Metodologia per siliconar fibres de polièster, PET.

Habitualment reciclem els nostres residus plàstics, i entre ells les ampolles d’aigua  que  majoritàriament estan fetes amb plàstic PET (  tereftalat polietilè). Les quals introduïm al contenidor groc per ser reciclades.

Aquest gest tant  petit  i senzill ,  produeix  una gran efecte en la disminució de les emissions de diòxid de carboni (CO2) del nostre planeta. Per tant un alentiment  en el  canvi climàtic. També ens aporta  beneficis per  l’ economia ,  amb una reducció d’ energia i d’ explotació de matèries primeres. Ja sigui per la  fabricació de noves ampolles i  envasos o altres productes com forros polars o farcits tèxtils  fets amb fibres de polièster , PET.

Figura 1: PET. Tereftalat de polietilè

Els polímers  de silicona principalment  s’ apliquen a la fibra de polièster  (PET) , veure figura 1 . El siliconat redueix la fricció entre fibres i donar un  tacte suau en aquestes . També per millorar  la resiliència de les fibres i retornar al volum inicial després d’haver estat sotmeses a compressió.

Producció de fibres siliconades amb  PET reciclat

En un procés convencional de  producció  de fibres PET, el polímer fos i reciclat  es subministra directament des d’una planta de policondensació contínua. Es fila a través de fileres ( spinnerets) . Aquestes fileres són de forma rectangular i contenen fins a 1500 forats. Després d’un intens bufat creuat, el feix de filaments es manté mitjançant una guia . Es combina horitzontalment a una velocitat de 1800 m / min . Aquesta   es diposita en forma de carrets  dins de contenidors , veure la figura 2  .

Figura 2: Sistema convencional de filatura  de fibres PET

1- Sistema de distribució amb mescladors estàtics.

2- Col·lectors de filatura amb blocs de bombes i conjunt de filats.

3- Caixes de bufat.

4- Conductes de filatura ( spinnerets).

5- Conjunt de rodets d’acabat i rodets de guia.

6- Unitat de sortida amb  bobina.

7- Unitat de trena i contenidor .

Línia de fibra convencional

Depenent del gruix o Deniers de la fibra que es vol , es recullen un nombre més o menys gran de contenidors . Els  remolcs dels cables de filaments  s ’introdueixen paral·lelament a la línia de fibra on s ’aplica el estiratge . Amb una velocitat entre 150 m / min i 250 m / min respectivament. Segons la figura 3 següent.

Figura 3: Línea de fibra PET convencional

A – Contenidors bobines.

B – Marc d’alimentació.

C –  Bany d’acabat .

8 – Marc d’estiratge I. 

9 – Marc d’estiratge II.

10 – Calàndria. 

11 – Marc d’estiratge III. 

10 – Calàndria. 

11 – Marc d’estiratge III. 

12 – Dispositiu d’acabat

Aplicació de silicona en els filaments de PET

Les fibres amb un alt mòdul, la fixació de la  tensió es realitza en corrons de calàndria després del segon estiratge. En els tipus de fibra amb mòduls baixos no requereixen aquesta configuració. A continuació, els cables  de filaments es tracten  amb silicona en els punts que es mostren a continuació ( a , b , c)  en la figura 4 . Després hi ha un arrissat per compressió , un assecat  i es talla en fibres o, opcionalment , es manté com un  cable de filaments . Les fibres tallades  i el cable de filaments  s’ envasen en bales o en  cartrons.

Figura 4: Punts d’ aplicació del siliconat.

13 – Unitat d’ entrada .

14 – Marc tensor.

15 – Caixa de vapor.

16 – Arrissador.

17 – Assecadora.

18 – Talladora.

19 – Premsa d’embalatge

( a, b, c ) – Punts opcionals d’ aplicació de silicona.

Formulacions orientatives pel  bany d’ aplicació 

Les següents formulacions son a nivell orientatiu  i suggerides per l’ aplicació en fibres de PET 6.7 dtex ,  es recomana que  en cada cas particular  es facin probes inicials de laboratori per analitzar el seu rendiment  i l’estabilitat del bany d’ aplicació.

Segon es va detallar en el anterior article tècnic  els sistemes son de dos o tres components . Seguidament es detallen les formulacions orientatives dels banys d’ aplicació. .

Sistema de dos components

El sistema de dos components consisteix en una emulsió de polímer de silicona amb funció amino i un alcoxisilà amb funció amina .

 Formulació suggerida 

97%  PDMS amino funcional en  emulsió ( 30% – 40% ma* ) .

3%  Alcoxisilà amino funcional ( 100 % ma*).

Bany d’ aplicació  

Contingut actiu del bany d’aplicació = 7% ma*

Quantitat d’ acabat aplicat = 0,4% spf*

Finalment es produirà una xarxa reticulada final de polímer  de silicona conjuntament aplicada a la  fibra de polièster :

Figura 5: Polímer ( dos components) obtingut a la fibra de polièster.

Sistema de tres components

El sistema de tres components es basa en el sistema de dos components més un  siloxà amb funció epoxi ( figura 4)  catalitzada amb un alcoxi silà amino funcional.

Formulació suggerida 

87%  PDMS amino funcional en  emulsió ( 30% – 40% ma* ) .

10%  Siloxà amb funció epoxi. ( 30% – 40% ma* )

3%  Alcoxisilà amino funcional ( 100 % ma*).

Bany d’ aplicació  

Contingut actiu del bany d’aplicació = 7% ma*

Quantitat d’ acabat aplicat = 0,4% spf*

Finalment es produirà una xarxa reticulada final de polímer  de silicona conjuntament aplicada a la  fibra de polièster :

Figura 6: Polímer  ( tres components) obtingut en la fibra

Possibles Additius en les formulacions

També es poden afegir additius al sistema de 2 o tres components , com ara agents antiestàtics ( Alcoxi silà catiònic )  i agents humectants ( Polièter de silicona – superwetting).

Aquests additius es fan servir per donar propietats  antiestàtiques a les fibres acabades i també per incrementar les propietats finals del siliconat . 

Factors tècnics crítics en el rendiment del siliconat  

Hi ha diversos factors que influeixen en el rendiment i el comportament final de les fibres de polièster  siliconades i que es tenen de tenir en compte a l’hora de la producció  . 

Tipus de fibra  PET : la fibra sòlida, es més fàcil de processar. La fibra  buida, es  més difícil de processar.

Detex de la fibra : de 1,7 a 6,7, hi ha més rendiment. De 12,0 a 13,0 menys rendiment del siliconat .

Tipus d ‘ arrissat : Un arrissat amb forma  dent de serra i amb un gran encrespament, es més difícil de suavitzar .En canvi un arrissat amb forma de dents de serra amb poc encrespament, es més fàcil de suavitzar .En forma d’espiral es més fàcil de suavitzar  i més resistent.

Antiestàtic : S ’aplica un acabat antiestàtic per permetre el cardat de la fibra siliconada. El tipus és important ja que pot afectar la suavitat i propietats finals.

Condicionat de la fibra abans de curar: Si la fibra està massa mullada pot afectar la curació. Si està massa seca pot afectar en  el suavitzat final.

Curació del siliconat  : El curat complet s’ha de realitzar en 8 minuts a 170 ° C de temperatura. Veure gràfic 1 .

Gràfic 1: Suavitat versus temperatura de curat.                                      

Valoració:  0 = pitjor suavitat, 5 = millor suavitat

Finalment cal mencionar que  hi han  molts factors que influiran en el rendiment de l’ acabat  de silicona en  les fibres reciclades de PET. Las formulacions emprades ens determinaran  no només  la suavitat final de les fibres si no també la durabilitat  de l’ acabat en aquestes.

Las condicions físiques i químiques del procés d’ aplicació i de curat també ens influiran notablement en el resultat final .

Notes: *spf : Sobre pes fibra  . *ma : Matèria activa .

Polímers de silicona per fibres de polièster

Es generalment conegut  que la roba d’ hivern  manufacturada   amb teixit encoixinat ple de plomes ofereixen un aïllament tèrmic i una retenció del  calor excel·lent. Un dels problemes , es que  en mullar-se augmenten  molt de pes i en tornar-se a assecar tenen una forta olor desagradable.

També se sap que no és la ploma la que dóna calor a les peces, sinó que les excel·lents propietats aïllants de l’aire quiet  i  atrapat per les plomes és el  que dóna la calor.

Per donar solució als problemes que  presenta l’ ús de les plomes, els fabricants de fibres sintètiques  han analitzat  la fibra de  polièster tractada amb diversos productes químics, un dels quals son els polímers de  silicona per imitar l’ efecte de l’aire  atrapat en les plomes .

Els polímers  de silicona s’ apliquen a la fibra de polièster per reduir la fricció entre fibres ( tacte suau de les fibres )  i  també per millorar  la resiliència d’aquestes.  D’aquesta manera es garanteix que les fibres siliconades contenen la màxima quantitat d’aire quiet per proporcionar les millors propietats d’ aïllament i també que, sota càrrega, no es compacten fàcilment i tornen al seu estat de volum  inicial.

Propietats de les fibres de polièster siliconades

Les fibres de polièster posseeixen una sèrie de característiques bàsiques que les fan molt adequades per utilitzar-les com a material de farciment en peces de roba i  coixins. Les  propietats  més importants son les següents: 

  • Alta resistència i bona recuperació de la deformació després de una compressió i flexió.
  • Bon color blanc  i sense olor.
  • Absorció d’ humitat insignificant.
  • No provoca reaccions al·lèrgiques en persones susceptibles a farciments fets amb  material proteic animal.
  • Es pot rentar convencionalment  o netejar en sec.

A més d’aquestes propietats inherents a la fibra de polièster, també se li poden donar propietats d’ elevat volum i resistència a la deformació mitjançant la inserció de diverses configuracions de crimpat o arrissat a l’ etapa de fabricació de la  fibra.

La suavitat  i la  recuperació a la compressió del teixit en formes de guata o simplement de fibres no teixides  pot variar entre amplis límits mitjançant l’ajust del nivell de crimpat ( arrissat)  i l’aplicació d’un acabat de polímer de silicona, que millora la recuperació del volum inicial, presumiblement reduint la fricció de fibra / fibra.

Química del sistema de silicona

La formulació es desenvolupa en un mitjà aquós i  consisteix en un sistema de dos components o un sistema de tres components. Depenent dels diferents requisits  finals del polièster siliconat que es necessitin  .

Sistema de dos components

El sistema de dos components consisteix en una emulsió de polímer de silicona amb funció amino i un alcoxisilà amb funció amina.

El mecanisme de reacció és que l ’alcoxisilà  amino funcional reaccionarà amb el polímer de silicona amino funcional.

Inicialment  l’ alcoxisilà amino funcional reaccionarà amb aigua (hidròlisi) per formar silà amb funcionalitat OH.

Figura 1 : Hidrolisis amino alcoxisilà.

El següent pas és que el silà hidrolitzat reaccionarà amb els grups silanol de l’emulsió de polidimetilsiloxà  PDMS  amino funcional . El resultat final és una xarxa reticulada de polímer  PDMS amínic   amb  amino alcoxisilà :

Figura 2: Formació de polímer amino PDMS reticulat.

Finalment es produirà una xarxa reticulada final de polímer  de silicona conjuntament aplicada a la  fibra de polièster :

Figura 3: :Polímer de silicona obtingut a la fibra de polièster.

Sistema de tres components

Els siloxans amino funcionals són agents de suavitzat molt efectius a causa de la interacció dels grups amino amb el substrat tèxtil.

Aquesta  interacció és deguda a forces de Van der Waals o a forces electrostàtiques, en substrats com ara cel·lulosa, llana i polièster. Aquesta  interacció pot ser augmentada en condicions de pH àcid (pH 4-6) quan el siloxà es fa mes catiònic, i pot ser atret al teixit amb més força .

La substantivitat dels amino siloxans pot millorar mitjançant la incorporació de grups silanol reactius a la fi de la cadena. Si es desitja una major durabilitat sobre el teixit, aquest grup silanol situat a la fi de la cadena pot ser reticulat amb grups funcionals epòxids.

El sistema de tres components es basa en la reacció de l’ emulsió de siloxà amino  funcional i l’ emulsió de siloxà amb funció epoxi ( figura 4)  catalitzada amb un alcoxi silà amino funcional.

Component 1  : Emulsió d’ epoxi  siloxà .

Figura 4: Siloxà amb funció epoxi .

Component 2 : Emulsió d’ amino  siloxà.

Figura 5: Siloxà amb funció amino.

Component 3:  Alcoxi amino silà

Figura 6: Silà amb funció amino

Mecanismes de reacció del sistema de 3 components

Els mecanismes de reacció del sistema de tres components són els següents:

a) Reacció de grups epoxi i amina.

Figura 7.

b) Hidròlisi de grups alcoxi (silà).

Figura 8.

c) Condensació dels grups  OH de silanol.

Figura 9.

d)  Reacció de condensació amb els grups OH de l’ amino  siloxà .

Figura 10.

El polímer de la figura 10  es desenvolupa i es forma a   sobre de les fibres de polièster quan el sistema de tres components es aplicat mitjançant els mètodes tradicionals d’ aplicació de producte d’ acabat  a les fibres  . 

Els productes de les amino silicones son  emulsions aquoses dels  polímers preparats amb forma de macroemulsions o microemulsions segons sigui el tipus de producte i forma d’ aplicació.   

Les tècniques d’ aplicació del polímer i les quantitats a aplicar de polímer  sobre les fibres es detallaran en successius articles  tècnics.

Cal destacar que l’efecte de les silicones sobre el medi ambient ha estat estudiat extensament en aigües   de riu i de mar. En aquests mitjans naturals es va observar que no es van causar efectes adversos a concentracions inferiors a  les de la seva solubilitat en aigua.