Development of polymeric particles to enhance high performance textiles

Abstract

Microparticles containing encapsulated active compounds have been recently used in textile industry to improve their final products and to increase the market competitiveness. The incorporation of these microparticles allows the production of textile materials with new properties and functionalities without affecting their appearance, touch and original properties. These microparticles can be prepared through several microencapsulation techniques and they can have the ability to retain or release the encapsulated active compound. The main purpose of the present study was to prepare microcapsules containing a phase change material (PCM) to be applied in the textile industry and to produce textile substrates with thermo-regulating properties. In order to microencapsulate octadecane (the selected PCM) the suspension polymerization technique by using acrylic monomers was selected. The obtained microcapsules were fully characterized, studying their chemical composition, morphology, size distribution and thermal properties. The obtained samples were compared with two specimens of industrial microcapsules (commercialized by Devan Chemicals) and similar characteristics with the one named as Wc-PCM28 were observed. Then, the influence of different reaction parameters on the polymerization process and on the microcapsules properties was investigated. The type of initiator and the polymerization temperature were the first studied parameters. It was shown that both parameters have an important role on the monomer conversion as a function of time, but not on the microcapsules properties. The effect of the monomers proportions was also evaluated. Despite the different shell composition, these new acrylic microcapsules showed characteristics identical to those obtained in the previous experiments. Though the major difference was observed in their thermal stability. The influence of the core material was also assessed. Here, it was demonstrated that the developed procedure could be applied to microencapsulate compounds with different chemical nature. Nevertheless, the microencapsulation success is limited by the core properties. Finally, the preparation of new acrylic microcapsules, by adding different monomers with distinct reactive groups was investigated. As a result of these studies, a wide range of microcapsules containing octadecane was prepared, apparently with suitable characteristics to produce thermo-regulating textiles. These microcapsules were incorporated in polyester and cotton woven through the technique of padding and using a finishing formulation supplied by Devan-Micropolis (industrial microcapsules were taken as reference). In general, the treated fabrics with acrylic based microcapsules exhibit a thermo-performance identical to the ones with industrial sample Wc-PCM28. The enthalpy values of treated textiles differed according to the type of substrate, changing with their capacity to absorb the finishing formulation and the rearrangement of their fibres. Additionally, the washing tests carried out with the treated fabrics showed that the shell composition is a decisive parameter with regard to the microcapsules washing resistance. Distinct studies have been found in the literature about encapsulation of octadecane based on acrylic shells. Nevertheless, to the best of our knowledge, the procedure developed to prepare microcapsules together with their incorporation into textile substrates using a coupling agent has not been reported. A microencapsulation procedure that includes the combination of acrylic monomers with different reactive groups and crosslinkers. From all the above results, it can be concluded that the encapsulation process established in this research work shows great potential to produce microcapsules with PCM as core material. Microcapsules that can be incorporated into textile substrates in order to produce thermo-regulating functional materials. New formaldehyde-free microcapsules that can bring added value to the current product portfolio of Devan Chemicals.

Recentemente, na indústria têxtil surgiu a necessidade de desenvolver materiais com novas propriedades e funcionalidades, de modo a aumentar a sua competitividade no mercado. A introdução de novas funcionalidades nos substratos têxteis, sem afectar as suas propriedades originais, pode ser alcançada através da incorporação de micropartículas contendo compostos activos. Estas micropartículas podem ser obtidas por diversas técnicas de microencapsulação e podem apresentar a capacidade de reter ou libertar o composto activo encapsulado. No presente trabalho pretendeu-se preparar microcápsulas com um material de mudança de fase (PCM) encapsulado para aplicação na indústria têxtil e com o objectivo de funcionalizar os tecidos com propriedades termo-reguladoras. De acordo com esta aplicação final, para preparar microcápsulas com octadecano, foi seleccionada a técnica de microencapsulação por polimerização em suspensão através da reacção de adição de monómeros acrílicos. Durante este estudo realizou-se a caracterização completo das amostras obtidas, avaliando a sua composição química, a sua morfologia e a suas propriedades térmicas. Por fim, estas microcápsulas foram comparadas com duas amostras industriais (comercializadas pelas Devan Chemicals), onde se verificaram propriedades finais semelhantes à amostra denominada como Wc-PCM28. Em seguida, estudou-se a influência de diferentes parâmetros no processo de polimerização e nas propriedades finais das microcápsulas. Os primeiros parâmetros testados foram o tipo de iniciador e a temperatura de reacção, onde se observou que ambos têm um papel fundamental na conversão dos monómeros em função do tempo de reacção, mas não nas propriedades finais das microcápsulas. Em seguida, estudou-se o efeito da proporções de monómeros, onde apesar das variações na composição da parede das microcápsulas, a maioria das suas características permaneceram idênticas. A maior diferença entre as propriedades das amostras foi observada na sua estabilidade térmica. O efeito do material de núcleo no processo de encapsulação foi também analisado. Este estudo demonstrou que o procedimento desenvolvido pode ser aplicado para encapsular compostos de diferente natureza química, mas que o sucesso da microencapsulação é limitado pelas propriedades desses compostos. Por fim, o presente trabalho centrou-se na funcionalização de microcápsulas acrílicas com diferentes grupos reactivos nas suas paredes de modo a aumentar a resistência das microcápsulas à lavagem dos tecidos. Como resultado dos ensaios anteriores foram obtidas diversas amostras de microcápsulas com octadecano encapsulado, que foram posteriormente incorporadas em tecidos de poliéster e de algodão (as microcápsulas industriais foram usadas como referência). Os tecidos tratados com microcápsulas acrílicas apresentaram valores de entalpia de fusão semelhante à amostra industrial Wc-PCM28. Em geral, os valores obtidos diferenciaram-se de acordo com o tipo de substrato, das quais se destacam a sua capacidade de absorção e o rearranjo das suas fibras. Adicionalmente, os testes de lavagem dos tecidos mostraram que a composição da parede é um parâmetro decisivo para melhorar a resistência das microcápsulas à lavagem. Na literatura podem ser encontrados diversos estudos sobre processos de encapsulação de octadecano baseados na preparação de microcápsulas em paredes acrílicas. Contudo, tanto quanto é do nosso conhecimento, o processo de preparação de microcápsulas aqui desenvolvido, em conjunto com a sua incorporação em substratos têxteis através da adição de um agente de acoplamento, não está reportada. Um processo de encapsulação que engloba a combinação de monómeros acrílicos constituídos por diferentes grupos reactivos e agentes reticulantes. Face aos resultados acima apresentados, o processo de microencapsulação desenvolvido na presente investigação demonstra um elevado potencial para preparar microcápsulas com PCMs encapsulados e que podem ser incorporadas em substratos têxteis para lhes atribuir propriedades termo-reguladoras. Estas novas microcápsulas, obtidas sem recorrer ao uso de formaldeído, poderão criar valor acrescentado ao actual portfólio de produtos da Devan Chemicals.