Estudio de las mantas no tejidas punzonadas de fibras naturales de capoc y lino para aplicaciones técnicas

Abstract

Na última década, a procura de soluções têxteis ecologicamente mais sustentáveis e com maior funcionalidade para áreas de aplicação técnica cresceu significativamente. Na área da agricultura, as mudanças climáticas e o aumento da população impulsionaram o desenvolvimento de têxteis inovadores, em particular não-tecidos, produzidos com fibras naturais ou biodegradáveis, destinados à gestão da água, um dos problemas mais prementes na agricultura atual. Nesta tese o objetivo foi desenvolver um não-tecido à base de fibras de sumaúma em rama (designadas neste trabalho como fibras de capoc) e em mistura de fibras de sumaúma e linho, capaz de recolher água proveniente da condensação de infiltrações no solo e evapotranspiração das plantas, para possibilitar a sua utilização na rega. Como as fibras capoc são curtas e com baixa resistência mecânica, a criação de estruturas não tecidas com o desempenho requerido, constituiu um dos maiores desafios e conduziu ao estabelecimento de um método de produção inovador (pedido de patente nacional nº 109924 A) que permitiu a produção de não tecidos 100 % capoc com o desempenho funcional requerido para aplicações em agrotêxteis. A estrutura base dos não-tecidos foi obtida pelo processo dry-laid (via seca) de formação da manta, usando a linha de não-tecidos "Automatex". Adotaram-se diferentes fluxos de materiais, diferente disposição das fibras e número de sobreposições (camadas). A consolidação da manta foi efetuada utilizando o método tradicional de agulhagem e o novo método de produção, que inclui prensagem, resultando em estruturas não-tecidas formadas unicamente por capoc e por misturas de capoclinho, denominadas como não-tecido simples, sandwich e compostos. Os não-tecidos produzidos foram caracterizados relativamente às suas propriedades geométricas e estruturais, propriedades mecânicas (tração e punção), propriedades térmicas, transferência de ar, capacidade de dispersão e absorção de água. Os não-tecidos 100% capoc foram expostos a envelhecimento acelerado (QUV), sendo posteriormente analisados química e estruturalmente (por espectroscopia de infravermelhos e calorimetria diferencial de varrimento) e avaliadas as suas propriedades mecânicas (tração e punção) e capacidade de molhagem (ângulo de contacto). O efeito da radiação UV e da condensação no aumento da espessura e captação de água do nãotecido também foi avaliado. Os não-tecidos 100 % capoc desenvolvidos demonstraram ser super-hidrofóbicos, com ângulos de contacto variando entre 160° e 180°, com resistência à rotura atingindo cerca de 900 N e resistência à perfuração acima de 150 N. Estes não-tecidos, com espessuras muito pequenas, apresentaram boas propriedades térmicas, com resistências térmicas situadas entre 148-186 (x10-3) m2KW-1, e uma muito baixa permeabilidade ao ar (inferior a 2 l/m2/s). Os não-tecidos de mistura de capoc-linho desenvolvidos pelo processo convencional atingiram resistências à rotura de 600 N e à perfuração de 1400 N, com uma redução da extensão do dano em cerca de 30 % devido à maior densidade aparente destas estruturas. O trabalho de investigação realizado permitiu assim obter estruturas não-tecidas 100 % capoc ou em mistura capoc-linho inovadoras, com o desempenho mecânico requerido para aplicações em agrotêxteis e geotêxteis, compatível com os requisitos de geotêxteis da classe III.

In the last decade, the search for more ecological, sustainable and functional textile solutions for technical applications has grown significantly. In the area of agriculture, climate change and population growth have driven the development of innovative textiles, especially nonwovens, produced from natural or biodegradable fibers, for water management, one of the most pressing problems in agriculture current. In this research study, the intention was to develop a nonwoven based on raw kapok fibres and kapok-flax blends, capable of collecting water from the condensation of infiltrations in the soil and the evapotranspiration of plants, to enable its use in irrigation systems. As the kapok fibers are short and with low mechanical resistance, the creation of non-woven structures with the required performance was one of the biggest challenges and led to the establishment of an innovative production method (national patent application nº 109924 A) that allowed the production of 100 % kapok nonwovens with the functional performance required for application in agrotextiles. The nonwoven base structure was obtained by the dry-laid process of mat formation, using the "Automatex" nonwoven Line. Different material fluxes, different fiber arrangements and number of overlays (layers) were adopted. The consolidation of the mat was carried out by the traditional needle-punching method and by the new production method, which includes pressing, resulting in 100 % kapok and kapok-flax blended nonwoven structures, referred as simple, sandwich and compound nonwovens. The nonwovens produced were characterized regarding their geometric and structural properties, mechanical properties (tensile and puncture strength), thermal properties, air transfer, dispersion capacity and water absorption. The 100% kapok nonwovens were exposed to accelerated aging test (QUV) and subsequently analyzed chemically and structurally (by Infrared Spectroscopy and Differential Scanning Calorimetry). The mechanical properties (tensile and perforation) as well as, wetting capacity (angle of contact) were evaluated. The effect of UV radiation and condensation on nonwovens thickness increase and water collection was also analyzed. The 100% kapok nonwovens developed demonstrated to be super-hydrophobic, with contact angles varying between 160° and 180°. The tensile strengths obtained were up to 900 N and the puncture resistances above 150 N. These nonwovens, with very small thicknesses, showed good thermal properties, with thermal resistances lying between 148-186 (x10-3) m2KW-1, and extremely low air permeability (lower than 2 l/m2/s). The kapok-flax nonwovens produced by the conventional needle-punching method achieved tensile strengths of 600 N and puncture resistances of 1400 N, with a decrease in the through-thickness damage of around 30%, due to higher bulk density of these structures. This research work allowed the production of novel 100 % kapok and kapok-flax nonwoven structures with the mechanical performance required for agrotextiles and geotextile applications, compatible with class III geotextiles’ requirements.