UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE Ciência dos Polímeros e Engenharia das Fibras II

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO E TÊXTIL

CURSO DE ENGENHARIA TÊXTIL

APOSTILA

Ciência dos Polímeros e Engenharia das Fibras II

Por

Prof. Dr. Rasiah Ladchumananandasivam, PhD, AUMIST., CText FTI., FRSA., Senior Member – AATCC (USA)

Natal, RN – Brasil

setembro, 1999

Ciência dos Polímeros e Engenharia das Fibras II Prof. Dr. Rasiah Ladchumananandasivam, PhD, AUMIST., CText FTI., FRSA., Senior Member – AATCC (USA)

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1.0 FIBRAS NATURAIS E FIBRAS MANUFATURADAS (OU

FIBRAS FEITAS PELO HOMEM) (Man Made Fibres - MMF) OU (FIBRAS QUÍMICAS)USADAS NA INDÚASTRIA TÊXTIL

FIBRA: Geralmente é uma matéria-prima têxtil

caracterizada pela flexibilidade, finura e alta razão do

comprimento para espessura.

Todos os fios, sejam naturais ou sintéticos (MMF), consistem de um número

de fibras ou filamentos. No caso das fibras feitas pelo homem, este número situa-

se, normalmente, na faixa de 15 a 100, isto é, a maioria dos fios será composta de

nem menos de 15 ou nem mais de 100 filamentos. Se um fio de MMF for

quebrado, podemos observar os filamentos individuais. Eles podem ser separados

mecanicamente. A razão pela qual esta construção de multi-filamento foi adotada

é porque ele confere maleabilidade e flexibilidade ao fio. O fio composto de vários

filamentos finos é muito mais flexível do que um filamento sólido e grosso. O uso

de vários fios finos de cobre na indústria elétrica é uma analogia.

Fibra Comprimento

(polegadas) Diâmetro

(polegadas) Comprimento : Diâmetro

Algodão 1 0,0007 1.400 Lã 3 0,0010 3.000 Linho (ultimate)

1 0,0008 1.200

Fibra Comprimento

(mm) Diâmetro

(µ = 10 -3mm)Comprimento : Diâmetro

Hemp 20 22 900 Juta 2,5 15 170 Ramie 150 50 3.000 Manila 6 24 250 Sisal 3 24 125


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Abacaxi 6 6 1.000 A seda é um filamento contínuo ( na realidade a larva produz dois filamentos) cujo

comprimento pode ser até 500 m, e o diâmetro cerca de 15µ. Neste caso, temos a

razão 500/15 x 10 -6 ou 33 x 10 6 : 1; em que o filamento da seda é 33 milhões de

vezes maior do que a sua largura.

fibra química : tradução literal de vários termos não escrito em inglês que tem o

mesmo significado que fibras feitas pelo homem (fibras manufaturadas), e que é

uma possível nomenclatura para que eles querem evitar o uso do termo “fibra feita

pelo homem”.

fibra feita pelo homem: é a fibra manufaturada, em oposição à fibra que ocorre

naturalmente.

fibra natural: a fibra que ocorre na natureza e que é de origem animal, vegetal ou

mineral.

fibra regenerada: a fibra manufaturada de uma solução de um polímero natural,

ou de um derivado químico de um polímero natural, tendo a mesma constituição

química do polímero natural do qual a solução ou o derivado foi feito.

fibra sintética: uma fibra manufaturada produzida de um polímero construído de

elemento químico ou compostos, em oposição às fibras feitas de polímeros

naturais.


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1.1 CLASSIFICAÇÃO DAS FIBRAS TÊXTEIS

Fibras Têxteis

Fibras Naturais Fibras Manufaturadas

Animal Vegetal

Semente Caule Folha

Algodão Kapok Côco

Linho Hemp Juta Kenaf Ramie Etc.

Abaca ou Manila Henequen Phormium tenax Sisal Abacaxi Curauá Macambira Caroá etc

Seda Lã (carneiro)

Pelo

Alpaca Camelo Vaca Bode(moair, Caxemira) Cavalo Coelho (angorá) Vicuña, etc.

Polímero sintético Polímero

natural Outros

carbono vidro metal cerâmica etc.

Alginato Borracha(FTC) (elastodiene)

Proteína regenerada (azlon(FTC)

Celulose regenerada (raion (FTC)

Animal Vegetal

Viscose Cupro (cupra(FTC)

Modal Acetato deacetilado

éster de celulose

acetato triacetato

Mineral

Tencel

Amianto


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Polímero sintético

Uréia de polimetileno (policarbamida)

Polielefina (olefina(FTC)

Derivados polivinílicos Poliuretano Poliamida ou

náilon Aaramid Kevlar

Poliéster Poliisopreno sintético (elastodieno)

Polietileno Polipropileno Poliuretano naõ-segmentado

Poliuretano segmentado

Elastano Spandex (FTC)

Lastrile (FTC)

Novoloid(FTC)

Anidex(FTC)

Acrílico

Modacrílico Nytril(FTC)

Clorofibra

Vinylal

Alcool polivinilico acetilizado vinal(FTC)

Fluorofibra (PTFE)

Trivinil

Poliestireno

4


6

Poli(cloreto de vinila) (vinyon(FTC)

Poli(cloreto de vinilideno) (saran(FTC)

5

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1.1 CARACTERÍSTICAS DE UMA FIBRA: Finura: a finura do algodão, seda e fibras feitas pelo homem é, normalmente,

expressa em termos da densidade linear média. A finura da fibra animal é

expressa pelo diâmetro médio da fibra.

Comprimento: corresponde à distância entre as extremidades da fibra quando

medida sob condições específicas. Na prática comercial aplica-se a seguinte

definição.

barbe: o comprimento médio das fibras de uma fita ou de um pavio

calculado a partir das proporções por massa das fibras na fita ou no pavio.

Nota 1: este termo é usado para um feixe de fibras longas, particularmente

a lã.

Nota 2: “barbe” é sempre maior do que “hauteur” para um dado top; a

seguinte relação pode ser usada na conversão de hauteur para barbe e

vice-versa:

Barbe = Hauteur (1 + V2) onde V é o coeficiente de variação fracional de Hauteur, isto é,: Coeficiente de variação 100 Comprimento do CRIMP: a distância entre as extremidades de uma fibra quando

substancialmente livre de resistência externa, medida em relação ao seu eixo de

orientação geral.

Dispersão: a medida da variação do comprimento das fibras de algodão.

Estatisticamente fica na faixa inter-quartil nas fibras maiores do que a metade do

comprimento máximo quando determinado pelo uso do “comb sorter”.

Comprimento efetivo: a medida do comprimento característico de uma amostra

das fibras de algodão. Estatisticamente é o comprimento quartil superior das fibras


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maiores do que a metade do comprimento máximo quando determinado pelo

comb sorter.

Diagram da fibra: representação gráfica do comprimento característico de uma

amostra de fibras curtas (staple fibre). É um gráfico do comprimento sobre a

freqüência cumulativa.

Staple - (1) um feixe ou conjunto de fibras curtas (fibras naturais) com

propriedades uniformes. Preparado para demonstrar o comprimento da

fibra.

(2) um feixe de fibras tendo algumas propriedades

homogêneas normalmente comprimento.

Staple Fibre – fibras feitas pelo homem, de comprimento curto predeterminado.

Nota: as fibras, que podem ou não ser crimpadas, são normalmente

preparadas pelo corte ou quebra dos filamentos do material, em

comprimentos apropriados para o sistema de processamento em

questão. Estas fibras normalmente variam de 5 mm a 500 mm e têm a

densidade linear de 0,5 a 50 decitex. Todavia alguns produtos especiais

são feitos fora destes limites.

Extensão da Fibra: a distância entre dois planos que englobam a fibra sem

intercepta-la; cada plano é perpendicular à direção geral do fio ou outro conjunto

ao qual a fibra pertence.

Extensão da fibra


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Fibrograma: (diagrama da fibra) o gráfico que mostra a distribuição do

comprimento de uma amostra de fibras de algodão como determinado pelo

fibrógrafo. Estatisticamente é a curva que representa a Segunda

cumulação(integral) da distribuição da frequência.

Índice da fibras flutuantes: a percentagem das fibras que não foram seguradas

pelos rolos dianteiros ou traseiros de um sistema de estiragem

(escartamento). É determinada pelo fibrógrafo que é um instrumento usado

para testar amostras de fibras de algodão.

O índice das fibras flutuantes é dado pela equação:

100)975,0( ⋅×⋅⋅−⋅LS

onde, S = 2,5 % span length, e L = comprimento médio. Hauteur: o comprimento médio das fibras de uma fita ou pavio, calculado com

base nas proporções pela titulação das fibras na fita ou pavio (*ver barbe)

Nota: este termo é usado para fibras longas principalmente as de lã.

Span Length: a extensão da fibra que excedida por uma percentagem pre-

estabelecida das fibras de algodão pelo um número determinado, pelo

fibrógrafo. (ex. 2,5% span length corresponde a extençaõ excedida por

apenas 2,5% das fibras.

Staple Length: o comprimento característico de uma amostra de um feixe (grupo)

de fibras (usualmente é estimado pela avaliação visual subjetiva para fibras

naturais).


9

Nota: o staple length da lã é normalmente considerado como o

comprimento das fibras mais longas num feixe ou “staple” das fibras

preparadas manualmente no seu estado natural com crimp (ondulações).

O staple length do algodão aproxima-se muito ao modal ou comprimento

mais freqüente das fibras quando medidas na condição de naturalmente

estiradas.

Índice da uniformidade: a medida de variação de comprimento das fibras de

algodão determinada pelo fibrógrafo. Corresponde a razão do comprimento

médio e o comprimento médio da metade da parte superior, expressa em

percentagem.

%)5,2(%)50(100.

SLSLUI ⋅⋅=⋅

Razão de uniformidade: a medição da variação do comprimento das fibras de

algodão determinada pelo fibrógrafo. Corresponde a razão entre dois “span

length” (50% e 2,5%) expresso como uma percentagem do maior span

length.

Comprimento médio da parte superior: o comprimento médio pelo número da

metade mais longa das fibras de algodão pelo peso como determinado pelo

fibrógrafo

Migração da fibra: a mudança na distância de uma fibra ou filamento a parti do

eixo de um fio durante a produção.

Índice da qualidade da fibra: um valor numérico que indica a processibilidade de

algodão calculado com base em sua finura, comprimento e tenacidade. O

índice da qualidade é dado pela seguinte equação:

2,5 x razão da uniformidade x tenacidade (gf/tex)


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valor micronaire comprimento final da fibra (“Ultimate fibre”): a unidade celular na qual não é

possível haver subdivisão sem que seja perdida a identidade da fibra.

Espessura das paredes da fibra (algodão):

Maturidade: a característica da fibra de algodão, que expressa o grau

relativo de espessura da parede da fibra. É normalmente estimada por um

ou mais dos vários testes indiretos que são frequentemente usados para

descobrir a proporção das fibras que têm maturidade acima de um nível

selecionado.

a. Fibra madura: a fibra onde um alto grau de espessura da parede

ocorreu durante o seu desenvolvimento.

b. Fibra imatura: a fibra onde ocorreu pouco espessamento da parede

durante o seu crescimento.

c. Fibra normal: a fibra cuja parede desenvolveu-se além de um valor

específico.

d. Fibra com parede fina: a fibra que não pode ser classificada nas

categorias como normal ou morta.

e. Fibra morta: uma forma extrema da fibra imatura.

Razão da maturidade: um método para expressar, numericamente, a maturidade

de amostras da fibra de algodão. É a razão do grau real da espessura da parede

da fibra com relação ao grau padrão da espessura, igual a 0,577 (ISSO 4912).

Fibrila: uma pequena fibra.

Filamento: a fibra de comprimento indefinido.


11

Índice de Micronaire:

4069,1 x N x N10.000 xMaturidade Micronaire Índice

f ⋅×⋅⋅⋅

=e

Onde :Nf = no de fibras no fio.

Ne = Título do fio(sistema inglês)

Ne = no de meadas de 840 jardas, pesando uma libra. High Volume Instrumentation – HVI: um conjunto de instrumentos eletrônicos

semi-automáticos integrados para determinação rápida da finura, comprimento,

conteúdo das impurezas e resistência das amostras de algodão cru.

PARÂMETROS:

1) Índice micronaire ligado à finura e maturidade;

2) Comprimento, normalmente expresso “Staple Length” SL;

3) Índice Pressley (I.P.), medição da resistência, definido:

I.P. = Resistência da mecha em libras/Peso mecha em miligrama (mg).

4) Valor comercial Resistência = {I.P. X 10,8116} – 0,12;

5) Conteúdo de impurezas, expresso em mg/m3 ;

% F.M.- Percentagem de Fibras Maduras, Maturidade.


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Tabela 1.1 Correlação das propriedades da fibra de algodão com os

processos de fiação mais usados.. Tipo/Fiação Fiação

a

Anel

Fiação

a

Rotor

Fiação

a

Jato de Ar

Fiação

A

Fricção

ITEM

1

Comprimento

&

Uniformidade

Resistência

Finura

Fibra

Para

Fricção da Fibra

2 Resistência Finura Maturidade Resistência

3

Finura

Comprimento

&

Uniformidade

Resistência

Finura

4

-

Trash (lixo) &

Pó

Comprimento

&

Uniformidade

Comprimento

&

Uniformidade

5

-

-

Trash

& Pó

Trash

& Pó


13

Tabela 1.2 – Classificação quanto a % de Fibras Maduras (F.M.):

% F.M.

CLASSIFICAÇÃO

> 84

Muito Madura

De 77 a 84

Madura

De 68 a 76

Médio

De 60 a 67

Pouco Madura

< 60

Muito Imatura


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TABELA 1.3 RESUMO DAS ANÁLISES DAS PROPRIEDADES DA FIBRA DE ALGODÃO [Moises V.de Melo, Dissertação, MSc., 1999 –

orientador Prof. Dr. Rasiah Ladchumananandasivam]:

Característica. Algodão Seridó

AlgodãoSertão

Algodão Precoce

Algodão Prata

Algodão Lada

Algodão Safí.

ESTADO/UF RN. RN. RN. S.P. RÚSSIA ÁFRICA.

Comprimento Comercial.

34/36 32/34 30/32 30/32. 30/32. 30/32.

TIPO 4/5 5/0 4/0 4/0 4/0 4/5 Comprimento 2,5% Span Length

31,1 mm 30,0 mm 27,4 mm 27,9 mm 27,8 mm 27,6 mm

Uniformidade %.

49 49 49 51 49 49

Maturidade %.

75,0 74,6 74,0 73,0 83,2 73,0

Finura/Micronaire (µg/”)

3,8 3,7 3,4 4,5 3,9 4,6

Resistência (I.P) 7,5 7.4 7,1 7,0 8,0 7,2 Impurezas %. 2,03 2,15 2,05 3,61 1,59 1,88


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Tabela 1.4 Classificação das propriedades da fibra quanto à finura, comprimento, resistência e conteúdo de impurezas, [KLEIN, 1998].

Índice

Micronaire

Comprimento da

Fibra

Índice Pressley Conteúdo de

Impurezas % Valor Classificação Valor Classificação Valor Classificação Valor Classificação

< 3,1

Muito fina

< 1”

Fibra

Curta

< 93

Excelente

< 1,2

Muito limpo

3,1-3,9

Fina

1, 1/32”

- 1, 1/8”

Fibra Média

87-92

Muito

Resistente

1,2-2

Limpo

4 - 4,9

Média

1,

5/32”-

1, 3/8”

Fibra longa

81-86

Resistente

2-4

Médio

5 - 5,9

Grossa

>

1,13/32”

Extra longa

75-80

Resistência:

Média

4-7

Sujo

> 6

Muito grossa

- -

70-74

Razoável

> 7

Muito Sujo

> 70

Fraco


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1.2 ESTRUTURA FÍSICA DAS FIBRAS

A física ocupa um papel muito importante na área de tecnologia têxtil. Mas,

embora possua inúmeras aplicações em processamento têxtil, estas são muito

diversas e não podem ser estudadas exceto como parte da tecnologia desses

processos; todavia, o estudo da estrutura e propriedades físicas das fibras, fios e

tecidos forma a área de estudo chamada física têxtil, que é uma parte essencial na

formação de um especialista têxtil.

O estudo da estrutura e propriedades físicas das fibras têxteis são dois

aspectos interrelacionadas: as propriedades devem ser explicadas pela estrutura

que elas ajudam a elucidar.

Estrutura física das fibras

Fotomicrografos (ver Apostila Ciência dos Polímeros e Engenharia

das Fibras I - Prof. Dr. Rasiah Ladchumananandasivam)

Tabela das Propriedades. (ver Apostila Ciência dos Polímeros e

Engenharia das Fibras I – Prof. Dr. Rasiah Ladchumananandasivam)


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1.3 COMPRIMENTO DAS FIBRAS

1.3.1 VARIAÇÃO DO COMPRIMENTO DA FIBRA: Do mesmo modo que a maioria das propriedades físicas da matéria prima

têxtil natural, o comprimento das fibras varia muito. Assim, por exemplo, o

coeficiente da variação de comprimento que difere de uma amostra para outra

situa-se na ordem de 40% para o algodão e 50-60% para a lã. Esta variabilidade é

biológica e não há nenhuma maneira prática de evitá-la, principalmente porque o

componente principal da variância encontra-se na semente do algodão ou no tufo

de lã. É possível melhorar a fibra desenvolvendo condições para que a planta

produza um algodão com uma maior uniformidade de comprimento da fibra, mas

além disto o que se pode fazer é adotar melhores métodos de cultivo, colheita e

marketing que mantenha o mínimo possível dos outros componentes da variação.

Como esperado, as fibras feitas pelo homem, possuem uma maior

uniformidade de comprimento, embora não atinjam a perfeição. Um coeficiente de

variabilidade de 10% pode ser considerado como indicativo do grau de variação

do comprimento passível de ser encontrado. Uma parte dessa variação, sem

dúvida, origina-se nas imperfeições da máquina de corte, mas a outra parte é

causada pela quebra da fibra. Todas as fibras que sejam naturais ou sintéticas,

são susceptíveis de rompimento durante o manuseio e processamento. Entende-

se assim que a medição dos comprimentos no mesmo material, em estágios

sucessivos da manufatura, revelarão a presença de um aumento progressivo das

fibras curtas, exceto, naturalmente, onde a penteagem é introduzida com o

objetivo específico de remover as fibras curtas.

Pelo corte ou por outros métodos as fibras feitas pelo homem (fibras curtas)

podem ser produzidas em qualquer comprimento para atender as necessidades

de um fiandeiro, embora na prática somente um número limitado de comprimentos

- padrão esteja disponível. Estes comprimentos são escolhidos para facilitar a

mistura (blending) com- ou processamento nas máquinas designadas para – fibras

naturais.


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Com fibras feitas pelo homem é bom notar que o comprimento pode ser

variado, independente da finura, e sem afetar (alterar) o custo. Com o algodão e a

lã acontece o contrário, onde o comprimento e a finura estão fortemente

correlacionados, negativamente no caso da lã e positivamente com o algodão.

Então, das lãs encontradas nas várias partes do mundo, os tipos longos são

geralmente grossas, e podemos acrescentar que o mesmo tipo de associação

entre o comprimento e a finura também encontrado entre as fibras individuais

dentro de uma mesma amostra. Entre os algodões os tipos mais longos

geralmente são os mais finos, mas neste caso não há uma correlação

correspondente para s fibras dentro de uma mesma amostra. A finura varia dentro

do comprimento da fibra de uma mesma amostra, mas não sistematicamente:

algumas vezes as fibras mais longas são as mais grossas,. Algumas vezes as

mais curtas são as mais grossas, e algumas vezes isto acontece com as fibras de

comprimento intermediário. Exemplos podem ser vistos na tabela 1.5 abaixo.

Tabela 1.5 Tipo de algodão com relação ao peso da fibra por cm

Tipo de algodão Peso da fibra por cm (mg x 10 –5) Mais comprida

Mais curta

São Paulo 194 225 236 256 283 Egípcio branco 158 160 166 180 173 Sea Island 138 124 131 117 108 Sudão Sakel 131 132 148 132 116 Egípcio Maarad 141 134 131 137 134

As variações maiores do que as mostradas nas primeiras quatro linhas não

são encontradas com muita frequência. Algumas vezes como se ver nos números

correspondentes à amostra Maarad, a finura é praticamente independente do

comprimento. Os comprimentos das lãs e algodões são normalmente

considerados em termos de “staple length”. Podemos dizer que o “staple length”

da lã é o comprimento médio total dos tufos naturais da lã no seu estado crimpado

normal, enquanto que o do algodão situa-se entre o comprimento médio e o

máximo.


19

A tabela 1.6 serve como um guia para indicar os vários comprimentos de

diferentes fibras têxteis. Esta tabela não esta completa e os números dados são

aproximações.

Tabela 1.6 Variação do comprimento das matérias-primas têxteis Algodão:

Bengal Surats American Upland Egípcio Uppers Egípcio Karnak Sea Island

Lã 80s Australiano Merino 56s Southdown 48s Romney Marsh 36s Lincoln

Linho: Comprimento da strand, aprox.

Hemp: Comprimento do Strand, aprox.

Juta: Comprimento do Strand, aprox.

(polegadas) ½ - 5/8. ¾ - 11/16 ¾ - 11/16 11/16 – 1¼ 1¼ - 13/8 1½ - 1¾ 2½ - 3

3 - 3½ 5 - 6 10 - 12

12 - 36 pol. 30,48 - 914,4 cm 4 - 10 pé 121,9 - 304,8 cm 5 - 12 pé 152,4 - 365,8 cm

* 1polegada = 25,4 mm; 1 pé = 304,8mm Geralmente, as máquinas de processamento - e especialmente aquelas que

incorporam sistema de estiragem – são projetadas para operar com eficiência

somente, dentro de uma faixa de variação comparativamente pequena de “staple

length”. Além disso, dentro dessa faixa devem ser feitos ajustes, com o devido

cuidado a fim de que haja uma adequação ao material que está sendo

processado, com o objetivo de obter resultados melhores. Então, uma vez que as

máquinas tiverem sido ajustadas, para evitar alterações repetitivas e de alto custo,

é desejável manter condições de processamento ótimo, assegurando o

suprimento da matéria – prima para que não varie mais do que as quantidades

mínimas do comprimento padrão estabelecido.

Staple length


20

Quando o processo de penteagem está envolvido, é necessário, também,

controlar não somente o comprimento, mas também a variação do comprimento

do material que está sendo processado. A quantidade das fibras curtas presentes,

influencia a quantidade de “noil” (fibras muito curtas), ou impurezas extraídas e

deste modo, tem um peso importante na economia da manufatura.

Nos pavios e fios quanto mais longos for a fibra mais longa será a

sobreposição entre as fibras o que pode levar à aderência por meio da torção.

Consequentemente, a torção poderá ser menor sem sacrificar a resistência e que,

em conclusão pode se dizer que, quanto maior for o comprimento da fibra, menor

será o seu índice de rompimento, com os outros fatores permanecendo iguais.

Deve se mencionar que, quando o material a ser processado é curto, o

fabricante da máquina enfrenta problemas especiais, uma vez que o escartamento

deve ser montado muito próximo. Consequentemente terão que ser usados

cilindros pequenos menos robustos e alta velocidade, com um menor espaço

disponível para acomodar os dispositivos capazes de controlar os movimentos das

fibras curtas presentes. Deste modo, quanto maior for a fibra, mais fino e uniforme

será o fio a ser fiado, com os outros fatores permanecendo iguais.

Assim, as fibras longas são preferíveis para a maioria dos usos. Do ponto

do vista das características do tecido, as fibras curtas apresentam vantagens

quando se deseja produzir uma superfície macia, peluda e que oferece a

sensação de aquecimento. Neste caso, é necessário haver um grande número de

fibras que se projetam na superfície do tecido, e embora o grande número dessas

fibras possa ser fortemente influenciado pelo método de fiação empregado, em

qualquer condição deverá, obviamente, vária inversamente como o comprimento

médio da fibra.

1.4 COMPRIMENTO MÉDIO DO ALGODÃO (CLASSIFICAÇÃO DO ALGODÃO DE ACORDO COM O COMPRIMENTO DA FIBRA)


21

Desde o início do processo de estiramento com o uso de cilindros, foi

entendido que havia uma associação muito forte entre o escartamento

(espaçamento ótimo) dos cilindros e o comprimento característico da fibra de

algodão a ser processada. Consequentemente é natural que se aceite que os

valores designados ao chamado “staple length” de diferentes tipos de algodão

correspondesse intimamente ao escartamento necessário a cada tipo. Mas o

conceito de “staple length” passou a ser usado muito antes do desenvolvimento

dos métodos satisfatórios da medição da fibra, de modo que os comerciantes,

fiadores e classificadores ao realizar negócios uns com os outros tinham que se

contentar com estimativa do comprimento feito do modo que ainda usado hoje em

dia, isto é, pela avaliação pessoal da aparência de um conjunto (tufo) da fibra

preparada manualmente como se vê na figura 1.1. Deste modo, tendo se julgado o

comprimento por meio da avaliação e não de medição o “staple length” nunca era

definido formalmente em termo da distribuição estatística do comprimento.

Figura 1.1 Classificação manual do tufo das fibras de algodão:

a) Algodão Egípcio de 1671⋅ pol.; (b) Algodão Americano de

811⋅ pol.; (c) Algodão Indiano de

87⋅ pol.


22

Relacionamento comercial contínuo naturalmente resultou na medida

substancial de acordos entre as comunidades comerciais, sobre o que é o

comprimento de um “staple” de qualquer amostra de algodão, e pelo menos nos

Estados Unidos a estabilidade no julgamento padrão das variedades de Upland,

ajudou muito em estabelecer padrões físicos de referências, na forma de amostras

reais de algodão, pelo Departamento de Agricultura em 1918. Apesar disso, ainda

é possível encontrar indivíduos que diferem em casos extremos até 3mm no seu

julgamento, e além disso a evidência mostra que com o tempo todo padrão de

julgamento foi mudado em outros países.

Clegg [J. Text. Inst., 1932, 23,T35] foi o primeiro a iniciar o novo processo

de avaliação do comprimento da fibra e com base nos diagramas do Baer Sorter,

desenvolveu a construção geométrica para dar a quantidade que chamava

“comprimento efetivo”. E acordo com o seu ponto de vista, este estava de acordo

com a estimativa feita pelo classificador do Mercado de algodão cru de Liverpool.

Nos anos 30. A construção é seguinte (figura 1.2):

Figura 1.2 Análise do Diagrama do Baer.

OQ = ½ AO = PP′, OK = ¼ OP, KS = ½ KK′ = RR′, OL = ¼ OR, LL′ É O Comprimento efetivo

Podemos observar que o comprimento efetivo é o quartil superior de uma

distribuição de comprimento numérico do qual algumas das fibras curtas foram

eliminadas por uma construção arbitrária. Em relação ao algodão americano, o

A

Q

O

P′

R′

L P K R

S

K′

L′

B


23

comprimento efetivo deve ser dividido por 1,1 para se obter o staple length. Com

relação ao algodão egípcio, o comprimento efetivo ainda é quase igual à

estimativa do classificador.

1.5 CRIMP

Um dos aspectos caraterístico, praticamente de todas as fibras curtas, que

não pode ser omitido em qualquer discussão sobre comprimento da fibra, é o

crimp. Crimp, em termos gerais, pode ser definido como as ondulações da fibra, e

é de importância técnica em muitos contextos. Em resumo, ele determina a

capacidade de adesão da fibra sob uma pequena pressão e em seguida determina

o grau de aderência do tecido (a manta que é retirada do doffer pela faca oscilante

numa carda) da carda, a quantidade de pequenas fibras liberadas e o a

quantidade de pelos na superfície do fio final. É também o principal fator que

governa a potência apresentada pelo material têxtil para ficar volumoso,

geralmente o volume específico dos fios e tecidos.

Pode ser medido em termos do número de ondulações por comprimento

unitário ou o aumento na percentagem do volume da fibra ou na remoção do

crimp. Nas fibras muito crimpadas, a força necessária para estirar a fibra pode ser

suficiente para causar um alongamento real no eixo do comprimento, mas isso

provavelmente não acontece em nenhum momento, a menos que a fibra seja,

excepcionalmente, extensível.

Embora a ondulação normalmente seja uniplana, isto necessariamente não

acontece, e o padrão da curvatura axial pode assumir várias formas. Por exemplo,

na lã, a estrutura bifilar ocasiona um crimp helicoidal. Nas fibras feitas pelo

homem, o crimp é normalmente imposto por deformação mecânica, embora as

fibras de raion viscose, com pele assimétrica, apresentem um crimp permanente

em sua estrutura. A elasticidade da forma do crimp também pode variar

consideravelmente. Na lã o crimp é altamente elástico, como também o é nas

fibras sintéticas, onde as deformações axiais aplicadas são estabelecidas pelo uso

de tratamento térmico apropriado. Isto leva à produção de fios e tecidos que retêm


24

suas características de maciez e volume por muito tempo. Por outro lado, o crimp

feito mecanicamente nas fibras regeneradas não é tão permanente, e durante o

processamento do material até o estágio do fio, a maior parte do crimp

desaparece. Todavia, quando o crimp for feito na estrutura, ele deverá ser

desenvolvido novamente usando o processamento térmico úmido, mesmo que

tenha sido perdido, temporariamente, durante o processo de fiação.

1.6 MEDIÇÃO DO COMPRIMENTO DA FIBRA

1.6.1 Método da fibra individual O método mais obvio e confiável na medição do comprimento da fibra. é

estirar as fibras um por um da amostra e medir o seu comprimento numa escala. È

muito trabalhoso e leva dores nos olhos: no outro lado, os resultados obtidos são

muito mais compreensivos e superior para qualquer outro método por exatidão,

especialmente quando as fibras curtas de uma amostra tem que ser estiradas com

exatidão no estudo como por exemplo no rompimento das fibras. Este é o método

de pesquisador e em que os outros métodos são baseados para testar a exatidão

dos resultados. Pelo uso de iluminação apropriada no plano de trabalho

combinado com fundo com contraste e o uso de um lente grande quando for

necessário pode minimizar as dores nos olhos.

É possível usar equipamentos semi-automáticos onde as medições podem

ser feitas com rapidez.

Outros métodos:

Placa de óleo

Tester semi-automático de fibras singelos.

1.6.2 MÉTODOS COMB-SORTER


25

A operação envolve em dois estágios: (i) a preparação de um feixe ou tufo

da fibra, todas sejam alinhadas em um lado como mostrado na figura 1.3; e (ii) a

retirada das fibras do tufo da fibras em ordem decrescente ou incremento do

comprimento.

Figura 1.3 Fibras alinhadas para seleção. 1.6.2.1 COMB SORTERS (pentes separadores)

O sorter mais comum é o comb sorter, que em formas variadas e podem

ser usados para vários tipos das fibras. Quando os fortes crimps existentes,

apresenta dificuldades os comb sorters são considerados inapropriados.

O princípio da operação é o mesmo por todos, embora existem diferenças

de pequenos detalhes. O elemento essencial é um conjunto de pentes cabeça

para cima e de aço, onde as fibras são colocadas para controle durante a

manipulação. O “pitch” e a finura dos pentes e o espaçamento varia de acordo

com o tipo da fibra para que o instrumento foi designado. Para o algodão, o

espaçamento do pente é normalmente 5mm, enquanto para lã, ele pode ser de

1cm ou ½ polegada.

1.6.3 MÉTODOS DE ESCANEAMENTO:

O método físico de separação das fibras em seus comprimentos diferentes

é um trabalho forçado e demorado. Para obter resultados rápidos, foram

introduzidos vários equipamentos em que um tufo representativo de uma forma

padrão, é preparado e então escaneado de ponta a ponta para uma propriedade


26

mais ou menos linearmente relacionada ao número. Dos resultados obtidos deste

modo e com calibração apropriada, vários características do comprimento do

material podem ser derivadas.

1. Escaneamento da espessura – Uster.Stapling Apparatus – desenhado para

testar algodão.

2. Escaneamento fotoelétrico: o fibrógrafo:

Um dos equipamentos usado extensivamente em que o escaneamento

fotoelétrico é empregado é o Fibrógrafo, desenhado pelo K. L. Hertel para testar o

algodão lint. A característica distintiva deste instrumento é que a amostra a ser

examinada, é apresentada para escaneamento na forma de um par de tufos, a

composição em que é pretendido a ser quase similar aquele que foi indicado pela

o diagrama do conjunto das fibras.

O gráfico resultante que é chamado o Fibrogram, assim mostra pela uma

medição indireta de número de fibras restantes nos tufos quando elas foram

analisadas do pé ate o topo. Todavia, por causa da espessura dos lentes no fonte

da luz, escaneamento não pode ser efetuado desde do pé dos tufos e deve

começar uma pouco distante. O instrumento é consequentemente insensível para

presença de fibras muito curtas, e na prática, o Fibrogram dos modelos recentes,

tem sua origem num ponto que representa um comprimento de 3,18mm.


27

Figura 1.4 Fibrograma (Diagrama da fibra) O fibrograma pode ser analisado graficamente para se obter vários

parâmetros de comprimento de interesse dos produtores e usuários de algodão.

A tangente da curva no ponto de início A, corta OY no P e OX no M. Então,

OM é o comprimento médio das fibras na população original das fibras maiores do

que 0,15 polegadas. Se OP é dividido no Q e a tangente de Q, corta OX no R,

então OR é o comprimento médio da parte superior, e a razão de OM sobre

OR, é o índice de uniformidade válido.

Uma outra medida de quantidade significativa que foi introduzida por Hertel

é o Span Length. O diagrama de beard representado pela Fibrograma mostra a

distribuição dos comprimentos que se projetarão de um lado de um ponto de

Comprimento em polegadas

F r e q u ê n c i a s r e l a t i v a s


28

contato dos cilindros de um par de cilindros do trem de estiragem. A curva pode

ser utilizada para determinar a distância (span) ou escartamento entre os pares de

cilindros sucessivos de estiragem para evitar que mais de uma certa proporção de

fibras possa ser segurada por ambos os pares dos cilindros, simultaneamente. O

Span length usado nesta conexão é o 2,5% span length, isto é, o comprimento

que excede somente por 2,5% do tufo das fibras escaneadas pelo instrumento.

Este é mostrado na figura como OS.

Outros equipamentos:

O Shirley P.E.M Stapler – principalmente para algodão.

Outros métodos:

Método de capacidade

Métodos de Corte e pesagem.

2.0 PROPRIEDADES TENSIL

2.1 Introdução

As propriedades mecânicas das fibras têxteis – a resposta às forças

aplicadas e deformações –provavelmente são as propriedades tecnicamente mais

importantes, contribuindo para o comportamento das fibras no processamento e

das propriedades do produto final.

As propriedades de uma estrutura têxtil tais como um fio, ou um tecido

dependem de uma complexa inter-relação entre o arranjo das fibras e as

propriedades das fibras, de modo que, enquanto o conhecimento das

propriedades das fibras é essencial para o entendimento das propriedades dos

fios e tecidos, não é suficiente em si mesmo. Haverá alguns efeitos devido às

propriedades inerentes ao arranjo estrutural, e as propriedades das fibras podem

ser alteradas pela fibras na vizinhança. As propriedades das fibras em si mesmas,

oferecem, todavia, um limite do que é possível no fio ou tecido – por exemplo, com

exceção de pequenos efeitos por causa do apoio mútuo das fibras variadas, a


29

resistência de um fio não pode ser maior do que a somatória das resistências

máximas das fibras que componentes.

As propriedades mecânicas de uma fibra cobrem um grande número de

efeitos, e todas se combinam para determinar um determinado caráter das fibras.

No uso das fibras, é necessário descobrir a fibra que melhor se adapta às

necessidades de um trabalho específico. Essas necessidades variam em grande

escala na grandeza das aplicações dos materiais têxteis.

Por causa da sua forma, o mais estudado, e com relação a muitas

aplicações, as propriedades mecânicas mais importantes das fibras são as

propriedades tensil – o seu comportamento sob forças e deformações aplicadas

ao longo do eixo da fibra. Destas, a mais fácil de estudar, experimentalmente, é a

extensão (alongamento), e finalmente o rompimento, sob uma carga que aumenta

em ordem crescente.

2.1.1 OS FATORES QUE DETERMINAM OS RESULTADOS DOS EXPERIMENTOS TENSIL.

2.1.1.1 O material e sua condição

O comportamento de um material depende da natureza e do arranjo das

moléculas que o compõem, e estas variarão não somente de um tipo de fibra para

outra, mas também de uma fibra para outra dentro de uma mesma amostra, e de

uma condição de material à outra. Estes resultados posteriores devem ser levado

em conta quando consideramos os resultados do teste. O comportamento das

fibras individuais deve ser investigado: na verdade, em alguns ocasiões, a faixa

dos valores pode ser mais importante do que o valor médio, como, por exemplo,

seria se quiséssemos saber se haveria chance da resistência de uma fibra cair

abaixo de um certo valor crítico. A condição do material depende de sua história

prévia, incluindo os processos ao qual foi submetido, e o tratamento mecânico que

recebeu; da quantidade da umidade que contém; e da temperatura. Todos estes

parâmetros devem ser especificados para validade dos resultados dos testes.


30

2.1.1.2 O arranjo e dimensões da amostra

As dimensões das amostras terão, certamente um efeito direto sobre os

resultados dos testes. Por exemplo, os outros fatores permanecendo iguais, a

carga do rompimento de uma fibra aumentará em proporção a sua área de seção

transversal, e a sua alongamento aumentará em proporção ao seu comprimento.

Todavia nossa maior preocupação é com os efeitos indiretos.

Num material variável, há uma chance maior da ocorrência de pontos finos

nos comprimentos longos do que nos curtos, e desde que a fibra rompe nos

pontos fracos, a carga média de rompimento das fibras de comprimentos longos

será menor do que aquela das fibras curtas. Por essa razão, o comprimento

testado sempre indicado.

Se as amostras compostas, feitas de várias fibras, forem usadas num teste,

então nem todas as fibras necessariamente suportaram a carga na mesma

proporção, e nem todas elas rompem na mesma hora. Por essas razões, as

propriedades de uma amostra composta são afetadas por um determinado arranjo

de fibras na amostra e não é dado por uma combinação simples das propriedades

das fibras individuais.

2.1.1.3 A natureza e tempo do teste.

O alongamento de uma fibra têxtil, não é uma função única da carga

aplicada, pois depende do período de tempo em que a carga, e qualquer outras

cargas anteriores, foram aplicadas. Se uma carga constante for aplicada a uma

fibra, ela continuará, após a sua extensão instantânea, a se estender por um

tempo considerável, e se a carga for suficiente, ele romperá eventualmente. A

carga necessária para causar o rompimento varia de acordo com a velocidade do

teste, um teste rápido necessita de uma carga maior de rompimento do que um de

teste lento. Assim, os resultados dos testes serão afetados pelo tempo e pela


31

maneira em que a carga é aplicada, que seja pela taxa constante de carregamento

ou taxa constante de alongamento, redução de uma carga maior, ou qualquer

outra seqüência dos eventos.

Uma limitação do valor dos resultados experimentais pode ser notada aqui.

Na prática, as fibras têxteis estão sujeitas as histórias de cargas complexas,

variáveis, e provavelmente desconhecidas. Ao avaliar o comportamento prática

das fibras deve se tentar prever os resultados das condições reais de uso com

base nos resultados experimentais obtidos sob diferentes condições. A melhor

maneira de fazer isto, é usando as condições experimentais mais simples

possíveis.


32

2.2 EXPRESSANDO OS RESULTADOS: QUANTIDADES E UNIDADES

2.2.1 Curvas de Carga - alongamento e Tensão – deformação

O comportamento de uma fibra individual sob uma força crescente, aplicada

gradualmente, é expressa totalmente pela curva de Carga – alongamento com sua

rompimento na extremidade final, como se ver na figura 1.5.

0,12 0,06 0 2 4 0 0,1 0,2 Extensão 0 10 20 Extensão % Figura 1.5 Curva de Carga – alongamento para uma amostra de

filamento de 0,3-tex de densidade de 1,5 g/cm3

Rompimento

Alongamento cm 0

0,2

0,4 600

300

0

N a g r a c

Carga (N)

Tensão específica N/tex

Tensão N/mm2 = MPa


33

A carga pode ser medida em Newton ou força grama e o alongamento em

centímetros, mas, se desejarmos de comparar diferentes fibras,

independentemente dos efeitos diretos das suas dimensões, devemos usar outras

quantidades.

Na maioria das aplicações de física e de engenharia, a carga é substituída

pela tensão (stress), e definida como, equação 1.1:

tensão = ltransversaseçãodeárea

ac⋅⋅⋅

arg (1.1)

A unidade SI da tensão, é newton por metro quadrado (N/m2), que é também

chamado de pascal (Pa).

Na tecnologia têxtil, todavia, frequentemente estamos mais interessados em

materiais em termos de seus pesos, do que em termo de seu volume. Em adição,

a área da seção transversal para têxteis não é normalmente bem definida, e seria

experimentalmente obtida, de maneira indireta da massa e densidade da amostra.

Consequentemente, é mais conveniente usar uma quantidade baseada na massa

da amostra. Esta é chamado de tensão específica, e é definida como, equação

1.2:

tensão específica = unitáriocomprimntomassa

ac⋅⋅⋅ /

arg (1.2)

A unidade SI consistente para tensão específica é N m/kg (ou Pa m3/kg). Todavia,

para se adaptar no sistema de Tex para densidade linear, é melhor usar newton

por tex (N/tex), que é 106 vezes tão grande quanto N m/kg. Para pequenas

tensões, milliewton por tex (mN/tex) pode ser um tamanho mais conveniente. Alem

disso, ainda têm usos mais práticos da unidade força grama por denier,

normalmente escrito como, g/den, e alguns usos de gf/tex (ou g-wt/tex na

terminologia antiga).

Nas unidades consistentes, nós temos a seguinte relação entre a tensão f ,

tensão específica σ , e a densidade ρ , equação 1.3:

f = ρ σ 1.3


34

A distinção entre as duas quantidades torna-se apenas significante quando

nós desejamos comparar materiais de densidades diferentes, por exemplo, seda e

náilon. Normalmente, fazemos isto com base de pesos iguais, mas, em alguns

casos especiais, por exemplo, se o material tiver que ser acondicionado num

espaço pequeno, o volume seria importante, e a tensão convencional deve ser

aplicada.

Considerando o comprimento da amostra, o alongamento é expresso como

tensão ou porcentagem de alongamento (extensão), equação 1.4:

Extensão (deslocamento) = inicialocompriment

oalongament⋅

(1.4)

As curvas de carga – alongamento tornam-se curvas de tensão – extensão,

pela mudança das unidades, sem afetar a forma da curva como indicado na figura

1.1.

Todavia, as curvas de tensão – extensão (alongamento) expressam

totalmente os resultados deste tipo de teste; existem algumas características da

curva que seria importante definir separadamente. Estas referem-se à forma da

curva ou à posição de sua extremidade final, isto é, o rompimento.

2.2.2 Resistência

A resistência é a medida em que uma força constante necessário para

romper a fibra, e é dada experimentalmente pela carga máxima desenvolvida num

teste tensil.

Para uma fibra individual, a resistência é dada pela carga de rompimento.

Para comparar fibras diferentes, o valor da tensão específica no

rompimento é usado, e é chamado de tenacidade ou resistência específica.

Para uso na comparação de resistências com base na área da seção transversal,

a tensão no rompimento é chamada de tensão final (ultimate tensile stress)


35

2.2.3 Alongamento no rompimento

O alongamento necessário para romper uma fibra representa uma

quantidade importante. Ele pode ser expresso pelo real, fracional ou a

porcentagem de aumento no comprimento e é chamado de extensão do

rompimento.

2.2.4 Trabalho da ruptura

Para uma fibra individual, o trabalho de ruptura, as vezes chamado de

dureza, é definido como, a energia necessária para romper a fibra. As unidades

são, joules.

Se considerarmos a fibra sob uma carga F, aumentando no comprimento

pela uma quantidade de dl, temos,

trabalho = força x deslocamento = F. dl (1.5))

Então, trabalho total no rompimento da fibra.

= trabalho da ruptura = ∫ ⋅rompimento

dlF0

1.6

= a área dentro da curva carga – alongamento (figura 1.6)


36

l⋅δ Alongamento Figura 1.6 Trabalho de ruptura. Disto podemos ver que, com outros fatores iguais, o trabalho de ruptura de

uma fibra será proporcional a sua massa por comprimento unitário (por causa do

efeito na carga necessária) e ao seu comprimento (por causa do efeito no

alongamento). Para comparar materiais diferentes, podemos usar o termo,

trabalho de ruptura específica, definido como:

trabalho de ruptura específico =

inicialocomprimentxunitárioocomprimentmassarupturadetrabalho

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

)/( (1.7)

As unidades e dimensões do trabalho de ruptura específico são indicados

abaixo:

Rompimento

Carga

F


37

Tabela 1.7 Relações dimensionais

Trabalho de ruptura específico

= oxcomprimntocomprimentmassa

energia)/( ⋅⋅

= energia / massa

= comprimntoxocomprimentmassa

ocomprimentxforça⋅⋅⋅⋅

⋅⋅)/(

= )( ocomprimentxmassa

força⋅⋅

Unidade SI consistente

Unidade no sistema Tex

J/kg

N m/kg

KJ/g

N/tex

Será mais conveniente expressar os valores do trabalho de ruptura

específico das fibras em N/tex, dado pela área dentro da curva de tensão

específica Vs. extensão: isto representa a energia em Joules, necessária para

romper um filamento de 1-tex, com 1 m de comprimento. Todavia, desde que o

trabalho de ruptura específico é dimensionamento equivalente à energia por

massa unitária; o trabalho de ruptura de qualquer amostra específica é

proporcional a sua massa, independentemente dos valores reais da densidade

linear e comprimento que determinam essa massa.: a unidade N/tex igual kJ/g.

2.2.5 Comparação dos métodos para especificação da ruptura.

Até agora foram descritos três maneiras para especificação da ruptura,

resistência à ruptura- pela força, alongamento, e energia necessária. Sempre que

ocorre o rompimento, os valores de cada um deles são apropriados às condições

que o teste deve alcançar, mas normalmente o valor limitante de apenas uma das

três será inerente às condições que causam o rompimento, enquanto as outras


38

duas adaptam-se automaticamente. É importante comparar as três quantidades a

partir deste ponto de vista.

A resistência, ou tenacidade, dá uma medida da resistência para forças

constantes. Assim, será a quantidade correta a ser considerada, quando uma

amostra é submetida a uma força de tração constante, como por exemplo, numa

corda usada para levantar pesos pesados.

O alongamento do rompimento dá a medida da resistência do material ao

alongamento. Assim, é importante quando uma amostra é submetida ao

estiramento; por exemplo, a decote de uma roupa puxada sobre a cabeça, ou o

urdume na tecelagem.

O trabalho de ruptura, que é a energia necessária para romper uma fibra,

dá a medida da habilidade que o material possui para suportar choques súbitos

de uma dada energia. Quando uma massa m, ligada à uma amostra têxtil, é

deixada cair de uma altura h, ela adquiri uma energia cinética, igual ao mgh, e se

esta energia for maior do que o trabalho de ruptura, ocorre o rompimento,

enquanto que se for menor, a amostra sustentará o choque. Então, o trabalho de

ruptura é a quantidade apropriada a ser considerada nos casos de abertura de

um paraqueda, na interrupção da queda de um alpinista quando ele sustentado

por uma corda, e em todas as ocasiões quando um choque súbito pode causar

rompimento. Deve se notar que a característica significante na aplicação do

trabalho de ruptura é que o choque contém uma dada quantidade de energia; o

fato que dele ocorrer rapidamente, não é relevante, embora, a velocidade de

carregamento afetará o valor do trabalho de ruptura.

Ao comparar os materiais com o objetivo de saber qual é o menos sujeito

ao rompimento, é importante considerar as condições nas quais esse

rompimento ocorreria e decidir qual é a quantidade apropriada a ser usada. Por

exemplo, não há necessidade da corda do alpinista ter uma alta tenacidade se o

trabalho de ruptura é baixo. Na prática, as condições tensil mais complicadas

podem ocorrer, por exemplo, o choque súbito pode ser aplicado à uma amostra

que já tenha uma carga constante. Devemos lembrar que o rompimento pode


39

ocorrer como resultado de aplicações repetidas de forças, não necessariamente

ao longo do eixo da fibra.

2.2.6 Módulo inicial

A primeira de várias quantidades relacionadas à forma do gráfico de

tensão–extensão, é o módulo inicial, que é igual ao coeficiente angular da curva

inicial do gráfico de tensão-extensão (após a remoção de qualquer ondulação).

Esta inclinação normalmente permanece constante na parte inicial da curva, como

mostrado na figura 1.7. O módulo é medido em unidades de tensão ou tensão

específica.

Figura 1.7 módulo inicial = tan ∝

Pode ser notado que o valor do módulo inicial é igual ao valor da tensão

que será necessária para dobrar o comprimento da amostra, se as condições

iniciais permaneceram imutáveis. É uma medida da resistência à extensão em

pequenas extensões. Uma fibra que é mais facilmente extensível terá o módulo

baixo.

∝

Extensão

• Tensão Específica


40

O recíproco do módulo é chamado de compliance .

2.2.7 Fator de trabalho

Se a fibra obedecer à lei da Hooke, a curve da carga – alongamento será

uma linha reta, e o trabalho de ruptura será

Trabalho de ruptura = ½ (carga de rompimento x alongamento do

rompimento)

È conveniente definir uma quantidade, o fator de trabalho, dependente da

diferença do estado ideal:

rompimentodooalongamentxrompimentodoacrupturadetrabalhotrabalhodefator

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅=⋅⋅⋅arg

(1.8)

No estado ideal, o fator de trabalho seria 0,5. Se a curva de carga –

alongamento, cair acima da linha reta, o fator de trabalho será mais de 0,5; se for

abaixo, será menos de 0,5. Este é ilustrado na figura 1.8.

• Figura 1.8 Fator de trabalho.

Rompimento

Fator de trabalho

> 0,5 = 0,5

< 0,5

Alongamento

C a r g a


41

Para materiais que rompem no mesmo ponto, o trabalho de ruptura será

maior do que o fator de trabalho. Desde que o fator de trabalho não muda muito

nas diferentes amostras do mesmo material, os valores das tabelas podem ser

usados para estimar o trabalho de ruptura das medições da carga de ruptura e

alongamento.

2.2.8 Limite de Resistência

Muitas curvas de tensão – extensão têm a forma semelhante a da figura

3.5. Após um período de declive inicial, a extensão de repente torna-se menos

pronunciada. É nesta região que ocorre o limite de resistência. Para localizar o

ponto mais preciso, Meredith definiu o limite de resistência como o ponto em que a

tangente da curva encontra-se paralela à linha que junta o ponto inicial ao ponto

de rompimento. Este ponto é então caracterizado pela sua tensão e extensão - a

tensão limite e a extensão limite. Coplan usou uma construção diferente e definiu

que o limite de resistência ocorre na tensão dada pela interseção da tangente na

origem, tendo a tangente o declive mínimo. Alternativamente, principalmente onde

existe consideráveis regiões lineares acima e abaixo da região do limite de

resistência, o ponto de interseção das tangentes pode ser considerado como o

limite de resistência. Desde que, a curva de tensão – alongamento é,

aproximadamente, linear até o limite de resistência, o esforço até o limite de

resistência seria quase igual ao ½ (tensão limite x extensão limite).

Além da indicação da forma da curva, o limite de resistência é importante

porque, para a maioria dos materiais a recuperação elástica, que é boa até o limite

de resistência, torna-se menos completa para altas tensões. Na prática, o ponto

em que as deformações permanentes começam a ocorrer será tão importante

quanto o ponto em que o rompimento ocorre.


42

Figura 1.9 (a) Ponto de limite – Construção de Meredith

Figura 1.9 (b) Ponto de limite – construção de Coplan.

•

Extensão Extensão de limite

Tensão de limite

Ponto de limite

Ponto de limite

Alongamento Extensão de limite

Tensão de limite

(a)

(b)


43

A quantidade real de dobramento da curva de tensão–extensão pode ser

importante. No ponto onde há um achatamento significativo da curva, significa

que a fibra suportará fortemente pequenas cargas, mas cederá com cargas

maiores. Isto terá uma influência no toque dos tecidos feitos destas fibras.

2.2.9 Ondulação (Crimp)

Até o presente momento as fibras têm sido tratadas como sendo uma

estrutura primitivamente reta. Todavia, muitas fibras são onduladas. A ondulação é

normalmente tirada aplicando-se uma tensão apropriada na medição da

densidade linear, e pode ser removida por uma pré - tensão no início do teste

tensil.

Se uma fibra ondulada for inserida num equipamento de teste sem tensão

inicial, a curva de alongamento da carga terá a forma mostrada na figura 1.6. O

início da curva pode ser colocado no ponto A, onde diverge da linha zero, mas é

difícil localizar este ponto com precisão.

•

Figura 1.10 Curva de Carga – alongamento de uma fibra ondulada

Crimp

Alongamento

C a r g a


44

O melhor procedimento seria a colocação do início no O, e o ponto

extrapolado corresponderia à fibra hipoteticamente reta. A ondulação é dada por

AO e pode ser expressa como a porcentagem do comprimento inicial. Novamente

é provável que seja melhor no O, embora o valor no estado de ondulação no A

possa ser usado.

2.2.10 MÉTODOS EXPERIMENTAIS

A curva de carga – extensão (alongamento) de uma fibra têxtil pode

ser obtida pela extensão gradual dela e a medição da tensão correspondente de

cada incremento em comprimento. Uma vez que o alongamento e o ponto de

rompimento das fibras têxteis variam com o tempo, o método de extensão da

amostra é um fator importante na determinação dos resultados do teste.

As características essenciais de qualquer método consistem de

garras que seguram as extremidades da amostra usada; o tipo de amostra usada;

o método de variação da carga e alongamento; e os meios usados para registrar

seus valores para a curva da carga – alongamento. É sempre possível obter

registros autográficos, e a forma exata varia de acordo com o arranjo da

experiência, embora alguns dos equipamentos mais simples dêem somente os

valores da carga de rompimento e o alongamento no rompimento. Existem vários

tipos de equipamentos para estes fins.

2.2.10.1 EQUIPAMENTOS PARA TESTES DO ÍNDICE DE

ALONGAMENTO CONSTANTE.

A fim de padronizar as condições do teste deve-se colocar a carga

ou estender a amostra no índice constante durante todo o teste.

A dificuldade apresentada pelos métodos mais óbvios e mais simples

relaciona-se a existência de uma interação complicada entre a extensão da


45

amostra e o movimento do sistema de medição da carga ou sistema de controle

da carga. Alguns métodos também dão origem a inércia ou outros erros.

A maior parte dos testes é feito agora em índice constante de

alongamento ou instrumentos como o Instron Tensile Tester, que foi originalmente

desenvolvido pelo MIT por Hindmann e Burr. A caraterística essencial destes

instrumentos mostrado na figura 1.11, é que uma célula muito rígida usada na

medição da carga, contendo um aferidor de tensão ou outras formas de transdutor

Aferidor de tensão

Barra

Fibra

Figura 1.11 Aparelho de aferidor de tensão.

é usada. Naturalmente é necessário um grau de deflexão a fim de medir a carga,

mas esse pode ser tão pequena que o movimento das garras ligadas à célula

torna-se desprezível. (embora possa ser necessária uma correção para as

amostras muito curtas ou muito rígidas). A outra garra tem que ser atravessada

num índice constante por um dispositivo mecânico. O dispositivo também é ligado

ao registrador, e a célula da carga leva a deflexão da caneta para fazer o registro.

Os instrumentos deste tipo são usualmente muito versáteis nas

variações de carga índice de passagem, índice acionador de diagrama,

sequências do teste e facilidades auxiliares. Com servo controle apropriado eles

podem ser usados para dar índice de carga constante.

Circuito eletrônico

Registrador


46

2.2.10.2 EQUIPAMENTOS PARA TESTES DO ÍNDICE DE

CARGA CONSTANTE.

Existem vários métodos criados com o objetivo de assegurar o índice

de carga constante.

O método mais simples é a aplicação direta da carga, mostrado na

figura 1.12., que foi usado, por exemplo, por Leonardo da Vinci no século XV. Para

medir a resistência de um arame.

Fibra

Figura 1.12 Carregamento direto

A carga na amostra pode ser aumentada pelo fluxo da água, como

no instrumento de Krais; pelo movimento de uma viga numa balança como

descrito por Sax, ou por métodos eletromagnéticos, como descrito por Barratt. O

método conveniente de “chainomatic” (com corrente), figura 1.13, na sua forma

mais simples não dará o índice de carga constante, desde que o alongamento da

amostra altera a carga.


47

Fibra

Figura 1.13 Carregamento simples com corrente.

O método mais frequentemente usado atualmente é o método do

plano inclinado, mostrado na figura 1.14. Ao baixar a extremidade do carrinho

numa velocidade constante, a carga da amostra aumenta num índice constante.

Desde que o carregamento é feito pelo peso morto, os erros de inércia podem

ocorrer, levando a uma oscilação com o alongamento ficando inicialmente atras da

carga. Pode também haver erro devido à força centrífuga se o carrinho descer

muito rapidamente.

Figura 1.14 Aparelho de plano inclinado

Carga = F = Mg seno θ = lMgx (1.9)


48

2.2.10.3 A DIFERENÇA ENTRE OS MÉTODOS DE ÍNDICE

DE ALONGAMENTO CONSTANTE E ÍNDICE DE

CARGA CONSTANTE.

A característica de deformação (“Creep”) resulta na diferença dos

resultados dos testes do índice de alongamento constante e índice de carga

constante. As curvas podem ter formas diferentes, desde que num teste de índice

de alongamento constante, seja possível diminuir a carga enquanto aumenta o

alongamento, o que é mostrado na figura 1.15. Isto não é possível no teste de

índice de carga constante, onde a carga deve aumentar ao longo do teste.

Figura 1.15 Resultados dos testes de Índice de alongamento

constante e Índice de carga constante.

2.2.10.4 MEDIÇÃO DIRETA DO TRABALHO DE RUPTURA

O trabalho de ruptura pode ser obtido da curva de carga -

alongamento, mas ele pode também ser medido diretamente pela teste balístico.

O pêndulo é liberado de um dado ângulo ao vertical e quando esta em movimento,

Figura 1.16 entra em contato com uma das garras que seguram a amostra e

rompe-a. A energia necessária para romper a amostra é perdida pelo pêndulo e

podemos ter:

Trabalho de ruptura = perda da energia potencial

Índice de carga constante Índice de alongamento constante


49

= Mgx (1.10)

onde, M = massa do pêndulo e

x = a diferença em altura das posições finais do pêndulo,

com e sem a amostra.

Figura 1.16 Testador balística

Este método é mais rápido do que o teste normal de carga – alongamento,

mas a variação da carga com o tempo dependerá das propriedades da amostra e

as condições da experiência.

Posição final

Posição final (sem amostra)

Posição inicial

Amostra


50

Figura 1.17 As curvas de tensão específica – deformação de várias fibras testadas à 65%

da umidade relativa (U.R), 20oc, 90 gf tex-1 min-1

Flax –Linho; Silk – Seda; Viscose rayon – Ráion viscose; Wool – Lã; Durafil – Ráion de

Lilianfeld, de 1945; Fibro – Ráion viscose de fibras curtas; Lanital – Fibra Caseína; Acetate

rayon – Ráion acetato secundário.


51

TABELA 1.8 Propriedade tensil das fibras

Fibra Tenacidade

(N/tex)

Alongamento

no rompimento

(%)

Trabalho

de ruptura

(mN/tex)

Módulo inicial

(N/tex)

Tensão de limite

(escoamento)

(mN/tex)

Alongamento

do limite

(%)

Fator de

trabalho

Algodão St. Vicente Upper Bengals

0,45 0,32 0,19

6,8 7,1 5,6

14,9 10,7 5,1

7,3 5,0 3,9

- - -

- - -

0,49 0,46 0,49

Linho Juta Hemp Ramie

0,54 0,31 0,47

0,59

3,0 1,8 2,2

3,7

8,0 2,7 5,3

10,6

18,0 17,2 21,7

14,6

- - - -

- - - -

0,50 0,50 0,50

0,47

Ráion viscose Filamento

contínuo Fibro Tenasco

0,18 0,21 0,27

27,2 15,7 16,9

30,6 18,8 19,7

4,8 6,5 6,0

57 68 66

2,0 1,9 1,6

0,62 0,59 0,50

Acetato (Celanese) 0,13 23,7 21,6 3,6 75 3,2 0,72 Fortisan (celulose) 0,59 6,4 19,1 16,1 113 0,8 0,51 Seda 0,38 23,4 59,7 7,3 156 3,3 0,66 Náilon 0,47 26,0 76,0 2,6 407 16,0 0,61 Lã

Botany 64’s Crossbred 56’s Crossbred 36’s

0,11 0,14 0,12

42,5 42,9 29,8

30,9 37,5 26,6

2,3 2,1 3,0

57 62 74

5,0 5,1 3,6

0,64 0,62 0,78

Fibra de vidro 0,75 2,5 9,8 29,4 - - - Fio de aço 0,26 8,0 17,7 28,5 - - - Comprimento do teste = 1 cm; Umidade Relativa = 65%; 20oC; índice de carregamento = 0,9 N tex-1 min-1

51

Ciências dos Polímeros e Engenharia das Fibras II Prof. Dr. Rasiah Ladchumananandasivam

52

Devemos lembrar que os valores mostrados na tabela aplicam-se aqueles materiais

que foram testados e às condições especificas citadas.

Tabela 1.9 Propriedade Tensil das fibras. Fibra Tenacidade

(N/tex)

Alongamento no

rompimento (%)

Trabalho de ruptura

(mN/tex)

Módulo inicial

(N/tex)

Ráion viscose

Alta tenacidade

polinósica

0,41

0,26

12

7

28

11

8,8

13,2

Tricaetato 0,12 30 18 3,1

Caseína 0,10 63 44 3,5

Náilon 6.6

média tenacidade

alta tenacidade

fibras cortadas

Náilon 6 (Perlon)

0,48

0,66

0,37

0,29

20

16

43

46

63

58

101

77

3,0

4,4

1,0

0,6

Poliéster (Terylene)

média tenacidade

alta tenacidade

fibras cortadas

0,47

0,56

0,47

15

7

37

53

22

119

10,6

13,2

8,8

Acrílico (Orlon) 0,27 25 47 6,2

Modacrílico (Dynel) 0,34 34 63 8,8

Polivinil alcool 0,17 26 24 2,2

Polivinil cloreto 0,24 17 23 3,5

Polietileno

Courlene (baixa

densidade

Courlene X3 (alta

densidade)

0,8

0,34

20-40

10

11-26

19

0,9

4,4

Polipropileno (Ulstron) 0,65 17 71 7,1

Vidro 0,40 1,9 3,9 21,2

Elastómero

Poliuretano

Borracha

0,0309

0,0088

540

520

65

14

0071

0026

UH 65%; 20oC


53

Figura 1.18 Curvas de Tensão - alongamento de várias fibras.


54

Figura 1.19 Curvas de Tensão – alongamento dos filamentos de graus de orientação

diferentes. As linhas pontilhadas representam o acetato e as curvas de linhas completas

representam as fibras de celulose regenerado de acetato. A curva mais baixa em cada grupo

corresponde ao material não orientado.


55

Figura 1.20 Curvas de Tensão – alongamento dos filamentos de graus de orientação

diferentes. As linhas pontilhadas representam o acetato e as curvas de linhas completas

representam as fibras de celulose regenerado de acetato. A curva mais baixa em cada grupo

corresponde ao material não orientado.

A curva de tensão – alongamento das fibras de celulose regenerada e acetatos

mostra inicialmente, um crescimento rápido com ponto do limite bem destacado, seguido

por uma porção quase reta e sobe mais rápido quando se aproxima do ponto de


56

rompimento. As curvas variam muito de acordo com os diferentes tipos de ráion e

diferentes métodos de manufatura, e a diferença maior seria entre as fibras estiradas e não

estiradas. As fibras estiradas tendo uma boa orientação das moléculas, mostram alta

resistência e pouca alongamento, semelhante às fibras de caule; enquanto que, as fibras não

estiradas são fracas mas, mais extensíveis. Este comportamento é mostrado na figura 1.15,

para fibras de acetato de orientação de graus diferentes. Se as fibras de celulose são

regeneradas de acetato, como no Fortisan, o locus da resistência é maior. As fibras de

acetato são, em geral, mais fracas e mais extensíveis do que as fibras de raion viscose. As

curvas de carga – alongamento das fibras de acetato, quando forem medidas no índice de

alongamento constante, na maioria das vezes mostra uma caída após o ponto limite.

2.2.11 Seda, Lã e Fibras sintéticas.

A seda, como as outras fibras sintéticas, é caracterizada pela alta resistência e

alongamento que se combinam para oferecer uma carga de ruptura muito alta.

As fibras de lã e outras fibras protéicas, com moléculas dobradas, são caracterizadas

pela baixa resistência, mas, com alto alongamento. Por causa do alto alongamento ao

rompimento e a forma da curva, o trabalho de ruptura não é tão baixo, apesar da baixa

resistência.

As fibras sintéticas dependem muito do peso molecular do polímero e das

condições da fiação e estiramento. Um exemplo é a fibra de poliéster, que pode

ter uma variedade de curvas de tensão – alongamento como mostrado na figura

1.21.


57

Figura 1.21 Curva de Tensão – alongamento da fibra Terylene (fibra de poliéster)

Quando o peso molecular aumenta, o locus dos pontos de rompimento move-se para

cima, mas, as partes iniciais das curvas são pouco alteradas. As tendências gerais das fibras

sintéticas são mostradas nas figuras 1.17 e 1.18.

2.2.11.1 Efeito de Umidade e Temperatura

A figura 1.22 mostra as curvas de tensão – alongamento de várias fibras em

umidades relativas diferentes. Todas as fibras tornam-se mais extensíveis nas umidades

altas, o módulo torna-se pequena e aumenta o alongamento ao rompimento, mas, enquanto

que o algodão e as outras fibras celulósicas naturais tronam-se mais resistentes, o restante

das fibras enfraquece. A tabela 1.3 mostra os valores das propriedades tensil de várias

fibras expresso em porcentagem dos valores sob condições - padrão. As propriedades das

fibras sintéticas que absorvem pouca ou nenhuma água não variam com a umidade.


58

Figura 1.22 Curvas de Tensão – % alongamento em várias umidades


59

Figura 1.23 Curvas comparativas de Tensão – % alongamento das fibras no ar em

várias temperaturas.


60

Figura 1.24 Efeito da umidade na curva de Tensão – % alongamento das fibras de

lã


61

Figura 1.25 Curva de Tensão – alongamento da fibra de poliéster nas condições -

padrão. a) como recebido b) após tratamento na água a 95oC.


62

Tabela 1.26 Efeito da umidade e temperatura na propriedade tensil.

Fibra Razão de valores: umido/65%UR Razão de valores: úmido. 95oC/umido20oC Tenacidade Alongamento

de rompimento

Trabalho de ruptura

Módulo inicial

Tenacidade Alongamento de rompimento

Trabalho de ruptura

Módulo inicial

Algodão, Uppers 1,11 1,11 0,92 0,33 1,00 1,00 1,00 1,00 Ráion viscose

alta tenacidade polinósica normal

0,64 0,70 0,50

2,00 1,21 1,58

0,78 0,62 0,69

0,02 0,08 0,03

0,90 0,95 0,90

1,25 1,06 1,03

1,25 1,00 0,89

0,75 0,83 0,80

Acetato 0,54 1,41 0,63 0,17 0,43 1,98 0,75 0,07 Triacetato 0,62 1,27 1,10 0,57 0,56 1,79 0,91 0,30 Seda 0,92 1,63 1,31 0,25 0,71 0,96 0,67 0,67 Lã, merino 0,69 1,33 0,65 0,40 0,55 1,37 0,82 0,50 Fibrolane, caseína 0,32 0,95 0,18 0,05 0,29 0,67 0,33 1,00 Náilon 0,80 1,05 0,87 0,82 0,79 1,76 1,19 0,21 Terilene 1,00 1,00 1,00 1,00 0,72 1,40 0,85 0,42 Orlon, acrílico 0,84 1,08 0,98 1,00 0,35 4,26 1,04 0,02 Fibras de polipropileno

1,00 1,00 1,00 1,00 0,45 2,47 1,13 0,21

Fiberglass 0,80 0,78 0,63 1,00 0,68 0,78 0,53 0,86

62


63

As propriedades mecânicas também mudam com a temperatura que pode ser visto

na tabela 1.4.que ilustra a diferença de comportamento entre 20oC e 95oC quando é úmido.

A tenacidade e a dureza são baixas nas temperaturas altas, mas o alongamento de

rompimento sempre alto. A exposição prolongada as temperaturas altas pode levar a

degradação permanente das fibras.

2.2.11.2 Efeito da luz

Quando expostas à luz, ou à luz ultravioleta ou radiação infravermelha, as fibras

têxteis podem se deteriorar e mostrar uma diminuição na resistência e alongamento no

ponto de rompimento. O grau de deterioração depende do tipo da fibra; a finura da fibra, e a

extensão até a qual a fibra é protegida pelas fibras circundantes; se qualquer tipo de corante,

produtos de acabamento, ou outros agentes estão presentes na fibra; e o tipo e a intensidade

da radiação. Os últimos fatores mencionados, por sua vez, são afetados pelo tipo da

exposição, por exemplo, se estiverem totalmente expostos à luz do sol, parcialmente na

sombra, atras de um vidro, ou na luz artificial; e na exposição à luz solar, pela localização

geográfica e a época do ano.

Devemos observar que quando os materiais forem testados com relação resistência à

luz, outros fatores tais como, mofo, fungo, fumaças industriais, fumaça, flexão, abrasão, e

areia levado pelo vento – podem causar mais deterioração do que a luz solar.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE Ciência dos Polímeros e Engenharia das Fibras II

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