Affordable Access

Supercritical CO2 technology in resource-effectiveproduction of functional and smart textiles

Authors
  • Tadesse Abate, Molla
Publication Date
Jan 01, 2020
Source
DiVA - Academic Archive On-line
Keywords
Language
English
License
Green
External links

Abstract

The demand for functional and smart textiles has risen nowadays due to the lifestyle change of human beings. Along with this, the production of functional and smart textiles is consistently increasing. However, the conventional dyeing and finishing methods used to produce the functional textiles have issues such as the requirement of a large amount of fresh-water, energy, and chemicals and the associated wastewater pollution which poses harmful effect to humans, animals, and the environment. Moreover, due to the stringent environmental legislation on effluent release and hence the necessity of wastewater treatment, it has also become an economic problem for the textile industry. Thus, the textile industry has nowadays focused on alternative green technologies and eco-friendly chemical agents to minimize these problems. In this regard, supercritical carbon dioxide (scCO2) dyeing technique is a promising alternative to conventional aqueous-based methods as it avoids the use of water, uses less energy, and fewer chemicals minimizing the waste generation which is important to improve the ecological footprint and reduced production cost. Owing to these important attributes, scCO2 dyeing has been investigated in the last three decades as an environmentally benign process and now it is commercially successful in an industrial scale for dyeing polyester fibres. Thus, employing this technique to textile functionalization can bring additional economic and environmental benefits for the textile dyeing and finishing industry. Nevertheless, only a few attempts have been made so far in using this technology for textile finishing despite having promising potentials. This thesis used scCO2 dyeing technology intending to explore its potential to the production of functional and smart textiles. To fulfil this, firstly, different functional dyes and functional finishing agents of interest suitable for scCO2 media were selected based on literature data and some screening experiments. Based on this, chitosan very low molecular weight and lactate derivatives, curcumin natural dye, and two commercial photochromic dyes based on spirooxazine and naphthopyran dye classes were selected. Secondly, these agents were incorporated into the polyester fabric using scCO2 impregnation technique to impart range functionalities such as antimicrobial, antioxidant, UV protecting and smart UV-sensor fabrics. Moreover, the functional and colour performances of these functional textiles and the effects of the processing variables on the functional/colour properties were explored. Besides, the thesis includes the production of pH sensing functional fabric with a halochromic molecule using photo grafting technique as an alternative resource-efficient method. The results showed that scCO2 is a viable technique for the production of functional polyester fabric in a resource-efficient and eco-friendly way. Dyed polyester fabric with additional functionalities such as antimicrobial, antioxidant, UV protection, and UV sensing properties were realised in a single step. The fabrics developed have demonstrated desirable colour and functional properties without affecting each other confirming compatibility. Moreover, the functional fabrics exhibited the required durability and fastness properties sufficient for various applications. This thesis contributes towards widening the application of supercritical CO2 dyeing technique further and paves a way for sustainable production of functional and smart textiles in a resource-efficient and eco-friendly way. Moreover, the functionalization of cotton fabric with a pH indicator dye using the photo-grafting technique was successful and exhibited good halochromic property towards different pH environments with potential application in several smart textile areas. / Efterfrågan på funktionella och smarta textilier har under senare tid ökat på grund utav människans förändrade livsstil. I samband med detta ökar ständigt produktionen utav funktionella och smarta textilier kontinuerligt. Dock har de konventionella färgnings- och beredningsmetoder som används för att producera funktionella textilier vissa tillkortakommanden såsom: användandet av stora kvantiteter färskvatten, energi och kemikalier; förorening utav avfallsvattnet vilket påverkar människor, djur och miljön. Vidare medför sträng lagstiftning angående utsläpp och därpå följande nödvändighet av vattenreninsgsåtgärder en ekonomisk börda för textilindustrin. Därför fokuserar textilindustrin i dag på alternativa gröna teknologier och miljövänliga kemikalier för att minimera dessa problem. Ur denna synvinkel är teknologin att färga med superkritiskt koldioxid (scCO2) ett lovande alternativ till konventionella vattenbaserade metoder då den undviker användningen utav vatten, reducerar energiåtgången och använder färre kemikalier vilket minimerar avfallsproduktionen vilket är viktigt för att minska det ekologiska avtrycket samt reducera produktionskostnader. Tack vare dessa aspekter så har scCO2-färgning undersökts under de senaste tre decenierna som en miljövänlig process och numera är den en, i industriell skala, komersiellt framgångsrik metod för att färga in polyester fibrer. Icke desto mindre har endast ett fåtal försök gjorts för att använda denna teknologi som en textil slutberedningsmetod trots sin lovande potential för detta ändamål. I denna avhandling användes scCO2-färgningsteknologin med intentionen att utforska dess potential för produktion utav funktionella och smarta textilier. För att genomföra detta gjordes för det första ett urval utav olika funktionella färgämnen och funktionella beredningskemikalier med intressanta egenskaper vilka också lämpar sig för scCO2-färgning. Detta urval gjordes på grundval utav litteraturstudier samt preliminära mätningar. Baserat på nyss nämnda kriterier valdes chitosan med väldigt låg molekylvikt och laktatderivat, naturlig kurkumin (gurkmeja) samt två komersiella fotokroma färgämnen baserade på spirooxanin och naphtopyran klasserna som färgämnen. För det andra inkorporerades dessa färgämnen in i ett polyestertyg med hjälp utav impregnerande scCO2-teknik för att förmedla en mängd funktionaliteter såsom: antimikrobiell, antioxidant, UV-skydd samt en smart UV-senorik. Förutom detta innehåller avhandlingen också produktionen utav ett pH-kännande funktionellt tyg med en halokrom molekyl tillverkad med hjälp utav så kallad ”photo-grafting” teknik som ett alternativ resurssål metod. Resultaten visar på att scCO2-färgningsteknologin är en användningsbar teknik för framställning utav funktionella polyestertyger på ett resurssnålt och miljövänligt vis. Färgade polyestertyger med tillagd funktionalitet såsom: antimikrobiell, antioxidant, UV-skydd samt UV-kännande, kunde tillverkas i ett enda steg. De tillverkade tygerna uppvisar önskvärda färgegenskaper samt funktionella egenskaper utan att dessa egenskaper påverkar varandra vilket indikerar hög kompatibilitet. Vidare uppvisade de funktionella tygerna tillräckligt goda stabilitets och härdighetsresultat för att kunna användas i en rad olika applikationer. Denna avhandling bidrar med att utöka användningsområdet för scCO2-färgningsteknologin och banar väg för en hållbar produktion av funktionella och smarta textilier på ett resurssnålt och miljövänligt sätt. Vidare var funktionaliseringen utav ett bomullstyg med en pH-indikator med hjälp utav ”photo-grafting”-teknik en framgång och uppvisade goda halokroma egenskaper gentemot olika pH-miljöer, tydande på en potentiell användning inom flera smarta textila områden. / La domanda di tessuti funzionali è significamente aumentata negli ultimi anni a causa del cambiamento di stile di vita degli utilizzatori. Ciò ha fatto si che la produzione di tessuti funzionali sia in costante aumento. Tuttavia, i metodi di tintura e finissaggio convenzionalmente utilizzati per produrre tessuti funzionali presentano alcuni limiti come il grande utilizzo di acqua ed ausiliari chimici. Questi ultimi possono essere causa di un significativo inquinamento delle acque reflue che può causare danni all’ecosistema ed alle popolazioni limitrofe. Inoltre la rigorosa legislazione ambientale in materia di rilascio degli effluenti impone alle aziende tessili il trattamento delle acque reflue, questo processo ha un significativo impatto sul costo del prodotto finito. Pertanto, l'industria tessile si è concentrata su tecnologie ecologiche alternative e agenti chimici ecologici per ridurre al minimo questi problemi. In questo contesto, la tecnica della tintura in anidride carbonica supercritica (scCO2) è considerata come una promettente alternativa ai metodi convenzionali. Questa tecnica evita l'uso di acqua, utilizza meno energia e meno sostanze chimiche minimizzando la generazione di rifiuti, andando così a migliorare l'impronta ecologica e riducendo i costi di produzione. Grazie a queste importanti caratteristiche, la tintura scCO2 è stata studiata negli ultimi tre decenni come un processo ecologicamente conveniente. Al giorno d’oggi essa è utilizzata a livello industriale per la tintura di fibre di poliestere. Pertanto, l'utilizzo di questa tecnica per la funzionalizzazione dei tessuti può apportare ulteriori vantaggi economici e ambientali all'industria tessile. Tuttavia, finora sono stati fatti solo pochi tentativi nell'uso di questa tecnologia per il finissaggio tessile. Questa tesi ha utilizzato la tecnologia della tintura in scCO2 allo scopo di esplorare il suo potenziale per la produzione di tessuti funzionali. In primo luogo sono stati selezionati diversi coloranti ed agenti di finissaggio funzionali in base ai dati della letteratura e ad alcuni esperimenti di screening. Da questi studi sono stati selezionati i derivati del lattosio, il chitosano a basso peso molecolare peso molecolare, la curcumina, e dei coloranti fotocromici basati sulla spirooxazina ed il naftopirano. In secondo luogo, queste sostanze sono state incorporate nel tessuto di poliestere usando la tecnica di impregnazione scCO2 per conferire una vasta gamma di funzionalità quali proprietà antimicrobiche, antiossidanti, protezione e sensing dei raggi UV. Inoltre, sono state esplorate le prestazioni funzionali e colorimetriche di questi tessuti andando a studiare l’effetto delle variabili di processo sulle proprietà studiate.Inoltre, la tesi comprende la produzione di tessuto utilizzabile come sensore di pH ottenuto funzionalizzando il substrato tessile con una molecola alocromica. Per la produzione di questo materiale è stato utilizzato un metodo di finissaggio fotochimico. I risultati hanno mostrato che scCO2 è una tecnica efficiente ed ecologica per la produzione di poliestere funzionale. Infatti, la produzione di tessuti con funzionalità antimicrobiche, antiossidante, rilevamento e protezione dai raggi UV è stata ottenuta mediante una singola operazione unitaria. I tessuti ottenuti hanno riportato le qualità desisderate sia dal punto di vista colorimetrico che da quello funzionale. Inoltra la tintura ha dismostrato di possedere una solidità soddisfacente per le varie applicazioni. Questa tesi contribuisce ad ampliare ulteriormente l'applicazione della tecnica di tintura in CO2 supercritica e apre la strada ad una produzione sostenibile di tessuti funzionali. Inoltre, la funzionalizzazione del tessuto di cotone con un colorante sensibile al pH ha dimostrato la possibilità di produrre sensori di pH basati su materiali tessili, impiegando processi fotochimici a basso impatto ambientale. / 随着生活方式的转变,现如今人们对功能纺织品和智能纺织品的需求与日俱增,伴随需求而来的该类产品的生产研发活动也相应增加。通常用于生产功能纺织品的技术为染整加工技术,传统的染整加工技术往往会消耗大量的新鲜水、能源、化学品并带来水污染,污染的水会对人类、动物以及环境造成有害影响。污水排放严格的环境法规使工厂增加了污水处理成本,因此寻找替代的生态化学品、绿色加工技术成为当下解决上述问题的有效途径。其中,超临界二氧化碳流体染整技术(以下简称scCO2技术)由于其不使用水,耗能低,添加化学品少,从而排污少,生产成本低,有助于提高生态足迹,和传统水介质染色技术相比具有很好的发展前景,过去三十年来引发了研究者们的高度关注,目前在聚酯纤维染色中已有工业应用。如果将此技术应用于纺织品功能化,则可为染整工业带来新的环境效益及经济效益。尽管有较好的潜在应用前,但是目前这方面的研究报导还比较少。 本文主要基于scCO2染整技术来探究其在功能及智能纺织品领域应用的可行性。首先,研究了筛选了不同功能染料和功能整理剂,主要优选出低分子量的壳聚糖及其乳酸衍生物,姜黄染料,以及基于螺噁嗪及萘并吡喃结构的两种光致变色染料;其次,将这些助剂在scCO2中用浸渍法应用于涤纶织物从而获得抗菌性、抗氧化性、抗紫外性能以及获得智能紫外感知织物;本论文还研究了制备功能纺织品的工艺参数、颜色性能以及功能性;此外,本论文还采用加酸显色分子通过光接枝技术制备了一种pH敏感织。研究结果表明,scCO2染整技术在生产加工功能性涤纶织物来说是一资源效益型和环境友好的切实可行的技术。织物可通过一步法染整加工在获得颜色的同时获得功能性,诸如抗菌性、抗氧化性、抗紫外性能、紫外感知性能,且颜色和功能具有较好的相容性,互不冲突。制备的功能纺织品表现出了较好的耐久性和色牢度。本论文的研究为功能和智能纺织品的可持续生产加工奠定了技术基础。 本论文采用光接枝技术将pH指示染料应用于棉织物经FTIR表征证明反应成功完成。光接枝样品在不同的pH环境下表现出了较好的酸碱变色性能,这为其在智能纺织品领域的应用提供了技术依据。

Report this publication

Statistics

Seen <100 times