BR102018077446A2

BR102018077446A2 - fibras sintéticas poliméricas aditivadas com lignina, seu processo de obtenção e uso para confecção de produtos têxteis

Info

Publication number: BR102018077446A2
Application number: BR102018077446-8A
Authority: BR
Inventors: Talyta TORREZAN; Rafael Bastos Rocha; Nathan Riany Valerio Albino
Original assignee: Suzano Papel E Celulose S.A.
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-07-07
Also published as: CL2021001664A1; AU2019416800A1; WO2020132739A1; EP3904571A1; EP3904571A4; CA3123459A1; BR112021012856A2; KR20210129640A; MX2021007715A; CN113614297A; US20220074080A1

Abstract

Aplicada na área de fabricação de produtos têxteis, a presente invenção fornece composições de fibras sintéticas poliméricas contendo de 0,25% a 4,00% de Lignina proveniente do processo Kraft, que são incorporadas no polímero por meio de um processo de extrusão subsequente com o processo de fiação, pela utilização de uma extrusora dupla-rosca acoplada a uma fiadora. As fibras obtidas são utilizadas na produção de produtos têxteis com propriedades anti-UV devido à presença de Lignina, e com maior tenacidade e resistência ao estouro da malha.

Description

FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, SEU PROCESSO DE OBTENÇÃO E USO PARA CONFECÇÃO DE PRODUTOS TÊXTEIS

Campo da invenção:

[001] A presente invenção se insere, de modo geral, no campo da fabricação de produtos têxteis, mais especificamente voltados para aplicação de Lignina como aditivo em materiais poliméricos para tecelagem, com o intuito principal de promover o efeito anti-UV, bem como melhorar as propriedades mecânicas das fibras e dos tecidos, além de outros efeitos correlacionados. As referidas fibras são produzidas em processo continuo de extrusão seguido de fiação, no qual ocorre a incorporação da Lignina.

Fundamentos da invenção:

[002] O mercado de desenvolvimento de roupas com proteção anti-UV teve franca expansão nos últimos 20 anos devido à preocupação crescente com a exposição solar da pele relacionadas aos possíveis danos, como envelhecimento precoce ou até câncer em quadros mais graves.

[003] No inicio do século, a grande maioria dos itens de vestuário com proteção ultravioleta tinham problemas relacionados ao peso e ao tingimento, pois eram produzidos em tons escuros, e precisavam ser mais densos para manter suas propriedades mecânicas mínimas.

[004] Hoje em dia, devido aos avanços tecnológicos na área, tem se tornado possível a produção de produtos com variedades de cores e leveza, proporcionando também a facilidade de produção de tecidos com diferentes designs.

[005] Um dos aditivos comumente utilizados é o dióxido de titânio (Tio2) , geralmente na proporção de 1,5% em massa no poliéster (PET), no entanto, são comuns os problemas posteriores à produção, como, por exemplo, o foto-amarelecimento dos tecidos e a fotodegradação das fibras.

[006] No entanto, ainda perduram diversas deficiências inerentes ao processamento para inclusão desses tipos de aditivos nos materiais poliméricos e posterior fiação para produtos têxteis de forma geral, pois alguns aditivos, como a Lignina, são altamente susceptíveis à degradação, e as altas taxas de cisalhamento do processo podem incitar estes mecanismos degradantes.

[007] A matéria-prima Lignina tem sido cada vez mais estudada para atuar como um agente anti-UV em algumas formulações químicas. No entanto, sua aplicação como aditivo na extrusão termoplástica de polímeros ainda encontra dificuldades técnicas, devido à alta possibilidade de degradação da mesma em temperaturas relativamente baixas: 200°C a 220°C.

[008] Tratando-se da fiação para formação de fibras sintéticas utilizadas na confecção de produtos têxteis, como malhas, tecidos planos, e lonas, é comumente realizada uma extrusão dos filamentos (fiação) a partir de pellets previamente extrudados com um certo teor de aditivos. Esse teor de aditivos é de, no máximo, 4% em massa, pois o processo usual possui grande sensibilidade a heterogeneidades.

[009] O problema central que restringe a utilização de Lignina como aditivos em materiais poliméricos para produção de tecidos anti-UV é sua alta susceptibilidade à degradação, quando submetida a diversas etapas termomecânicas consecutivas como: aquecimento, resfriamento, cisalhamento, dentre outros.

[010] Ou seja, processos convencionais de extrusão nos quais há produção dos pellets aditivados para posterior fiação geralmente apresentam problemas relacionados à degradação da Lignina, que resultam em perdas das propriedades esperadas, e impedem a consolidação do processo de fiação.

[011] No que se refere ao processo de tecelagem é possível dividir os produtos obtidos em três classes: Não tecidos, tecidos planos e malhas. Os não tecidos são estruturas planas, flexíveis e porosas, que, no entanto, necessitam de processos mecânicos (fricção) e/ou químico (adesão) e/ou térmico (coesão) .

[012] O tecido plano é formado por uma estrutura produzida pelo entrelaçamento de um conjunto de fios de urdume, dispostos na direção longitudinal (comprimento) do tecido e outro conjunto de fios de trama, dispostos na direção transversal (largura) do tecido, formando ângulo de (ou próximo a) 90°. Os pontos de entrelaçamento são rígidos, não permitindo que os fios se desloquem uns sobre os outros quando o tecido é tensionado.

[013] Em contrapartida, a malha não é formada pelo principio trama e urdume, mas sim pelo entrelaçamento de um fio (ou cabo) consigo mesmo, sendo que cada laçada passa por dentro da laçada anterior, sem que haja um ponto fixo de ligação entre elas. Neste caso, assumem formas senoidais que se sustentam entre si e que são livres para se mover quando submetidas à tensão, caracterizando a sua flexibilidade. Ou seja, para produção de malhas poliméricas é necessário que as fibras utilizadas possam promover significativa tenacidade e resistência ao estouro.

Estado da técnica:

[014] Alguns documentos do estado da técnica descrevem produtos e processos que utilizam lignina como aditivos em materiais poliméricos e/ou promovem alguma solução para tentar impedir a degradação de tais aditivos no processamento para formação das fibras.

[015] A patente W02008140337 aborda a produção de têxteis utilizando fibras de celulose contendo nano ligninas, que atuam na proteção contra radiação UV. O processo consiste no uso de uma dispersão da Lignina para promover o acabamento de têxteis, no qual se utiliza uma técnica de recobrimento de tecidos por meio de imersão, não se referindo, portanto, em uma incorporação da Lignina diretamente na fibra.

[016] Além disso, ressalta-se que as fibras utilizadas no referido pedido de patente são fibras de celulose que contém naturalmente lignina em sua composição, enquanto que na presente invenção, utiliza-se lignina como um aditivo, completamente isolada e mais reativa, obtida pelo processo kraft, a partir de eucalipto, que permite a maior interação com outros compostos, apresentando comportamento e propriedades mais adequadas para atuação como aditivo em materiais poliméricos.

[017] O documento US5236645 abrange um processo em que se incorpora um aditivo no polímero já fundido utilizando uma solução aquosa do aditivo disperso, seguida de volatilização da fase aquosa, concentração e fiação da mistura.

[018] No referido documento identificou-se que se realiza uma dispersão de aditivos diversos por meio de alguns agentes que facilitam a incorporação no polímero. Ademais, não se menciona o uso da lignina, que é um aditivo natural, passível de degradação e de difícil incorporação neste tipo de processo.

[019] Ainda, entendeu-se, da descrição do documento US5236645, que a etapa de fiação só é realizada após obtenção de um concentrado (após total volatilização) que é então pelletizado e, posteriormente, fiado. Ou seja, não existe um processo continuo de extrusão seguida de fiação.

[020] O documento CN102776601 aborda um processo concomitante de extrusão e fiação para incorporação de aditivos em polímeros, utilizando uma extrusora dupla-rosca e fiação.

[021] Apesar de apresentar proposição similar no que tange ao processo, entende-se que os parâmetros de processo são completamente distintos, pois os parâmetros do processo apresentado não se aplicariam ao uso da lignina. Para se chegar ao processo da presente invenção, a temperatura e parâmetros nas zonas de fiação e partes da fieira tiveram que ser estudados especificamente para evitar a degradação da Lignina, bem como os parâmetros de estiragem referentes à temperatura e rotação.

Breve descrição da invenção:

[022] Aplicada na área de fabricação de produtos têxteis, a presente invenção revela composições de fibras sintéticas poliméricas contendo de 0,25% a 4,00% de Lignina proveniente do processo Kraft, a partir de eucalipto, que são incorporadas no polímero por meio de um processo de extrusão subsequente com o processo de fiação, pela utilização de uma extrusora dupla-rosca acoplada a uma fieira, contendo cinco zonas de aquecimento. As fibras obtidas são utilizadas na produção de produtos têxteis com propriedades anti-UV devido à presença de Lignina, e com maior tenacidade e resistência ao estouro da malha.

Breve descrição das figuras:

[023] Para auxiliar na identificação das principais características destas composições e processo, são apresentadas as figuras às quais se faz referências, conforme se segue:
Na Figura 1 apresenta-se a fieira acoplada à extrusora, com detalhamento para o fluxo do material polimérico aditivado. A extrusora dupla-rosca (1) é dividida em cinco zonas de aquecimento gradual (1A) (1B) (1C) (1D) (1E) e, por meio de um adaptador (2), executa-se a conexão entre a extrusora e a fieira; o material ao sair da extrusora passa por uma bomba (3) que direciona o fluxo para a braçadeira (4) e subsequentemente para a primeira matriz de fiação (5A). O processo de fiação continua pela segunda matriz (5B) e finalmente termina na terceira matriz (5C).
Na Figura 2 apresenta-se a fieira acoplada à extrusora com detalhamento para os rolos de aquecimento para fiação continua, usualmente denominados godets, em intervalos crescentes de rotação (6A) (6B) (6D) (6E) , de modo a promover o estiramento dos fios.
Na Figura 3 apresenta-se um breve fluxograma das etapas principais do processamento dos fios poliméricos, iniciando-se pela: extrusão termoplástica (A) do material polimérico em conjunto com o aditivo lignina; geração dos fios (B) de acordo com parâmetros específicos; estiramento na fieira(C).
Na Figura 4 apresenta-se os três tipos de tecidos passíveis de serem produzidos com as fibras sintéticas poliméricas objeto desta invenção, caracterizando seu uso para produção de estruturas "não tecidas" (7A), tecidos planos (7B) e malhas (7C).

Descrição detalhada da invenção:

[024] A presente invenção abrange composições poliméricas, contendo Lignina proveniente do processo Kraft, a partir de eucalipto, de acordo com os seguintes teores em relação aos materiais poliméricos empregados:

[025] Considera-se material polimérico qualquer polímero termoplástico com características reológicas que o torne passível de fiação, como, por exemplo, o Polipropileno (PP), Poli(tereftalato de etileno) (PET), Polietileno (PE) , Poli(tereftalato de butileno) (PBT), Poli(ácido lático) (PLA), Poliamida (PA), não restringindo a estes.

[026] O PET e o PP são os polímeros mais empregados na fiação de fibras têxteis sintéticas, o PLA se configura como uma opção ambientalmente sustentável, o PE possui alta compatibilidade com a Lignina em termos de temperatura de processo, assim como o PP, e o PBT possui grande afinidade química com a Lignina, além de possuir uso consolidado em aplicações específicas da indústria têxtil.

[027] A lignina utilizada nesta invenção é isolada, a partir de biomassa de eucalipto, por meio do processo kraft. Ressalta-se que apesar da biomassa de plantas ser composta principalmente por celulose, hemicelulose e lignina, os processos para isolar a lignina da biomassa lignocelulósica geram alterações estruturais e cisões da cadeia da lignina de origem. Desta maneira, a lignina isolada não apresenta as mesmas características e efeitos na aplicação da lignina contida na biomassa.

[028] O uso da Lignina promoveu benefícios técnicos a tais fibras têxteis sintéticas, bem como implicações correlatas relacionadas às vantagens ambientais por ser um produto de fonte renovável e econômico.

[029] Os estudos realizados apontaram melhorias na resistência mecânica à tração, tenacidade e alongamento dos fios, bem como aumento do fator de proteção contra raios ultravioleta e de resistência ao estouro da malha produzida por tais fibras sintéticas.

[030] Os resultados expostos na tabela a seguir, obtidos por meio de ensaios de tração das fibras, demonstraram que a adição de Lignina influencia de maneira positiva as propriedades mecânicas de alguns dos polímeros supracitados, demonstrando um aumento de tenacidade relacionado à adição de Lignina:

[031] O processo de obtenção desenvolvido, caracteriza-se por ser um processo continuo que promove a incorporação da Lignina no material polimérico, por meio do processo de extrusão, realizado em uma extrusora dupla-rosca acoplada a uma matriz de fiação, de modo que se promovam as seguintes etapas em fluxo continuo: Extrusão termoplástica (A), geração dos fios (B) e Estiragem (C).

[032] A fieira utilizada possui 144 capilares sendo o comprimento do capilar 0,3 mm e o diâmetro do capilar 0,17 mm. A pressão de fundido pode variar de 60-100 bar, enquanto que a rotação da bomba varia de 15 a 35 rpm.

[033] Os quatro godets (rolos) de estiramento possuem aumento gradual de rotação, sendo o primeiro situado entre 50 e 90 rpm, o segundo entre 80 e 130 rpm, o terceiro entre 120 e 190 rpm e o quarto entre 280 e 390 rpm.

[034] Executou-se a incorporação nos diversos polímeros, equilibrando-se somente os parâmetros do processo, principalmente em casos drásticos de solicitações termo-mecânicas para Lignina, como nos casos do PET e PBT. As faixas dos principais parâmetros de temperatura utilizados na fiação e estiramento do referido processo utilizado estão reunidas na tabela abaixo:

[035] É importante ressaltar a possibilidade de reaproveitar os tecidos depois de envelhecidos, por meio de um processo de reciclagem, pois a Lignina já está incorporada e, neste caso, não há necessidade de passar pelo processo de incorporação novamente, configurando-se como uma vantagem tanto econômica, quanto ambiental.

Exemplo da invenção: Polipropileno (PP) + Lignina

[036] Abordar-se-á um exemplo de incorporação de 1% de Lignina no Polipropileno (PP), realizada por meio do referido processo continuo de extrusão e fiação, com o intuito de demonstrar a melhoria dos efeitos anti-UV de acordo com resultados obtidos pelo teste de fator de proteção solar.

[037] O teste de fator de proteção solar foi realizado de acordo com a norma australiana AS:NZS 4399:1996 e, para este ensaio, foram escolhidas as Malhas do tipo RIB, muito utilizadas na produção de golas e punhos na indústria têxtil por possuírem um entrelaçamento mais agregado.

[038] As amostras foram produzidas utilizando 2 cabos de acordo com a especificação de tecido puro, compósito ou misto:
AM1 - Polipropileno puro (2 cabos)
AM2 - Malha Mista - PP puro (1 cabo) / PP 1% lignina (1 cabo)
AM3 - Polipropileno com 1% lignina (2 cabos)

[039] Os resultados foram avaliados de acordo com uma base de classificação baseada na norma australiana supracitada que categoriza valores de UPF (Ultraviolet Protection Factor), sendo que as amostras AM2 e AM3 (contendo lignina) apresentaram fator de proteção ultravioleta igual ou maior do que 50, caracterizando uma excelente proteção contra os raios UV, de acordo com a tabela abaixo:

[040] Ou seja, verificou-se que a adição de 1% de Lignina por meio do referido processo foi condição essencial para obter o efeito anti-UV na fiação e consequente produção de tecidos de Polipropileno (PP).

[041] Além disso, foram realizados ensaios de estouro de malha, de acordo com a norma ISO13938-1:1999, com o intuito de identificar o efeito da adição da Lignina nas propriedades mecânicas do artefato têxtil. A tabela a seguir apresenta os resultados de resistência ao estouro, em MPa:

[042] Os resultados obtidos demonstraram que a resistência de ruptura para a malha produzida exclusivamente com PP aditivado com lignina (AMC) foi 2,12 vezes maior do que amostra de PP sem aditivos. Isso equivale a um aumento de 112% em resistência ao estouro, enquanto que na amostra AMB (Malha mista) conseguiu-se um aumento de 46% na resistência ao estouro.

Exemplo da invenção: Politereftalato de etileno (PET) + Lignina

[043] Abordar-se-á um exemplo de incorporação de 0,50% de Lignina no Politereftalato de etileno (PET), realizada por meio do referido processo continuo de extrusão e fiação, com o intuito de demonstrar a melhoria dos efeitos anti-UV de acordo com resultados obtidos pelo teste de fator de proteção solar.

[044] O teste de fator de proteção solar foi realizado de acordo com a norma australiana AS:NZS 4399:1996 e, para este ensaio, foram escolhidas as Malhas do tipo RIB, muito utilizadas na produção de golas e punhos na indústria têxtil por possuírem um entrelaçamento mais agregado.

[045] As amostras foram produzidas utilizando 2 cabos de acordo com a especificação de tecido puro, compósito ou misto:
AN1 - Politereftalato de etileno puro (2 cabos)
AN2 - Malha Mista - PET puro (1 cabo) / PET 0,5% lignina (1 cabo)
AN3 - Politereftalato de etileno com 0,5% lignina (2 cabos)

[046] Os resultados foram avaliados de acordo com uma base de classificação baseada na norma australiana supracitada que categoriza valores de UPF (Ultraviolet Protection Factor), sendo que as amostras AN2 e AN3 (contendo lignina) apresentaram fator de proteção ultravioleta maior do que 50, caracterizando uma excelente proteção contra os raios UV, de acordo com a tabela abaixo:

[047] Ou seja, verificou-se que a adição de 0,5% de Lignina por meio do referido processo foi condição essencial para obter aumento no efeito anti-UV na fiação e consequente produção de tecidos de Politereftalato de etileno (PET).

[048] Além disso, foram realizados ensaios de estouro de malha, de acordo com a norma IS013938-1:1999, com o intuito de identificar o efeito da adição da Lignina nas propriedades mecânicas do artefato têxtil. A tabela a seguir apresenta os resultados de resistência ao estouro, em MPa:

[049] Os resultados obtidos demonstraram que a resistência de ruptura para a malha produzida exclusivamente com PET aditivado com lignina (ANC) foi 1,14 vezes maior do que amostra de PET sem aditivos. Isso equivale a um aumento de 14% em resistência ao estouro, enquanto que na amostra ANB (Malha mista) conseguiu-se um aumento de 25% na resistência ao estouro.

Claims

FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA caracterizadas por compreenderem 0,25% à 4,00% de Lignina como aditivo incorporado em materiais poliméricos termoplásticos.
FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadas pelo fato dos materiais poliméricos termoplásticos serem preferencialmente polipropileno (PP) , Poli (tereftalato de etileno) (PET), Polietileno (PE), Poli (tereftalato de Butileno) (PBT), Poli (ácido lático) (PLA).
FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadas pelo fato da Lignina ser obtida a partir de eucalipto, pelo processo Kraft.
FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadas por conterem preferencialmente 1,00% de Lignina quando produzidas a partir dos polímeros Polipropileno (PP), Polietileno (PE), Poli (tereftalato de Butileno) (PBT).
FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadas por conterem preferencialmente 0,50% de Lignina quando produzidas a partir do polímero Poli(tereftalato de etileno) (PET) .
FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadas por conterem preferencialmente 2,00% de Lignina quando produzidas a partir do polímero Poli(ácico lático) (PLA).
PROCESSO DE OBTENÇÃO DAS FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA caracterizado por realizar-se em um equipamento único que integra uma extrusora dupla-rosca e uma fieira e se concretiza por meio das seguintes etapas principais:
- (A) Extrusão termoplástica com extrusora dupla-rosca;
- (B) Geração dos fios (fiação);
- (C) Estiragem dos fios.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DAS FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por promover zonas de aquecimento gradual na etapa (1) , de acordo com faixas de temperaturas variáveis entre 50 e 300°C.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DAS FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICASADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por promover a passagem do produto extrudado para a fieira acoplada por meio de um adaptador (2) utilizando uma bomba (3) interligada a uma braçadeira (4).
PROCESSO DE OBTENÇÃO DAS FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por executar a fiação (5) por meio da passagem subsequente em matrizes, sob uma faixa de temperatura controlada situada no intervalo de 150°C a 300°C.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DAS FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por executar a estiragem (6) das fibras sintéticas utilizando rolos de aquecimento para fiação continua (godets) com níveis de rotação aumentando gradualmente.
USO DAS FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, caracterizado por serem empregadas na confecção de produtos têxteis.
USO DAS FIBRAS SINTÉTICAS POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM LIGNINA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por serem empregadas na produção de tecidos anti-UV com fator de proteção solar (FPS) iguais ou superiores a 15.