ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO E MORFOLÓGICO DE FIOS E ESTRUTURAS TÊXTEIS DE META-ARAMIDA

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1 ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO E MORFOLÓGICO DE FIOS E ESTRUTURAS TÊXTEIS DE META-ARAMIDA P.S.B. Holanda 1 *;F. R. Oliveira 2 ; J.H.O. Nascimento 2 ; Ladchumanaandasivam, R. 2 1 Mestranda (Laboratório de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia mecânica, Universidade Federal do Rio UFRN, Natal, Brasil ) 2 Doutor (Laboratório de Engenharia Têxtil, Departamento de Engenharia Têxtil, Universidade Federal do Rio UFRN, Natal, Brasil ) * Av. senador salgado filho, Lagoa nova - Natal- RN, Labtex cyanabessa@hotmail.com RESUMO Neste trabalho, fios de meta aramida com títulos de 20tex e 30tex foram produzidos através da tecnologia de filatório a anel e suas propriedades mecânicas, morfológicas e térmicas foram estudadas utilizando os seguintes equipamentos: Dinamômetro, Torcímetro tester, MEV TM300 e Calorímetro Mettler Toledo DSC822. Os resultados evidenciaram que o fio 30tex possui uma maior resistência e alongamento comparado com o fio de 20tex, muito embora para a tenacidade os valores obtidos não foram estatisticamente diferentes. Verificou-se uma maior formação de pilling para a malha Jersey com fio de 20tex. Através do MEV observou-se de forma clara a torção no sentido Z, um alto índice de pilosidade dos fios e um diâmetro médio da 12,3 ± 1,5 µm para a fibra de meta aramida e de 358,0 ± 35,6 µm e 273,3 ± 17,2 µm para os fios de 30tex e 20tex respectivamente. Para a análise térmica observou-se que os fios em estudo possuem uma excelente resistência térmica degradando a temperaturas superiores a 480 C. Palavras chave: meta-aramida, propriedades mecânicas, fiação, morfologia. Abstract In this paper meta-aramid yarns with count numbers of 20tex and 30tex were produced by ring spinning technology. Its Mechanical, morphological and thermal properties of the yarns spun were studied using the following equipment: dynamometer, twister tester, SEM TM300 and calorimeter Mettler Toledo DSC822.The results show that the yarn with 30tex has a higher tensile strength and 8766

2 elongation compared to the 20tex, although for the tenacity the values are not statistically different. There is an increased formation of pilling for jersey knitted fabric produced with 20tex yarn. By SEM analysis, it observes a twist in Z direction, a high hairiness of the yarn and an average diameter of 12.3 ± 1.5 µm for the meta-aramid fiber, ± 35.6 µm and ± 17.2 µm for the 30tex and 20tex yarns respectively. The thermal analysis shows that the yarns studied have an excellent heat resistance. They degrade at temperatures above 480 C. Keywords: meta-aramid, mechanical properties, spinning, morphology. 1 INTRODUÇÃO Tradicionalmente a utilização de fibras têxteis está associada ao vestuário e aos têxteis para o lar. No entanto, com a crescente evolução tecnológica verificada nos últimos anos a sua utilização em outras áreas da engenharia vem ganhando destaque, principalmente quando se necessita de produtos com melhor desempenho. Desta forma diversos investigadores ao redor do mundo vêm procurando inovar e maximizar as potencialidades dos diferentes materiais fibrosos (1,2). O avanço da ciência e da tecnologia têxtil para a produção de sofisticadas estruturas de fibras, fios e tecidos tem sido a força motriz no desenvolvimento de metodologias que proporcionem determinadas propriedade aos materiais têxteis, para aplicações técnicas como por exemplo filtração de particulados, resistência à chama, a raios UV, a impactos dentre outros. Dessa forma, a tecnologia pode ser considerada um fator importante na obtenção de vantagens competitivas, assim como os avanços das ciências de polímeros e de fibras que procuram satisfazer um mercado cada vez mais competitivo e inovador. A combinação química e estrutural de diferentes bases poliméricas produziu uma nova classe de produtos têxteis denominados fibras de alto desempenho, com propriedades únicas para serem usadas nos mais diversos campos da engenharia. Estes materiais podem ser produzidos a partir de uma vasta gama de possibilidades, como por exemplo utilizando fibras curtas, fibras longas, filamentos, mechas, tecidos provenientes da tecelagem e malharia, entrançados dentre outros. A escolha de qual a melhor forma para ser utilizada depende do custo, processo produtivo (técnica de produção) e do desempenho esperado (aplicação). 8767

3 Os materiais têxteis de alta performance, tais como: para-aramida, metaaramida, carbono, poliamida HT, são exemplos de substratos que vêm aumentando muito a sua importância e participação no mercado têxtil. Dentre estes materiais as fibras de aramida merecem uma atenção especial uma vez que nos últimos anos o número de produtos fabricados a partir destas fibras cresceu de forma significativa (3). A fibra de meta aramida especificamente é uma fibra bastante resistente a altas temperaturas e a chama, comportando-se de forma hábil quando exposta a intenso calor, não derretendo nem sofrendo combustão do ar e sim se carbonizando e dilatando, aumentando assim a barreira de proteção entre a pele humana e a fonte de calor. Esse comportamento térmico se dá pela sua estrutura molecular ou seja é uma propriedade inerente a fibra e não por uma aplicação de alguma substância química retardante a chama no fio/tecido. Trata-se de materiais resistentes a um grande número de produtos químicos e que possuem excelentes propriedades à abrasão e ao desgaste, e não geram vapores tóxicos quando expostos a uma fonte de calor. Apesar da fibra de meta-aramida já ser empregada em diversas aplicações, não se verifica na literatura muitos trabalhos científicos sobre o processo de fabricação dos fios deste substrato a partir de fibras curtas (Staples fiber) e o estudo de suas propriedades estruturais. Deste forma, neste trabalho fios de meta aramida com diferentes titulações foram produzidos através da tecnologia de filatório a anel e em seguida estruturas de malhas Jersey foram desenvolvidas com a utilização de uma máquina circular de pequeno diâmetro para que as propriedades mecânicas e morfológicas destes materias fossem avaliadas. 2 METODOLOGIA 2.1 Material Neste estudo foram utilizados fios de meta-aramida com título 20 e 30 tex produzidos a partir da fiação a anel (Filatório FASA Zinser 460). Foram também fabricados tecidos de malha com os fios supracitados com a utilização de um tear circular de pequeno diâmetro da marca Mesdan modelo LAB KNITTER 294E. 2.2 Título, torção e tração O Título representa a densidade linear do fio, que pode ser apresentada em massa por unidade de comprimento, título direto, ou comprimento por unidade de 8768

4 massa, título indireto (4). A obtenção dos títulos dos fios produzidos foi feita através da norma ASTM D1907. O equipamento torsiômetro da marca TEXCONTROL MODELO 640 foi usado com o objetivo de verificar a torção dos fios produzidos. Todos os ensaios foram realizados de acordo com a norma ASTM D Os ensaios de tração dos fios foram realizados no dinamômetro MESDAN MODELO TENSOLAB 300 Plus, utilizando a norma técnica ASTM D e ISO Foram utilizadas dez amostras para os fios 20 e 30 TEX, em Velocidade de 100, 250 e 500 mm/min, utilizando-se de garras pneumáticas visto que estas são dotadas de maior sensibilidade e evitam vibrações. 2.3 Caracterização das malhas Para calcular o fator de cobertura das malhas produzidas utilizou-se o valor do comprimento da laçada de cada estrutura de malha e a raiz quadrada do título do fio em Tex, e foi empregada a seguinte fómula (5). Para realização do ensaio de tamanho da laçada foram retiradas das malhas produzidas cinco amostras e com o auxílio do equipamento medidor de contração, os fios foram tensionados para medir o comprimento dos mesmos sem contração, e o valor obtido foi dividido pela quantidade de colunas contadas inicialmente. Para o estudo da formação de pilling foi utilizada a norma ASTM D3512. Quatro amostras de cada malha produzida foram submetidas a 5000 ciclos na Máquina PillingTester PILI-B por um período de 5 horas. (A) 2.4 Microscopia Eletrônica de Varredura As amostras desenvolvidas (fio/malha) foram submetidas ao microscopio eletrônico de varredura modelo Tabletop Microcope TM 300 da Marca Hitachi para verificar em escala microscópia a superfície das mesmas. 2.5 Calorimetria Diferencial de Varredura O equipamento Mettler Toledo DSC822 foi usado com o objetivo de avaliar alterações estruturais e térmicas dos materiais fibrosos de meta aramida. Para realização desta análise foram utilizados cadinhos de alumínio não hermético com tampas (40 µl). Uma vazão de 20 ml.min -1 de nitrogênio foi usada, com o 8769

5 objetivo de assegurar que o ambiente de análise se encontrasse inerte. Foram feitos três ensaios para cada substrato, utilizando amostras com massas de aproximadamente 7,5 mg e um varrimento de 20ºC.min -1 no intervalo de 0ºC a 500 C. 3 ANÁLISE DOS RESULTADOS 3. 1 Título e torção A tabela 1 mostra os resultados médios de título obtidos para os dois fios produzidos em filatório à anel. Verifica-se que os fios produzidos possuem uma excelente uniformidade para o parâmetro de densidade linear. Tabela 1: Valores médios K=1000 for tex Fio 1 Fio 2 M (g) 2,152 3,315 C (jarda) C (m) 109,86 109,86 T(tex) 19,59 30,18 Desvio Padrão 0,87 1,21 A tabelas 2 apresenta os resultados de torção por metro e por polegada obtidos para os fios desenvolvidos. Tabela 2: Torção dos fios 20 Tex e 30 TEX 20TEX 30TEX Amostras torções/m torções/pol torções/m torções/pol , , , , , , , , , ,45 Média , ,20 Desvio Padrão 21,74 0,55 20,83 0,53 Verifica-se que a torção dos fios com densidade linear superior (30 tex) apresenta torções mais baixas 480 tpm, quando comparadas com títulos mais baixos (20tex) 833 tpm, isto ocorre devido o fio 20 tex possuir menos fibra em sua seção transversal, sendo assim necessário receber um maior número de voltas em torno do seu próprio eixo a fim de fornecer uma coesão entre as fibras. 8770

6 Os resultados médios de carga de ruptura, alongamento bem como tenacidade para os ensaios de tração podem ser verificados nas tabelas 3 e 4 respectivamente. Tabela 3: Valores ao variar velocidade e comprimento FIO 30 Distância (garras) e velocidade Força (N) Alongamento % Tenacidad (cn/tex) tempo (s) (100mm/s) 6,355 21,84 21,182 13,1 100mm (250mm/s) 6,796 21,92 22,653 5,2 (500mm/s) 6,943 22,53 23,144 2,7 6,786 20,264 22,621 30,4 250mm 7,218 20,236 24,059 12,1 6,786 19,064 22,621 5,7 5,501 16,269 18,335 48,8 500mm 6,472 17,5 21, Distância (garras) e velocid. 6,502 16,828 21,673 10,1 Força (N) FIO 20 Alongamento % Tenacidade (cn/tex) tempo (s) (100mm/s) 4,786 16,53 23,928 9,9 100mm (250mm/s) 4,756 16,68 23,928 4 (500mm/s) 5,089 18,37 25,4443 2,2 4,962 17,88 24,811 26,8 250mm 4,442 14,11 22,212 8,5 4,148 13,94 20,741 4,2 4,129 12,59 20,643 37,8 500mm 3,324 11,64 16, ,53 13,01 17,652 7,8 Ao observar o comportamento mecânico dos fios testados em diferentes velocidades nota-se que a força e a tenacidade aumentam com o aumento da velocidade. Com relação ao parâmetro da distância entra as garras (comprimento da amostra), verifica-se que a medida que o comprimento aumenta o alongamento sofre uma diminuição. Desta forma os resultados demontram que quanto menor o tamanho da amostra maiores valores de carga de ruptura são obtidos. Tabela 4: Força média, alongamento e tenacidade em fios 20 Tex e 30 tex FIO 20 FIO 30 Comprimento (mm) Força (N) 4,88 4,51 3,66 6,69 6,93 6,

7 Alongamento (%) 17,19 15,31 12,41 22,09 19,85 16,87 Tenacidade (cn/tex) 24,43 22,58 18,31 22,33 23,10 20,53 O gráfico 1 apresenta o comportamento do fio testado com 100mm (o menor comprimento) em diferentes condições de velocidades (v1:100mm/min, v2: 250mm/min e v3: 500mm/min), no qual se obteve os valores ótimizados para os ensaios de força, alongamento e tenacidade (Tabelas 3 e 4). Imagem 1: Gráfico de Resistência x Alongamento (%) dos fios com 100mm. *velocidades e título diferentes Para os testes mecânicos (resistência à tração e alongamento), os resultados demonstram que o título é o parâmetro que exerce maior influência nesta propriedade. Com relação a velocidade de ensaio, a medida que este parâmetro é aumentado ocorre um pequeno aumento na carga de ruptura e também no alongamento. Desta forma verifica-se ser de suma importância o estabelecimento prévio das condições ideiais para os ensaios a serem realizados. 3.2 Caracterização das malhas O fator de cobertura do tecido de malha é importante para determinar o grau de aperto do tecido, ou seja, mostra a relação existente entre o título do fio e o comprimento da laçada (7). O valor de Fator de Cobetura (FC) obtido para estrutura de malha Jersey desenvolvida foi de 16,11 (fio:30 TEX). De acordo com a literatura o valor de fator de cobertura definido como ótimo se encontra no intervalo de 15 ± 8772

8 10%. Portanto a malha produzida apresenta um fator de cobertura dentro do intervalo estabelecido como ótimo e consequentemente terá grandes chances de apresentar excelente desempenho quando trata-se de estabilidade dimensional (5,7). O tamanho da laçada, determinado para a estrutura de malha produzida foi de 0,340 cm. O tamanho da laçada faz-se importante para a determinação da densidade (7). A densidade da malha aumenta à medida da que o diâmetro do fio aumenta e o comprimento da laçada diminui, aumentando também a cobertura dos pontos (coluna e fileira). (8) De acordo com as análises do controle de qualidade do tecido de malha, no que tange a formação de Pilling foi possível verificar uma maior tendência de formação destes defeitos para a malha produzida com fio de meta aramida 20tex. Sendo também essa formação mais presente no sentido da coluna em ambos os títulos. 3.3 Microscopia Eletrônica de Varredura A imagem 1 mostra uma fibra de meta-aramida ampliada a uma magnitude de 1000 X no microscópio eletrônico de varredura. Verifica-se uma fibra lisa e homogênea característica presente em materiais sintéticos. Imagem 2 : fibra de aramida Meta de x1000 Na imagem 2 observa-se de forma detalhada a morfologia dos fios produzidos a partir da fibra. As imagens mostram de forma clara a torção no sentido Z, um alto índice de pilosidade dos fios e um diâmetro médio da 12,3 ± 1,5 µm para a fibra de meta aramida e de 358,0 ± 35,6 µm e 273,3 ± 17,2 µm para os fios de 30tex e 20tex respectivamente. 8773

9 Imagem 3 : Estrutura do fio produzido. * aproximação x100 para o diametro do fio, x250 para o fio e x1000 para a fibra. Na imagem 3 verifica-se o entrelaçamentos dos fios para a formação das laçadas de uma estrutura Jersey. Imagem 4: MEV estrutura Jersey (fio 30 TEX) 3.4 DSC - Calorimetria Diferencial de Varredura A imagem 5 apresenta o gráfico o qual demontra as curvas obtidas pela técnica de DSC. Nota-se inicialmente um pico endotérmicos, onde observa-se a perda de umidade em torno de C, a seguir verifica-se um pequeno pico, possivelmente relacionado a temperatura de transição vítrea da meta aramida no intervalo de 250 a 325 C. Observa-se também um pico característico do ponto de fusão da fibra de meta-aramida que ocorre em torno de 441,49 C. Através desta 8774

10 técnica não foi possível determinar a perda de massa, a qual normalmente ocorre a temperaturas superiores a 480 C. No entanto, verificou-se que os materiais produzidos possuem uma excelente resistência térmica. Imagem 5: Gráfico de Curva de DSC da fibra meta aramida. 4 CONCLUSÃO Através dos resultados apresentados pode-se concluir que: Os fios fiados produzidos apresentaram excelente reprodutibilidade de título (densidade linear) e torção. Com relação aos testes de resistência a tração e alongamento, verificou-se que os parâmetros de análise (tamanho da amostra e velocidade) podem influenciar no resultado final desta propriedade. Sendo que os maiores resultados obtidos foi para o fio com 100mm (o menor comprimento) em condições de velocidades de 500mm/min. Portanto, estes parâmetros devem ser informados para que a reprodução dos resultados seja possível. Quanto maior o título maior o resultados de resistência a tração, uma vez que mais fibras são encontradas na seção transversal do fio com maior densidade linear. Com relação a tenacidade (cn/tex) verificou-se valores similiares quando comparados os fios com título 20 e 30 tex. O tecido de malha produzido com fio de 20 Tex sofreu um maior desgaste por atrito, tendo uma maior formação de pilling em sua superficie.isso pode estar relacionado ao menor Fator de cobertura desta malha comparada com a fabricada com o fio 30tex, o qual, por possuir uma relação maior entre o título do fio e o comprimento da 8775

11 laçada promove a este substrato uma maior resistência ao deslizamento e consequentemte uma menor formação de pilling. Faz-se necessária a realização de pesquisas relacionados ao tema de tribologia a fim de buscar a otimização no uso dos substratos de meta-aramida, uma vez que a formação de pilling é algo indesejável, principalmente na área de proteção anti-chama (bala clava); Os resultados obtidos pelo DSC mostraram que os fios em estudo possuem uma excelente resistência térmica degradando a temperaturas superiores a C, não verificando diferenças significativas entre os títulos dos fios testados. Foi conclusivo dado os experimentos relatados na pesquisa, que o processo de fiação a anel mostrou-se ser um processo adequado para a produção de fios técnicos de meta-aramida com boa qualidade e excelente produtividade 8776

12 5 BIBLIOGRAFIA [1] FERREIRA, A., FERREIRA, F. & PAIVA, M. C Textile Sensor Applications with Composite Monofilaments of Polymer / Carbon Nanotubes. Advances in Science and Technology, 80, [2]OLIVEIRA, F. R., FERNANDES, M., CARNEIRO, N. & PEDRO SOUTO, A Functionalization of wool fabric with phase-change materials microcapsules after plasma surface modification. Journal of Applied Polymer Science, 128, [3] LEÃO, Alcides L.; ROWELL, Roger; TAVARES, Nilton. Applications of natural fibers in automotive industry in Brazil Thermoforming process. Science and Technology of Polymers and Advanced Materials, NY, p , [4] Wiebeck, Hélio, Boukouvalas, Nicolas T., Caracterização Térmica de Fios de PoliaramidaPolímeros: Ciência e Tecnologia [en linea] 2007, 17 ( ) : [Fecha de consulta: 11 de septiembre de 2016] Disponible en:< ISSN [5] Araújo, M.; Castro, E.M.M. Manual de engenharia têxtil. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, [6] SKOOG, Douglas A.; HOLLER, F. James; NIEMAN, Timothy A. (2002). Princípios de Análise Instrumental Bookman [S.l.] ISBN [7] MACEDO, A. M. K. S. Análise de malhas. 1.ed. Araranguá: IFSC, [8] Stein, V. Índice de proporcionalidade de cobertura: um fator para previsibilidade das características da qualidade nos tecidos de malha p. Dissertação (Mestrado) Departamento de Pesquisa e Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba,

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