Acabamento retardante de chamas em tecido de algodão a partir da incorporação de um compósito nano-híbrido caulinita-TiO2 via processo solvotermal

Abstract

As estatísticas de incêndio no mundo mostram que este tipo de acidente é bastante comum e que de 70 a 90 % das mortes por incêndio ocorrem em ambientes domésticos, decorrentes da ignição e combustão de objetos inflamáveis nesses locais. Dentre os objetos mais inflamáveis presentes em locais de incêndio, estão os materiais têxteis, em especial os de origem celulósica como os tecidos de algodão. Por conta disso, o aumento da demanda por têxteis com propriedades ignífugas ou retardantes de chamas tem sido cada vez maior. Isso tem despertado preocupação no âmbito ecológico quanto aos processos atuais de obtenção desses materiais, os quais, em sua maioria, utilizam substâncias tóxicas à saúde humana e altamente poluentes; como produtos à base de derivados halogenados, formaldeído e/ou metais pesados. O apelo ambiental tem estimulado a busca pelo desenvolvimento de soluções sustentáveis para estes fins, por meio do uso de compostos naturais, biocompatíveis e atóxicos. Neste contexto, recentes pesquisas têm mostrado o uso eficaz de alguns óxidos metálicos e argilominerais incorporados às matrizes poliméricas como retardantes de chamas. No entanto, essas aplicações normalmente ocorrem em polímeros termoplásticos sintéticos, e não em fibras vegetais. Nesta linha, o presente estudo buscou apresentar um método de incorporação conjunta desses minerais nas fibras de um tecido de algodão, combinada com a presença de compostos de fósforo e nitrogênio como uma proposta alternativa para a obtenção de um acabamento retardante de chamas mais sustentável, frente aos tratamentos comerciais existentes. O tratamento desenvolvido é semidurável, cujo comportamento autoextinguível das chamas observado nas amostras de tecido tratado ocorreu, especialmente, devido à presença de um compósito nano-híbrido à base de caulinita-TiO2 incorporado às fibras do tecido. A metodologia proposta nesta pesquisa é feita em duas etapas. A primeira etapa, consiste na síntese do compósito caulinita-TiO2 (KT), na qual um sol-gel de TiO2 sulfatado é previamente sintetizado. Na sequência, a partir de uma reação entre o TiO2 sulfatado e a caulinita pura (KP), nanocristais de titânia são imobilizados na superfície das micropartículas de caulinita dando origem ao compósito, o que pôde ser observado nas análises de MEV:FEG. A segunda etapa consiste na incorporação do compósito em tecido de algodão, a qual ocorre em dois estágios. No primeiro estágio, uma síntese solvotermal de funcionalização das partículas de KT com um agente organossilano é conduzida em meio alcóolico. No segundo estágio, as partículas de KT funcionalizadas são incorporadas ao tecido por síntese solvotermal, utilizando o mesmo meio reacional com a adição de ácido fosfórico e ureia. As micrografias do tecido tratado mostraram a formação de uma película de recobrimento mineral das fibras, e as análises de FTIR indicaram a presença de grupamentos químicos do tipo silanol (Si-OH); siloxano (Si-O-Si); Si-O-C; P-O-C; C-N e N-H ligados à celulose, o que comprova as alterações químicas causadas na superfície das fibras do tecido tratado. As análises de Termogravimetria revelaram uma menor degradação térmica do tecido tratado em relação ao tecido sem tratamento, devido à elevada massa residual encontrada à 800 °C e ao deslocamento da temperatura de degradação da celulose, relacionada a formação da camada carbonácea responsável pela maior preservação das fibras. Os testes de PCFC mostraram uma diminuição brusca no pico de liberação de calor (redução de cerca de 85 % no pHRR) e no calor total liberado (THR). Os testes de resistência à queima vertical revelaram que as amostras tratadas não inflamam e nem propagam a chama.

Abstract: Statistics worldwide show that fire accident is quite common and that 70 to 90 % of fire deaths occur in domestic environments, resulting from the ignition and combustion of flammable objects at these locations. Textiles are among the most flammable objects present in fireplaces, especially those of cellulosic origins, such as cotton fabrics. As a result, the increase in demand for textiles with fire-protective or flame-retardant properties has been increasing. This fact has aroused concern in the ecological sphere as to the current processes for obtaining these materials, which, in their majority, use substances that are toxic to human health and highly polluting, such as products based on halogenated derivatives, formaldehyde, and/or heavy metals. The environmental appeal has stimulated the search for the development of sustainable solutions for these purposes, through the use of natural, biocompatible, and non-toxic compounds. In this context, recent research has shown the effective use of some metallic oxides and clay minerals incorporated in polymer matrices as flame retardants. However, these applications usually occur in synthetic thermoplastic polymers and not in natural fibers. In this line, the present study aims to present a method of the incorporation of these minerals in the fibers of cotton fabric, combined with the presence of phosphorus and nitrogen compounds, as an alternative for obtaining a more sustainable flame-retardant finishing compared to existing commercial treatments. The treatment developed is semi-durable, whose self-extinguishing behavior of the flames observed in the treated fabric samples occurred; especially, due to the presence of a kalinite-titania nano-hybrid composite incorporated on the surface of the fibers of the fabric. The methodology proposed in this research is carried out in two steps. The first step consists of the synthesis of the kaolinite-titania (KT) composite, in which a sulfated TiO2 sol-gel is previously synthesized. Then, from a reaction between the sulfated TiO2 and the pure kaolinite (KP), titania nanocrystals are immobilized on the surface of the kaolinite microparticles giving rise to the composite, which can be observed in the SEM:FEG analyses. The second step consists of the incorporation of the composite in cotton fabric, which occurs in two stages. In the first stage, a solvothermal synthesis of KT particle functionalization with an organosilane agent is carried out in an alcoholic medium. In the second stage, the functionalized KT particles are incorporated into the fabric by solvothermal synthesis, using the same reaction medium with the addition of phosphoric acid and urea. The micrographs of the treated fabric showed the formation of a mineral covering film of the fibers, and the FTIR analyzes indicated the presence of chemical groups of the silanol type (Si-OH); siloxane (Si-O-Si); Si-O-C; P-O-C; C-N, and N-H linked to cellulose, which proves the chemical changes caused on the surface of the fibers of the treated fabric. Thermogravimetry analyses revealed less thermal degradation of the treated fabric compared to the untreated one, due to the high residual mass found at 800 °C and the displacement of the cellulose degradation temperature, related to the formation of the carbonaceous layer responsible for the better preservation of the fibers. The PCFC tests showed a sharp decrease in the heat release rate (about 85 % reduction in pHRR) and the total heat released (THR). The vertical burning tests revealed that the treated samples do not ignite or propagate the flames.