Effect of Organic and Inorganic Mordants in Dyeing Paper Pulp with Natural Dyestuffs

Abstract

In this study, the bark of Pinus brutia (Turkish red pine) was utilized for the extraction of a natural dye. The bark was obtained from freshly felled trees used for log production, making use of the otherwise discarded outer bark. For dye extraction, the bark was subjected to soxhlet extraction with distilled water for 4 hours, during which it was boiled and stirred at 30-minute intervals. The resulting mixture was cooled and filtered to obtain the dye solution. In the experimental design, the Control 1 (K1) paper samples were produced without the use of any dye or mordant. In Control 2 (K2), Control 3 (K3), and Control 4 (K4), only the natural dye was applied, without any mordant. For the mordanted paper samples, alum (aluminum sulfate) and grape vinegar were used separately. Bleached wood pulp derived from eucalyptus wood using the kraft method was employed in the paper production process. Colorimetric measurements were conducted using the CIE Lab* color space system. To evaluate the lightfastness of the dye, the dyed paper samples were exposed to UV light for predetermined durations. The results indicated that the use of mordants significantly enhanced dye fixation. Among the mordants, grape vinegar exhibited a stronger effect compared to alum. However, in terms of color transition—particularly shifts from red to blue and yellow to blue—alum demonstrated a faster rate of color change than grape vinegar. In recent years, there has been a growing interest in the use of natural dyes in paper dyeing processes. In sectors requiring high sensitivity, such as food pac-kaging and toy coloring, the use of natural dyes has become mandatory, with synthetic dyes being prohibited. This highlights the superiority of natural dyes in terms of safety and reliability. Another field in which synthetic dyes are commonly used is the production of paper and cardboard products for preschool children. Promoting and expan-ding the production of natural dyes holds significant potential for transformation in this sector as well. Given their anti-allergenic and antimicrobial properties, natural dyes are also believed to contribute positively to the protection of children's health.

Keywords

• Dyestuff
• mordant
• paper dyeing
• UV resistance
• CIEL*a*b*

Doğal Boyarmadde İle Kağıt Hamuru Boyamada Organik ve İnorganik Mordan Etkisi

Öz

Bu çalışmada doğal boyar madde eldesi için kızılçam kabuğu kullanılmıştır. Kabuk temininde tomruk üretimi için yeni kesilmiş bir ağacın atıl bırakılan kabuğu kullanılmıştır. Boyar madde eldesi için saf su ve kızılçam kabuğu soxhlet ekstraksiyon cihazında 4 saat süre boyunca ve 30dakika aralıklarla karıştırılıp kaynatılmış sonunda karışım soğutulup süzülmüştür. Elde edilen çözelti boyar madde olarak kullanılmıştır. Deney planında Kontrol 1 (K1) amaçlı üretilen kağıtlarda boyar madde ve mordan kullanılmamıştır. Kontrol 2 (K2), Konrtol 3 (K3) ve Kont-rol 4 (K4) kağıtlarında mordan kullanılmamış olup, sadece boyar madde kullanılmıştır. Mordanlı kağıtlarda şap ve üzüm sirkesi ayrı ayrı kullanılmıştır. Çalışmada kağıt üretiminde okaliptüs odunundan Kraft yöntemi ile elde edilmiş, ağartılmış odun hamuru kullanılmıştır. Değerlerin ölçümünde kolorimetrik ölçümden (CIEL*a*b* sistemi) yararlanılmıştır. Boyar maddenin ışığa karşı dayanıklılığını ölçmek için belirli sürelerde UV ışığına maruz bırakıl-mıştır. Uygulanan işlemler sonucunda boyar madde tutunması bakımından mordanlar karşılaştırıldığında, üzüm sirkesi kullanımının şap kullanımından daha güçlü etki gösterdiği sonucuna varılmıştır. Kırmızıdan maviye ve sarıdan mavi renklere doğru hareketler kıyaslandığında ise şap mordanının üzüm sirkesine oranla renk geçiş hızı-nın daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Kağıt boyama süreçlerinde doğal boyaların kullanımına yönelik eğilim günümüzde artış göstermektedir. Özellikle gıda boyama ve oyuncak boyama gibi hassasiyet gerektiren sektörlerde doğal boya kullanımı zorunlu hale getirilmiş ve sentetik ürünlerin kullanımı yasaklanmıştır. Bu durum, doğal boyaların güvenilirlik ve sağlık açısından üstünlüğünü vurgulamaktadır. Sentetik boyaların yaygın olarak kullanıl-dığı bir diğer alan ise okul öncesi çocukların kullandığı kağıt ve karton ürünleri sektörüdür. Doğal boyar madde üretimine verilen önemin artırılması ve üretimin yaygınlaştırılması halinde, bu alanda da önemli bir dönüşüm potansiyeli bulunmaktadır. Doğal boyar maddelerin anti-alerjen ve antimikrobiyal özellikleri sayesinde çocuk sağlığının korunmasına önemli katkılar sağlayabileceği düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Boyar madde
• mordan
• kağıt boyama
• UV direnci
• CIEL*a*b*

Kaynakça

1. Akgün, M., Becerir, B. ve Alpay, H.R. (2007). Assessment of Color Strength and Color Difference Values of Polyester Fabrics Containing Continuous Weft Yarns After Abrasion. Fibers and Polymers, 8(5): 495-500.
2. Akgün, M., Becerir, B. ve Alpay, H.R. (2008). Assessment of Color Strength and Chroma Value Sof Polyester Fabrics Having Different Cover Factors After Abrasion. Textile Research Journal, 78(3): 264-271.
3. Akgün, M., Alpay H., R. ve Becerir B. (2012). Kumaş Yapısal Parametreleri İle Reflektans değerleri Arasındaki İlişkile-rin Değerlendirilmesi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 17(1): 93-106.
4. Akyol, E., & Çakar Sevim, P. (2023). Dyes Used for Colouring Manuscripts and Their Effect on Cellulose Degrada-tion. Restaurator. International Journal for the Preservation of Library and Archival Mate-rial, 44(4), 345-360.
5. Bebekli, M. (1998). Doğal Kaynaklardan Boyar Madde İzolesi ve Pratikte Kullanılabilirliğinin İncelenmesi(Yüksek Lİsans Tezi). Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekstil Mühendisliği Anabilim Dalı, Adana, 105 s.
6. Çakar, P., & Akyol, E. (2022). The Effects of Natural Dye and Iron Gall Ink on Degradation Kinetics of Cellulose by Accelerated Ageing. Studies in Conservation, 67(6), 381-388.
7. Eser, F. ve Önal, A. (2015). Dyeing of Wool and Cotton with Extract of the Nettle (Urtica dioica L.) Leaves. Journal of Natural Fibers, 12(3): 222-231.
8. Etters, J.N. (1997). Influence of Fabric Surface Effect on Color Depth and Hue of Garment-dyed. Textile. Am. Dyest. Rep., 86(5): 15–18.

9. Hunterlab, (2008a). Kubelka-Monk Theory and K/S. Applications Note 18(7): 1-3
10. Hunterlab, (2008b). CIE L*a*b* Color Scale. Applications Note, 8(7):.1-4.
11. Ingamells, W. (1993). Colour for Textiles: A User’s Handbook. The Society of Dyers and Colorists, Bradford, 192 s.
12. Karadağ, R. (2007). Doğal Boyamacılık. T.C. Kültür ve Turizm Bakanlığı, Döner Sermaye İşletmesi Merkez Müdürlüğü, Geleneksel El Sanatları ve Mağazalar İşletme Müdürlüğü, Ankara, 128 s.
13. Karadag, R. ve Böhmer, H. (2001). Dye Analyses by Derivate UV / Vis Spectrophotomety Dyes in History and Archae-logy. Dyes in History and Archaeology 16/17: 106-118.
14. Keşmer, C., (2020). Değişik Doğal Boyar maddelerle Renklendirilmiş Kağıtlarda Renk Stabilitesinin Belirlenmesi ( Doktora tezi). Bartın Üniversitesi, 113s. Erişim adresi: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi.
15. Keşmer, C., Gençer, A., Kılıç Pekgözlü, A., ve Bebekli, M. (2020a). Kızılçam Kabuğu ve Soğan Kabuğundan Elde Edi-len Doğal Boyar maddelerin Kağıt Hamurunu Boyama Performansı, Journal of Bartin Faculty of Forestry, 15 Nisan/April, 2020, 22(1): 123-132 Keşmer, C., Gençer, A., Kılıç Pekgözlü, A., ve Bebekli, M. (2020b). Kızılçam Kabuğundan Doğal Boyar madde Üretil-mesi ve Boyamada Organik Mordan Kullanımının Etkisi, Euroasia Journal of Mathematics, Engine-ering, Natural & Medical Sciences, International Indexed & Refereed ISSN: 2667-6702, Volume (7), Issue (9), Year (2020).
16. Keşmer C. ve Gençer A., (2022a). Uv Performance Of Mordant Made From Aloe Vera Plant On Natural Dyed Paper, Çukurova 9th Internatıonal Scıentıfıc Researches Conference, s. 1679-1688, October 9-11, 2022 Adana, Full Texts Book (Volume 2).
17. Keşmer C. ve Gençer A., (2022b). The Effect Of Usıng Natural Mordant On Paper Dyeıng Wıth Dyestuff Made From Waste Onıon Skın, Çukurova 9th Internatıonal Scıentıfıc Researches Conferences, s. 1607-1617, Oc-tober 9-11, 2022 Adana, Full Texts Book (Volume 2).
18. Krishnamurty, K.V. Siva R. ve Senthil Kumar T. (2002). Natural Dye Yielding of Shervaroy Hills of Eastern Ghats. Department of Plant Science, Bharathidasan University, Tiruchirappalli 620 024. National Seminar on Conservation of Eastern Ghats:151- 153.
19. Korur, N.R. (1937). Planzenfarbstoffe in der Türkei. Ankara Yüksek Ziraat Enstitüsü, Ankara, 177 s.
20. Kubelka, P. (1948). New Contributions to The Optics of Intensely Light-Scattering Materials Part I. Journalof the Opi-cal. Society of America, 38(5): 448-457.
21. Mc Donald, R. (1987). Colour Physics for Industry. SDC and Dyers Company Publications Trust, London, 301 s. Mc Laren, K. (1986). The Colour Science of Dyes and Pigments. Adam Hilger Ltd., ABD, 209 s.
22. Önal, A. (2000). Doğal Boyar Maddeler (Ekstraksiyon – Boyama). Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Yayınları No:7 Tokat.
23. Sasaki, H., Yanai, E. ve Araki, H. (1993). Correcting Fabric Dyeing Rates by Evaluating Contactpoints of Yarns. Texti-le Research. Journal, 63(10): 614-618.
24. Shin, K.I., Kim, S.H. ve Kim, J.J. (2005). Image Analysis of The Luster of Fabrics with Modified Cross-Section Fibers. Fibers and Polymers, 6(1): 82-88.
25. Stefan, B., Liane, M., ve Dietmar, F. (1999). Postscriptum on Color Management. Gretag Macbeth, 122 s.