BR102019024477A2

BR102019024477A2 - Processo de obtenção de fibras texteis a base de óxido de grafeno e poliéster

Info

Publication number: BR102019024477A2
Application number: BR102019024477-1A
Authority: BR
Inventors: Guilhermino José Macêdo Fechine; Pablo Andrés Riveros Muñoz; Ricardo Jorge Espanhol Andrade; Tamíris De Oliveira Lambert; Claudio Rogério Dini
Original assignee: Dini Têxtil Indústria E Comércio Ltda.; Instituto Presbiteriano Mackenzie
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-06-01
Also published as: WO2021097544A1

Abstract

"processo de obtenção de fibras texteis a base de óxido de grafeno e poliéster". o processo visa a produção de nanocompósitos de poliéster e óxido de grafeno, para aplicações na indústria têxtil e compreende a formação de uma pré-mistura de partículas de poliéster com uma dispersão de óxido de grafeno em solvente, gerando, após a secagem, um composto híbrido heterogêneo com as partículas de poliéster recobertas por folhas de óxido de grafeno. o composto híbrido heterogêneo é inserido em uma extrusora dupla rosca, para formação de um nanocompósito polimérico via mistura no estado fundido. a extrusão do nanocompósito polimérico é então efetuada em equipamento acoplado com dispositivo de puxamento de fios. os fios produzidos apresentam partículas de óxido de grafeno com excelente distribuição na matriz de poliéster, sem aglomerados e proporcionando o uso desses fios para diversas aplicações, incluindo a produção de tecidos.

Description

PROCESSO DE OBTENÇÃO DE FIBRAS TEXTEIS A BASE DE ÓXIDO DE GRAFENO E POLIÉSTER

Campo da invenção

[001] A invenção é voltada à produção de nanocompósitos de poliéster e óxido de grafeno destinados às indústrias transformadoras de fios sintéticos, como as indústrias têxteis, de malharia sintética, automobilística e aeronáutica, podendo ser aplicada na obtenção de fios com maior desempenho mecânico, tribológico e apresentando maior conforto térmico para o usuário do produto têxtil.

Técnica anterior

[002] Os processos conhecidos, voltados à produção de fibras têxteis a partir de misturas de nanocompósitos a base de grafeno e material polimérico, apenas promovem a mistura física do grafeno ou óxido de grafeno, na forma de pó, com grânulos do polímero, sendo essa mistura sólida conduzida diretamente a equipamentos de formação do nanocompósitos, tal como uma extrusora.

[003] Esses conhecidos processos, que utilizam a mistura sólida do pó de grafeno ou óxido de grafeno com grânulos do polímero, não permitem desagregar ou dispersar completamente as partículas durante o processamento, conduzindo à formação de aglomerados de grafeno ou de óxido de grafeno na matriz polimérica, ou seja, no material nanocompósito obtido a partir da referida mistura sólida. Esses aglomerados de nanopartículas de grafeno ou de óxido de grafeno impossibilitam a produção de fios com propriedades homogêneas, sendo que, muitas vezes, nem o fio consegue ser puxado.

[004] Alguns desses processos conhecidos utilizam grafeno e uma matriz de poliamida ou de nylon, materiais esses que não conduzem aos mesmos resultados obtidos com o uso do óxido de grafeno disperso em uma matriz de poliéster.

[005] O documento WO2017066937A1 descreve um processo de obtenção de fibras de um material nanocompósito formado por grafeno e poliéster, sendo que a dispersão da carga seca é realizada em misturador de alta velocidade, com a fibra sendo obtida por diluição de um concentrado no qual as concentrações de grafeno variam de 0.1 até 20%. Nesse processo, o alto cisalhamento leva à quebra (degradação) do polímero e perda de propriedades da matriz, sendo que a utilização de materiais secos não garante uma adequada dispersão das partículas de grafeno na matriz polimérica.

[006] O documento CN 105200547A descreve um processo de obtenção de fibras de um material nanocompósito formado por óxido de grafeno reduzido e poliéster, com a dispersão da carga seca sendo também realizada em misturador de alta velocidade, em concentrações de óxido de grafeno variando de 0,1 a 20% e com posterior extrusão em dupla rosca. Conforme descrito em relação ao processo anterior acima citado, esse outro processo também apresenta o inconveniente de produzir alto cisalhamento, levando à quebra do polímero e perda de propriedades da matriz polimérica. A utilização de materiais secos, na formação da mistura, não garante uma adequada dispersão das partículas de grafeno na matriz polimérica.

[007] Um material bidimensional como o óxido de grafeno, apresentando elevada área superficial, necessita de poucos teores em nanocompósitos poliméricos, para prover uma efetiva ação reforçante. Entretanto, essa mesma propriedade induz a uma re-aglomeração muito fácil das partículas de óxido de grafeno durante a mistura com o polímero.

[008] A dispersão deficiente das partículas de óxido de grafeno na matriz polimérica conduz à formação de aglomerados de óxido de grafeno, não permitindo a obtenção de fios homogêneos e de diâmetros micrométricos exigidos para aplicação na indústria têxtil. Esses aglomerados podem impedir que os fios sejam formados, pois entopem as matrizes de extrusão, ou levar à ruptura catastrófica do material compósito durante a fiação.

Sumário da invenção

[009] Em razão das deficiências dos processos de obtenção de referidas fibras têxteis, em material nanocompósito de óxido de grafeno e poliéster, a presente invenção tem o objetivo de prover um processo para a obtenção de referidas fibras que permita uma correta inserção de partículas de óxido de grafeno em poliéster, garantindo uma boa distribuição e uma adequada dispersão dessas partículas na matriz polimérica, evitando a formação dos aglomerados e garantindo a produção dos fios sem as indesejáveis rupturas durante a fiação.

[010] De acordo com a invenção em questão, é utilizada uma suspensão de óxido de grafeno de elevada concentração, para pré-mistura com as partículas do poliéster, recobrindoas, com a consequente manutenção da morfologia do óxido de grafeno, sem gerar a formação de aglomerados no composto híbrido heterogêneo assim obtido. Deve ser observado que o processo de formação do composto híbrido heterogêneo, antes da produção do nanocompósito polimérico via mistura com o polímero no estado fundido, garante dispersão e distribuição adequadas das partículas de óxido de grafeno na matriz polimérica, permitindo a subsequente formação de fios homogêneos e de diâmetros micrométricos.

Breve descrição dos desenhos

[011] O processo em questão será descrito a seguir, fazendo-se referência aos desenhos anexos nos quais:

[012] A figura 1 representa um gráfico com distribuição de partículas de óxido de grafeno geradas a partir de imagens de microtomografia de raios-X do nanocompósito de poliéster e óxido de grafeno, com concentração de 0,0125% em massa de óxido de grafeno na matriz polimérica; essa técnica fornece uma informação mais ampla da amostra analisada, podendo ser avaliado um grande número de partículas; e

[013] A figura 2 representa uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão (MET) do nanocompósito com concentração de 0,0125% em massa de óxido de grafeno na matriz de poliéster, (essa técnica é usada para observações de áreas bem menores que a tomografia), cobrindo uma região mais ampliada e próxima às partículas de óxido de grafeno.

Descrição do processo da invenção

[014] O processo objeto da presente invenção compreende as seguintes fases e etapas:

[015] Em uma primeira fase do processo, denominada de pré-mistura, o poliéster é micronizado para produção de partículas com dimensões menores que 1 mm, garantindo assim o aumento da área superficial.

[016] Nessa fase de pré-mistura, é provida uma dispersão de óxido de grafeno em solvente adequado e com concentração variável entre 1 e 5 g/L. O solvente pode ser água e, com isso, a concentração da dispersão pode atingir valores máximos de 5 g/L, facilitando assim a próxima etapa (mistura da dispersão de óxido de grafeno com os grânulos do polímero, seguida de secagem). Ou seja, o volume da dispersão a ser usado será baixo para atingir as concentrações especificadas de óxido de grafeno no compósito, para que o processo de secagem seja mais rápido. No caso de solventes orgânicos, como etanol, álcool isopropílico e tetrahidrofurano, a concentração da dispersão de óxido de grafeno é definida em limites inferiores (próximo a 1g/L), o que conduz à necessidade de um volume maior da dispersão para atingir as mesmas concentrações. Outro fator importante é que quando se usa água como solvente, o processo de obtenção do óxido de grafeno (esfoliação líquida do óxido de grafite) produz material de melhor qualidade (menor número de folhas empilhadas e maior tamanho lateral).

[017] O óxido de grafeno presente na dispersão utilizada caracteriza-se por ter espessura variando entre 1 a 10 nm e tamanho lateral na faixa de 0,5 a 10 micrômetros.

[018] Tendo sido obtida a dispersão de óxido de grafeno, um volume conhecido dessa dispersão é pré-misturado a uma massa de poliéster para se atingir a concentração de óxido de grafeno desejada no nanocompósito poliéster/óxido de grafeno. A concentração de óxido de grafeno é determinada em função das propriedades finais do produto a ser preparado ou sua aplicabilidade, seja fibra ou tecido. No caso de melhorias em propriedades térmicas, a concentração de óxido de grafeno necessária varia em torno de 0,5 a 5,0% em massa da matriz de poliéster, enquanto que para melhoria em propriedades mecânicas de tração e desgaste, esse valor fica em torno de 0,01 a 1,0%.

[019] A pré-mistura de poliéster, óxido de grafeno e solvente é submetida a uma etapa de secagem a baixas temperaturas (inferiores a 50oC) sob vácuo e submetida a agitação constante. Nessa etapa é obtido o composto híbrido heterogêneo formado por grânulos do poliéster, recobertos com folhas de óxido de grafeno.

[020] Após a etapa de secagem, o composto híbrido heterogêneo é submetido a uma etapa de secagem final, sendo exposto, por exemplo, por um período de 36 h, a 60° C, em um equipamento apropriado tal como uma estufa de circulação, para garantir a eliminação de partículas de água adsorvidas no composto híbrido heterogêneo. Ao final dessa etapa secagem final, o composto deve atingir valores entre 20.000 e 30.000 ppm de umidade.

[021] Em uma segunda fase do processo, é realizada a produção do nanocompósito polimérico a partir do composto híbrido heterogêneo submetido às etapas de secagem e de secagem final. Nessa segunda fase o composto híbrido heterogêneo é submetido a uma etapa de mistura em estado fundido por processamento em extrusora dupla rosca. As condições de processamento e perfil de rosca são as seguintes:

- Taxa de alimentação: de 5 a 10g/h
- Velocidade de rosca: de 100 a 200 rpm
- Perfil de temperatura: de 240 a 280°C.

[022] Completada a fase de produção de produção do nanocompósito polimérico, por mistura em estado fundido em extrusora dupla rosca, o nanocompósito polimérico é coletado e conduzido a silos de secagem acoplados a uma extrusora com dispositivos para produção de fios.

[023] Após secagem nos silos, para garantir um valor mínimo de 30.000 ppm de teor de umidade, o nanocompósito polimérico é processado sob as seguintes condições:

- Taxa de alimentação: de 30 a 40 kg/h
- Velocidade de bomba da rosca: de 30 a 40 rpm
- Perfil de temperatura: de 260 a 280ºC.
- Velocidade de puxamento do fio: de 2600 a 3000 m/min

[024] O fio produzido pode apresentar diâmetro variando em torno de 200 dtex com 49 filamentos.

[025] A boa distribuição e dispersão das partículas dentro do fio foram comprovadas pelo uso de imagens obtidas a partir de técnicas de microscopia eletrônica de varredura e microtomografia de raios-X, conforme ilustrado nos desenhos anexos.

[026] Como pode ser observado pela figura 1 dos desenhos, o nanocompósito polimérico apresenta uma distribuição bastante homogênea das partículas de óxido de grafeno na matriz de poliéster.

[027] Na figura 2 dos desenhos, pode ser notado que as folhas de óxido de grafeno apresentam muito pouca sobreposição entre elas, o que indica que o processo de produção do nanocompósito polimérico foi eficiente em promover uma muito boa distribuição das partículas de óxido de grafeno na matriz de poliéster, evitando o indesejável processo de aglomeração. Outra evidência da conservação das estruturas de óxido de grafeno esfoliadas sem formação de aglomerados é o fato de não ter sido observados entupimentos da fiadeira.

[028] A presente invenção permite a correta inserção de partículas de óxido de grafeno em poliéster, garantindo uma boa distribuição e dispersão dessas na matriz polimérica utilizando a mistura no estado fundido.

Claims

Processo de obtenção de fibras têxteis a base de óxido de grafeno e poliéster, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
- - prover uma carga de partículas de poliéster menores que 1mm;
- - prover uma carga de dispersão de partículas de óxido de grafeno, com espessura de 1 a 10 nm e dimensão lateral de 0,5 a 10 micrômetros, em um solvente adequado e com uma concentração variando de 1,0 a 5,0 g/l;
- - pré- misturar a carga de dispersão de óxido de grafeno com a carga de partículas de poliéster, com a concentração de óxido de grafeno variando em função das propriedades finais do nanocompósito polimérico a ser obtido;
- - secar a pré-mistura da carga de poliéster e da carga de dispersão de óxido de grafeno, em temperaturas inferiores a 50°C, sob vácuo e sob agitação constante, formando um composto híbrido heterogêneo contendo grânulos do poliéster, recobertos com folhas de óxido de grafeno;
- - submeter o composto híbrido heterogêneo a uma secagem final para um teor de umidade de 20.000 a 30.000 ppm;
- - submeter o composto híbrido heterogêneo a uma etapa de mistura em estado fundido em uma extrusora dupla rosca, formando um nanocompósito polimérico;
- - coletar o nanocompósito polimérico e submetê-lo a silos de secagem para que seja obtido um teor de umidade mínimo de 30.000; e
- - processar o nanocompósito polimérico em uma extrusora, para produção de fios.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a concentração de óxido de grafeno na prémistura com a carga de partículas de poliéster ser de 0,5% a 5,0% em massa da matriz de poliéster, para se alcançar melhorias em propriedades térmicas do nanocompósito polimérico a ser obtido.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a concentração de óxido de grafeno na prémistura com a carga de partículas de poliéster ser de 0,01% a 1,0% em massa da matriz de poliéster, para se alcançar melhorias em propriedades mecânicas de tração e desgaste do nanocompósito polimérico a ser obtido.
Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de o solvente da dispersão de óxido de grafeno ser selecionado dentre água e solventes orgânicos.
Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de os solventes orgânicos serem selecionados dentre etanol, álcool isopropílico e tetrahidrofurano.
Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de a etapa de secagem final do composto híbrido heterogêneo ser realizada em estufa de circulação, a 60°C e por 36 horas.
Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de a etapa de mistura em estado fundido do composto híbrido heterogêneo ser realizada em uma extrusora dupla rosca, nas seguintes condições: taxa de alimentação d 5 a 10g/h; velocidade de rosca de 100 a 200 rpm; e perfil de temperatura de 240 a 280°C.
Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de os fios, obtidos pelo processamento do nanocompósito polimérico, apresentarem um diâmetro de 200 dtex, com 49 filamentos.