Development and characterization of aromatic polyacrylonitrile

Development and characterization of aromatic polyacrylonitrile fibers
with relaxing properties and baby scent.
Juan Carlos Tapia Picazo1,Tito Enrique Herrera Larrasilla2, Norma Placencia1, Karen Analy
Campos Santana1
1
Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica, Instituto Tecnológico de Aguascalientes. Av. Adolfo
López Mateos No. 1082 Ote., Fracc Bona Gens, C.P.20256. Aguascalientes, Ags. Correo electrónico:
[email protected]
2
Universidad Autónoma de Guadalajara. Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 45129 Zapopan, Jalisco.
RESUMEN
Se construyó un sistema de extrusión en húmedo y se determinaron las condiciones a las que puede ser
operado para el desarrollo de fibras acrílicas textiles con características relajantes y con aroma a bebe
injertando microcápsulas con aceite esencial. Se implementaron técnicas analíticas para la caracterización de
las fibras y materia prima en el diseño experimental. Se empleó un arreglo ortogonal para encontrar las
variables que afectan en el proceso de extrusión y encontrar la combinación con las mejores características
para las variables de respuesta (resistencia al lavado, el denier, la tenacidad y la elongación). La fibra muestra
presencia de olor acorde a la norma para este tipo de materiales con aplicaciones textiles.
ABSTRACT
Wet spinning system was build and it determine the conditions to that it could be operated to develop acrylic
textile fibers with relax and aromatic characteristics introducing microcapsules with an essential oils. Some
analytic technics were implemented to the characterization of the fibers and raw material in the experimental
design. Was used an orthogonal arrangement to found the variables that affect the extrusion process and found
the combination for the better values to the variables response (washing resistance, denier, tenacity and
elongation). The fiber show presence of the essences according to the textile normativity.
INTRODUCCIÓN
La fibra acrílica es un polímero constituido por macromoléculas lineales cuya cadena contiene un
mínimo del 85% en masa de unidad estructural correspondiente al acrilonitrilo, de acuerdo a las
propiedades de las fibras acrílicas es recomendable su empleo textil como alternativa de diferentes
fibras naturales. Entre estas propiedades se pueden citar la alta voluminosidad con tacto cálido
parecido a la lana, su baja densidad y su tacto agradable [1] y puesto que las fibras con
características especiales a partir de polímero acrílico representan una nueva vertiente de
investigación científica en México se presenta un nicho de mercado de alto valor agregado [2].
Las características especiales de las fibras, se pueden añadir de diferentes maneras, una de ellas es
la modificación química a monómeros o a polímeros que forman las fibras, otra manera es mediante
aditivos que se incluyan durante la extrusión o se agreguen superficialmente a las fibras, tales como
las microcápsulas [3].
EXPERIMENTACIÓN
Extrusión en húmedo
La extrusión en húmedo es el proceso que se utilizó para la fabricación de la fibra acrílica con
características especiales. Los equipos de hilatura en húmedo trabajan de la siguiente manera: Una
solución polimérica acrílico-solvente orgánico (colodión) procedente de una columna a presión
constante es extruida a través de una esprea, la cual está sumergida en el baño de coagulación por
debajo del nivel del líquido, provocando que el polímero se solidifique por un intercambio de masa.
A la salida del baño coagulante, los filamentos ya sólidos pasan por un rodillo (R1) guía hacia
dentro del baño de lavado, al salir de este baño los cables pasan por otro rodillo (R2), provocando
un estiraje entre el R1 y el R2 por diferencias de velocidad. A la salida del baño de agua (Baño de
lavado) se secan los cables para después ser voluminizados o rizados. Cabe señalar que el punto de
inserción de la microcapsula al proceso de hilatura es una variable dentro del diseño de
experimentos.
Se realizaron pruebas a los filamentos obtenidos de dinier (peso en gramos de 9000 metros de
filamento), de tenacidad, elongación y de resistencia al lavado.
Resistencia al lavado: Esta prueba se aplicó a la fibra mediante una solución jabonosa con balines y
agitación controlada para después analizar la presencia de olor en la fibra.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Esta etapa del proyecto tiene como objetivo optimizar el proceso de extrusión considerando las
variables de respuesta utilizadas para obtener la fibra óptima:
Caracterización del producto final: Resistencia al Lavado; mayor es mejor; Denier igual a 3.
Pruebas mecánicas: Tenacidad, mayor es mejor y Elongación, mayor es mejor.
Para lograr el objetivo se realizaron los pasos siguientes:
1. Se seleccionó un arreglo ortogonal L12 (2 11) de la metodología Taguchi, con el fin de encontrar
las variables que afectan en el proceso de extrusión y encontrar la combinación que dé las mejores
características para las variables de respuesta.
2. Se tomaron 11 variables y se consideraron 2 niveles para cada uno, se consideró el nombre de la
variable y su valor de nivel.
Las pruebas realizadas son con microcápsulas de 2 aromas, aroma de bebé para las pruebas
preliminares y aroma a Jazmín para las pruebas de diseño de experimentos y las pruebas finales de
optimización.
Tabla 1. Variables de proceso para el diseño de experimentos.
Variables de Respuesta
L: Denier, M: Tenacidad, N: Índice de Vacuolas, Ñ: Resistencia al lavado, O: Alargamiento, P:
Resistencia, Q: Elongación y R: Módulo de Young
Variables de respuesta utilizadas para obtener la respuesta óptima. Variables que representan
mayor importancia para la obtención de una fibra relajante y aromática.
Denier (L)
De acuerdo al análisis ortogonal se puede conocer la variable de mayor impacto para el Denier,
respecto a la inclinación de la pendiente que se forma mediante una gráfica de medias entre el nivel
1 y 2 establecido en el diseño experimental, “mayor inclinación, más impacto”. Donde la variable A
y E (relación del baño coagulante y la presión) son las que tienen mayor impacto. De acuerdo a las
pruebas analizadas se tiene que para llegar al denier deseado de 3, la combinación óptimas es de 1.5
Kg/cm2 y una relación en el baño de 70 de agua y 30 de DMF.
Tenacidad (M)
El análisis de las variables para tenacidad nos indica que la variable A (relación en baño coagulante
agua/DMF) tiene una pendiente más inclinada entre los niveles 1 y 2 para las medias. Además se
realizó una gráfica 3D con el fin de analizar la combinación óptima con las dos variables de mayor
impacto (A y G).
De acuerdo a la F de Fisher. Donde se puede ver que la combinación óptima de las dos variables
más importantes para obtener una tenacidad elevada son: 20 % de polímero acrílico y una relación
en el baño de coagulación de 70 de agua y 30 de DMF.
Resistencia al lavado (Ñ)
La elaboración del análisis de las variables de impacto para esta respuesta, nos permite observar que
las variables de impacto más importantes son la C (temperatura en el área de secado) y la F (% de
cápsulas insertadas en el colodión). De acuerdo a lo anterior se construyó una gráfica 3D
observando que para obtener una buena resistencia al lavado se requiere de un índice de vacuolas
bajo, por lo que es conveniente realizar el proceso con una temperatura en el área de secado de
265ºC y un porcentaje de cápsulas de 8; de esta manera los poros se cerraran aplicando una mayor
cantidad de calor y con un porcentaje de cápsulas más pequeño.
Elongación (O)
La variable de mayor impacto para obtener una elongación grande en las fibras es la variable F (%
de cápsulas en el colodión). Así mismo se puede observar que el nivel óptimo a usar es el 2 con
12% de Cápsulas.
F de Fisher
Impacto sobre las variables de respuesta
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
-1
Indice de Vacuolas
Resistencia al lavado
Alargamiento
Elongación
Módulo de Young
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
Variables del diseño de experimentos
Fig 2.
CONCLUSIONES
Se construyó un extrusor en húmedo para fabricar fibras acrílicas con propiedades textiles. Puede
ser operado a diferentes condiciones para obtener diferentes propiedades en la fibra. En las pruebas
preliminares se utilizaron microcápsulas de aroma bebé. En las pruebas del diseño de experimentos
y en las pruebas finales de optimización se utilizó microcápsulas con aroma a Jazmín. La extrusión
en húmedo no elimina o rompe las microcápsulas, ya que la fibra obtenida presenta olor al terminar
su fabricación. Las variables estudiadas para el diseño experimental fueron adecuadas para obtener
las condiciones óptimas, ya que en las pruebas confirmatorias se obtuvo una fibra con un diámetro
de 3 Denier. La fibra con injertos de microcápsulas, muestra presencia de olor hasta las 7 lavadas, lo
cual es acorde a la norma establecida para este tipo de materiales con el método utilizado.
REFERENCIAS
[1] Ureta
E.; “Polímeros: estructura, propiedades y aplicación”, Editorial Limusa, 1989.
[2] Wang C. X., Chen Sh.; “Aromachology and its Application in the Textile Field”. Fibres And
Textiles in Eastem Europe, Vol. 13 No. 6 (54), pp. 41-44, 2005.
[3] Martínez C.E.; “Encapsulación de Sólidos por Medio de Polimerización Interfacial”, Tesis de
Maestría en Ingeniería Química. Instituto Tecnológico de Aguascalientes, 2004.