Air-laid nonwovens containing Eucalyptus fibers

Abstract

Os tecidos não tecidos são uma categoria de produtos de fibra que se encontram na cadeira de valores entre produtos de papel e têxteis. Embora possuam muitas propriedades superiores aos papéis, os tecidos não tecidos geralmente são constituídos por fibras e adesivos à base de petróleo, o que aumenta a sua pegada ambiental. Assim, os tecidos não tecidos de base biológica seriam mais sustentáveis do que a atual geração de produtos, e a fibra de eucalipto poderia ser parte da solução. Neste trabalho, a matéria-prima foi preparada e foi desenvolvida uma estratégia de ligação adequada para a produção folhas por via aerodinâmica, uma subcategoria de formação de tecidos não tecidos relevante para produtos de aplicações em toalhetes, guardanapos e substratos absorventes. As folhas produzidas neste trabalho são de base biológica.Um dos maiores desafios a ser ultrapassado neste trabalho foi o desenvolvimento de um equipamento à escala laboratorial e procedimento adequado para a formação de folhas por via aerodinâmica. Infelizmente, equipamentos comerciais não estão disponíveis para este propósito, dificultando o desenvolvimento de produtos por via aerodinâmica. Desta forma, um novo formador de folhas foi desenvolvido, contendo um sistema rotativo de distribuição de fibras em fluxo de ar controlado. O formador permitiu a produção de folhas laboratoriais de boa qualidade e uma investigação mais aprofundada das matérias-primas e de certas variáveis do processo. Além disso, foi também desenvolvido um método de consolidação e secagem das folhas laboratoriais. A pasta normalmente usada na produção por via aerodinâmica é em fardo ou bobina, o que requer desfibração mecânica. Contudo, este passo pode danificar as fibras e prejudicar as propriedades das resultantes folhas. Neste trabalho, foi explorada a possibilidade de evitar a desfibração mecânica recorrendo a um secador de desfibração, que seca a pasta em fluxo de ar. Verificou-se que a abordagem de desfibração, ou seja, a desfibração mecânica versus desfibração em corrente de ar, proporciona pastas com caraterísticas que têm efeitos consideravelmente diferentes nas propriedades das resultantes folhas.Um sistema de ligação viável para as estruturas formadas por via aerodinâmica é crucial para o sucesso dos produtos de tecidos não tecidos. Este trabalho levantou a hipótese de que uma combinação de ligação de hidrogénio, fibras termoplásticas e dispersão de adesivo comercial, poderiam proporcionar as propriedades desejáveis para as folhas. Estas abordagens exigiram o desenvolvimento de um método para a formação de folhas homogéneas com misturas de pasta de eucalipto com fibras de ácido polilático (PLA), aplicação de humidade e prensagem controladas, secagem em temperatura controlada e aplicação de dispersão de adesivo à superfície das folhas. Os resultados mostraram que o maior impacto do método de desfibração nas propriedades das folhas se deveu a diferenças no teor de finos das pastas. Um resultado surpreendente foi a modulação do efeito dos finos pelo uso de fibras de PLA. Assim, variando a abordagem de desfibração, o teor de humidade e a proporção de pasta/PLA, foi possível variar as propriedades da folha de forma pouco comum. Por exemplo, foi possível o aumento simultâneo da resistência à tração e do índice de mão. A adição à superfície de adesivo de base biológica permitiu o reforço da resistência das folhas. A resistência à tração a húmido foi desenvolvida incorporando fibras de PLA e/ou aplicando adesivo à superfície. Ao ajustar o tipo de pasta e o sistema de ligação, o desempenho dos tecidos não tecido de Eucalyptus foi superior a amostras de mercado no que diz respeito ao índice de mão, capacidade de absorção de água e alongamento. Através de outra abordagem de ajuste, foi possível obter propriedades de resistência à tração semelhantes às de amostras de mercado.Trabalho futuro deverá passar por melhorias adicionais no sistema de ligação, visando o aumento de resistência das folhas sem redução do índice de mão nem da capacidade de absorção de água. A melhoria da interação de PLA/celulose aumentaria a ligação e resistência das folhas. Uma investigação mais aprofundada sobre o teor e qualidade dos finos poderia ampliar os resultados positivos demonstrados na presente tese.

Nonwovens are a growing fiber product category placed on the value chain between paper and textile products. While nonwovens enjoy many superior properties to papers, these often rely on petroleum-based binders and fibers, which increases the environmental footprint. Thus, bio-based nonwoven products would be more sustainable than the current generation of products, and Eucalyptus fiber could be a part of the solution. In this work, a conceivable raw material and suitable bonding strategy were developed for producing bio-based air-laid sheets, an important subcategory of nonwoven products with applications such as wipes, napkins, and sorption substrates.One of the main problems to be solved for this work was to develop suitable laboratory equipment and procedures for producing air-laid sheets. Unfortunately, commercial equipment is unavailable for this purpose, hindering air-laid product development. Therefore, a novel sheet former with a rotating batch fiber distribution system and controlled airflow was developed. The former produced good-quality laboratory sheets and allowed the further investigation of raw materials and certain process variables. In addition, a method for consolidating and drying the sheets was also developed.The pulp usually used in industrial air-laid production is web-based fluff pulp, which must be mechanically defibrated. However, this step can damage fibers and degrade sheet properties. In this work, we explored the possibility of avoiding fluff pulp milling by use of a defibration dryer, which dries pulp in a turbulent air stream. It was found that the defibration approach, i.e., defibration dry versus lab milling, yields pulps with different characteristics that have considerably different effects on air-laid sheet properties.A workable fiber bonding system is crucial to successful bio-based nonwoven products. This work hypothesized that a combination of hydrogen bonding, bio-based thermoplastic fibers, and a commercial polymer binder could produce desired sheet properties. These approaches required the development of a method to form homogenous sheets with mixtures of polylactic acid (PLA) fibers and defibrated Eucalyptus pulp, rewet sheets to a controlled moisture level and pressure, dry sheets under controlled temperature, and apply a polymer dispersion to the sheet surface. It was found that the most considerable impact that the Eucalyptus defibration method had on sheet properties was mainly due to differences in the fines content. A surprising result was that the use of PLA fibers modulated the effect of the fines. Thus, by varying the defibration approach, the moisture content, and the ratio of pulp/PLA, it was possible to vary sheet properties in an unusual way. For example, tensile strength and sheet bulk could be increased simultaneously. The surface addition of bio-based binder could further reinforce the sheet. Wet tensile strength was developed by incorporating PLA fibers in the furnish and/or adding a binder on the surface. By architecting the pulp type and the bonding system, the performance of Eucalyptus air-laid nonwovens was superior to market samples for bulk, water-holding capacity, and stretch at break. Another type of architecting the pulp type and the bonding system, yielded sheets with comparable tensile properties.Future work should focus on further improvements in the bonding system to increase sheet strength without diminishing bulk and water sorption capacity. Enhancement of the PLA/cellulose interaction would improve bonding and strength. A deeper investigation into fines content and quality could further amplify the positive effects demonstrated in this thesis.