Resources protection : towards replacement of cotton fiber with polyester

par Edwin Kamalha

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Ludovic Koehl et de Ada Ferri.

Le jury était composé de Roberta Bongiovanni, Christine Campagne, Yan Chen.

  • Titre traduit

    Protection des ressources : vers le remplacement du coton par du polyester


  • Résumé

    La demande annuelle de coton augmente en raison de la croissance démographique mondiale et de l’évolution des comportements d’achat des consommateurs. D'autres options de fibres naturelles telles que la laine, le lin et la soie, entre autres, sont produites dans des proportions très maigres. Le polyester (poly (téréphtalate d’éthylène) (PET) présente des qualités qui pourraient répondre à cette préoccupation pour les vêtements. Malheureusement, les consommateurs hésitent à porter des vêtements 100% polyester, principalement en raison d’un confort sensoriel inférieur, du toucher et parfois de leur apparence. Cette étude visait à améliorer le tissu en PET caractéristiques afin de réduire l'écart entre la perception humaine et la performance hydrophile du coton par rapport au PET Pour déterminer la disparité existant entre le coton et les tissus tissés en PET, une étude multisensorielle a été réalisée à l'aide d'un panel de 12 juges formés sur 11 descripteurs sensoriels. Des algorithmes de Monte Carlo, des algorithmes génétiques et la technique de Borda Count (BK) ont été utilisés pour la fusion de rangs .L'analyse en composantes principales (PCA) et la classification hiérarchique par agglomération (AHC) ont été utilisées pour créer des profils sensoriels. Tissus en PET et en coton (p = 0,05). Il a été déduit que l’aspect visuel et esthétique peut être utilisé pour distinguer le PET du tissus de coton. Pour remplacer le coton par du PET via cette approche sensorielle, la modification de la rigidité des tissus en polyester a été judicieusement réalisée à l'aide de NaOH et d'un adoucissant en silicium, avec une pré-oxydation au plasma atmosphérique. Les tissus en PET traités avec NaOH et l’adoucissant en silicone ont été perçus comme étant doux, lisses, moins nets et moins raides par rapport à certains tissus en coton et en PET non traité. Le profilage des tissus indique que les tissus en PET conventionnels peuvent être distingués des tissus en coton conventionnels en utilisant une évaluation à la fois subjective et objective. Il est également avancé que la perception sensorielle humaine sur textile ne peut être directement représentée par des mesures instrumentales. La dernière partie de l’étude compare le potentiel hydrophile et l’efficacité de deux monomères vinyliques: le poly- (éthylène glycol) diacrylate (PEGDA) et le chlorure de [2- (méthacryloyloxy) éthyl] triméthylammonium (METAC) radicalement photo-greffé sur la surface de Tissu en PET. Une étude de surface utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) a confirmé le greffage. Les tests d'humidité indiquent que PEGDA et METAC induisent un mouillage complet du PET à des concentrations de 0,1 à 5% (V: V). Les mesures colorimétriques (K/S et CIELAB/CH) et la stabilité de la couleur sur les tissus teints en PET suggèrent que les deux monomères améliorent considérablement l'efficacité de la teinture du PET. Il est suggéré que PEGDA et METAC génèrent des groupes hydrophiles sur le PET; les macroradicaux sont sous la forme de structures vinyliques qui forment des greffes à chaîne courte et démontrent une fonction hydrophile. Les résultats de cette recherche peuvent jouer un rôle directeur pratique dans la conception des tissus, la conception des propriétés sensorielles et contribuer au développement de tissus en polyester de type coton.


  • Résumé

    There is increasing annual demand for cotton due to world population growth and changes in consumers’ purchasing behavior. Other natural fiber options such as wool, linen and silk among others, are produced in very meager proportions. Polyester (poly(ethylene terephthalate) (PET) has qualities that could address this concern for apparel. Unfortunately, consumers are reluctant to wear 100% polyester clothing mainly due to inferior sensory comfort, touch and sometimes appearance. This study sought to improve PET fabric characteristics in order to decrease the gap between human perception and hydrophilic performance of cotton vs. PET. To determine the disparity between cotton and PET woven fabrics, a multisensory study was undertaken using a panel of 12 trained judges against 11 sensory descriptors. Cross-entropy Monte Carlo algorithms, Genetic algorithms, and the Borda Count (BK) technique were used for rank fusion. Principle component analysis (PCA) and agglomerative hierarchical clustering (AHC) were used to create sensory profiles. The descriptor crisp accounted for the highest variability between PET and cotton fabrics (p˂0.05). It was deduced that visual and aesthetics can be used to distinguish between PET and cotton fabrics. To replace cotton with PET via this sensory approach, the modification of stiffness of polyester fabrics was judiciously carried out using NaOH and a silicon softener, with atmospheric air plasma pre-oxidation. PET fabrics treated with NaOH and the silicon softener were perceived soft, smooth, less crisp, and less stiff compared to some cotton and untreated PET fabrics. The profiling of fabrics indicates that conventional PET fabrics can be distinguished from conventional cotton fabrics using both subjective and objective evaluation. It is also argued that textile human sensory perception cannot be directly represented by instrumental measurements. The final part of the study compares the hydrophilic potential and efficacy of two vinyl monomers: Poly-(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) and [2-(methacryloyloxy) ethyl]-trimethylammonium chloride (METAC) radically photo-grafted on the surface of PET fabric. Surface study using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) confirmed the grafting. Moisture tests indicate that PEGDA and METAC induce complete wetting of PET at concentrations 0.1-5% (V:V). Colorimetric measurements (K/S and CIELAB/CH) and colorfastness on dyed PET fabrics suggest that both monomers greatly improve the dyeing efficiency of PET. It is suggested that PEGDA and METAC generate hydrophilic groups on PET; the macroradicals are in a form of vinyl structures which form short chain grafts and demonstrate hydrophilic function. The results of this research can play a practical guiding role in the design of fabrics, sensory property design and contribute to the development of cotton-like polyester fabrics.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 17-12-2019


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