Tratamientos de tejidos de algodón con ozono: análisis de las variables de proceso, aproximación cinética, estudio del envejecimiento y caracterización superficial

Abstract

Los tejidos de algodón se someten a procesos de preparación (desencolado, descrudado y blanqueo) basados en la eliminación de impurezas presentes en la superficie de la fibra. Actualmente se blanquean con peróxido de hidrógeno, lo que comporta la generación de aguas residuales y un gran consumo energético y de productos químicos. Las principales alternativas a los procesos de blanqueo de algodón se basan en catalizadores del peróxido, cócteles enzimáticos u ozono. El blanqueo con ozono se trata de una alternativa respetuosa con el medio ambiente, ya que tiene lugar a temperatura ambiente. Se han realizado estudios de blanqueo de algodón con ozono mayoritariamente en fase acuosa sobre tejidos desencolados y descrudados. En el presente trabajo se estudian procesos de ozonización en fase gas directamente sobre tejidos crudos, así como las modificaciones superficiales introducidas en la fibra de algodón. Las condiciones de operación adecuadas para obtener un grado de blanco aceptable (WICIE ≥ 80) sin modificar las propiedades mecánicas del algodón son: 10-20 min de ozonización, 5-15 gO3/m3, 10-50 L/h; pH 4-5 (del tejido), 50-60% H2O y 30ºC. Los grados de blanco obtenidos en tejidos ozonizados son similares a los de tejidos blanqueados con peróxido de hidrógeno. Sin embargo, los tratamientos con ozono comportan una reducción del grado de polimerización del algodón. Esto indica que las fibras ozonizadas quedan dañadas químicamente, aunque no se hayan observado pérdidas de resistencia mecánica significativas. La reacción global de blanqueo de algodón con ozono sigue una cinética de segundo orden y presenta una energía de activación de 16.2 kJ/mol. Se ha observado un fenómeno de pérdida de grado de blanco con el tiempo (envejecimiento) en los tejidos de algodón ozonizados en húmedo. Los lavados con tensioactivo aniónico (SDS) en caliente o con proteasa en frío consiguen reducir significativamente el envejecimiento. No se ha observado una relación clara entre el envejecimiento y la mojabilidad, la composición química o la presencia de radicales libres en algodón. Los tejidos de algodón blanqueados con peróxido o descrudados presentan una hidrofilia muy superior a la de los tejidos ozonizados. La hidrofilia aumenta a medida que se incrementa el tiempo de ozonización. Los resultados de ángulo de contacto de retroceso sugieren que las fibras ozonizadas poseen una primera capa superficial hidrófoba seguida de una segunda capa altamente hidrófila. Se han analizado tejidos de algodón por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) y espectroscopia infraroja (FTIR-ATR). Los tratamientos con ozono modifican la composición química superficial de fibras de algodón crudo, incrementando el porcentaje de grupos oxigenados. La eliminación de grasas y ceras presentes como impurezas en la fibra de algodón crudo es mayor cuanto mayor es el tiempo de tratamiento y/o más básico el pH. Los tratamientos de algodón con ozono consiguen alcanzar valores de carga superficial (potencial ξ similares al descrudado alcalino o al blanqueo con peróxido, siendo la carga superficial más negativa cuanto mayor haya sido el tiempo de ozonización. Los incrementos de potencial ξ negativo se deben mayoritariamente a la introducción de grupos oxigenados en superficie. Los resultados de mojabilidad y propiedades electrocinéticas se han validado con ensayos de tinción. El análisis de la morfología superficial de fibras de algodón por microscopía de fuerza atómica (AFM) indica que los procesos de ozonización no parecen eliminar la capa fina hidrófoba al completo. En resumen, mediante el blanqueo de tejidos de algodón con ozono se pueden conseguir grados de blanco aceptables a temperatura ambiente para tiempos de tratamiento cortos y consumiendo pequeñas cantidades de agua. Sin embargo, es necesario estudiar sistemas de protección del daño químico producido en la fibra de algodón, así como posibles sinergias obtenidas entre la ozonización en fase gas y otros procesos de blanqueo.

Cotton fabrics are properly prepared (i.e. desizing, scouring and bleaching processes) in the textile industry in order to remove impurities present in the surface of cotton fibres. Bleaching of cotton fabrics are currently carried out by using hydrogen peroxide, what involves generation of wastewaters and a high consumption of chemicals and energy. The main alternatives to cotton bleaching by hydrogen peroxide are based on peroxide catalysts, enzyme cocktails or ozone. Ozone bleaching is an environmentally friendly approach because it is carried out at room temperature. Several studies about ozone bleaching of desized and/or scoured cotton fabrics mainly in water solutions have been carried out previously. In this work gas phase ozonation of raw cotton fabrics together with associated surface modifications has been studied. Optimum operational parameters to obtain an appropriate whiteness degree (WI CIE = 80) without modifying mechanical properties of cotton are: 10-20 min of ozonation, 5-15 gO3/m3, 10-50 L/h; pH 4-5 (of the fabric), 50-60% H2O y 30ºC. Whiteness degree obtained for ozonated fabrics are similar from those obtained for peroxide bleached ones. However, ozone treatments involve a significant reduction of the degree of polymerization of cotton. Ozonated fibres are chemically damaged, although not any decrease of mechanical resistance have been observed.