PT2491172E - Utilização de filamentos compósitos de celulose e acetato de celulose para melhorar a biodegradabilidade - Google Patents
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Description
DESCRIÇÃO "UTILIZAÇÃO DE FILAMENTOS COMPÓSITOS DE CELULOSE E ACETATO DE CELULOSE PARA MELHORAR A BIODEGRADABILIDADE" A presente invenção refere-se a fibras de compósito biodegradáveis.
Um dos problemas mais importantes para fabricantes de fibras é a taxa à qual as fibras se biodegradam. As fibras de acetato de celulose podem levar entre um mês e três anos para serem biodegradadas, dependendo das condições ambientais. Têm sido sugeridas diversas abordagens para a preparação de fibras biodegradáveis, particularmente, para utilização no fabrico de mechas para filtros de cigarros, e incluem o uso de compósitos de acetato de celulose com outros polímeros biodegradáveis, aditivos para aumentar a taxa de degradação de acetato de celulose, acetato de celulose com um baixo grau de substituição (DS) para biodegradabilidade aumentada e polímeros biodegradáveis como PHB/PVB e amidos, como mechas para filtros de cigarros ou material em bruto de fibra. A EP 1 033 385 divulga uma solução de celulose preparada por dissolução de uma composição de celulose compreendendo um componente (I) compreendendo celulose possuindo um grau de polimerização de 500 a 1 000 e um componente (II) compreendendo celuloses possuindo um grau de polimerização que corresponde a 90% daquele do componente (I) e que está na gama de 350 a 900 e sendo a solução de celulose resultante utilizada para produzir artigos conformados, por exemplo, fibras e películas. A US 5,891,375 divulga um processo para produção de película e fibra que envolve precipitar celulose a partir de soluções de óxido de amina terciária, em que um éster é incorporado na solução numa quantidade suficiente para reduzir a precipitação da celulose durante a separação da celulose do óxido de amina terciária. O pedido WO 2007/128268 divulga um método para produzir fibras de celulose de múltiplos componentes que têm uma capacidade de intumescência reduzida e uma resistência à abrasão a húmido aumentada .
No entanto, até o momento, não foi encontrada nenhuma solução comercial satisfatória para produzir fibras aceitáveis pelo consumidor que se degradem de modo suficientemente rápido. A presente invenção tem como objetivo resolver esses problemas.
De acordo com a presente invenção, é proporcionada a utilização de filamentos compósitos de celulose e acetato de celulose para formar uma fibra de biodegradabilidade melhorada em comparação com a formada a partir de filamentos compreendendo apenas celulose ou acetato de celulose, em que os filamentos compósitos são fiados a partir de uma massa ("dope") que compreende celulose e acetato de celulose. A celulose e o acetato de celulose são tipicamente fundidos na forma de fibras ou películas. As fibras preferenciais compreendem fibras fiadas a partir de uma solução coagulada de celulose e acetato de celulose. A referência no presente documento a filamentos compósitos de celulose/acetato de celulose deve ser entendida como significando filamentos fiados a partir de uma massa compreendendo celulose e acetato de celulose.
Verificámos que filamentos compósitos de celulose/acetato de celulose têm biodegradabilidade significativamente maior do que filamentos equivalentes que compreendem apenas celulose ou acetato de celulose. Sem nos atermos a uma tal teoria, acredita-se que a presença de acetato no compósito pode interromper a cristalinidade da celulose, fazendo com que seja biodegradado mais rapidamente que a própria celulose.
Convencionalmente, a celulose é fundida ou fiada a partir de viscose e é difícil ou impossível fundir ou fiar o acetato de celulose a partir da mesma mistura devido à probabilidade de hidrólise do acetato de celulose sob tais condições. Em contrapartida, o acetato de celulose é convencionalmente fundido ou fiado a partir de acetona e é difícil ou impossível fundir ou fiar a celulose a partir da mesma mistura devido à solubilidade limitada de celulose em acetona.
No entanto, verificámos que mediante fundição ou fiação de celulose e acetato de celulose a partir de um liquido iónico (IL) ou de N-metilmorfolina-N-óxido (NMMO), é possível formar fibras fiadas e películas fundidas compreendendo uma mistura compósita desses materiais. A biodegradabilidade melhorada de tais compósitos e a sua adequação para utilização no fabrico de fibra não foi reconhecida anteriormente.
Em conformidade, a fibra é, de preferência, formada a partir de fibras de celulose e acetato de celulose fiadas ou fundidas como uma mistura num líquido iónico (IL) ou em N-metilmorfolina-N-óxido (NMMO). A utilização de ILs e NMMO para dissolver celulose e outros polímeros tem sido bem documentada, por exemplo, nas US 20050288484 e US 20070006774 da University of Alabama, na US 20080188636 da North Carolina State University e no pedido W02005098546 de Holbrey et al. Uma ampla qama de líquidos iónicos, incluindo aqueles divulgados nas publicações mencionadas acima, são adequados para dissolver celulose e acetato de celulose e para fundição como misturas de fibras ou películas dos mesmos. Tipos gerais de IL adequado incluem aqueles com base em catiões de imidazol, pirrol, tiazol ou pirazol em combinação com aniões de halogéneo, fosfato, carboxilato ou de cloreto de metal. ILs particularmente preferidos incluem cloreto de l-butil-3-metilimidazólio (BMIM-CI), acetato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMIM-Ac) e acetato de l-etil-3-metilimidazólio (EMIM-Ac). A solução de celulose e acetato de celulose a partir da qual as fibras são fiadas ou fundidas é mencionada no presente documento como uma massa. A massa também pode compreender um solvente aprótico como DMSO, DMF, THF ou dioxano para auxiliar na dissolução da celulose e/ou acetato de celulose. Um solvente aprótico particularmente preferido é DMSO. A mistura de acetato de celulose e celulose na massa também pode compreender um ou mais materiais termoplásticos adicionais, como polihidroxialcanoatos como PHB e/ou PHVB que podem adicionar funcionalidade adicional às fibras, como funcionalidade de barreira à água. Outros aditivos funcionais podem incluir triacetina, poliacrilonitrilo (PAN), poli-2-hidroxietilmetilacrilato (PHEMA), álcool polivinílico (PVA), polianilina e polietilenoglicol para propósitos funcionais tal como modificação de perfil de absorção, melhoria de degradação (por, por exemplo, materiais solúveis em água) e melhoria de processabilidade, em conexão, por exemplo, com resistência a húmido. A razão ponderai entre celulose e acetato de celulose na massa e, em consequentemente, na fibra é de 10:90 a 90:10, por exemplo de 20:80 a 80:20 ou de 30:70 a 70:30.
Tipicamente, a massa compreende um teor de sólidos de até cerca de 50% p/p, de preferência até cerca de 40% p/p, com mais preferência até cerca de 30% p/p e com a maior preferência até cerca de 20% p/p.
As fibras podem compreender adicionalmente um ou mais plastificantes, como triacetina. O plastificante pode ser incluído na massa ou pode ser adicionado subsequentemente à fiação ou fundição, por exemplo, mediante aspersão na superfície da fibra formada.
As fibras podem compreender adicionalmente um catalisador que promova degradação oxidativa da fibra. Catalisadores adequados incluem óxidos e cloretos de ferro e cobre, que podem ser introduzidos na fibra por imersão dos filamentos compósitos numa solução aquosa de um sal de ferro ou cobre solúvel em água, como sulfato ou cloreto, e precipitação do óxido (de preferência em forma nano) sobre ou no filamento por tratamento com hidróxido de sódio ou outro agente de precipitação adequado.
As fibras também podem compreender um ou mais lubrificantes para reduzir carga eletrostática. Lubrificantes preferidos incluem óleos minerais. Por exemplo, durante a fiação das fibras pode ser aplicado aos filamentos compósitos 1% p/p de óleo mineral com um emulsionante.
De preferência, as fibras compreendem filamentos compósitos de celulose/acetato de celulose fabricados a 1, 5 ou 9 denier por filamento (espessura de filamento (denier por filamento) que é definido como a massa (gramas) de 9000 m de um único filamento). A massa de fibra total (denier total) (definida como a massa total de 9000 m de fibra, compreendendo tipicamente muitos milhares, por exemplo 11000, fibras individuais) variará consideravelmente dependendo dos métodos empregues na fiação de fibra e do número de filamentos individuais na fibra. Uma massa de fibra tipica seria 35000 g.
De preferência, as fibras compreendem fibras que têm uma secção transversal de filamento trilobal (opcionalmente formadas com o uso de orificios de fieiras triangulares) para otimizar a área de superficie. O teor de humidade das fibras é de preferência de pelo menos cerca de 2% p/p, com maior preferência pelo menos cerca de 5% p/p, ainda com maior preferência pelo menos cerca de 10% p/p. Verificou-se que o teor de humidade é importante para impedir cargas elétricas, mas de preferência deverá não ser muito elevado (por exemplo, não superior a 50% p/p) porque com um teor de humidade muito alto pode ser difícil para a fibra reter um vinco.
As fibras, de preferência, compreendem filamentos entrelaçados.
Também é proporcionado um material tecido ou produzido de outro modo a partir da fibra conforme aqui descrita anteriormente.
Também é proporcionado vestuário ou têxtil-lar, incluindo artigos têxteis de decoração, ("soft furnishing") produzido pelo menos parcialmente a partir de um material conforme aqui descrito anteriormente.
Também é proporcionado um processo para fabricar fibras que compreende fornecer uma solução compreendendo uma mistura de celulose e acetato de celulose num líquido iónico ou em NMMO e fiar ou fundir a mistura num solvente prótico para gerar fibras. A água é o solvente prótico preferido para a fundição regenerativa da mistura.
No processo, os materiais compósitos de celulose/acetato de celulose podem ser produzidos em qualquer razão por regeneração de soluções em água e/ou outros solventes próticos. A taxa de coagulação em água revelou-se dependente do teor de acetato de celulose da massa, em que níveis aumentados de acetato de celulose reduzem a taxa de coagulação. A invenção será agora mais particularmente descrita nos Exemplos a seguir e que fazem referência aos seguintes desenhos: A Figura 1 mostra três diapositivos que mostram fibras de i) acetato de celulose; ii) celulose e iii) uma mistura de celulose e acetato de celulose de acordo com a invenção. A Figura 2 mostra os diapositivos da Figura 1 após 2 semanas de biodegradação sob condições anaeróbicas. A Figura 3 mostra os diapositivos da Figura 1 após 4 semanas de biodegradação sob condições anaeróbicas. A Figura 4 mostra os diapositivos da Figura 1 após 6 semanas de biodegradação mediante condições anaeróbicas.
Exemplo 1 A biodegradabilidade de fibras fiadas a húmido de celulose/acetato de celulose misturada foi avaliada em comparação com fibras de celulose fiadas a húmido equivalentes e fibras de acetato de celulose fiadas a húmido equivalentes.
Utilizando equipamento de fiação a húmido padrão, as fibras foram fiadas a partir de soluções de i) celulose (DP -800) e ii) celulose:acetato de celulose 1:1 (Eastman, CA-398-30), em 10% de sólidos em EMIM-Ac: DMSO (20:80). Foi usada uma fieira de orifício 40 com um diâmetro de orifício de 70 pm, que foi submergida num banho de coagulação de temperatura ambiente que contém água limpa. As fibras foram bobinadas a húmido, profusamente lavadas no carretel e, em seguida, secas a 50 °C.
Em referência às Figuras 1 a 4, uma propriedade surpreendente destes materiais de compósito é que a taxa de biodegradação em ambientes anaeróbicos excede a da celulose e excede amplamente a do acetato de celulose sob as mesmas condições. Pensa-se (embora esta teoria não deva ser de modo nenhum considerada como vinculativa) que os dois componentes formam um compósito intimamente misturado e que a taxa de degradação melhorada resulta de uma redução na cristalinidade da celulose. Pensa-se que a degradação do componente de celulose do compósito leva a que o componente de acetato de celulose seja depositado a uma escala molecular. Também verificámos que a taxa de biodegradação sob condições aeróbicas das fibras é melhorada de modo similar. A aplicação destes materiais compósitos no fabrico de fibras oferece uma via para conseguir um produto fibroso tanto com a versatilidade desejada quanto com o conforto alcançado utilizando somente acetato de celulose, mas com taxas de biodegradação amplamente aumentadas.
Exemplo 2
As fibras são produzidas utilizando um processo de fiação a seco. A massa é primeiro preparada por dissolução de diacetato de celulose e celulose (mistura de 1:1) a 10% de sólidos em EMIM-Ac: DMSO (20:80). É adicionado T1O2 para fornecer uma aparência branqueada. A massa é, então, filtrada e fiada em câmaras, o que faz com que os filamentos sejam solidificados e se tornem mais finos. Mais de 10000 filamentos são fiados a partir de diversos compartimentos de fiação, que são combinados para formar uma faixa única. Um material é tecido a partir da fibra e um vestuário é produzido a partir do material.
Verificou-se que o vestuário resultante também mantém propriedades de biodegradabilidade vantajosas, conforme mostrado no Exemplo 1, e tem uma assinatura de conforto aceitável.
Lisboa, 2016-06-16
Claims (9)
- REIVINDICAÇÕES1. Utilização de filamentos compósitos de celulose e acetato de celulose para formar uma fibra de biodegradabilidade melhorada em comparação com a formada a partir de filamentos compreendendo apenas celulose ou acetato de celulose, em que os filamentos compósitos são fiados a partir de uma massa compreendendo celulose e acetato de celulose.
- 2. Utilização de acordo com a reivindicação 1, em que a fibra compreende adicionalmente um ou mais materiais termoplásticos.
- 3. Utilização de acordo com a reivindicação 2, em que o material termoplástico adicional é selecionado de entre um ou mais PHB, PHVB, poliacrilonitrilo, poli-2- hidroxietilmetilacrilato, álcool polivinílico, polianilina e polietilenoglicol.
- 4. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que a razão ponderai entre celulose e acetato de celulose é de 10:90 a 90:10.
- 5. Utilização de acordo com a reivindicação 4, em que a razão entre celulose e acetato de celulose é de 20:80 a 80:20.
- 6. Utilização de acordo com a reivindicação 5, em que a razão entre celulose e acetato de celulose é de 30:70 a 70:30.
- 7. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que a fibra compreende adicionalmente um ou mais plastificantes.
- 8. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, em que a fibra compreende adicionalmente um catalisador que promove a degradação oxidativa da fibra.
- 9. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, em que a fibra compreende adicionalmente um ou mais lubrificantes para reduzir a carga eletrostática na fibra. Lisboa, 2016-06-16
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