yellow (ß-carotene), and green (Chlorophyll-a). Liquid colorant-rich extracts were employed in the selected textile finishing processes on natural fibers, like cotton and wool. To approach the viability of these alternative sustainable colorants and enhance coloration properties and efficiencies, a series of auxiliaries were assessed, as conventional metallic and newly discovered mordants, and biomordants. Theoretical assumptions related to the plausible bonding among fibers-mordants-colorants were approximated. The auxiliaries implication in exhaustion dyeing and pigment printing processes were analyzed through a series of characterization tests, envisaging objective color characterization determined by the measurement of CIELab color coordinates; reflectance spectrum, and color strength approaching the depth of the coloration; completed by the calculation of the absorption coefficient, based on the remaining colorant matter in the wastewater effluents (for the dyeing process). Nevertheless, the mordants' influence on the quality of the coloration process was assessed through laundering and lightfastness measured according to European standards for textiles characterization. The dyeing exhaustion process was also subjected to parameters optimization in terms of the definition of optimum temperature, dyeing liquor ratio, pH, and time, considering the colorants' sensibilities for degrading and processing agents. A preliminary nearing towards the dyeing wastewater effluent quality assessment supporting the sustainability character of the process was performed through the measurement of basic water characterization indicators as BOD5, COD, metal content, and behavior against biological wastewater treatment. Furthermore, the possible added value of the algae-based colorants was investigated by measuring the antimicrobial and solar protection capacity, enlarging the application prospects of these innovative raw materials for textile applications. The pigment printing process approached the research of the feasibility of the colorants by employing the conventional synthetic printing paste, completed with the assessment of alternative natural printing paste, considering, at the same time the commercial availability of ingredients. The obtained results confer a preliminary validation of the suitability of the application of algae-based colorant matter in exhaustion dyeing and pigment printing of cotton and wool, at laboratory scale, with key elements for textile functionalization perspectives, thus paving the path for further investigation which will make possible the upscaling of the processes and industrial use of alternative sustainable materials in the textile industry.