The usage of natural dyes has been gradually vanishing since synthetic dyes were discovered and nowadays the annual share of natural dyes is approximately 1 %. However, the increasing awareness of environmental issues has raised demand for more sustainable and eco-friendly dyes, which are not dependent on petrochemical source. The natural dyes can be extracted from various sources and nature offers a wide range of different colored compounds, which can be used to all materials ranging from protein-based fiber, to cellulose fibers and to synthetic fibers. Natural dyes are secondary metabolites, i.e. they provide protection for the plant against external stress, and thus natural dyes have potential to bring new functionalities to dyed materials. However, natural dyes have generally weaker light and wash fastness properties than synthetic dyes.
The main objective of this work was to study dyeing of four different cellulose-based materials with natural dye extracted from willow bark. The used cellulose materials were microcrystalline cellulose (MCC), Ioncell (IC), TEMPO oxidized cellulose nanofibrils (TEMPO-CNF) and pure cellulose paper. The influence of concentrations, pretreatments and dyeing conditions to final obtained color were analyzed by UV-Vis spectroscopy.
According to UV-Vis spectroscopy and visual observations, the highest mordant concentration yielded to the darkest color and improved also the wash fastness properties. The best biomordant in these experiments was oxalic acid, although control samples mordanted with alum yielded to the darkest shades. The obtained colors were deeper in MCC samples than in IC samples. WBE and cellulose-WBE mixtures were exposed to UV radiation and it was observed that the color was gradually darkened and the particle size increased. In addition, a self-standing and self-healing film was noticed to form at the air-liquid interface of WBE solution. The results showed also that WBE acted as crosslinking reagent in low solid content TEMPO-CNF hydrogel production. The characterization of WBE is quite novel and the compounds are very similar, which makes quantitative and qualitative analysis challenging. In the future, optimization of the characterization methods is essential in order to make natural dyeing process more controllable, which could eventually allow to scale-up natural dyeing to industrial levelLuonnonvärien käyttö on vähitellen vähentynyt synteettisten värien myötä ja nykysyin luonnonvärien vuotuinen osuus on noin 1 %. Lisääntynyt ympäristötietoisuus on kuitenkin herättänyt kysyntää ympäristöystävällisemmille ja kestävän kehityksen periaatteiden mukaisille väreille, jotka eivät ole riippuvaisia öljypohjaisista raaka-aineista. Luonnonvärejä voidaan uuttaa useista lähteistä, ja luonto tarjoaa laajan skaalan erilaisia värillisiä yhdisteitä, joilla voidaan värjätä materiaaleja proteiinipohjaisista selluloosapohjaisiin ja synteettisiin materiaaleihin. Luonnonvärit ovat usein sekundaarisia aineenvaihdunnan tuotteita, eli ne suojaavat kasvia ulkoisilta stressitekijöiltä, minkä takia luonnonväreillä on mahdollista tuoda uusia toiminnallisia ominaisuuksia värjätyille materiaaleille. Luonnonväreillä on kuitenkin yleisesti ottaen huonommat valon- ja pesunkestävyysominaisuudet kuin synteettisillä väreillä.
Työn tarkoituksena oli tutkia neljän erilaisen selluloosapohjaisen materiaalin värjäämistä pajunkuoriuutteella. Työssä käytetyt selluloosamateriaalit olivat mikrokiteinen selluloosa, Ioncell, TEMPO-hapetettu nanofibrillaarinen selluloosa ja puhdas selluloosapaperi. Pitoisuuksien, esikäsittelyiden ja värjäysolosuhteiden vaikutus saavutettuun sävyyn karakterisoitiin UV-Vis spektroskopialla.
UV-Vis spektrien ja visuaalisen tarkastelun perusteella voitiin päätellä, että korkealla puretepitoisuudella saatiin aikaan tummin väri ja parhain pesunkestävyys. Parhaaksi luonnonpuretteeksi kokeissa havaittiin oksaalihappo, vaikkakin kontrollinäytteet alunalla puretettuna tuottivat tummimmat sävyt. Aikaansaadut sävyt olivat tummempia mikrokiteisissä selluloosanäytteissä kuin Ioncell-näytteissä. Pajunkuoriuutetta ja pajunkuoriuuteella käsiteltyjä selluloosamateriaaleja altistettiin UV-säteilylle ja voitiin havaita värin tummuvan asteittain ja partikkelikoon kasvavan. Lisäksi kokeissa havaittiin, että pajunkuoriuuteliuoksen rajapinnalle muodostuu itsestään parantuva kalvo ja, että pajunkuoriuutteella voidaan ristisilloittaa nanoselluloosaliuosta ja siten tuottaa geelejä. Pajunkuoriuutteen karakterisointi on vielä suhteellisen uutta ja lisäksi sen sisältämät yhdisteet ovat samankaltaisia, minkä takia kvantitatiivinen ja kvalitatiivinen analyysi on haastavaa. Karakterisointimenetelmien optimointi on erittäin tärkeää, jotta luonnonväriprosessista saataisiin helpommin hallittava ja teolliseen mittakaavaan skaalautuva.
