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DESCARGA PLASMÁTICA APLICADA AOS PROCESSOS DE TINGIMENTO E ESTAMPARIA: UMA BREVE REVISÃO DA LITERATURA

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DESCARGA PLASMÁTICA APLICADA AOS PROCESSOS DE TINGIMENTO E ESTAMPARIA: UMA BREVE REVISÃO DA LITERATURA

André Luiz Marquardt, Fernando Ribeiro Oliveira, Fernanda Steffens

Departamento de Engenharias, Universidade Federal de Santa Catarina; 89036-256, Blumenau /SC, Brasil

andre.marquardt@grad.ufsc.br Resumo

Neste trabalho será apresentada uma visão atualizada da literatura sobre a aplicação da descarga plasmática em diversos materiais têxteis. Devido as grandes possibilidades do uso desta tecnologia para modificar superficialmente os mais diversos materiais, uma reflexão crítica dos resultados científicos mais significativos no segmento de tingimento e estamparia serão aqui relatados. Esta revisão bibliográfica introduz uma descrição geral sobre o plasma. Posteriormente são apresentados os principais efeitos obtidos pela aplicação da descarga plasmática nos processos de beneficiamento secundário em diversos substratos têxteis. Verifica-se que esta nova tecnologia cada vez se apresenta com mais intensidade no meio acadêmico e possivelmente, em breve, será uma alternativa não dispendiosa e ambientalmente correta para o segmento industrial têxtil.

Palavras-chave: Descarga Plasmática; Técnicas de Caracterização; Tingimento, Estamparia.

PLASMATIC DISCHARGE APPLIED IN THE DYEING AND PRITING PROCESSES: A BRIEF REVIEW OF THE LITERATURE

Abstract

This paper will present an updated view of the literature on the application of plasma discharge in several textile materials. Due to the great possibilities of using this technology to modify superficially the most diverse materials, a critical reflection of the most significant scientific results in the dyeing and printing segment will be reported. This literature review introduces a general description of plasma. Subsequently the main effects obtained by the application of the plasma discharge in the secondary finishing processes in several textile substrates are presented. It is possible to verify that this new technology is increasingly considerably in the academic field and possibly, soon, will be an inexpensive and environmentally correct alternative for the industrial textile segment.

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1 Introdução

Por definição, plasma pode ser compreendido como o 4º estado de matéria onde um número significativo de átomos e moléculas são eletricamente carregados ou ionizados. Vários podem ser os componentes constituintes, incluindo íons, elétrons livres, fótons, átomos neutrons e moléculas no estado fundamental e excitado, e existe uma elevada probabilidade de interação superficial com substratos orgânicos [1]. Devido à sua alta reatividade, o plasma pode ser utilizado na modificação e ativação superficial de um determinado substrato, favorecendo o depósito de materiais tais como corantes e compostos funcionalizantes, visando conferir melhores propriedades [1].

Os processos de tingimento e estamparia são responsáveis por agregar valor aos diversos produtos têxteis. Sabe-se, porém, que os efluentes gerados nos processos têxteis trazem consigo elevada carga poluidora, uma vez que aproximadamente 90% dos produtos químicos utilizados no beneficiamento são eliminados após seu uso [2]. Desse modo, a aplicação de tecnologias como a descarga plasmática pode propiciar a obtenção de rendimentos superiores na absorção e fixação de corantes e produtos funcionalizadores em diversos materiais têxteis. Tal otimização de rendimentos se reflete por sua vez em minimização da geração de resíduos, impactando positivamente no fator econômico e ambiental [2]. Assim, este trabalho tem como objetivo principal fazer uma revisão de literatura a respeito de estudos que utilizaram a descarga plasmática como pré-tratamento aos processos de tingimento e estamparia. A coleta de dados para a revisão bibliográfica foi realizada em periódicos com arbitragem científica, indexados nacionalmente e internacionalmente, bem como em teses e dissertações publicadas, onde verificou-se que o plasma, sendo uma tecnologia ambientalmente correta, pode apresentar vantagens significativas em relação aos métodos convencionais.

2 TINGIMENTO

O tratamento plasmático modifica ou auxilia na remoção da camada hidrofóbica mais externa de algumas fibras, potencializando a interação fibra/corante e aumentando a difusão das moléculas dos corantes para o interior da fibra. Uma melhoria nas propriedades tintoriais das fibras pode manifestar-se no aumento da velocidade de tingimento, no aumento do esgotamento, na melhora da uniformidade de produtos tintos ou ainda na obtenção de

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elevados níveis de solidez. Modificações superficiais obtidas após a descarga plasmática podem influenciar de forma positiva o tingimento de diversas fibras têxteis. Basicamente dois tipos de plasmas podem ser utilizados para este objetivo: um plasma de deposição, no qual grupos funcionais necessários fazem parte de um revestimento que é polimerizado pela descarga na superfície fibrosa; um plasma de não deposição (por exemplo de oxigênio (O2),

nitrogênio (N2), ou ar), o qual cria grupos funcionais na superfície da fibra que interagem

diretamente com a molécula iônica do corante, ou alteram o caráter hidrofóbico superficial das fibras para melhorar a difusão de moléculas para o seu interior [3].

Responsável por agregar cor aos substratos têxteis, processos de tingimento respondem por uma grande quantidade de efluentes devido à elevada carga de corantes e produtos químicos utilizados. Desse modo, pode-se citar estudos para otimização do processo de tingimento em diversas fibras por uso de descarga plasmática com resultados notáveis no âmbito ecológico e econômico.

2.1 ALGODÃO

Em trabalho realizado por Gorjanc et al. [4], tecidos crus de algodão foram expostos ao plasma de baixa pressão visando melhorar a adesão de corantes naturais, bem como aumentar o fator de proteção ultravioleta (UV). O plasma foi sintetizado em tubo de vidro por meio de descarga de radiofrequência sem eletrodo, e para tal foi utilizado plasma de oxigênio e amônia sob pressão de 50 Pa visando a formação de grupamentos de oxigênio e de nitrogênio, respectivamente. O rendimento de cor para o corante natural curcumina apresentou melhora significativa após tratamento com plasma de amônia por conta da ligação do corante à superfície dos grupos amino. Ao ser utilizado o plasma de oxigênio, porém, houve uma diminuição de rendimento, justificada por conta da superfície estar negativamente carregada, repelindo as moléculas de corante com cargas negativas. A aplicação de plasma de amônia também se mostrou notavelmente eficiente no aumento do fator de proteção ultravioleta (UPF), estando acima do fator 50.

Gorjanc et al. [5] realizaram também um estudo a respeito de têxteis coloridos e antibacterianos pelo uso de processos ecologicamente corretos. Para tal, tecidos de rayon viscose e bambu foram tratados utilizando plasma de vapor de água sob baixa pressão e exposição à radiofrequência, sendo posteriormente tingidos com extrato de rizoma de Fallopia japonica. Os resultados mostraram que o plasma de vapor de água induz um efeito

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de adesão fraco na superfície celulósica, justificada pela dissociação de suas moléculas em radicais hidroxilas. De modo geral, as amostras apresentaram maior adesão do corante e melhor propriedade antibacteriana frente a Staphylococcus aureus após o tratamento plasmático; porém para a bactéria Escherichia coli o afeito antibacteriano não foi notado.

Utilizando como objeto de estudo o desbotamento da cor de algodão tingido, Kan, Cheung e Chan [6] realizaram estudo a respeito do tratamento com ozônio induzido por plasma visando melhora no processo de desbotamento intencional. Isso se deve ao fato de métodos convencionais de desbotamento, principalmente no denim, exigirem substâncias com elevado potencial poluente, bem como dificuldade no controle do desbotamento. No estudo, um tecido de algodão foi tingido na cor amarela e então submetido ao tratamento plasmático com ozônio. Os resultados revelaram que o tratamento de ozônio induzido por plasma se mostra eficiente e apresenta potencial para se reduzir etapas de processo, diminuindo custos e os níveis de efluentes gerados – quando comparado ao processo convencional de desbotamento de cor.

2.2 LÃ

Em estudo realizado por Zanini e seus coloboradores [7], tecidos compostos por lã e cashmere (15/85%) foram submetidos à descarga plasmática de dupla barreira dielétrica (DBD) em atmosfera de nitrogênio. Posteriormente as amostras foram analisadas por espectroscopia de infravermelho com refletância total atenuada, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análises de cromatografia gasosa para avaliar ácidos graxos. Os resultados revelaram modificações significativas nos tecidos tratados, mudanças nas propriedades mecânicas e aumento significativo na molhabilidade superficial.

Sajed et al. [8] estudaram a modificação da fibra de lã pelo uso de descarga plasmática e de dendrímeros, onde os procedimentos foram empregados para melhorar a capacidade de coloração das fibras com corante natural de cochonilha. Foi observado um aumento da rugosidade das fibras de lã, bem como a formação de grupos contendo oxigênio. Os resultados evidenciaram que a cinética de adsorção de cochonilha em fibras tratadas mostrou melhor desempenho, quando comparado às fibras em seu estado cru.

Pu e Wang [9] por sua vez, estudaram as propriedades de fibras de lã tratadas com plasma de baixa temperatura e posteriormente tingidas com corantes reativos da série CE Lanasol®. Os resultados obtidos evidenciaram que a intensidade colorísitca após tratamento

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plasmático foi melhorada, possibilitando inclusive uma diminuição na temperatura do processo de tingimento. A partir de análises utilizando microscopia eletrônica de varredura, avaliações de solubilidade alcalina e taxa de retenção de água verificou-se que características que agregam molhabilidade foram consideravelemnte aumentadas na fibra após tratamento plasmático, resultando assim em melhora nas propriedades de tingimento da fibra.

2.3 POLIAMIDA

Num trabalho realizado por Oktem et al. [10], grupos de ácido carboxílico foram introduzidos na superfície de tecidos de poliamida e poliéster através de um plasma de baixa pressão a 13.56 Mhz. Após os tratamentos, as amostras foram tingidas com corantes catiônicos. Comprovou-se um aumento da força colorística (K/S) para o tecido de PA e de PET. Para o primeiro, o valor de K/S passou de 8.17 (sem tratamento) para 9.16 (amostra tratada). Para o tecido de PET, o valor de K/S teve um aumento de 0.34 para 0.92 após o tratamento plasmático.

Com enfoque nos efluentes têxteis, Oliveira et al. [11] realizaram estudo do tingimento de fibras de poliamida modificadas por descarga plasmática de dupla barreira dielétrica com o intuito de reaproveitar o efluente gerado no processo. O objetivo foi investigar a influência do tratamento com descarga plasmática de barreira dielétrica em um processo de tingimento tricrômico da poliamida 6.6 (PA66) e o reuso dos efluentes gerados para novos processos de tingimento. De acordo com os resultados das coordenadas colorimétricas apresentados foi possível realizar três processos consecutivos de tingimento, com excelente reprodutibilidade de cor e ótimos resultados de solidez. A caracterização química e física das fibras tratadas foi estudada através das seguintes técnicas: ângulo de contato, espectroscopia fotoeletrônica de raios-X (XPS), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM). Resultados mostraram que o tratamento com descarga plasmática aumenta de forma muito significativa a hidrofilidade e adesão da poliamida 6.6 devido a elevação de grupamentos polares e da rugosidade superficial. Após o tingimento com efluente reutilizado foi observada uma boa solidez à lavagem e bons resultados de uniformidade e reprodutibilidade, possibilitando assim uma diminuição significativa nos custos e também no impacto ambiental. A figura 1 mostra um esquema de um reator de plasma que trabalha de forma contínua.

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Figura 1. Esquema do reator de plasma de pressão atmosférica.

Fonte: Dinçmen, Hauser e Gürsoy (2017). [12]

Yip et al. [13] trataram tecido de poliamida 6 através de um plasma de baixa temperatura com tetrafluoretano, com o intuito de tingir este substrato com duas classes de corantes (ácido e disperso). A superfície do tecido tratado foi examinada por MEV e as alterações químicas por meio de XPS. Os resultados de tingimento mostraram que o tratamento plasmático reduziu a velocidade de esgotamento, sem diminuir a quantidade total de corante absorvida para a classe de corantes ácidos. Para os corantes dispersos foram verificadas alterações significativas quando comparadas as amostras com e sem tratamento. Um ligeiro aumento na solidez à lavagem dos tecidos foi verificado para as amostras tratadas. 2.4 POLIÉSTER

Em trabalho desenvolvido por Khalifa et al. [14] foi verificado a reticulação de sericina na fibra de poliéster tratada com descarga de plasma atmosférico. O tratamento plasmático, com posterior reticulação de sericina, possibilitou a obtenção de fibras de poliéster altamente hidrofílicas e duráveis, sendo estas características confirmadas pela avaliação do ângulo de contato da água e da capilaridade, ensaios de microscopia de força atômica e potencial zeta.

Ren e seus colaboradores [15] estudaram um método combinado de caustificação e descarga de plasma para modificar a superfície de fibras de poliéster. Neste estudo foi verificado o efeito da temperatura de caustificação e da duração do tratamento plasmático. Os resultados revelaram uma melhoria significativa nas propriedades do tingimento, quando este resulta, da combinação destes processos. Concluíram neste estudo que o pré-tratamento de

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caustificação antes do tratamento plasmático pode acelerar o efeito etching e a oxidação na superfície do poliéster durante o tratamento plasmático.

Agnhage, Perwuelz e Behary [16] modificaram superficialmente fibras de poliéster utilizando descarga plasmática e posterioriormente aplicaram quitosana, com o objetivo de elevar o potencial de tingibilidade deste substrato. Aliado aos processos superficiais foi utilizado extrato de Rubia tinctorium L. como corante natural. As condições ótimas de tingimento se deram em pH 5, utilizando temperatura de 130 ºC por 45 minutos, sendo que a condição superficial mais favorável foi notada combinando a tecnologia plasmática com o polieletrólito natural quitosana. De acordo com os autores, o aumento do potencial zeta e da capilaridade na presença de quitosana, com uma ativação prévia da superfície do tecido via descarga plasmática, foram os responsáveis pela obtenção de melhores resultados de força colorística das amostras de poliéster.

2.5 ARAMIDAS

Um processo que envolve grandes dificuldades é o do tingimento de materiais termoestáveis como a meta e a para-aramida. Os problemas são causados pela estrutura físico-química destas fibras, designadamente: elevado grau de orientação das macromoléculas na cadeia polimérica, elevada cristalinidade, densidade da estrutura e a coloração intrínseca ao material. Estudos sobre um processo de tingimento destas fibras, utilizando tecnologias tradicionais, estão a ser desenvolvidos [17]. Shigenobu kobayasihi et al. [18] submeteram três diferentes tipos de tecidos de aramida (Technora®, Kevlar® e Conex®) a um tratamento plasmático de baixa temperatura utilizando o gás árgon. Após o tratamento, os tecidos foram tingidos com corantes dispersos. A força colorística aumentou consideravelmente nos tecidos Technora e Kevlar previamente tratados (ambas para-aramida, da Teijin e da Dupont, respectivamente), mas o mesmo não ocorreu com o tecido fabricado a partir das fibras de meta-aramida (Conex).

Para estas fibras denominadas termoestáveis verifica-se a necessidade de se proceder ao desenvolvimento de novos métodos de tingimento, uma vez que com as tecnologias existentes não se tem obtido os resultados desejados [19]. A utilização da descarga plasmática deve ser explorada com o intuito de melhorar e viabilizar o processo de tingimento destas fibras.

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3 ESTAMPARIA

Sem qualquer pré-processamento, alguns materiais têxteis têm uma menor capacidade de reter água, corantes, produtos de acabamento e pastas de estampar. Isto se deve, sobretudo, à morfologia e às propriedades químicas das fibras. Desta forma, a estamparia, tal como os outros processos, pode apresentar um rendimento menor e uma baixa solidez à lavagem e fricção.

Em um estudo realizado por Park e Koo [20] foi avaliada a aplicação de um tratamento com descarga de plasma atmosférico como pré-tratamento para estamparia digital em tecidos de poliéster e algodão, a fim de determinar sua viabilidade como uma alternativa ao tratamento químico usual. Propriedades de superfície dos tecidos tratados com descarga plasmática foram examinadas por meio de MEV e ângulo de contato. Embora diferenças notáveis de superfície não tenham sido observadas com o auxílio do MEV nos tecidos antes e após o tratamento, o ângulo de contato estático de uma gota de água no tecido de poliéster após tratamento com descarga de plasma atmosférico foi reduzido de 85º para 24º. Verificou-se com isso uma melhora substancial na absorção de pigmentos nos substratos previamente tratados com plasma.

Tendo como objeto de estudo a fibra de linho, Özgüney et al. [21] avaliaram a impressão à jato de tinta em tecidos pré tratados com plasma de argônio utilizando diferentes pastas de impressão. As amostras foram estampadas com corantes reativos após receberem tratamento prévio com alginato de sódio (ALG), carboximetilcelulose (CMC), quitosana (CHT), e suas combinações ALG + CHT, CMC + CHT, sendo em seguida aplicado um tratamento plasmático. A pasta estampada com pré-tratamento de CMC + CHT apresentou o melhor rendimento colorístico com e sem tratamento plasmático. Os valores de solidez à lavagem não foram afetados pelo tipo de pré-tratamento utilizado. No entanto, verificou-se que a aplicação da descarga plasmática melhorou ligeiramente a solidez da cor à lavagem dos substratos estampados.

Partindo para a área da saúde, Ivanova et al. [22] trabalharam na melhoria da fixação de nanopartículas de poli (l-lactídio) à nãotecidos tratados com plasma, utilizando impressão à jato de tinta como método de aplicação.

Com enfoque na modificação de superfície de tecidos de algodão, Pransilp et al. [23] aplicaram descarga plasmática visando melhorar a resistência da cor e adesão por impressão a

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jato de tinta. As modificações superficiais foram feitas por três tipos de pré-tratamentos de plasma, utilizando O2, N2 e hexafluoreto de enxofre (SF6), para melhorar a absorção de

pigmento à base de água e a reprodução das cores. Os tratamentos com plasma utilizando O2

induziram a formação de novos grupos funcionais, O-C-O/C=O e O-C=O; enquanto os tratamentos com plasma utilizando N2 produziram adicionalmente novos grupos funcionais,

CN e O=C-NH, sobre a superfície do tecido, aumentando as propriedades hidrofílicas e a reatividade superficial do tecido. Para o tecido de algodão tratado com plasma utilizando SF6,

a funcionalização com flúor foi encontrada na superfície. Ao término do processo, os tecidos tratados com plasma SF6 tinham propriedades hidrofóbicas e apresentavam menos absorção

de pigmento. A rugosidade da superfície causada pelo ataque por plasma aumentou as áreas de contato, retendo mais pigmento. Os tecidos de algodão exibiram maior adesão e gama de cores mais ampla após o tratamento com plasma de O2 em comparação ao tratamento com

plasma de N2.

A qualidade de estampados digitais em tecidos de polipropileno pré-tratados com descarga plasmática de baixa temperatura durante 30 minutos foi estudada por Nasadil e Benesovsky [24]. As amostras com e sem tratamento foram estampadas em impressora digital e posteriormente, termofixadas. Foi avaliada a solidez durante cinco ciclos de lavagem a 30ºC. Os resultados obtidos para amostras com e sem tratamento estão ilustrados na figura 2. Verificou-se que para as seis cores analisadas, cinco, que foram pré-tratadas com plasma apresentaram os melhores resultados.

Figura 2 – Resultados obtidos para a solidez à lavagem de amostras estampadas com

e sem tratamento plasmático [24].

Radka e Jakub [25] estudaram o efeito de um tratamento plasmático no processo de estamparia de um tecido de lã. Os resultados mostraram que à medida que se aumentava o

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tempo de tratamento plasmático (10s, 50s e 100s) os valores da força colorística do substrato estampado também aumentava.

Em um estudo recente, Zhang e colaboradores modificaram tecidos de poliéster por meio da descarga plasmática a pressão atmosférica com o objetivo de estudar a relação entre aspectos como molhabilidade, fixação de pigmentos, desempenho de solidez e força colorística. A intensidade da cor e a definição da borda foram usadas para avaliar o desempenho de impressão a jato de tinta das amostras. As técnicas de MEV, AFM e XPS indicaram o aumento da rugosidade superficial e de grupos polares contendo O2, após

aplicação da descarga plasmática, o que propiciou o aumento da fixação de pigmentos na superfície da fibra. Este trabalho explorou uma nova abordagem para a aplicação da descarga plasmática à pressão atmosférica, que pode fornecer uma melhora significativa no desempenho de impressão a jato de tinta em tecidos de poliéster [26].

4 CONCLUSÕES

Conforme demonstrado ao longo desta revisão bibliográfica, a utilização da descarga plasmática pode trazer grandes vantagens aos tradicionais processos de tingimento e estamparia utilizados em diferentes materiais têxteis. Desta forma destacam-se as seguintes considerações:

-A descarga plasmática altera a superfície da fibra, sem modificar suas propriedades intrínsecas, e é um processo que pode ser aplicável nos mais diversos tipos de substratos fibrosos.

-O tratamento plasmático pode ser facilmente integrado no processo produtivo têxtil, com redução da poluição e do consumo energético. Não há praticamente nenhuma produção de resíduos, pelo contrário, alguns resíduos gerados como o ozônio, na descarga plasmática DBD, podem vir a ser reaproveitados, por exemplo no tratamento de efluentes. - Nos processos de tingimento e estamparia é possível obter grandes melhorias, como o aumento da absorção de corantes e pigmentos, processos mais curtos e com temperaturas inferiores, produtos com melhores propriedades de solidez à lavagem, fricção e à luz.

- O consumo de produtos químicos é inferior e por se tratar de um processo seco, pode-se reduzir o tempo necessário para o processamento convencional. Assim, apesar deste processo necessitar de um investimento inicial (aquisição do equipamento), a sua implementação pode

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implicar em um menor custo de produção, produtos de melhor qualidade, e podem-se conseguir propriedades difíceis de serem obtidas pelos processos convencionais.

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