BRPI0406685B1 - Fibra de polímeros termoplasticos - Google Patents

Description

"FIBRA DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS" [001] A presente invenção refere-se a fibras macias ao toque e a tecidos não-tecidos feitos de tais fibras. As fibras compreendem um sistema de polímeros incompatíveis que conduz à qualidade de maciez ao toque. [002] Tecidos não-tecidos de polipropileno são usados em muitas aplicações médicas e de higiene. Para esses fins, o material deve não só atender a requisitos mecânicos, como também devem apresentar sensação tátil e aparência aceitáveis. Durante muito tempo, têm havido o desejo de fazer não-tecidos de polipropileno com estética semelhante a tecidos, uma vez que não-tecidos de polipropileno são frequentemente descritos como oleosos e semelhantes a plástico. Uma abordagem à modificação da sensação tátil de não-tecidos de polipropileno é mudar a textura superficial das fibras. [003] Misturas incompatíveis foram usadas para formar fibras com uma superfície de fibra irregular. Essas fibras apresentam uma sensação tátil distintamente diferente. Entretanto, elas têm propriedades mecânicas pobres e são difíceis de fiar. Foi descoberto que usando essas misturas como uma camada externa de uma fibra, por exemplo, como o componente bainha em uma fibra bicomponente, é provida a desejada sensação tátil enquanto que o núcleo pode prover a fiabilidade e as propriedades mecânicas. [004] A presente invenção envolveu formar fibras a partir de uma série de misturas imiscíveis e quantificar as propriedades de fibra das fibras resultantes. Os resultados provêem uma compreensão dos parâmetros que afetam a morfologia de fibra, finalmente conduzindo ao controle da superfície da fibra de maneira a obter as desejadas propriedades estéticas desejadas. [005] Os fatores que criam ou que afetam a estética de semelhança ao tecido são importantes de se compreender, uma vez que o objetivo final é produzir um não tecido com aquelas características. Entender como misturas imiscíveis reagem e interagem sob diversas condições é importante para auxiliar na seleção do material adequado. Isto afetará tanto as propriedades mecânicas quanto a textura superficial das fibras. A sensação tátil de um tecido, geralmente referida como tato ou manuseabilidade ("hand or handle") , é uma impressão muito subjetiva, geralmente associada com a qualidade. Existem numerosos descritores que são usados para explicar a sensação tátil de um tecido. Algumas das mais comuns são o acetinado, a maciez, a firmeza, a rugosidade, a espessura, o peso, o calor, a aspereza e a rigidez. Apesar de estes termos auxiliarem na compreensão da sensação tátil de um tecido, para fins de engenharia é importante que seja possível relacionar esta impressão subjetiva com quantidades objetivamente mensuráveis. É geralmente creditado a Kawabata ter sido o primeiro a efetivamente relacionar as propriedades mecânicas de tecidos ao tato. O Sistema de Avaliação de Kawabata (KES) foi desenvolvido em 1972 para uso com ternos masculinos. O KES usa 16 propriedades mecânicas para descrever o tato em tecidos, conforme listadas na tabela 1.

Tabela 1: Propriedades mecânicas requeridas pelo KES para descrever o tato em tecidos [006 j Foi mostrado por Barker, R. e Scheininger, M., "Predicting the Hand and Nonwoven Fabrics from Simple Laboratory Measurements" Textile Research Journal, 1982, que o uso do KES é eficaz para prever a sensação tátil de tecidos, mas também usa experimentos para determinar uma gama de propriedades térmicas e de umidade» Foi demonstrado que essas propriedades têm um efeito pronunciado nos tecidos pretendidos para vestimentas. O valor Q^x (taxa máxima de transferência de calor) correlaciona bem a sensação tátil de calor ou frio de um tecido. Ensaios de umidade correlacionam-se bem com a pegajosidade ou umidade de um tecido. Barker também mostrou que apenas alguns poucos parâmetros são necessários para prever percepções subjetivas de tato de tecidos. Para a maioria das correlações de Barker, apenas 2 a 4 propriedades de tecidos são requeridas para a previsão da sensação tátil. Os parâmetros de tecido importantes e as correlações estabelecidas a partir da avaliação do KES são uma função do tipo de tecido e do uso final. Por exemplo, a aspereza superficial e a espessura correlacionam-se bem para a sensação tátil de tecidos de malha única, enquanto que a aspereza superficial e a histerese de torção correlacionam-se bem para a sensação tátil de tecidos de malha dupla. Ambos estes tecidos são usados para fazer camisetas, entretanto diferem em parâmetros mensuráveis (correlatos) importantes. [007] Propriedades intrínsecas certamente afetam a estética de um tecido, entretanto o processamento também tem um efeito pronunciado. Infelizmente, o entendimento de como o processamento afeta as propriedades é apenas qualitativo, mas algumas relações importantes foram observadas. [008] O lustro e o brilho do material serão grandemente afetados pela morfologia da fibra e a sua seção transversal. A transparência de um tecido é quase que inteiramente determinada pela morfologia da fibra e a construção do fio e/ou do tecido. O manuseio é primariamente determinado por três propriedades do tecido: rigidez, maciez e volumosidade (espessura por unidade de peso). Fatores tais como a rigidez podem ser afetados pela rigidez intrínseca do polímero, mas também (e às vezes mais de maneira mais importante) pelo processamento da fibra e/ou pela construção do tecido. [009] O efeito da construção do fio e/ou do tecido é pelo menos tão critico quanto à natureza do material. A rigidez pode ser determinada pela rigidez fletora do tecido, que depende do módulo de cisalhamento e do coeficiente de atrito. Ambas estas propriedades são afetadas pela tumefação e, dai, pela umidade. Aumentos no acetinado da fibra e do tecido aumentam a maciez do tecido. Fios com volumosidade mais elevada darão tecidos com melhor manuseabilidade e aparência, maior recobrimento, e maior conforto. A manuseabilidade e a aparência são altamente influenciadas pela construção do tecido e pós-tratamentos do tecido. Vide, por exemplo, Van Krevelen, D.W. "Their correlation with Chemical Structure; Their Numerical Estimation and Prediction from Additive Group Contribution", Properties of Polymers, 3a Ed., Elsevier, Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo, 1990. [0010] Trabalhos prévios conduzidos por Yamaguchi et al. (patente U.S. n° 4.254.182) em fibras e tecidos de poliéster mostram que o atrito da fibra se correlaciona bem com a manuseabilidade do tecido. O coeficiente de atrito estático deve ser aumentado enquanto que o coeficiente de atrito dinâmico permanece essencialmente constante para um melhoramento na manuseabilidade do tecido ser conseguida. Simplesmente aumentar o coeficiente global de atrito não melhora a manuseabilidade do tecido. Uma razão de atrito estático para dinâmico de pelo menos 1,7 é requerida para modificar significativamente a manuseabilidade do tecido. Tendências semelhantes são esperadas para fibras de poliolefinas, apesar de que valores efetivos da razão provavelmente variarão com relação àqueles vistos em poliésteres. [0011] Fibras bicomponentes são compreendidas de dois polímeros de diferentes propriedades químicas e/ou físicas extrudadas da mesma fiandeira ("spinneret") com ambos os polímeros dentro do mesmo filamento. [0012] Existem muitas variações de estruturas de fibras bicomponentes, as duas mais simples e mais comuns são as estruturas lado-a-lado e de bainha e núcleo. Numerosas outras estruturas bicomponentes podem ser feitas para produzir propriedades de fibras únicas, tais como uma fibra bicomponente tipo ilhas-num-mar ("islands-in-a-sea"). [0013] A fiação de fibras bicomponentes é semelhante à fiação de fibras monofilamentares, entretanto é mais complexa devido à combinação de múltiplas correntes. O arranjo de fiação bicomponente mais comum é usar duas extrusoras e duas bombas de fundido, uma para cada componente. As duas correntes são então combinadas na fiandeira para formar a desejada fibra bicomponente. [0014] Independentemente do método usado para obter as duas correntes de componentes, elas são divididas cada qual em múltiplos canais e alimentadas ao coletor de fiação. Coletores de fiação bicomponentes são especificamente projetados para acomodar duas correntes de fundidos separadas. Obviamente, esses coletores são mais complicados que os coletores para monofilamentos tradicionais, mas o conceito permanece o mesmo. Os canais múltiplos das duas correntes de componentes são adicionalmente separados em numerosas correntes menores e combinadas imediatamente antes ou no orifício da fiandeira. [0015] O formato da interface entre os dois componentes é alterado ajustando-se o formato e a posição dos elementos separadores dentro da fiandeira. A proporção dos componentes pode ser alterada simplesmente ajustando as velocidades das bombas de fundidos. [0016] Alguns usos correntes de fibras bicomponentes são fibras ligantes e fibras auto-encrespantes. As fibras ligantes utilizam uma estrutura tipo bainha e núcleo, com o material ligante como a bainha. Um núcleo de PP e uma bainha de PE é uma fibra bicomponente comum usada para este fim. Fibras auto-encrespantes usam estruturas tipo lado-a-lado ou bainha-núcleo excêntricas. Estruturas tipo bainha-núcleo também podem ser formadas com uma seção transversal assimétrica. Configurações lado-a-lado tendem a ter problemas com trincamentos devido às tensões internas formadas na interface, dai a bainha-núcleo é muitas vezes preferível. Uma diferença na orientação através da fibra causa o encrespamento devido à contração não uniforme da fibra. Estruturas de bainha-núcleo também são usadas para conseguir os benefícios de polímeros ou aditivos caros mas a economias de custos significativos. O núcleo é compreendido de um polímero relativamente não caro enquanto que componentes caros são adicionados à bainha. [0017] Não-tecidos é um termo amplo para descrever tecidos feitos por outros meios que não a tecelagem ou a tricotagem. O polipropileno é usado em aproximadamente 1 bilhão de libras de não-tecidos por ano (1994) com fibras filamentares apresentando 475.000.000 lb e tecidos de fiação de fundidos 400.000.000 lb. Fibras individuais são arranjadas em uma coleção não ligada denominada de manta. Existem três métodos comuns para produzir mantas de fibras: de armação a seco ("dry-laid"), de armação úmida ("wet-laid"), e por fiação de fundido ("melt-spun"). [0018] Sistemas armados a seco geralmente partem de fibras filamentares com 0,5-1,5 polegada de comprimento e podem criar mantas de tecido com um peso base de 1-90 onças por jarda quadrada. A cardagem e a armação por ar ("air-laid") são os dois processos de armação a seco. A cardagem usa uma série de roletes cobertos com agulhas para arranjar as fibras na forma de uma manta. A manta tem uma polarização na direção de máquina preferencial. Sistemas armados por ar usam jatos de ar para suspender as fibras e acrescentar orientação na direção transversal antes de depositá-las sobre uma correia ou tela. Este processo cria uma manta um tanto quanto isotrópica. [0019] 0 processo de armação úmida é muito semelhante ao processo usado na manufatura de papel. Fibras filamentares curtas (<10 mm) são usadas para criar mantas de 0,3-16 onças por jarda quadrada. As fibras são misturadas com produtos químicos e água para formar uma pasta. A pasta é depositada sobre uma tela em movimento onde o excesso de água é removido antes da secagem. Mantas uniformes são criadas rapidamente por este processo. Sistemas armados via úmida conseguem produzir tecidos a velocidades de 100-1000 vezes mais rápidas que os armados a seco, mas requerem muito mais energia devido à grande quantidade de água que deve ser bombeada através do sistema e removida do tecido. [0020] O processo por fiação de fundido ou armação por polímero usa equipamentos exclusivos para extrusão de polímeros. Este processo utiliza fibras contínuas extrudadas através de uma fiandeira para criar mantas de 0,5-20 onças por jarda quadrada. As fibras extrudadas são deitadas sobre uma esteira em movimento formando uma manta continua que é então mecanicamente ou termicamente ligada. [0021] O ligamento de uma manta de fibra geralmente ocorre através de processos mecânicos, térmicos, ligação quimica, apesar de que combinações destes processos também podem ser usadas. O ligamento mecânico funciona enredando os fios através de processos de perfuração ou enredamento com fiação ("spunlacing"). Esses métodos são mais adequados para tecidos de alto peso-base uma vez que o enredamento varia a densidade da fibra (ao longo da manta) , o que é observável com tecidos de baixo peso. [0022] A perfuração por agulhas usa agulhas farpadas ("barbed needles") para enredar fibras perpendicularmente à manta de fibras. As agulhas penetram na manta de fibras e então puxa as fibras quando removidas, enredando a manta de fibras e formando um não tecido. O ligamento pode ser facilmente variado mudando o tipo de agulha, concentração e/ou velocidade da manta. [0023] O enredamento com fiação é comumente também referido como hidroenredamento ou perfuração por agulha liquida. O conceito é muito semelhante ao da perfuração por agulhas, porém jatos de ar são usados ao invés de agulhas. A manta é deitada sobre uma esteira perfurada e passada sobre jatos de água ao invés de agulhas. A manta é deitada sobre uma correia perfurada e passando sobre jatos d'água que enredam os fios, formando a manta. [0024] O ligamento térmico é usado para fundir fibras termoplásticas usando calor e/ou pressão. O ligamento com ar de passagem e o ligamento com fonte de calor radiante usam uma fibra ou um pó ligante que se funde e por resfriamento forma pontos de solda ao longo da manta. Vibrações ultrassônicas são usadas para aplicar forças de compressão rápidas a áreas localizadas da manta. A compressão cria calor, que amolece as fibras e liga-as entre si. A calandragem térmica usa dois roletes aquecidos para ligar as fibras através de calor e pressão. Fibras ligantes podem ser usadas para melhorar o ligamento ou permitir o ligamento de fibras não fusíveis. Um dos roletes pode ser gravado, daí formando um padrão de ligamento ao longo do tecido. A quantidade de ligamento pode ser alterada mudando a temperatura, pressão, e/ou o padrão da gravação. [0025] O ligamento químico usa uma solução de polímero que é depositada na manta e termicamente curada de maneira a formar uma estrutura ligada. A solução de polímero pode ser aspergida sobre a superfície da manta, saturada na manta, ou impressa sobre a manta. O ligamento por aspersão resulta em uma manta mais fraca enquanto que o ligamento por saturação geralmente resulta em uma manta mais rígida. O ligamento por impressão permite variar graus de ligamento e é capaz de um melhor controle das propriedades do tecido. [0026] Um aspecto da presente invenção é uma fibra que quando usada para formar um não-tecido produz um material não-tecido tendo uma estética semelhante a tecido com resistência aceitável enquanto que também mantendo características de processamento aceitáveis. Descobrimos agora uma fibra bi-componente compreendendo pelo menos três polímeros termoplásticos, onde uma mistura de pelo menos dois dos polímeros têm uma tensão interfacial de 0,5 a 20 mN/m, uma razão de viscosidade >1,5 até 10, ou uma razão de viscosidade <0,05 até 0,1 e a mistura compreende uma porção da superfície de fibra. Esta fibra tem excelentes características ao tato ou de sensação tátil, enquanto que mantendo boas propriedades mecânicas. [0027] Em um outro aspecto da invenção, descobrimos fibras compreendendo uma mistura de pelo menos dois polímeros termoplásticos tendo uma tensão interfacial de 0,5 a 20 mN/m, uma razão de viscosidade de >1,5 até 10, ou uma razão de viscosidade de <0,05 até 0,1, onde a mistura compreende uma porção da superfície de fibra. Preferivelmente, esta fibra compreende uma fibra bi-componente, especialmente uma fibra bicomponente de bainha e núcleo. Nesta concretização, é mais preferível que a mistura compreenda a bainha, menos que 20 por cento em volume (de toda a fibra) . O núcleo pode compreender um polímero de propileno, tal como um polímero de propileno homopolimérico. [0028] Em uma concretização adicional da fibra bicomponente, a mistura pode compreender um polímero matriz e um polímero dispersado. O polímero matriz pode ter um ponto de fusão de pelo menos 10°C ou menos que o ponto de fusão do polímero dispersado, ou o polímero dispersado pode ser amorfo e ter uma temperatura de transição vítrea <10°C do que o ponto de fusão do polímero matriz. Mais preferivelmente, o polímero matriz na bainha, e o núcleo cada qual tem uma viscosidade dentro de 30 por cento um do outro. A mistura pode ter uma viscosidade <170 Pa.s a 100 1/s a 250°C. O polímero opcionalmente dispersado pode estar na forma particulada, tendo uma espessura média maior que 1 mícron. Preferivelmente, a bainha tem uma espessura menor do que aquela da partícula. [0029] Em um aspecto adicional da invenção, a superfície da fibra (por exemplo, um homofilamento ou a bainha da fibra bicomponente bainha-núcleo) pode compreender (a) 40 a 98 por cento em peso de uma fase continua de poliolefina e (b) de 2 a 60 por cento em peso de uma fase dispersa termoplástica amorfa (tal como de poliestireno, tereftalato de polietileno, policarbonato; poliamida; copolimeros de estireno, tais como copolimero de acrilonitrila-butadieno-estireno; e/ou poliuretanos termoplásticos) e (c) de 0 a cerca de 20 por cento em peso de um compatibilizante, sendo que a razão da taxa de fluxo de fundido da fase dispersa para o índice de fusão da poliolefina é de menos que 2. [0030] Em um outro aspecto, descobrimos que uma fibra compreendendo uma mistura de pelo menos dois polímeros termoplásticos onde a mistura compreenda um polímero dispersado e um polímero matriz, sendo que o polímero dispersado existe em forma particulada tendo um tamanho maior que 1 mícron e compreende uma porção da superfície da fibra. [0031] Por "matriz" quer-se dizer a fase contínua da mistura, conforme evidenciado por microscopia ótica. Por "dispersado" quer-se dizer a fase descontínua da mistura, também conforme indicado por microscopia ótica. [0032] A fibra pode ter muitos formatos, incluindo, mas não limitados a, bainha-núcleo, lado-a-lado, lua crescente, trilobal, achatado (em forma de fita), redondo. [0033] Artigos fabricados feitos a partir das misturas podem ser processados usando todas as técnicas de processamento de poliolefinas convencionais. Artigos úteis, em geral, incluem películas (por exemplo, fundidas, sopradas e revestidas por extrusão), fibras (por exemplo, fibras filamentares (incluindo o uso da mistura divulgada aqui como pelo menos uma porção da superfície da fibra), fibras ligadas por fiação ("spunbound") ou fibras por sopro de fundido (por exemplo, usando sistemas divulgados nas patentes US 4430563, US 4663220, US4668566 ou 4322027, e fibras fiadas de gel (por exemplo, aquela divulgada na patente US 3485706) ou estruturas feitas de tais fibras (incluindo misturas dessas fibras com outras fibras sintéticas ou naturais) e artigos moldados (por exemplo, artigos moldados por injeção, moldados por sopro ou rotomoldados). As misturas também são úteis em aplicações de fios e cabos, bem como na extrusão de folhas para operações de formação a vácuo.

Exemplos [0034] Os materiais para a matriz e as fases dispersas das misturas incompatíveis são selecionadas de maneira a cobrir uma ampla gama de propriedades de misturas. Polipropileno (PP) 5D49, produzido pela Dow Chemical, é usado nestes exemplos como o material de núcleo uma vez que é um material de PP padrão usado em não-tecidos, é facilmente fiável, e possui boas propriedades mecânicas. Fibras feitas de PP puro são os controles para o experimento. [0035] Resinas de polietileno (PE) e polipropileno são usadas como material matriz nestes exemplos, uma vez que são compatíveis com o material de núcleo (que apresenta baixa tensão interfacial entre a bainha e o núcleo). Duas resinas de PE estão sendo usadas diferindo em densidade (cristalinidade), o que pode afetar na morfologia da mistura. Poliestireno (PS) e poliamida-6 (PA6) estão sendo usados porque eles são imiscíveis tanto com o PE quanto com PP. As resinas e suas especificações gerais estão listadas na Tabela 2. __ Tabela 2; Especificações de Materiais 1) Produzido pela Dow Chemical 2) Produzido pela BASF 3) Viscosidade Relativa (solução) [0036] MFR é a taxa de fluxo de fundido (gramas/10 minutos) e é testada de acordo com ASTM D 1238, 2, 16 kg de peso à temperatura indicada, A densidade é medida de acordo com ASTM D 792. PP-homo 5D49 é um homopolímero de polipropileno. PP-RCP 6D43 é um copolímero aleatório de polipropileno e usa etileno como comonômero. ASPUN 6842 é um copolímero de etileno/l-octeno feito usando um catalisador tipo Ziegler-Natta. AFFINITY 1300 é um copolímero de etileno/l-octeno feito usando uma tecnologia de catalisador de geometria constrita de acordo com a patente US 5.272.236 e a patente US 5.278.272. STYRON 484 é um poliestireno de alto impacto. 0 filamento bicomponente neste descritivo pode usar um homopolímero de polipropileno de viscosidade quebrada, catalisado por Ziegler-Hatta, convencional de MFR 38, tal como divulgado na patente US 5.486.419 (vide coluna 8, linha 16 para exemplo). [0037] Uma vez que as resinas, especialmente o polietileno e o polipropileno, sâo pretendidas para extrusao e fiação de fibras, elas requerem estabilização, conforme é bem conhecido na técnica, para preservar seus pesos moleculares e suas distribuições de pesos moleculares durante a exposição ao calor e o oxigênio. Tal estabilização compreende compostos necessários para a neutralização de ácido de catalisador e estabilização térmica. Os últimos compostos, na classe de antioxidantes e fosfitos, servem para neutralizar o oxigênio e radicais peróxi formados em fundidos poliméricos quentes na presença de oxigênio. [0038] Receptores ácidos adequados incluem (não necessariamente exclusivamente) compostos tais como estearatos metálicos (por exemplo, estearatos de Ca, Zn ou Mg) , óxidos metálicos (por exemplo, ZnO), e hidrotalcitos naturais e sintéticos. Niveis típicos são de 100-1500 ppm em pseo, preferivelmente menos que 1000 ppm, e o mais preferivelmente, 200-500 ppm. [0039] A estabilização contra a degradação oxidativa muito frequentemente usa compostos da classe dos antioxidantes (por exemplo, fenólicos tais como tetraquismetileno(3,5-di-ter-butil-4-hidroxihidrocinamato) metano (CAS #6683-19-8), ou 3,5-di-ter-butil-4-hidroxihidrocinamato de octadecila (CAS #2082-79-3), ou isocianurato de tris(3,5-di-ter-butil-4-hidroxibenzila) (CAS #27676-62-6), ou 3',3',5',5'-hexa-ter-butil-a,a',a'- (mesitileno-2,4,6-triil)tri-p-cresol (CAS #1709-70-2)) e estabilizantes de processo (por exemplo, fosfitos, tais como tris(2,4-di-ter-butilfenil)fosfito (CAS 31570-04-4), ou difosfito de bis-(2,4-di-t-butilfenil)pentaeritritol (CAS #26741-53-7), ou 4,4'-bifenileno-difosfonito de tetraquis (2,4-di-ter-butil-fenila) (CAS #38613-77-3)). Tais compostos (fenólicos e fosfitos) podem ser usados individualmente ou em combinação. Em combinação, a concentração dos compostos fenólicos ou de fosfito individuais estão cada qual tipicamente na faixa de 250-1500 ppm em peso, preferivelmente menos que 1500 ppm, mais preferivelmente 500-1000 ppm, 0 uso de PS e PA-6 permite que diferenças em razões de viscosidade bem como diferenças sejam exploradas. O uso de duas resinas PA6 permite diferentes razões de viscosidade com a mesma tensão interfacial. As viscosidades de cada resina de 100-1000 1/s a 250°C são mostradas na figura 1. A tensão interfacial de cada mistura a 250°C é mostrada na tabela 3. Tabela 3; Tensões Interfacials de Misturas de bainhas a 250°C [0040] Todas as misturas são primeiro misturadas a usando um misturador de tambor operado durante 30 minutos. As seis misturas baseadas em PA-6 sao secadas em um secador Novatec a 90°C durante pelo menos 24 horas antes da misturaçao sob fusão. O secador tem uma taxa de fluxo de ar de 25 cfm e mantém um ponto de orvalho de -40°C durante a duração da secagem. As misturas são removidas do secador e colocadas diretamente na tremonha da extrusora. [0041] A misturaçao sob fusão é obtida usando uma extrusora de rosca dupla co-girantes ZSK de 30 mm com uma L/D de 32. A tremonha usa um alimentador vibratório para alimentar resina à extrusora. Para manter um baixo teor de umidade, são usadas três purgas de nitrogênio; uma na tremonha, uma na boca da extrusora, e uma no canhão da extrusora na segunda zona de aquecimento. [0042] Uma vez que os polímeros usados para fazer essas misturas são imiscíveis, é usado um design de rosca de alta intensidade para permitir um alto grau de misturação. A temperatura da saída foi de 250°C para todas as misturas, mas o perfil de temperatura foi mudado para as resinas PA6. As resinas de náilon não processam bem nas condições usadas para as misturas com PS. Daí, o perfil de temperatura é aumentado para permitir um processamento mais fácil das misturas com PS. A velocidade da extrusora também é abaixada para permitir um maior tempo de fusão. Espera-se que a taxa de cisalhamento na extrusora seja de aproximadamente a mesma ordem ou grandeza que as rpm das roscas. Daí, não se espera que mudanças na velocidade de rosca tenham um grande efeito na morfologia da mistura. [0043] Quando da saída da matriz, as misturas entram em um banho d'água, e são secadas ao ar e picadas à forma de pelotas. Algumas misturas de náilon não são plenamente picadas devido ao curto banho d'água e elevadas temperaturas. Essas misturas são tamboreadas para romper os fios e separadas manualmente. Todas as misturas de PA6 são então secadas em um secador Novatec sob as mesmas condições usadas antes da misturação e seladas sob nitrogênio. [0044] Todas as misturas contêm 30 por cento (v/v) de fase dispersa (PS ou náilon) em uma matriz de PE ou de PP. Este é pouco provavelmente o nível ótimo de fase dispersa mas será um nível no qual os efeitos serão perceptíveis. Este nível de fase dispersa também é suficientemente baixo para que a região da possível fase de inversão (geralmente 40-60 por cento) seja evitada.

Fiação de fibras [0045] Toda a fiação de fibras é realizada em uma linha de fibras bicomponentes Hills. A linha contém duas extrusoras de 1 polegada conectadas a bombas de fundido de 2,4 cm3/rotação. Para fiar todas as fibras, é usada uma fiandeira Hills para bicomponentes tipo bainha-núcleo com 144 orifícios redondos de 0,35-0,65 mm tendo uma L/D de 3,4:1-4:1, com o lado A como a bainha e o lado B como o núcleo. O diâmetro estimado é obtido através de estiramento de fundido, sem nenhum estiramento mecânico. [0046] Na saída da matriz, ar frio para resfriamento brusco (14 + 2°C) é usado para solidificar as fibras fundidas. As fibras são então puxadas sobre dois roletes frios revestidos com cerâmica antes de serem recolhidas pelo embobinador. Tanto os roletes frios quanto o embobinador operam à mesma velocidade para que não ocorra nenhum estiramento a frio. [0047] O efeito da taxa de estiramento é investigado tomando amostras a diversas velocidades de fiação. Para todas as amostras, são coletadas fibras não estiradas. Para aquelas fibras que sejam estiráveis, amostras são coletadas a até três condições adicionais: 500 mpm (o ajuste mais baixo do embobinador), na velocidade requerida para produzir fibras de 4 denier (1000 mpm para 20 por cento de bainha e 900 mpm para 12,5 por cento de bainha), e à velocidade mais rápida possível sem ruptura. Se rupturas ocorrerem repetidamente a uma dada condição de fiação, a mistura é considerada não fiável àquela velocidade e velocidades mais altas não são testadas. [0048] PP 5D49 é o material núcleo para todas as misturas. Um corante azul para PP é adicionado a aproximadamente 1-2 por cento (v/v) ao núcleo para que seja mais fácil observar a estrutura de bainha e núcleo sob microscopia com luz. 0 corante é adicionado a mão e misturado a seco com o 5D4 9 antes de ser colocado na tremonha. Fibras não estiradas são cortadas e a seção transversal vista sob microscopia com luz para assegurar que as fibras produzidas contenham a desejada estrutura de bainha-núcleo. [0049] Cuidado especial é tomado para assegurar que as misturas de PA6 sejam expostas a umidade. Apenas um saco por vez é aberto e despejado diretamente na tremonha contendo uma purga com nitrogênio. Uma vez removida da tremonha uma mistura, ela é re-secada (sob as mesmas condições usadas para inicialmente secar as misturas) antes de ser re-usada. [0050] Para todas as amostras, ambas as extrusoras foram operadas a uma pressão de saída constante de 750 lb/pol2. Esta é a pressão de entrada na bomba de fundido. O perfil de temperatura em ambas as extrusoras foi de 189, 225, 235, 250°C da zona um à quatro, respectivamente, com o cabeçote de fiação também mantido a 250°C. A temperatura de fundido varia de 241 a 244°C para todas as amostras. [0051] Para observar o efeito da razão de bainha para núcleo, são consideradas duas razões de bainha para núcleo. A razão de bainha para núcleo é variada mudando a velocidade das bombas de fundido. O núcleo é bombeado a constantes 67,2 g/min (28 rpm) e a bainha é bombeada tanto a 16,8 g/min (7 rpm) quanto a 9,6 g/min (4 rpm) para cada mistura. A primeira taxa de fluxo de bainha produz uma fibra com 20 por cento de bainha (em volume) enquanto que a última produz uma fibra com 12,5 por cento de bainha. Assim também aumentará a espessura global adesão fibras a uma dada velocidade de fiação.

Caracterização Reoloqia [0052] Dados de reologia são obtidos para todas as resinas ouras e misturas usando reômetros de placas paralelas e capilares. O reômetro de placas paralelas é um Rheometrics RMS-800 (número de série 021-043). O reômetro capilar é um Gõttfert Rheograph 2003. Apenas o reômetro de placas paralelas é equipado com uma purga com nitrogênio. O reômetro de placas paralelas fornece dados de 0,1-100 rad/s e o reômetro capilar fornece dados de 100-10.000 1/s. [0053] Para as amostras de placas paralelas, é feita uma placa com 25 mm de diâmetro, 2 mm de espessura. Esta é feita primeiro usando uma prensa hidráulica para criar uma placa quadrada com 2 mm de espessura. A prensa opera a uma temperatura de 405°F para as amostras de PE, PP e PS e 450°F para as amostras de PA-6, e um tempo de aplicação de 5 minutos. Uma vez removida, um punção é usado para fazer o disco de 25 mm de diâmetro usado no reômetro. [0054] Cuidado especial é tomado com amostras contendo PA-6. Todas as amostras com PA-6 são secadas a 90°C em uma estufa com vácuo sob nitrogênio durante pelo menos 48 horas antes do ensaio. 0 náilon é removido da estufa com vácuo imediatamente antes de fazer a placa e é colocada no reômetro o mais rápido possível. Tanto a prensa hidráulica quanto o reômetro operam sob purga com nitrogênio. [0055] O reômetro de placas paralelas usa placas de 25 mm e opera a uma temperatura de 250°C. As placas comprimem a placa de 2 mm até 1,5 mm (ou menos) e a resina na borda das placas é removida. Um período para entrada em equilíbrio de oito minutos é usado antes de o primeiro ponto de dados ser tomado. 0 transdutor usado tem uma faixa de 0,2-200 g.cm. A taxa de tensão é ajustada para obter um valor de torque maior que 0,2 g.cm para o primeiro ponto de dados. Uma varredura de frequência de 0,1-100 rad/s é então usada para cada amostra. A(s) maior(es) taxa(s) de cisalhamento podem produzir valores de torque superiores a 200 g.cm e, dai, são omitidos, uma vez que estão fora da faixa do transdutor. [0056] 0 reômetro capilar também opera a 250°C mas não tem purga com nitrogênio. Entretanto, as amostras contendo náilon são secadas sob as mesmas condições usadas para placas paralelas antes dos ensaios. [0057] A unidade é aquecida até a temperatura de operação durante pelo menos 1 hora antes da calibragem. É usada uma matriz com 12 mm de diâmetro e L/D de 20:1. É usado um transdutor de pressão de 200 bar (uma vez que a taxa de fluxo de fundido de todos os componentes é suficientemente alta). O polímero é deixado fundir durante 4 minutos antes do início do ensaio. Uma varredura de frequência de 100-10.000 1/s é usada para cada amostra. [0058] Fiação de Fibras [0059] Com base em trabalho bicomponente prévio nesta linha, espera-se que o ponto de congelamento seja aproximadamente 100 cm abaixo da matriz para as fibras estiradas. Isto corresponde a taxas extensionais da ordem de 10 s-1 para todas as fibras. [0060] A tabela 4 mostra os exemplos coletados para 20 por cento de bainha e 12,5 por cento de bainha. Fica quase evidente que um menor volume de bainha conduz a uma melhor fiabilidade. Misturas com 6D43 têm viscosidades mais altas que qualquer material matriz de PE para uma dada fase dispersa, sendo provavelmente o motivo pelo qual as misturas com 6D43 são as menos fiáveis. Misturas com STYRON têm a mais alta viscosidade para qualquer dado· material matriz, o que causa que as fibras sejam as menos fiáveis (para qualquer dado material matriz). As misturas com BS-400 têm a viscosidade mais baixa para um dado material matriz o que ocasiona que sejam as mais fiáveis.

Tabela 4; Sumário de Amostras de Fibras Obtidas [0061] Todas as amostras são etiquetadas e referenciadas com base no número da mistura, proporção de bainha, e velocidade de fiação. O número da mistura é o número mostrado na tabela 4, com fibras controle listadas como "Cont.". A proporção de bainha é listada pelas rpm da bomba de fundido {por exemplo, 4 para 12,5 por cento de bainha e 1 para 20 por cento). A velocidade de fiação é listada em m/min com "un" representando fibras não estiradas. As amostras estão listadas como "Mistura número-rpm-velocidade de fiação". Dai, B8-4-500 é uma fibra compreendida de AFFINITY/BS-400 com 12,5 por cento de bainha, estirada a 500 m/min.

Miçroscopia [0062] A microscopia é usada para analisar o tamanho da fase dispersa nas misturas originais bem como as fibras formadas com estas. Para visualizar as misturas iniciais, fotografias são geradas de cada uma das 9 misturas. Placas de cada mistura são feitas aquecendo uma pequena quantidade (aproximadamente 2 gramas) de amostra a 250*0, comprimindo-as entre dois pedaços de alumínio durante 15 segundos a 10.000 lb/pol5, e resfriando-as novamente até a temperatura ambiente. [0063] Seções com 3,5 <xm de espessura são tomadas da borda de cada placa usando uma faca de diamante em um microtomo UltraCut E a -120*0. A largura da seção é igual à espessura da placa original e varia ligeiramente entre amostras. As seções são transferidas para uma plaqueta de microscópio de vidro contendo uma gota de óleo de imersão. A amostra permanece descoberta durante 15 minutos para permitir que qualquer umidade escape. Uma tira de cobertura é aplicada e a imagem é vista através de um microscópio para determinar se qualquer gota d'água está presente. Imagens são coletadas usando um microscópio de luz composta Olympus Vannox S usando tanto objetivas 40x quanto lOOx e uma câmera digital Nikon DXM. Um exemplo da imagem gerada é mostrada na figura 2. [0064] O software de imagens não consegue diferenciar acuradamente entre a fase dispersa e os materiais matriz uma vez que não há suficiente contraste entre as duas fases. Entretanto, as fronteiras de fases são facilmente distinguíveis pelo olho humano. Daí, as imagens foram impressas e um marcador preto, delgado é usado para delinear cada um dos domínios dispersados. Esta nova imagem é escaneada e aberta em Adobe Photoshop 5.0. A imagem é convertida em uma imagem binária e os tamanhos das fases dispersas são calculados usando um software de imagens Leica Qwin. 0 software mede o comprimento de cada domínio e calcula um fator de arredondamento, do qual o diâmetro equivalente é determinado. [0065] Para visualizar lateralmente as fibras, são usadas técnicas SEM e de microscopia ótica. Para gerar imagens de SEM, cada amostra é montada em um suporte de amostra de alumínio coberto com uma fita de carbono. Tinta de carbono é usada para adicionalmente aderir as extremidades da fibra à fita. As amostras montadas são revestidas com 200 Â de cromo usando um revestidor aspersor de cromo Denton Vacuum DV-502A. O revestidor é inicialmente evacuado a menos que 5 x 10-7 torr e então 5 x 10-3 torr de gás argônio é introduzido. Uma corrente de 4 mA é aplicada para produzir um plasma. Um alvo de cromo é usado para aspergir a amostra estacionária a 100 Â, a amostra é então girada a aproximadamente 25 rpm e 100 Â adicionais são aplicados. Um cristal de quartzo oscilante é usado para determinar a espessura do revestimento aspergido. [0066] Um microscópio de alétrons de varredura de emissão de campo Hitachi S-4100 com sistema de aquisição de imagem de 4 pi, software de imagem NIH, voltagem aceleradora de 5 kV, e distâncias de trabalho entre 8 e 12 mm é usado para gerar imagens SEM. Imagens são geradas a 50x, lOOx, 250x, 500x, e HOOx para todas as amostras e são salvas em formato tif. Imagens de ampliação maiores (até 7000x) podem também ser geradas para observar características de uma superfície específica de uma amostra individual. [0067] Imagens SEM permitem uma nitidez muito maior e dão uma imagem visualmente mais atraente que a microscopia ótica. Entretanto, o software de imagens tem dificuldade de diferenciar entre a imagem escura e o fundo escuro. Daí, a imagem não é prontamente usável com os softwares de imagens correntemente disponíveis. Adicionalmente, uma vez que toda a imagem esteja em foco, é difícil determinar acuradamente alturas uma vez que os objetos mais afastados aparentarão menores. Essas imagens também são mais demoradas e mais caras de gerar que imagens de microscopia ótica (minutos versus horas). Essas imagens são úteis para prover uma percepção nas propriedades superficiais das fibras e confirmar dados obtidos através de outros métodos, entretanto nenhuma análise quantitativa é conduzida. [0068] Para permitir uma avaliação das fibras, fibras individuais são colocadas em uma plaqueta de microscópio de vidro e mantidas em posição com uma fita adesiva de dupla face em cada extremidade. As fibras são visualizadas sob microscopia ótica usando os mesmos microscópio e câmera digital usados para as misturas iniciais, mas com uma objetiva de 20x para permitir um comprimento de aproximadamente 600 um. A imagem é girada de maneira tal que se posicione horizontalmente e convertida e uma imagem, binária (preto e branco) usando o Adobe Photoshop 5.0 de maneira tal que o software de imagens seja capaz de diferenciar entre a fibra e o fundo. A figura é manualmente girada contra um reticulado, até que ela esteja na horizontal. [0069] A imagem binária é criada manualmente ajustando o limite de fronteira. Irregularidades superficiais perceptiveis na figura em escala cinza são visualizadas e a fronteira é ajustada até que as irregularidades estejam contidas em preto enquanto que mantendo o fundo branco. O centro da fibra é preenchido de maneira tal que toda a fibra esteja preta em um fundo branco. Exemplos das imagens originais e binárias são mostradas nas figura 3 e figura 4, respectivamente. [0070] As irregularidades superficiais são quantificadas através de dois métodos usando microscopia ótica. Apesar de estes métodos serem válidos, o uso de microscopia ótica limita o grau de precisão. Diferenças mínimas (isto é, da ordem de um mícron) entre amostras não serão perceptíveis, mas grandes diferenças serão facilmente discerníveis. Daí, estes métodos são pretendidos para comparações relativas e para suportar os resultados de outros métodos. O primeiro método, o método de diferença de comprimento dá o comprimento em linha reta da amostra, o comprimento efetivo da superfície da fibra e o número de picos. Isto provê uma medição relativa da irregularidade da superfície da fibra. O segundo método, o método de distribuição de altura, dá a distribuição de altura da superfície da fibra e a altura máxima de cada irregularidade. Cada método usa cinco réplicas para cada exemplo. [0071] O método de diferença de comprimento corta a imagem binária e seções superior e inferior. O software Leica QWin é usado para medir o comprimento em linha reta de cada imagem binária e o comprimento superficial de cada imagem. Se a superfície for perfeitamente plana, o comprimento superficial é igual ao comprimento em linha reta. Uma grande diferença entre o comprimento superficial e o comprimento em linha reta indica grandes e numerosas irregularidades superficiais. A figura 5 mostra um exemplo onde há uma diferença significativa entre o comprimento superficial e o comprimento em linha reta. [0072] Os dados são copiados em excel e a diferença entre o comprimento curvo e o comprimento em linha reta é calculado por cem micra de distância reta. Uma vez que a diferença de comprimento não leva em conta o número de irregularidades superficiais (isto é, pequenos calombos terão o mesmo resultado que grandes calombos), o QWin também leva em conta o número de picos (referidos como topos) na superfície da imagem. O QWin pode apenas medir os picos no topo da superfície da imagem de maneira tal que a imagem seja girada de 180° para permitir que os picos sejam contados. O número de topos é usado para normalizar as diferenças em altura. Este é um teste relativamente rápido e fácil e permite uma comparação qualitativa de diversas fibras mas não dá um valor quantitativo para o tamanho dos picos.

[0073] O método da distribuição de alturas é usado para determinar o tamanho dos picos na superfície da fibra. É esperado que altura de cada pico mais a espessura da bainha seja igual ao diâmetro da fase dispersa. Isto é assumindo que a fase dispersa esteja contida apenas na bainha (que ela não penetre no núcleo) e que a região dispersa seja esférica. O

Photoshop é usado para converter a imagem binária usada no método um em uma série de linhas verticais espaçadas entre si de 2 pixels. Produz-se assim uma representação da imagem da fibra de aproximadamente 475 linhas, figura 6. A imagem hachurada é cortada aproximadamente na metade produzindo duas imagens hachuradas (superior e inferior). As linhas de cada imagem são medidas e registradas. [0074] A partir destes dados, pode ser gerada uma distribuição de altura da superfície da fibra acima de um mínimo. Para muitas amostras, esta informação é desorientadora, uma vez que o diâmetro da fibra base não é constante. Com algumas amostras, o diâmetro pode mudar de um fator de 5 ao longo de um comprimento de 500 um. Acredita-se que isto se deva ao material de bainha coalescer em diversas seções ao longo do comprimento da fibra. Daí, uma altura superficial móvel é necessária para cada seção da fibra. A altura superficial móvel é calculada encontrando o mínimo e o máximo relativos de fibra ao longo da superfície da fibra. [0075] Para determinar mínimos e máximos relativos, afirmações tipo caso-então são usadas em excel para determinar a altura de uma característica relativa às suas alturas circunvizinhas. Se a altura em um ponto for maior que ambos os pontos circunvizinhos, esta é considerada um máximo local. Se o ponto for menor que o ponto subsequente e igual ou menor que o ponto precedente, este é considerado um mínimo local. Permite-se assim que superfícies de fibras sejam contadas como mínimos uma vez que os pontos precedentes seriam naquele caso iguais ao mínimo. O tamanho da irregularidade é determinado subtraindo o máximo local de uma média dos mínimos prévios e precedentes mais próximos.

Atrito de Fibra [0076] O atrito de fibra é avaliado sob condições estáticas e dinâmicas usando um método de teste semelhante ao método Capstan descrito em ASTM D3412. O padrão exige um cilindro giratório recoberto de fio com um fio estacionário sob tensão constante, Ti, em uma extremidade e uma tensão de medição na extremidade oposta, conforme mostrado na figura 7. [0077] O carretei de fio é usado no lugar do cilindro recoberto com fio. Uma seção do fio é drapeada sobre o carretei e uma massa de 10 g é ligada a uma extremidade; a extremidade oposta é ligada a um calibre de tensão. Um recipiente de 225 mL é ligado ao cilindro a 90° do lado da massa pendente. Massa incrementai, na forma de pelotas de PP, é adicionada ao recipiente para induzir um movimento. O recipiente pode conter aproximadamente 100 g de pelotas. Caso massa adicional seja requerida, uma massa de 100 g é adicionada ao recipiente inicialmente antes que o polímero seja adicionado. A massa é adicionada lentamente até que o carretei comece a movimentar-se. Uma vista esquemática deste arranjo é mostrada na figura 8. A tensão no lado oposto do fio é registrada a uma taxa de varredura de 1000 por segundo determinando a média a cada 100 leituras para uma taxa efetiva (nivelada ("smoothed") de 10 por segundo. [0078] A tensão máxima obtida (a tensão imediatamente antes do fio começar a deslizar), conforme indicado na figura 9, é usada para calcular o coeficiente de atrito estático usando a equação (1). Uma vez que os carretéis são de tamanho ligeiramente diferente, o ângulo de envolvimento ("wrap") varia ligeiramente entre amostras, assim como o comprimento de contato de fibra. A equação (1) leva em conta as diferenças entre ângulos de envolvimento mas não de comprimento de contato. Dai, valores de coeficente de atrito são normalizados a um comprimento de contato de 25 cm. onde Ti = tensão de entrada aplicada (10 g) T2 = tensão máxima medida Θ = ângulo de envolvimento em radianos entre Ti e T2 Ensaios Tenseis [0079] Amostras de fibras são testadas para resistência tensil e alongamento para determinar os efeitos da mistura imiscivel em propriedades mecânicas. Diversas composições de bainha bem como velocidades de fiação são testadas. É hipótese que a bainha não terá resistência apreciável. Dai, as propriedades tenseis da fibra serão uma função apenas do núcleo. Espera-se que as fibras com 12,5 por cento e 20 por cento de bainha tenham 87,5 por cento e 80 por cento das propriedades de resistência e alongamento do material de controle. A tabela 5 mostra um sumário das fibras submetidas a ensaios tenseis.

Tabela 5; Amostras de Fibras em Ensaios Tenseis [0080] Quatro a seis réplicas de cada amostra de fibra são testadas segundo ASTM D-882 usando um testador tensil Instron 4501 tendo um comprimento de calibre de 4 polegadas e uma taxa de 20 polegadas/minuto.

Reolog 1· Tabela 6: Tamanho de Partículas Dispersas em Plaquetas [0081] Plotagens de Viscosidade/Taxa de Cisalhamento são apresentados nas figuras 101 H e 12.

Tabela 7; Dados de Coeficiente de Atrito Estático Tabela 8: Resistência Tensil e Alongamento Percentual de Fibras Bicomponentes REVINDICAÇÕES

Claims (10)

1. Fibra de polímeros termoplásticos, caracterizada pelo fato de compreender uma mistura de pelo menos dois polímeros termoplásticos de viscosidades diferentes, sendo que a mistura tem uma tensão interfacial de 0,5 a 20 mN/m e compreende uma porção da superfície da fibra, sendo que a fibra é uma fibra bicomponente na forma de bainha núcleo, sendo que pelo menos um dos polímeros termoplásticos é uma poliolefina de fase contínua, sendo que pelo menos um dos polímeros na mistura é um polímero dispersado em forma particulada e tendo um tamanho médio maior que 1 mícron, e sendo que a bainha tem uma espessura menor que o tamanho médio das partículas do polímero dispersado.

2. Fibra, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a razão de viscosidade do primeiro polímero termoplástico para a viscosidade do segundo polímero termoplástico ser de 1,5 para cima até 10 ou de 0,1 para baixo até 0,05.

3. Fibra, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a bainha compreender menos que 20 por cento em volume.

4. Fibra, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o núcleo compreender um polímero de propileno.

5. Fibra, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de o núcleo compreender um polímero de propileno homopolímero.

6. Fibra, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o polímero matriz ter um ponto de fusão de pelo menos 10°C ou menos que o ponto de fusão do polímero dispersado.

7. Fibra, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o polímero matriz ter um ponto de fusão e o polímero dispersado ser amorfo e ter uma temperatura de transição vítrea < 10°C ou menos que o ponto de fusão do polímero matriz.

8. Fibra, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o polímero matriz na bainha e de o material que compreende o núcleo terem viscosidades que diferem entre si dentro da faixa de 30 por cento.

9. Fibra, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a mistura ter uma viscosidade de 170 Pa.s a 100 1/s a 250°C.

10. Fibra, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o particulado dispersado formar irregularidades na superfície da fibra.