Obtaining and ennobling of cottonised hemp fibres for textile substrates

Abstract

(English) The main objective of this work has been to obtain fibres and subsequently yarns and fabrics that are suitable for textile applications, through the cottonisation of an agricultural by-product of hemp (Cannabis Sativa L.). The raw material used has come from a non-textile industrial hemp which, so far, is used in the production of oils and sedes and its by-product is also used in the paper industry and in the production of composite materials, but not materials with textile properties. The main problem with hemp, as well as other similar bast fibres, is the high lignin content, which makes it difficult to dry spin using conventional cotton and short fibre spinning techniques. By means of the cottonisation process developed in this study, which has consisted of the application of mechanical, alkaline and oxidising or enzymatic processes, a reduction in the content of non-cellulosic materials has been achieved, including lignin, which has been reduced by 79%. The substrate obtained after the aforementioned processes was blended with cotton in different proportions. Finally, yarns with a count of 40 tex have been obtained through Open-End rotor spinning and then, they were used to produce knitted fabrics. In addition, the substrates resulting have been dyed with natural and sulphurous dyes from natural raw materials to evaluate their behaviour by testing their fastness to different agents.

On the other hand, the delignified fibres have been physically and chemically characterised to determine the influence of the alkaline treatment on their final properties. The delignification kinetics of the hemp fibres have also been studied to optimise the process and carry out an industrial scale-up of the process. The results showed that forced convection should be promoted by moving the chemical bath or the material to be treated and that there were no significant differences in the lignin content of the samples treated with NaOH = 0.5M. In this way, it was possible to reduce the amount of alkali initially used by 75%.

Based on the results of the kinetics, the alkaline process has been scaled up and for this purpose, a reactor with bath recirculation has been designed and manufactured. This design has allowed the processing of up to 5 kg of hemp, at 80 °C, a temperature lightly lower than those at which these alkaline treatments are usually carried out. The hemp fibres were then treated in two different ways: with an oxidising treatment or with an enzymatic treatment. On the one hand, the fibres that have been treated with an oxidising process have been blended at a 25/75 hemp/cotton ratio to obtain drafter slivers. On the other hand, fibres that have been treated with enzymes have been subsequently blended at a 50/50 hemp/cotton ratio to obtain slivers at laboratory scale. In both cases, it has been possible to spin yarns through Open-End rotor spinning with a 40-tex count and with adequate strength to make knitted fabrics.

Finally, the softness of the 50/50 and 25/75 hemp/cotton fabrics has been evaluated, considering a 100% cotton fabric of similar characteristics as a reference. With this, it has been possible to conclude that, in the case of the fabrics with a greater quantity of hemp, an acceptable softness has been obtained despite the high hemp content, and in the second case, the softness has been very similar to that of 100% cotton.

This study has determined that, by means of the developed cottonisation process, an agricultural hemp by-product with no initial textile use is susceptible to being spun and knitted, enabling substrates with properties similar to those of cotton to be obtained.

(Español) El objetivo principal de este trabajo ha sido obtener fibras y, posteriormente hilos y tejidos que sean adecuados para aplicaciones textiles, mediante la algodonización de un subproducto agrícola de cáñamo (Cannabis Sativa L.). La materia prima utilizada ha provenido de un cáñamo industrial no textil que, hasta el momento, es usado en la obtención de aceites y semillas y, cuyo subproducto también es utilizado en la industria papelera y en la elaboración de materiales compuestos, pero no materiales con propiedades textiles. El principal problema del cáñamo, así como otras fibras bastas similares, es el elevado contenido de lignina que dificulta su hilatura en seco mediante las técnicas de hilatura de algodón y fibras cortas convencionales. Mediante el proceso de algodonización desarrollado en este estudio, que ha consistido en la aplicación de procesos mecánicos, alcalinos y oxidantes o enzimáticos, se ha conseguido una disminución del contenido de materiales no celulósicos, entre ellos de lignina, que ha sido reducida en un 79%. El sustrato conseguido ha sido mezclado con algodón en diferentes proporciones. Finalmente se han obtenido hilos con un título de 40 tex a través de la hilatura Open-End rotor, con los que se han elaborado tejidos de punto. Además, los sustratos han sido teñidos con colorantes naturales y sulfurosos provenientes de materias primas de origen natural, con el fin de evaluar su comportamiento mediante pruebas de solidez a diferentes agentes. Por otro lado, las fibras deslignificadas han sido caracterizadas física y químicamente con el fin de conocer la influencia del tratamiento alcalino en sus propiedades finales. También se han estudiado las cinéticas de deslignificación de las fibras de cáñamo para optimizar el proceso y llevar a cabo un escalado industrial del mismo. Los resultados mostraron que, se debía promover la convección forzada mediante el movimiento del baño químico o del material a tratar y que no había diferencias significativas en el contenido de lignina de las muestras tratadas con NaOH = 0,5M. De esta forma se ha podido reducir la cantidad de álcali inicialmente usado en un 75%. A partir de los resultados de las cinéticas, se ha realizado un escalado del proceso alcalino, para lo cual se ha diseñado y fabricado un reactor con recirculación de baño. Este diseño ha permitido el procesamiento de hasta 5kg de cáñamo, a 80 ° C, temperatura sensiblemente inferior a las que habitualmente se realizan estos tratamientos alcalinos. A continuación, las fibras de cáñamo han sido tratadas de dos formas distintas: con un tratamiento oxidante o con un tratamiento enzimático. Por un lado, las fibras que han sido tratadas con un proceso oxidante se han mezclado a una proporci ón 25/75 cáñamo/algodón para obtener cintas de manuar. Por otro lado, las fibras que han sido tratadas con enzimas, posteriormente se han mezclado a una proporción 50/50 cáñamo/algodón para obtener cintas a escala de laboratorio. En ambos casos se han podido obtener hilos a través de hilatura Open-End rotor de 40 tex de título y con resistencia adecuada para obtener tejidos de punto. Finalmente, la suavidad de los tejidos de 50/50 y 25/75 cáñamo/algodón ha sido evaluada, teniendo como referencia un tejido de 100% algodón de similares características. Con esto, se ha podido concluir que, en el caso de los tejidos con mayor cantidad de cáñamo, la suavidad fue aceptable a pesar del alto contenido de cáñamo y en el segundo, la suavidad ha sido muy similar a la del 100% algodón. Este estudio ha permitido determinar que, mediante el proceso de algodonización desarrollado, un subproducto agrícola de cáñamo sin uso textil inicial es susceptible de ser hilado y tejido, permitiendo la obtención de sustratos con propiedades similares a las del algodón.