ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO E … · Para realização do ensaio de tamanho da laçada foram retiradas das malhas produzidas cinco amostras e com o auxílio do equipamento medidor

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. Nascimento2 ; Ladchumanaandasivam, R. 2

1 Mestranda (Laboratório de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia mecânica, Universidade Federal do Rio UFRN, 59.072-970 Natal, Brasil )

2 Doutor (Laboratório de Engenharia Têxtil, Departamento de Engenharia Têxtil, Universidade Federal do Rio UFRN, 59.072-970 Natal, Brasil )

* Av. senador salgado filho, Lagoa nova - Natal- RN, 59.078-97 - Labtex [email protected]

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

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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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, 358.0 ± 35.6 µm and 273.3 ± 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).


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Os materiais têxteis de alta performance, tais como: para-aramida, meta-

aramida, 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

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 1423.

Os ensaios de tração dos fios foram realizados no dinamômetro MESDAN

MODELO TENSOLAB 300 Plus, utilizando a norma técnica ASTM D 2256-80 e ISO

2062. 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.

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

(A)


8769

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) 120 120

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

1 823 20,90 502 12,75

2 842 21,39 479 12,17

3 807 20,50 442 11,23

4 871 22,12 492 12,50

5 825 20,95 490 12,45

Média 833 21,16 480 12,20

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

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 21,575 21

6,502 16,828 21,673 10,1

FIO 20

Distância (garras) e velocid. Força (N)

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 16,622 14

3,53 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) 100 250 500 100 250 500

Força (N) 4,88 4,51 3,66 6,69 6,93 6,16


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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).

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 ±

Tabela 1: Gráfico de Carga de Ruptura (N) das estruturas de

malhassssanalisadas.

Imagem 1: Gráfico de Resistência x Alongamento (%) dos fios com 100mm.

*velocidades e título diferentes


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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

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 100 - 125°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

Imagem 3 : Estrutura do fio produzido.

* aproximação x100 para o diametro do fio, x250 para o fio e x1000 para a fibra.

Imagem 4 : MEV das estruturas de Jersey


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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


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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 480 - 500°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


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