Actualite Chimique 1999 Fibres Textiles

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Chimie pour les textiles, l'habillement. Article

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  • Le dveloppement du textile depuisun sicle sest ralis grce aux progrsde la chimie marquant diffrentes rup-tures technologiques. Le passage desfibres naturelles (coton, laine, soie, parexemple) aux fibres artificielles (rayon-ne/viscose, actate), puis aux fibressynthtiques (nylon, polyester) a trendu ncessaire pour satisfaire desbesoins croissants et a t possiblegrce aux avances dues aux procdsde mise en uvre (dissolution du xan-thate de cellulose pour le filage de larayonne), puis aux progrs de la syn-thse des macromolcules (le polyami-de Nylon de Carothers en 1935). Lachimie des colorants et des traitementsde finissage a, par ses volutions tech-nologiques, permis doffrir auxconsommateurs daujourdhui, la palet-te des produits textiles.

    Les textiles usage habillement,ameublement ou industriel tirent leursperformances de leur constitution, deleur procd de fabrication et de leurtraitement.

    Ainsi, la nature chimique des fibres,les procds dentrecroisement des fils(tissage, tricotage, tressage, non-tissa-ge), les traitements chimiques et phy-siques ultrieurs confrent au matriautextile les performances attendues parle consommateur final.

    A travers diffrents exemples de pro-duits commerciaux, nous examinons larponse technique apporte par les pro-ducteurs en faisant appel aux perfor-mances des matriaux pour satisfaireles fonctions dutilisation.

    Performancesdes matriaux textiles

    La chimie macromolculaire nouspropose des matriaux dont les perfor-mances basiques sont lies aux fonc-tions chimiques organiques qui consti-tuent la chane, lorganisation spatialedes macromolcules (tat cristallin,amorphe ou msomorphe), la lon-gueur de la chane molculaire et sadistribution. Ces proprits macromol-culaires obtenues par polymrisation oucopolymrisation, polycondensation oupolyaddition de monomres confrentaux fibres et aux produits auxiliaires de

    traitement des textiles, les perfor-mances telles que :

    inertie ou ractivit chimique, caractre hydrophile/hydrophobe, thermostabilit en atmosphre oxy-

    dante ou neutre, rsistance mcanique en traction, isolant ou conducteur lectrique, lasticit, rsistance aux rayonnements

    divers.La chimie minrale fournit des addi-

    tifs utiliss lors du process de productiondes fils (filage ou filature) ou des traite-ments de finissage (ennoblissement). Parexemple, les zolithes (alumino-silicates)confrent des performances antibact-riennes, le noir de carbone ou certainsoxydes dtain et de chrome apportentdes proprits conductrices, les cra-miques de type oxyde daluminium(alumine) ou de silicium (silice) oude zirconium (zircone) apportent desperformances de tenues en temprature.

    La performance mcaniquedes fibres

    Grce des fibres plus rsistantesque lacier (tableau I), on peut raliser :

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    Chimie pour le textile. HabillementDes molcules et macromolcules pour le confortet la protection de lhomme

    Guy Nmoz* docteur s sciences, responsable recherche et textiles techniques

    * Institut Textile de France, avenue Guy deCollongue, BP 60, 69132 Ecully Cedex. Tl. : 04.72.86.16.13. Fax : 04.78.43.39.66.E-mail : [email protected]

    Summary : Chemistry for textile and clothing. Molecules and macromolecules for comfort and protection of manChemistry brings new functions or allows the combination of several functions, on the textile and fibrous ma-terials. Diversification of products allows the satisfaction of new needs in application like sport, safety in severeatmosphere, hygiene and health.End-use functions which are wished by the consumers find an answer in the performances of the fibers and oftheir treatments : high mechanical and thermal strength, hydrophobic/hydrophilic character, waterproof andbreathable function, antibacterial character. Each performance is due to a specific molecular behaviour :macromolecular chain orientation, paracristalline structure, high surface energy, selectivity of the chemicalfunction reactivities.

    Mots cls : Matriaux textiles, fonctions dusage, performances, structures et fonctions chimiques.Key-words : Textile materials, end-use properties, performances, chemical structure and function.

  • Des vtements descrime qui rdui-sent considrablement le nombredaccidents graves (photo 1).

    Des gants anti-coupures pour luti-lisation dans lindustrie ou pour le jar-dinage, pour toutes les applications odes cutters, des scies, des outils conton-dants de toutes sortes sont utiliss(photo 2).

    Cette fonction de protection de lapersonne est obtenue par lutilisationde :

    - fibres para-aramides (Kevlar deDuPont de Nemours, Twaron deAcordis Industrial Fibers) (voir enca-dr 1) ;

    - fibres polythylne haute tnacit(Dyneema de DSM high performancefibers, Spectra dAllied Chemicals) ;

    - fibres en combinaison telle que :aramide/polythylne haute tna-cit/verre/acier.

    Les chanes macromolculairesconstituant les fibres organiques sontorientes lors du filage et organisesdans des structures partiellement cris-tallises ou paracristallises. Les fortesliaisons chimiques, de type covalentes,sont majoritairement dans laxe de lafibre lui confrant ainsi un maximumde rsistance la traction dans laxe(tableau I).

    Les performances thermiquesLes performances thermiques des

    textiles conduisent des matriaux peuou non inflammables et dgradables ounon dgradable en atmosphre inerte ouoxydante.

    Les vestes de pompiers (photo 3), lescombinaisons de pilote de formule 1, dechars ou davions de combat, permet-tent leur porteur de survivre dessituations risque au cours de leur mis-sion. Ces vtements utilisent des fibresthermostables organiques, leur confec-tion en fait des protections vis--vis desrisques dincendie par exemple.

    Les fibres organiques, par suite de lafaiblesse des liaisons chimiques consti-tutives, se dgradent (ou carbonisent)lorsque la temprature slve, enambiance oxydante (ou inerte respecti-vement). Seules les fibres organiquesthermostables de type mta-aramide(Nomex de DuPont de Nemours) oupolyamide-imide (Kermel) (voir enca-dr 2) ou phnoliques (Kynol) peu-vent tenir jusqu 400-500 C suivantles conditions (temps, environne-ment) (tableau II).

    Le caractre hydrophobeLe caractre hydrophobe apport par

    les fibres ou par des traitements sur tex-tile permet de raliser des matriaux

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    Tableau I - Rsistance mcanique en traction.

    Rsistance Rsistance spcifique Masse volumique(Gpa) (N/tex)* (g/cm3)

    Polythylne HT 2,70 2,78 0,97

    Carbone 3,53 - 5,49 2,01 - 3,03 1,76 - 1,81

    Aramide 2,90 2,01 1,45

    Verre 2,50 0,96 2,60

    Cramique 2,24 0,83 2,70

    Polyester 0,97 0,70 1,38

    Acier 2,80 0,36 7,80

    *R(N/tex) = R (Gpa) R = rsistance la traction (g/cm3) = masse volumique

    tex = masse en g/1 000 m

    Photo 1 - Vtements descrime (Fdration Internationale dEscrime).

    Photo 2 - Gants anti-coupure (DuPont deNemours).

    Photo 3 - Combinaison anti-feu (ITF).

  • tanches leau liquide et certainessalissures :

    - vtements impermables- tous textiles traits anti-tches ou

    antidperlants.Cette fonction est apporte par

    les groupements fluors dont la stabi-

    lit des liaisons chimiques entranedes nergies de surface et des ten-sions superficielles leves quine permettent pas le mouillage dessurfaces.

    Le polyttrafluorthylne permet deraliser des fibres (Teflon de DuPont

    de Nemours) ou des apprts hydro-phobes (Scotchguard de 3M).

    Le caractrehydrophobe/hydrophile

    et la fonction imper-respiranteLa fonction imper-respirante dun

    vtement exprime laptitude dun mat-riau bloquer le passage de la pluie et,aussi, de laisser passer la vapeur deauissue de la transpiration. Ces produitsservent fabriquer des coupe-vents, desparkas et anoraks, des lments dechaussure de sport, etc. (photo 4). Cettefonction dusage est apporte par des

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    Encadr 1 - Fabrication des aramidesLe terme aramide est le qualitatif donn aux fibres synthtiques dont le polymre de base est constitu dune longue chanepolymre dans laquelle au moins 85 % des groupements amides NH CO sont directement lis deux noyaux benz-niques (aromatiques).Les fibres aramides sont donc des polyamides aromatiques.Le polymre conduisant aux fibres aramides est obtenu par polycondensation dune diamine aromatique et dun dichloruredacide aromatique, la raction se faisant dans un solvant organique.La distinction entre para-aramide et mta-aramide est lie la structure molculaire particulire des deux matires de base :diamine et dichlorure dacides aromatiques.Le polymre PPD-T (para-aramide) est insoluble dans les solvants conventionnels. En revanche, il est soluble dans les acidesforts comme lacide sulfurique concentr.

    Une solution de 20 % du polymre dans lacide sulfurique est anisotrope et se comporte comme un cristal liquide. Soumis une extrusion sous forte pression dans une filire, le polymre soriente fortement. Cette orientation est conserve aprs uncourt passage lair libre suivi dun trempage humide en jet sec, puis lave, neutralise, sche, et finalement bobine. Lafibre est constitue de filaments dun diamtre de lordre de 12 m.La fibre para-aramide ainsi produite est dite bas module (Kevlar 29, Twaron et Technora). La version haut module (cor-respondant aux Kevlar 49 et Twaron HM) est produite par tirement chaud dune fibre para-aramide voisine du type basmodule, appele communment prcurseur.

    Tableau II - Tenue en temprature.

    Temprature Indice limitedoxygne*

    Carbone 2 500 C -(en atmosphre inerte)Cramique 1 300 C -

    Acier 1 100 C -

    Verre 600 C -

    Aramide 450 C 29 - 32

    Polyacrylonitrile oxyd 350 C 55 - 58

    Phnolique 250 C 30 - 34

    Polyester 180 C 18 - 21

    Chlorofibre 160 C 38 - 46

    Polythylne HT 120 C 18 - 20

    * Indice limite doxygne = quantit doxygne relative (%) ncessaire pour entretenir la combustion,avec flamme, de la matire teste.

    Photo 4 - Combinaison de ski.

  • matriaux caractre hydrophobe ethydrophile.

    Les performances recherches sontapportes par un textile associ unemembrane ou une enduction. Des tissusraliss avec une forte densit de micro-fibres vont rpondre la fonction imper-respirante. Laddition dune couchemicroporeuse par enduction dun poly-mre sur le textile donne une plus grandegamme dutilisation du matriau : ellebloque les interstices du textile tout enlaissant passer la vapeur deau.

    Une autre technologie consiste contrecoller une membrane micropo-reuse ou hydrophile sur le textile. Lamicroporosit laisse passer les molculesde vapeur deau mais pas leau ltatliquide. La membrane hydrophile laissepasser la vapeur deau par un processusde diffusion dans lpaisseur du film etvaporation sur la face externe.

    Les rponses technologiquesTextiles contrecolls sur membranesde polyttrafluorothylne (PTFE)de formule (CF2 CF2 )n

    W. L. Gore a brevet ces produits auxdbuts des annes 1970. La membraneGoreTex est obtenue par frittage et bi-tirage, des micropores sont alors crspermettant aux molcules de vapeurdeau de svaporer. Le caractre hydro-phobe du PTFE, d sa composition et une forte nergie superficielle, ne permetpas leau liquide de le mouiller, i.e. destaler de faon continue sur la surfacepuis de diffuser dans sa masse.

    Textiles contrecolls sur membraneslastomres thermoplastiques hydrophiles

    Les lastomres thermoplastiquesconstituent la base actuelle de toute une

    famille de membranes imper-respi-rantes dont llasticit associe aucaractre hydrophile permet de satis-faire diffrents usages. Des copoly-mres blocs apportent cette doublefonction par alternance de chanesmolculaires dun polymre hydro-phile et lastique et de celles dunpolymre dur . Les produits com-merciaux sappellent Sympatex,Proline, Alpex par exemple.

    Membranes lastomriquesthermoplastiquesCf. figure 1.

    Transmission de vapeurdans une membrane lastomre thermoplastiqueCf. figure 2.

    Caractre antibactrienSur le march international apparais-

    sent aujourdhui de nombreuses fibresou textiles antibactriens. Par exemple :

    Sous-vtements et articles chaus-sants : les fibres et plus particulire-ment les sous-vtements et articleschaussants en contact avec la peau sontun lieu privilgi pour la fixation,ladhrence et le dveloppement demicro-organismes gnralement nonpathognes. Cependant, ils gnrentdes odeurs et une certaine dgradationou coloration notamment des fibresnaturelles.

    Textiles usage hospitalier(champs opratoires, draps de lit,blouses) : ils constituent un lieu privil-gi pour les agents pathognes consti-tuant des contaminations nosocomiales.

    Le comportement anti-bactrien(voir larticle Sciences et Avenir, mars1999, p. 64 67) savre extrmementdiffrent selon le procd dobtention etladditif employ. Il existe plusieursprocds de fabrication : addition dunagent anti-bactrien dans le polymreavant extrusion, simple dpt, appr-tage, greffage. Les proprits anti-bac-triennes de telles fibres peuventsexercer par contact ou par diffusion.

    - Fibres chimiques : dans le cas desfibres synthtiques ou artificielles, unedes mthodes de traitement consiste

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    Encadr 2 - Fabrication dune fibre polyamide-imideKermel est une fibre aramide. Elle appartient la famille chimique des poly-amides-imides. Elle est obtenue par polycondensation du diisocyanatodiphnyl-mthane et de lanhydride trimellitique.

    La prsence de noyaux aromatiques et de doubles liaisons donne la fibre soncaractre non-feu par nature. Aprs polycondensation, le collodion est fil lhumide puis tir, sch et enfin fini sous diffrentes prsentations : bourre,cble craqu et ruban card peign.

    ANHYDRIDE TRIMELLITIQUE DIISOCYANATODIPHENYLMTHANE

  • ajouter un agent anti-bactrien dans lepolymre liquide (fondu ou en solu-tion), avant obtention de filaments (ouextrusion) (encadr 3). Quelques fibres proprits anti-bactriennes sont dis-ponibles actuellement sur le march ;par exemple : la Rhovyl AS en PVCde Rhovyl, la Bactekiller en polyesteret la Liverfresh N en polyamide deKanebo, la SA 30 en polyester deKuraray.

    - Apprts et fibres apprtes : il exis-te de nombreux apprts anti-bactriensvendus dans le secteur textile. Ladditifest dabord appliqu sur fibre ou toffe,puis insolubilis in situ. Certains sontdj sur le march ; par exemple : leBio-Pruf de Thiokol-Ventron-Morton,le Preventol de Bayer, le Kathon deRohm et Haas et le Sanigard deSanitized. On trouve galement des

    fibres apprtes anti-bactriennes tellesque les cotons Unifresher dUnitika etNew Tafel de Mitsubishi Rayon et lepolyester Biosil de Toyobo. Le probl-me principal de ces apprts et de cesfibres est la tenue aux lavages rpts.

    - Traitement par greffage radio-chimique : lindustrie textile est unimportant domaine dutilisation despolymres, avec un dveloppement per-manent de la chimie. Parmi les tech-niques de nouvelle gnration, le gref-fage radiochimique permet dobtenirdes matriaux aux proprits nouvelles partir de matriaux standard et demonomres fonctionnels biocides. Cestun nouveau pas en avant, autant pour letextile traditionnel (nouvelles mthodesdapprtage) que pour les fibrestechniques.

    ConclusionLa chimie apporte des fonctions nou-

    velles ou assemble diffrentes fonctionsautour dun matriau sous forme fibreu-se et textile. La diversification des pro-duits sopre pour satisfaire de nou-veaux besoins dans des applicationstelles que le sport, la scurit enambiance extrme, lhygine et lasant. Si le consommateur peut expri-mer et satisfaire de nouveaux besoins

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    PBT : Polybutylne trphtalate

    Polyamide

    Diisocyanatediphnylmthane (MDI)

    Polyther

    Polyther

    Polythylne oxyde glycol

    Segment dur Segment mou/hydrophile

    Copolyther-ester

    Polytheramide

    Polyurthane

    Figure 1.

    Figure 2.

    Encadr 3 - Deux additifsanti-bactriens :zolithe et triclosan Zolithe : La zolithe est un solideminral finement divis, basedalumino-silicate mixte (cuivre,argent, zinc). Par raction de com-plexage entre les ions cuivre etlARN de la bactrie, le mcanismede division de la molcule est blo-que ; ainsi la duplication de la bac-trie nest plus possible. Triclosan : Le triclosan appartient la famille des phnols. Sa formuleest :

    Le triclosan empche la duplicationde la bactrie ; son action se caract-rise par une adsorption de compo-sants trs importante et non spci-fique au niveau de la paroi de labactrie.

    2,4,4 trichloro-2-hydroxydiphnylther

    paisseurde la Membrane

    HO(CH2 CH2 O)CH2 CH2 OHn

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    grce ces innovations, le producteurde textiles innovants trouve ainsi desopportunits de diversification avec denouvelles valeurs ajoutes.

    Lavantage des fibres chimiques etdes textiles modifis chimiquement parrapport aux matriaux naturels rsideratoujours essentiellement dans la qualit,la rgularit de la performance et laproductivit.

    Cependant, on ne peut pas oublierles matriaux naturels dont la chimieet la physique sont exemplaires :

    absorption dhumidit grce aux liai-sons hydrogne avec des sites hydro-philes par exemple, extrme finesse etcaractre hydrophobe de certainsduvets.

    Quelles soient dorigine naturelle ousynthtique, les molcules et macromo-lcules usage textile apportent lhomme confort et scurit !

    Rfrences- Nouveaux textiles et vtements fonctionnels,

    1997/1998, Rencontres Science-

    Industrie/Institut Textile de France/LUsine Nouvelle.

    - LIndustrie Textile, novembre 1997, 1292,p. 71-72.

    - Nonwovens World , June-July 1999,p. 63-70.

    - Textiles Usages Techniques, 1992, 3,p. 47-49.

    - Textiles Usages Techniques, 1992, 5,p. 21-22.

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    - Techniques de lIngnieur, Matriaux nonmtalliques, A 3985-1/12.