BR102022001367B1 - Fibras compósitas retardantes de chama e uso das mesmas - Google Patents

Abstract

FIBRAS COMPÓSITAS RETARDANTES DE CHAMA E USO DAS MESMAS. A presente invenção se insere no campo de aplicação de materiais têxteis nãotecidos, mais especificamente, na produção de fibras compósitas (multifilamentos com uma ou mais camadas) por meio de um masterbatch de matriz de (poli)tereftalato de etileno (PET) com propriedade antichama ou retardante à chama. A fibra compósita antichama de multifilamentos é obtida por meio de um masterbatch de matriz polimérica, sendo que a fibra compreende uma matriz polimérica do masterbatch de (poli)tereftalato de etileno (PET); e uma combinação de cargas compreendendo: (i) de 50% a 75% em massa de pelo menos um aditivo antichama; (ii) de 12,5% a 25% em massa de um agente de barreira; e (iii) de 12,5% a 25% em massa de um agente esfoliante. As fibras compósitas da presente invenção são obtidas por meio do processo de fiação por fusão e são destinadas ao uso em roupa de cama em geral, roupa de cama de hotelaria, roupa de cama para embarcados (marinha, aeronáutica, plataforma de petróleo), produção de tecidos matelassados, forração e carpetes, filtros de ar em filtração a seco, área de automobilismo e, principalmente, na construção civil.

Description

CAMPO DA APLICAÇÃO

[001] A presente invenção se insere no campo de aplicação de materiais têxteis nãotecidos, mais especificamente, na produção de fibras compósitas (multifilamentos com uma ou mais camadas) por meio de um masterbatch de matriz de (poli)tereftalato de etileno (PET) com propriedade antichama ou retardante à chama, compreendendo pelo menos um aditivo antichama, um agente de barreira e um agente esfoliante. As fibras compósitas da presente invenção são obtidas por meio do processo de fiação por fusão e são destinadas ao uso em roupa de cama em geral, roupa de cama de hotelaria, roupa de cama para embarcados (marinha, aeronáutica, plataforma de petróleo), produção de tecidos matelassados, forração e carpetes, filtros de ar em filtração a seco, área de automobilismo e, principalmente, na construção civil.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Materiais poliméricos são comumente utilizados na construção civil, destacando-se por diversas vantagens, tais como a facilidade de processamento e de transporte, baixo custo, entre outras.

[003] Entretanto, a maioria dos polímeros apresenta uma grande desvantagem: o seu caráter inflamável. A combustão indesejável desses materiais pode ser acompanhada, em sua maioria, pela produção de gases tóxicos e corrosivos, limitando sua aplicação tendo em vista os riscos graves à saúde e à vida humana.

[004] O exemplo do incêndio ocorrido na boate Kiss, em janeiro de 2013, que resultou na morte de 242 pessoas, ficou mundialmente conhecido e ilustra essa problemática. O revestimento acústico da boate Kiss, constituído de espuma de poliuretano, não apresentava propriedade antichama ou retardante de chama. Em contato com as faíscas geradas por um artefato pirotécnico, o material sofreu ignição imediata, levando à propagação do fogo e à formação de fumaça tóxica.

[005] Sendo assim, em 26 de março de 2019, foi publicada a Portaria n° 149 que aprova a Regulamentação Técnica de Produtos para Tratamento Acústico ou Isolamento Térmico para uso na Construção Civil, a qual foi feita com base na Instrução Técnica N° 10/2011 do Corpo de Bombeiros. Tal regulamentação se aplica a produtos destinados ao tratamento acústico ou ao isolamento térmico utilizados na construção civil e disponíveis no mercado nacional.

[006] Tendo em vista os requisitos de segurança cada vez mais rigorosos, melhorar o comportamento antichama ou retardante à chama de materiais poliméricos tornou-se um grande desafio.

[007] Em vista da necessidade de um material polimérico com propriedade antichama ou retardante à chama melhorada, a presente invenção propõe uma nova fibra compósita de multifilamentos com uma ou mais camadas, por meio de um masterbatch de matriz de (poli)tereftalato de etileno (PET), compreendendo pelo menos um aditivo antichama, um agente de barreira e um agente esfoliante, sendo que a fibra compósita da presente invenção é obtida por meio do processo de fiação por fusão e é destinada ao uso em roupa de cama em geral, roupa de cama de hotelaria, roupa de cama para embarcados (marinha, aeronáutica, plataforma de petróleo), produção de tecidos matelassados, forração e carpetes, filtros de ar em filtração a seco, área de automobilismo e, principalmente, na construção civil.

[008] A fiação por fusão, ou melt spinning, é um processo de fabricação usado para produzir fibras poliméricas ou sintéticas. Esse método de produção de fibra pode ser usado para criar fibras para tecidos, utilizando um sistema de resfriamento rápido para transformar materiais poliméricos fundidos em fios longos ou filamentos. A fiação por fusão é comumente usada para produzir fibras de poliéster [1].

[009] Um masterbatch é um composto plástico que contém aditivos que geram características protetivas em compostos poliméricos [2]. (Poli)tereftalato de etileno (PET)

[0010] O (poli)tereftalato de etileno (PET) é um polímero da classe dos poliésteres que apresenta excelentes propriedades mecânicas, resistência ao calor, maleabilidade, resistência química, além de apresentar um baixo custo, tendo um uso de aplicação significativamente amplo. No entanto, o poliéster termoplástico apresenta desvantagem por ser de fácil combustibilidade.

Aditivo antichama

[0011] Os termos “retardante de chama”, “retardante à chama” e “antichama” se referem aos compostos que conferem às fibras um Índice Limite de Oxigênio (LOI) de pelo menos 27%.

[0012] Aditivos antichama podem ser selecionados a partir de compostos contendo halogênio, tais como bromo e cloro, além de compostos orgânicos à base de fósforo, por exemplo. Porém, para compostos contendo halogênio, podem ocorrer problemas na combustão. Ou seja, materiais que apresentam aditivos halogenados em sua composição geram toxinas consideradas poluentes ambientais quando queimados ou incinerados.

[0013] Dessa forma, alguns aditivos antichama halogenados são preocupantes com relação ao meio ambiente e à saúde da população. Portanto, há um mercado para aditivos antichama alternativos que não gerem essas preocupações.

[0014] Os aditivos antichama contendo fósforo são possíveis substitutos para esses aditivos antichama halogenados.

[0015] Em algumas aplicações, os aditivos antichama contendo fósforo podem fornecer atividade semelhante aos halogenados, embora os aditivos contendo fósforo sejam menos comumente utilizados porque apresentam alguns problemas.

[0016] Um desses problemas é que alguns dos aditivos antichama contendo fósforo têm solubilidade limitada em polímeros e, portanto, tendem a migrar para a superfície do polímero. Este fenômeno de migração afeta adversamente a aparência da superfície e o desempenho de combustão do produto polimérico. Por outro lado, se os aditivos antichama contendo fósforo são solúveis no polímero, eles tendem a plastificar o polímero e reduzir as suas propriedades térmicas.

[0017] Nesse sentido, o dietilfosfinato de zinco apresenta excelente propriedade antichama e não detém em sua composição constituintes halogenados.

Agente de barreira

[0018] O agente de barreira pode ser utilizado em fibras compósitas retardantes de chama de forma a atuar como uma carga de barreira aos gases de combustão, dificultando a propagação da chama. O filossilicato organofílico pode ser utilizado como um agente de barreira em fibras compósitas retardantes de chama de PET.

Agente esfoliante

[0019] O agente esfoliante, por sua vez, possui a capacidade de auxiliar a distribuição/dispersão dos outros aditivos na matriz polimérica. Dessa forma, o polietileno linear de baixa densidade (PEBD) altamente funcionalizado com anidrido maleico pode ser utilizado como um agente esfoliante em fibras compósitas retardantes de chama de PET.

[0020] Dessa forma, o material polimérico com propriedade antichama ou retardante à chama da presente invenção é formado por um masterbatch de matriz de PET compreendendo um ou mais aditivos antichama, um agente de barreira e um agente esfoliante.

[0021] Alguns documentos do estado da técnica descrevem o uso de materiais têxteis com propriedade antichama ou retardante à chama.

[0022] O pedido de patente de invenção n° CN103741250A, publicado em 23 de abril de 2014, em nome de TAICANG RONGWEN SYNTHETIC FIBER CO., LTD. e intitulado: “Inorganic/organic hybrid composite fire retardation agent and application of the same in PET fibers” refere-se a um material compósito inorgânico/orgânico retardante à chama e a sua aplicação em fibras PET produzidas a partir do processo de fiação. A inovação consiste em adicionar um agente sinérgico (nanomaterial) à composição capaz de evitar a redução das propriedades mecânicas da fibra ao adicionar um composto fosforado retardante à chama ao PET e inibir o gotejamento do poliéster. É reivindicado o uso da montmorilonita (nanomaterial), do fosfinato de zinco (retardante à chama), dentre outros componentes na constituição do compósito, os quais são misturados em uma extrusora e, posteriormente fiados, bem como o processo e os parâmetros atrelados à produção da fibra por fiação por fusão. Além disso, descreve a avaliação das propriedades retardantes à chama da fibra através do ensaio de Índice Limite de Oxigênio (LOI) e, também, suas propriedades mecânicas. Porém não apresenta dados acerca da obtenção de fibras de multifilamentos de mais camadas, e resultados de verificação da ignitabilidade. O documento não menciona o uso de agente esfoliante (polietileno linear de baixa densidade (PEBD) altamente funcionalizado com anidrido maleico), que é importante para a melhoria das propriedades antichama. A presença de um agente esfoliante se mostrou fundamental na presente invenção para a dispersão e distribuição dos aditivos na matriz polimérica de PET, aumentando o valor de LOI significativamente. Isto é, atuou como agente de espaçamento das camadas lamelares da argila, auxiliando a interação entre o aditivo antichama e as cadeias poliméricas, e por consequência contribuindo para este aumento significativo da propriedade antichama de forma comprovada. Ainda, o documento tampouco menciona que o uso da fibra têxtil retardante à chama é especificamente na construção civil.

[0023] A publicação internacional n° WO 2012/068264 A2, publicada em 24 de maio de 2012, em nome de FRX POLYMERS, INC. e intitulada: “Phosphinate polymers, copolymers, and their respective oligomers as flame retardants for polyester fibers” refere-se a uma fibra de polímero que inclui um poliéster termoplástico e pelo menos um polímero ou oligômero contendo fósforo. O objetivo do documento em questão é o de conferir resistência ao fogo em fibras de poliéster sem prejudicar outras propriedades importantes, tais como processabilidade (isto é, aumento da viscosidade de fusão), capacidade de fundir fibras de rotação e propriedades mecânicas. O poliéster termoplástico usado nesse documento pode ser o PET. Os aditivos resistentes ao fogo do documento em questão podem incluir hidróxidos de metal, retardantes de chama contendo nitrogênio, tal como cianurato de melamina, sais de fosfinato, fosfatos orgânicos, outros fosfinatos, sais de sulfonato orgânico, siloxanos e semelhantes. Outros aditivos podem estar presentes. Além disso, a produção da fibra ocorre por fiação por fusão. Tal documento menciona que os valores de LOI devem ser superiores a 27%. O sal de fosfinato usado nesse documento é diferente do dietilfosfinato de zinco, principalmente com relação ao peso molecular.

[0024] O pedido de patente de invenção n° BR 11 2021 018133 4 A2, publicado em 16 de novembro de 2021, em nome de DOW GLOBAL TECHNOLOGIES LLC / PERFORMANCE MATERIALS NA, INC., intitulado “Composição retardante de chama livre de halogênio, painel composto, e, método de fabricação do painel composto” refere-se a materiais retardantes de chama livres de halogênio e, especificamente, referem-se a materiais retardantes de chama livres de halogênio para uso em camadas de núcleo de painéis compostos de alumínio. As aplicações comuns dos painéis compostos de alumínio são em sistemas de fachada de infraestrutura, exibições visuais e transporte. Por exemplo, painéis compostos de alumínio podem ser usados para sistemas de fachada exposta em edifícios altos. As composições retardantes de chama livres de halogênio descritas nesse documento podem incluir um ou mais copolímeros de poliolefina, sendo que pode ser um polietileno de baixa densidade linear enxertado com anidrido maleico. O documento descreve ainda que possivelmente a poliolefina enxertada com anidrido maleico pode interagir com as cargas inorgânicas para fornecer composições retardantes de chama livres de halogênio com propriedades mecânicas aprimoradas e desempenho de resistência ao fogo aprimorado, pois o gotejamento pode ser reduzido. O retardante de chama pode ser hidróxido de magnésio e melamina. O documento em questão menciona ainda o uso da argila. No entanto, o polietileno de baixa densidade linear enxertado com anidrido maleico desse documento é usado como o polímero principal da composição retardante.

[0025] O pedido de patente de invenção n° CN110528292A, publicado em 03 de dezembro de 2019, em nome de NANTONG UNIVERSITY e NANTONG WELL NON-WOVEN NEW MATERIAL CO., LTD. e intitulado: “Flame-retardant, bactericidal, mildewproof and self-cleaning non-woven wallpaper and preparation process thereof” descreve um processo para a produção de um papel de parede constituído por um nãotecido retardante à chama, bactericida, resistente ao mofo e autolimpante, a partir de fibra PET/Mg(OH)2 e fibra PET/TiO2/Ag. A inovação associada a esta invenção trata-se, justamente, da possibilidade de obtenção de um papel de parede nãotecido com todas essas propriedades. É reivindicado, dentre outros aspectos, o uso do composto Mg(OH)2 (escala nanométrica) como agente retardante à chama, além do seu processo de ativação, com o objetivo de reduzir sua aglomeração. Também inclui-se como objeto reivindicado o processo de produção da fibra PET/Mg(OH)2, o qual é realizado por meio de mistura e fiação por fusão, e os parâmetros a ele associados. O documento não menciona o uso de um agente esfoliante (polietileno linear de baixa densidade (PEBD) altamente funcionalizado com anidrido maleico) e de um agente de barreira - argila (bentonita/montmorilonita). O LOI não foi especificado pelo documento.

[0026] Como pode ser observado acima, existe um grande esforço em se alcançar materiais de matriz polimérica com propriedades antichama ou retardante à chama melhoradas, que não gerem impactos ao meio ambiente, não ocasionem problemas de toxicidade à população, que sejam de baixo custo, que sejam estáveis, e que apresentem sinergia entre seus componentes. Cabe ressaltar que, dependendo da aplicação em que esse material de matriz polimérica será utilizado, propriedades e características diferentes serão requeridas. Por exemplo, aplicações em construção civil, especificamente em mantas, requerem excelentes propriedades antichama.

[0027] Desta forma, a presente invenção soluciona os problemas mencionados acima ao proporcionar uma fibra compósita de multifilamentos com uma ou mais camadas, por meio de um masterbatch de matriz de (poli)tereftalato de etileno (PET), compreendendo pelo menos um aditivo antichama, um agente de barreira e um agente esfoliante, com propriedades antichama ou retardante à chama melhoradas, que gera menos impacto ao meio ambiente, com menores riscos à saúde e à vida humana, de baixo custo, estável, e que apresente elevada sinergia entre seus componentes.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0028] Para solucionar os problemas acima mencionados, o presente pedido fornecerá vantagens significativas em relação aos materiais de matriz polimérica com propriedades antichama ou retardantes à chama já existentes. A presente invenção proporciona uma fibra compósita de multifilamentos com uma ou mais camadas, por meio de um masterbatch de matriz de (poli)tereftalato de etileno (PET), compreendendo pelo menos um aditivo antichama, um agente de barreira e um agente esfoliante, com propriedades antichama ou retardante à chama melhoradas, que gera menos impacto ao meio ambiente, com menores riscos à saúde e à vida humana, de baixo custo, estável, e que apresente elevada sinergia entre seus componentes.

[0029] Neste sentido, é um objetivo da presente invenção proporcionar uma fibra compósita antichama de multifilamentos obtida por meio de um masterbatch de matriz polimérica, a fibra compreendendo: - uma matriz polimérica do masterbatch de (poli)tereftalato de etileno (PET); e - uma combinação de cargas compreendendo: (i) de 50% a 75% em massa de pelo menos um aditivo antichama; (ii) de 12,5% a 25% em massa de um agente de barreira; e (iii) de 12,5% a 25% em massa de um agente esfoliante.

[0030] É ainda um objetivo da presente invenção proporcionar o uso das fibras compósitas antichama na fabricação de roupa de cama em geral, roupa de cama de hotelaria, roupa de cama para embarcados (marinha, aeronáutica, plataforma de petróleo), produção de tecidos matelassados, forração e carpetes, filtros de ar em filtração a seco, área de automobilismo e construção civil, especificamente na fabricação de uma manta nãotecido para construção civil.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0031] A Figura 1 se refere, à esquerda, aos pellets do masterbatch com concentração de cargas de 15%; à direita, aos pellets do PET cristalizado.

[0032] A Figura 2 se refere, à esquerda, à bobina dos filamentos de PET puro; à direita, à bobina dos filamentos compósitos.

[0033] A Figura 3 se refere às malhas de PET (à esquerda) e da fibra compósita (à direita) obtidas no tear circular.

[0034] A Figura 4 ilustra a retração da malha compósita após o contato com o queimador.

[0035] A Figura 5 se refere ao difratograma obtido para a argila composta por filossilicato organofílico.

[0036] A Figura 6 se refere aos difratogramas obtidos para a argila composta por filossilicato organofílico e as fibras compósitas 34, 35 e 36.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0037] Embora a presente invenção possa ser suscetível a diferentes concretizações, é mostrada nos Exemplos Experimentais e na seguinte discussão detalhada, uma concretização preferida com o entendimento de que a presente descrição deve ser considerada uma exemplificação dos princípios da invenção e que não pretende se limitar a presente invenção ao que foi ilustrado e descrito aqui.

[0038] A presente invenção proporciona uma fibra compósita antichama de multifilamentos obtida por meio de um masterbatch de matriz polimérica, a fibra compreendendo: - uma matriz polimérica do masterbatch de (poli)tereftalato de etileno (PET); e - uma combinação de cargas compreendendo: (i) de 50% a 75% em massa de pelo menos um aditivo antichama; (ii) de 12,5% a 25% em massa de um agente de barreira; e (iii) de 12,5% a 25% em massa de um agente esfoliante.

[0039] Em uma modalidade preferencial, a combinação de cargas compreende preferencialmente: (iv) 60% em massa de pelo menos um aditivo antichama; (v) ) 20% em massa de um agente de barreira; e (vi) ) 20% em massa de um agente esfoliante.

[0040] Ainda, a fibra compósita antichama apresenta uma concentração de cargas que varia entre 0,01% e 10% e uma concentração de PET que varia entre 90% e 99,99%, preferencialmente a fibra compósita antichama apresenta uma concentração de cargas que varia entre 0,5% e 5% e uma concentração de PET que varia entre 95% e 99,5%, mais preferencialmente a fibra compósita antichama apresenta uma concentração de cargas de 1,5% e uma concentração de PET de 98,5%.

[0041] A presente invenção proporciona ainda o uso das referidas fibras compósitas antichama na fabricação de roupa de cama em geral, roupa de cama de hotelaria, roupa de cama para embarcados (marinha, aeronáutica, plataforma de petróleo), na produção de tecidos matelassados, forração e carpetes, filtros de ar em filtração a seco, na área de automobilismo e, principalmente, na construção civil, mais especificamente na fabricação de uma manta nãotecido para construção civil.

[0042] Para o desenvolvimento das fibras compósitas antichama com matriz polimérica de PET, foram utilizadas as seguintes cargas: pelo menos um aditivo antichama, um agente de barreira e um agente esfoliante.

[0043] O pelo menos um aditivo antichama pode ser selecionado a partir do grupo compreendendo: dietilfosfinato de zinco, cianurato de melamina, polifosfato de melamina, hidróxido de magnésio e hidróxido de alumínio.

[0044] Em uma modalidade preferencial, o dietilfosfinato de zinco foi selecionado como o aditivo antichama, devido à sua eficiente propriedade antichama e por não apresentar em sua composição constituintes halogenados.

[0045] O agente de barreira pode ser uma argila, preferencialmente uma argila composta por filossilicato organofílico, apresentando densidade de aproximadamente 1,80 g/ml, tamanho de partícula D50 < 20 μm e um teor de umidade de 3%, de forma a atuar principalmente como uma barreira aos gases de combustão, a fim de dificultar a propagação da chama nas fibras compósitas antichama.

[0046] O agente esfoliante pode ser selecionado a partir do seguinte grupo: sais de amônio quaternário de cadeia longa, copolímero ou poliolefina funcionalizada com anidrido maleico, a fim de auxiliar a distribuição/dispersão das outras cargas na matriz polimérica de PET.

[0047] Em uma modalidade preferencial, o agente esfoliante é uma poliolefina funcionalizada com anidrido maleico, especificamente um polietileno linear de baixa densidade (PEBD) altamente funcionalizado com anidrido maleico foi selecionado como o agente esfoliante.

[0048] Além disso, a fibra compósita antichama é preferencialmente obtida pelo processo de fiação por fusão.

[0049] Ainda, a fibra compósita antichama é preferencialmente para uso em roupa de cama em geral, roupa de cama de hotelaria, roupa de cama para embarcados (marinha, aeronáutica, plataforma de petróleo), produção de tecidos matelassados, forração e carpetes, filtros de ar em filtração a seco, área de automobilismo e, principalmente, na construção civil, especialmente na fabricação de uma manta nãotecido para construção civil.

EXEMPLOS EXPERIMENTAIS

[0050] As condições experimentais ótimas foram investigadas de forma a se obter a fibra compósita com melhor desempenho retardante à chama. Primeiramente, as cargas/aditivos foram previamente secas em estufa a uma temperatura de 100°C para serem produzidos os masterbatches utilizando como matriz polimérica o PET, sendo que a concentração das cargas no masterbatches é de 30% e 15% em massa. Em seguida, foi realizada a produção das fibras em extrusora dupla-rosca na etapa de fiação por fusão com os masterbatches preparados.

[0051] Como aditivo de barreira foi utilizado um argilomineral e como agente esfoliante foi utilizado um polietileno linear de baixa densidade (PEBD) altamente funcionalizado com anidrido maleico. Visto que o agente esfoliante tem por finalidade aumentar o espaçamento entre as camadas lamelares dos argilominerais, facilitando sua esfoliação na matriz polimérica, a relação mássica argilomineral/agente esfoliante mostrou-se uma variável de grande relevância. Dessa forma, a relação ótima entre o argilomineral e o agente esfoliante foi de 1:1.

[0052] A extrusora dupla-rosca foi selecionada para o processo de fiação por fusão devido à sua maior eficiência de mistura. A cabeça de fiação utilizada apresenta 81 capilares com 1 mm de diâmetro. Os parâmetros utilizados como base para os experimentos executados na extrusora dupla- rosca podem ser visualizados na Tabela 1 abaixo. Tabela 1 - Parâmetros referentes à fiação por fusão.

Índice Limite de Oxigênio (LOI)

[0053] O Índice Limite de Oxigênio (LOI) é capaz de exprimir a inflamabilidade do material determinando a concentração mínima de oxigênio para se manter a combustão do mesmo. Materiais com valores de LOI iguais ou superiores a 25% são considerados autoextinguíveis. Quanto maior este valor, maior será o efeito retardante a chamas do material. As análises de LOI foram realizadas no laboratório de flamabilidade do Instituto SENAI de Tecnologia Têxtil e Confecção (IST) do SENAI CETIQT. O equipamento utilizado para as análises foi o Temperature Index do fabricante Fire Testing Technology Limited.

[0054] A análise seguiu as seguintes normas: - ISO 4589-1:2017 Plastics: Determination of Burning Behaviour by Oxygen Index - Part 1: General Requirements. - ISO 4589-2:2017 Plastics: Determination of Burning Behaviour by Oxygen Index - Part 2: Ambient-temperature Test.

[0055] O suporte para o corpo-de-prova do equipamento não comporta fios, fibras ou filamentos. Por conta disso, foi necessário confeccionar malhas das fibras compósitas produzidas a fim de viabilizar a análise e se obter uma maior confiabilidade dos resultados. Sendo assim, uma malha circular foi produzida para cada um dos filamentos obtidos.

Densidade Linear

[0056] Os ensaios para a determinação da densidade linear das fibras têxteis obtidas foram realizados de acordo com a norma ASTM D1577-07 (2018) - Standard Test Methods for Linear Density of Textile Fibers. O equipamento utilizado para as análises foi o VIBROSKOP 400 do fabricante Lenzing Instruments.

[0057] Para realizar a análise, foi necessário selecionar o peso tensivo mais apropriado para cada amostra. Para isso, o seguinte procedimento foi utilizado: - Cortar dez fibras da amostra no tamanho de L = 5 cm cada; - Pesar o conjunto das dez fibras, registrando o peso total, e fazer o peso médio em gramas dividindo-se por 10; e - Estimar o título, em denier, de acordo com a seguinte equação:

Difração de Raios X (DRX)

[0058] A intercalação das camadas lamelares do argilomineral na matriz polimérica das fibras compósitas foi investigada por meio da técnica de Difração de Raios X. O argilomineral utilizado nas formulações das fibras compósitas é uma argila composta por filossilicato organofílico, apresentando densidade de aproximadamente 1,80 g/ml, tamanho de partícula D50 < 20 μm e um teor de umidade de 3%.

[0059] A argila mencionada acima apresenta uma estrutura organizada em camadas (lamelas) que interagem entre si por meio de ligações fracas (forças de Van der Waals), possui boa capacidade de troca catiônica, elevada razão de aspecto (razão entre a largura e a espessura da camada), boa capacidade de delaminação e elevada área específica [3]. A capacidade de delaminação é uma propriedade essencial para a fibra da presente invenção, pois se refere à capacidade de dispersar as camadas na matriz polimérica; em outras palavras, de “alargar” o espaço entre as lamelas da argila para a inserção das cadeias poliméricas.

[0060] A Figura 5 apresenta o difratograma padrão da argila utilizada nas formulações.

[0061] A partir da Figura 5, pode-se observar um pico expressivo localizado pouco antes de 6,5°. De acordo com a lei de Bragg (d = nX/2senθ), esse pico está associado à distância entre as camadas lamelares da argila. Isto é, quanto maior a distância observada entre as camadas, maior será a dispersão alcançada na fibra compósita. RESULTADOS DOS EXPERIMENTOS

[0062] A partir da comparação dos resultados obtidos, foi constatado que o aumento da proporção entre o argilomineral (A) e o agente esfoliante (AS) foi responsável por um impacto positivo na propriedade retardante à chama. Isto é, a relação mássica 1:1 (A:AS) foi a mais promissora na esfoliação do argilomineral na matriz de PET.

[0063] As amostras com concentração de cargas de 30% em massa não foram bem-sucedidas. Verificou-se que o funil de alimentação da extrusora dupla-rosca entupia com frequência, devido à granulometria fina do argilomineral e da carga antichama. Em todos os testes realizados, foi observado que os aditivos em pó aderiam à superfície do funil de alimentação, reduzindo significativamente a eficiência da mistura. Por outro lado, as amostras com 15% em massa de carga, foram produzidas de forma satisfatória.

[0064] A Tabela 2 abaixo descreve as formulações utilizadas na produção das fibras 34, 35 e 36. Tabela 2 - Formulação detalhada das fibras compósitas 34, 35 e 36.

[0065] A Tabela 3 abaixo apresenta os resultados dos ensaios de LOI obtidos de acordo com a metodologia apresentada acima. Tabela 3 – Resultados obtidos para o LOI.

[0066] A fibra compósita 36, composta por 1,5% em massa de carga, apresentou o maior valor de LOI dentre as amostras analisadas. Assim, nesta fibra houve uma intercalação do sistema argilomineral + antichama + PEBD de forma mais eficaz na matriz polimérica do PET, causando maior distribuição e dispersão desses componentes aditivos na fibra. Assim, a propriedade de barreira devido à presença das camadas lamelares de argila bem distribuídas e dispersas, aliada à propriedade antichama, conferida pelo dietilfosfinato de zinco, em conjunto com a ação do agente esfoliante PEBD altamente funcionalizado com anidrido maleico, favoreceram a resistência à chama da fibra compósita final.

[0067] Cabe ressaltar que a recomendação do fabricante para o uso do agente esfoliante PEBD altamente funcionalizado com anidrido maleico é de uma quantidade de 2 a 4% (conforme fornecido) com base na formulação total, dependendo do teor de fibra, e de 25% das cargas totais (conforme fornecido) com base no teor de PE (polietileno) em misturas de PA/PE (poliamida/polietileno). Ou seja, é recomendado pelo próprio fabricante do agente esfoliante PEBD altamente funcionalizado com anidrido maleico utilizar uma quantidade muito maior do que a utilizada na fibra 36, que foi de 0,3%. Essa redução na quantidade necessária de aditivo apresenta impactos ambientais positivos, além de econômicos.

[0068] Além disso, o fabricante recomenda o uso do agente esfoliante PEBD altamente funcionalizado com anidrido maleico em matrizes poliméricas constituídas de PA/PE, e não de PET, tal como o realizado para a obtenção da fibra do presente pedido [4].

[0069] Ainda, cabe ressaltar que a poliamida (PA) é polar e altamente higroscópica, tal como o PET, e por isso não é intuitivo substituir as matrizes poliméricas constituídas de PA/PE por PET.

[0070] As Tabelas 4 e 5 abaixo descrevem os resultados do ensaio de determinação de densidade linear das formulações de acordo com a metodologia apresentada acima. Tabela 4 - Resultados obtidos para a densidade linear (título) em denier.

Tabela 5 - Valores médios obtidos para a densidade linear (título) em tex.

[0071] A partir desses resultados, pode-se afirmar que a fibra compósita 36, composta por 1,5% em massa de carga, apresentou o maior valor de título médio e o menor desvio padrão dentre as amostras analisadas.

[0072] A Figura 6 apresenta os difratogramas obtidos para a argila composta por filossilicato organofílico, apresentando densidade de aproximadamente 1,80 g/ml, tamanho de partícula D50 < 20 μm e um teor de umidade de 3%, e as fibras compósitas 34, 35 e 36.

[0073] A partir da Figura 6, pode-se verificar que o pico característico localizado pouco antes de 6,5° não é observado nos difratogramas das fibras compósitas. Visto que esse pico está associado à distância entre as camadas lamelares da argila, pode-se considerar que houve um aumento considerável da distância entre as lamelas, indicando boa dispersão da argila na matriz polimérica, havendo intercalação do sistema argila + aditivos/cargas + polímero.

[0074] Dessa forma, pode-se concluir que a formulação da fibra compósita 36 foi a que apresentou resultados mais satisfatórios para o LOI, densidade linear (título), além de também confirmada a intercalação do sistema argila + aditivos/cargas + polímero a partir da técnica de DRX.

[0075] Portanto, fica claro que para se alcançar a presente fibra compósita antichama foram necessários diversos experimentos para se chegar a uma combinação ideal da matriz de PET com as cargas (aditivos/agentes) e de suas proporções, bem como o método de fabricação da referida fibra compósita.

CARACTERIZAÇÃO DA FIBRA 36

[0076] Para o preparo do masterbatch à base de PET, todas as cargas mencionadas anteriormente foram micronizadas para um tamanho de partícula menor do que 10 μm, e secas em estufa a uma temperatura de 100°C, a fim de evitar a despolimerização do PET durante a fiação por fusão.

[0077] A Tabela 6 abaixo mostra o tamanho de partícula das cargas após a micronização. Tabela 6 - Tamanho de partícula das cargas após a micronização.

[0078] O PET foi submetido a um processo de cristalização para melhores condições de processamento, saindo de grau garrafa para grau têxtil, e previamente desumidificado a uma temperatura de 150°C com no mínimo 24 horas de antecedência.

[0079] O masterbatch (Figura 1) foi preparado a partir do PET cristalizado e das cargas previamente micronizadas e devidamente secas, sendo definida a concentração de 15% em massa de carga (ou aditivo) para a sua composição.

[0080] Em seguida, as fibras compósitas foram preparadas a partir da mistura do PET cristalizado com o masterbatch (também à base de PET cristalizado) em extrusora dupla-rosca por meio do processo de fiação por fusão.

[0081] A concentração de carga na fibra compósita final de melhor desempenho foi de 1,5% em peso (Figura 2). A Tabela 8 abaixo mostra a sua formulação detalhada. Tabela 8 - Formulação detalhada da fibra compósita de melhor desempenho (fibra 36).

[0082] A Tabela 8 abaixo apresenta os parâmetros utilizados na etapa de estiragem do processo de fiação por fusão. Tabela 8 - Parâmetros da estiragem.

[0083] O filamento compósito obtido foi caracterizado a fim de adquirir informações sobre a sua resistência à chama.

[0084] A fim de realizar o ensaio de LOI, foi necessário produzir o corpo de prova no formato de malha (Figura 3) com o filamento de PET puro e do compósito obtido. Para tal, utilizou-se o tear circular monofrontura (circular knitting), em uma máquina Mesdan, modelo Lab Knitter (1/2 malha, Finura: 24”, Φ = 3,75”). O equipamento utilizado para a análise foi o Temperature Index do fabricante Fire Testing Technology Limited.

[0085] Os testes foram efetuados de acordo com as normas: ISO 4589-1:2017 Plastics: Determination of Burning Behaviour by Oxygen Index - Part 1: General Requirements; e ISO 4589-2:2017 Plastics: Determination of Burning Behaviour by Oxygen Index - Part 2: Ambient-temperature Test.

[0086] A Tabela 9 abaixo apresenta os resultados obtidos para o ensaio de LOI. Tabela 9 - Resultados do ensaio de LOI.

[0087] Como pode ser observado a partir da Tabela 9, o filamento compósito, com 1,5% em massa de carga em sua composição final, apresentou um valor de LOI muito superior ao do PET puro. Além disso, não ocorreu gotejamento da malha em chama durante a análise de LOI. Foi verificada a retração do material durante a aplicação do queimador, adquirindo aparência enrugada como pode ser visualizado na Figura 4. Isso indica que a intercalação do sistema cargas/aditivos + PET ocorreu de modo eficaz, possibilitando uma melhor distribuição e dispersão dos aditivos na matriz polimérica do PET. A propriedade de barreira a gases, devido às camadas lamelares do filossilicato organofílico bem distribuídas e dispersas, aliada à ação do agente esfoliante (PEBD altamente funcionalizado com anidrido maleico) e ao efeito antichama conferido pelo dietilfosfinato de zinco contribuíram para o aumento da resistência à chama da fibra compósita final.

[0088] A Tabela 10 abaixo apresenta um comparativo dos valores de LOI conhecidos de algumas fibras e o valor de LOI obtido para a fibra compósita (LOI = 28,7%). Tabela 10 - Comparativo com valores de LOI conhecidos.

[0089] Pode-se notar a partir da Tabela 10 que a fibra compósita apresentou efeito retardante de chama semelhante à meta-aramida (Nomex: 28-31%) e bem próximo à para-aramida (Kevlar: 29- 31%). Isto é, devido à dispersão/distribuição efetiva das partículas na matriz polimérica, conferido pelo agente esfoliante (PEBD altamente funcionalizado com anidrido maleico) em sinergia com as outras cargas/aditivos, a formulação da fibra compósita apresentou resultados superiores ao PET puro principalmente em relação à propriedade retardante de chama.

[0090] Foi realizado também o ensaio de alongamento da fibra de acordo com a norma ISO 2062, versão de 2009, sendo avaliado o alongamento da fibra e seu coeficiente de variação.

[0091] A Tabela 11 abaixo apresenta os resultados obtidos para o ensaio de alongamento. Tabela 11 - Resultados do ensaio de alongamento.

[0092] O alongamento (%) representa o aumento percentual do comprimento do fio sob tração no ponto de ruptura ou de resistência máxima. Geralmente a incorporação de cargas em matrizes poliméricas contribui para a diminuição do alongamento, favorecendo a ruptura do fio. No entanto, os resultados obtidos mostraram o contrário. A partir da Tabela 12, pode ser observado que o filamento compósito se destaca com alongamento próximo de 490% (CV = 20%). Tudo indica que a presença do agente esfoliante (PEBD altamente funcionalizado com anidrido maleico) foi fundamental para a dispersão e distribuição das cargas/aditivos na matriz polimérica de PET, aumentando o alongamento ao invés de diminui-lo. Isto é, o PEBD altamente funcionalizado com anidrido maleico favoreceu o escoamento das cadeias poliméricas, e por consequência contribuindo para este aumento significativo do alongamento.

[0093] Dessa forma, fica claro que para se alcançar a presente fibra compósita antichama foram necessários diversos testes/ensaios para se chegar a uma combinação ideal da matriz de polímero PET com as cargas/aditivos e suas proporções, bem como para alcançar a estabilidade da fibra um elevado desempenho antichama.

[0094] Embora tenha sido mostrada apenas uma concretização da presente invenção, será entendido que várias omissões, substituições e alterações podem ser feitas por um técnico versado no assunto, sem se afastar do espírito e escopo da presente invenção. As concretizações descritas devem ser consideradas em todos os aspectos somente como ilustrativas e não restritivas.

[0095] É expressamente previsto que todas as combinações dos componentes que desempenham a mesma função ou de maneira equivalente, substancialmente da mesma forma ou equivalente para alcançar os mesmos resultados estão dentro do escopo da invenção. Substituições de elementos de uma modalidade descrita para outra são também totalmente pretendidas e contempladas. Referências: [1] Site https://www.netinbag.com/pt/manufacturing/what-is-melt- spinning.html, acessado em 13 de dezembro de 2021. [2] Site https://polyexcel.com.br/noticias- produtos/saiba-o-que-e-:masterbatch-e-quais-sao-as-suas- aplicacoes/, acessado em 13 de dezembro de 2021. [3] PAIVA, L. B.; MORALES, A. R.; DÍAZ, F. R. V. Argilas Organofílicas: Características, Metodologias de Preparação, Compostos de Intercalação e Técnicas de Caracterização, Cerâmica, v. 54, p. 213-226, 2008. [4] Documento SCONA TSPE 1112 GALL, junho/2013.

[0096] Tendo descrito certas modalidades da invenção, um técnico no assunto irá apreciar nas reivindicações anexas que muitas modificações e variações da presente invenção são possíveis à luz dos ensinamentos anteriores. É, por conseguinte, para ser entendido que, dentro do escopo das reivindicações anexas e a divulgação aqui fornecidas, a invenção pode ser praticada de outro modo que não o especificamente descrito em certas modalidades.

Claims (18)

1. Fibra compósita antichama de multifilamentos caracterizada pelo fato de ser obtida por meio de um masterbatch de matriz polimérica, a fibra compreendendo: (i) uma matriz polimérica do masterbatch de (poli)tereftalato de etileno (PET); e (ii) uma combinação de cargas compreendendo: (iii) de 50% a 75% em massa de pelo menos um aditivo antichama; (iv) de 12,5% a 25% em massa de um agente de barreira; e (v) i) de 12,5% a 25% em massa de um agente esfoliante.

2. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a combinação de cargas compreende preferencialmente: (i) 60% em massa de pelo menos um aditivo antichama; (ii) 20% em massa de um agente de barreira; e (iii) 20% em massa de um agente esfoliante.

3. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a fibra compósita antichama apresenta uma concentração de cargas que varia entre 0,01% e 10% e uma concentração de PET que varia entre 90% e 99,99%.

4. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a fibra compósita antichama apresenta uma concentração de cargas que varia entre 0,5% e 5% e uma concentração de PET que varia entre 95% e 99,5%.

5. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a fibra compósita antichama apresenta uma concentração de cargas de 1,5% e uma concentração de PET de 98,5%.

6. Fibra compósita antichama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um aditivo antichama é selecionado a partir do grupo compreendendo: dietilfosfinato de zinco, cianurato de melamina, polifosfato de melamina, hidróxido de magnésio e hidróxido de alumínio.

7. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o aditivo antichama é preferencialmente dietilfosfinato de zinco.

8. Fibra compósita antichama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que o agente de barreira é uma argila.

9. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o agente de barreira é preferencialmente uma argila composta por filossilicato organofílico, apresentando densidade de aproximadamente 1,80 g/ml, tamanho de partícula D50 < 20 μm e um teor de umidade de 3%.

10. Fibra compósita antichama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que o agente esfoliante é selecionado a partir do grupo compreendendo: sais de amônio quaternário de cadeia longa, copolímero ou poliolefina funcionalizada com anidrido maleico.

11. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o agente esfoliante é preferencialmente uma poliolefina funcionalizada com anidrido maleico.

12. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o agente esfoliante é preferencialmente um polietileno linear de baixa densidade (PEBD) altamente funcionalizado com anidrido maleico.

13. Fibra compósita antichama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de ser obtida pelo processo de fiação por fusão.

14. Fibra compósita antichama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada pelo fato de ser para uso em roupa de cama em geral, roupa de cama de hotelaria, roupa de cama para embarcados (marinha, aeronáutica, plataforma de petróleo), produção de tecidos matelassados, forração e carpetes, filtros de ar em filtração a seco, área de automobilismo e construção civil.

15. Fibra compósita antichama, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de ser para uso na construção civil.

16. Uso de fibras compósitas antichama, como definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de ser na fabricação de roupa de cama em geral, roupa de cama de hotelaria, roupa de cama para embarcados (marinha, aeronáutica, plataforma de petróleo), na produção de tecidos matelassados, forração e carpetes, filtros de ar em filtração a seco, na área de automobilismo e na construção civil.

17. Uso de fibras compósitas antichama, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de ser preferencialmente na construção civil.

18. Uso de fibras compósitas antichama, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de ser na fabricação de uma manta nãotecido para construção civil.

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