PT1910050E - Processo para melhoria da coesão de filamentos de fibra de aramida cortada - Google Patents

Description

ΕΡ 1 910 050/ΡΤ

DESCRIÇÃO "Processo para melhoria da coesão de filamentos de fibra de aramida cortada" 0 invento refere-se a um processo para melhoria da coesão de filamentos de fibra de aramida cortada.

Pré-compostos termoplásticos reforçados com fibras de aramida (geralmente, até 20%) e na forma de grânulos são frequentemente utilizados como material básico para a fabricação, por exemplo por um processo de moldagem por injecção, de artigos compósitos (e.g. engrenagens, chumaceiras) com uma resistência melhorada à abrasão. Estes pré-compostos são produzidos por mistura de material de matriz termoplástico como aparas com fibras de aramida cortadas via um processo de extrusão com fusão. Para esse propósito, as aparas de termoplástico e as fibras de aramida cortadas são doseados separadamente na boca de uma extrusora. Um problema grave da alimentação de fibras à extrusora é a formação de colmatações e grumos de fibra, impedindo a introdução suave e rápida na extrusora. Parece que filamentos individuais, que já não estão ligados nos pedaços de fibra cortados, se aglomeram em bolas de pêlo, que conduzem a grumos, colmatação e obstrução dos sistemas de transporte.

Deste modo, é um objectivo do presente invento proporcionar um processo para obtenção de fibras cortadas que não têm estas desvantagens. Assim, o presente processo proporciona fibras cortadas do tipo granulado, i.e. fibras onde a coesão dos filamentos de uma fibra é melhorada o que resulta num comportamento como se a fibra fosse um grande monofilamento. No entanto, não é possível mitigar as desvantagens acima mencionadas por aplicação de agentes ligantes melhorados ou similares, porque isto não conduz a uma melhoria substancial da coesão do feixe de filamentos.

Para este fim, o invento proporciona um processo para melhoria da coesão de filamentos de fibra de aramida cortada incluindo os passos de impregnação de um agente ligante de formação de película na fibra, secagem da fibra, opcionalmente aplicação de um acabamento à fibra, e corte da fibra em pedaços de 1 a 16 mm de comprimento, caracterizado por antes da aplicação do agente ligante a fibra ser 2 ΕΡ 1 910 050/ΡΤ submetida a um processo de torção para obter uma fibra possuindo um nivel de torção de 10 a 150 tpm e por o corte da fibra ser realizado num cortador rotativo.

Surpreendentemente, constatou-se que este passo de torção antes do corte rotativo para preparação de fibras cortadas aumentou substancialmente a coesão dos filamentos, o que torna possível evitar totalmente ou quase totalmente a ocorrência de filamentos livres aglomerando-se em bolas de pêlo. 0 efeito deste processo é assim um aumento substancial da densidade aparente do material de fibra. Uma densidade aparente aumentada corresponde a uma facilidade aumentada de alimentação do material a uma extrusora. O processo do invento é desconhecido para fibras de aramida. De acordo com US 5227238, fibras de carbono foram cortadas e muito preferivelmente providas com desde 10 a 20 torções por metro, para obter uma fibra de carbono cortada possuindo um melhor grau de enfeixamento. No entanto, não foi revelada a utilização de um cortador rotativo para aumentar a densidade aparente.

As fibras de aramida de acordo com o invento são torcidas, um processo muito comum em tecnologia de fibras para o qual um especialista não necessita mais explicações, até um nível de torção de pelo menos 10 tpm (torções por metro) e não mais do que 150 tpm. Obtêm-se melhores resultados quando o nível de torção é 20 a 100 tpm, e muito preferivelmente 30 a 80 tpm. Estas fibras torcidas são mais ou menos redondas, esta geometria é fixada pela goma sobre as fibras que, após corte, conduz fibras cortadas de forma redonda ou elíptica (na secção transversal), em vez de fibras planas como é o caso quando se aplica a especialidade anterior. Crê-se que esta forma redonda ou elíptica das fibras cortadas contribui adicionalmente para a sua facilidade de manuseamento.

Após o passo de torção, que é o passo essencial para obter no final fibras cortadas melhoradas, a fibra é tratada com um agente ligante de formação de película e opcionalmente um acabamento de revestimento. 0 agente ligante melhora adicionalmente a coesão interfilamentos e deverá ser um polímero de formação de película que funde na extrusora. Preferivelmente, o agente ligante é solúvel em água ou 3 ΕΡ 1 910 050/ΡΤ dispersivo em água, tal como um poliuretano e/ou uma resina de poliéster sulfonada.

Exemplos de poliésteres adequados são polímeros derivados de um ácido dicarboxílico sulfonado, um ácido dicarboxílico e um diol. É preferido um poliéster derivado de ácido sulfo-isoftálico dimetilsódico, ácido isoftálico e etilenoglicol. Um tal produto está disponível com a marca comercial Eastman® LB-100. Exemplos de poliuretanos adequados são dispersões de poliéter-poliuretano ou poliéster-poliuretano, disponíveis com as marcas comerciais Alberdingk® U400N e Impranil® DLF, respectivamente. Quantidades adequadas de agente ligante estão entre 1,5 e 12% em peso, preferivelmente 2,0 a 9% em peso, e com ainda mais preferência 2,5 a 6% em peso. Quando o agente ligante é aplicado como uma solução ou dispersão aquosa, a fibra deverá ser seca após a aplicação do agente ligante, por exemplo em secadores de tambor, secadores a ar e similares. O acabamento de revestimento, quando utilizado, é um óleo de baixa viscosidade intrínseca, o que reduz o atrito do fio tratado e da fibra cortada com os rolos de quia da unidade de corte e as partes de metal do sistema de transporte para a extrusora, respectivamente. Preferivelmente, o acabamento de revestimento é um óleo de éster utilizado numa quantidade de 0,05 a 3% em peso, mais preferivelmente de 0,1 a 1% em peso. Exemplos de óleos adequados são estearato de 2-etil-hexilo, palmitato de 2-etil-hexilo, laurato de n-butilo, caprilato de n-octilo, estearato de butilo ou suas misturas. Um óleo de éster preferido é uma mistura de estearato de 2-etil-hexilo e palmitato de 2-etil-hexilo, que está disponível com a marca comercial LW® 245.

As fibras, quando tratadas com o agente ligante, secas e opcionalmente adicionalmente providas com um acabamento, são cortadas em pedaços de 1 a 16 mm, preferivelmente 2 e 12 mm, e mais preferivelmente em pedaços de 3 a 10 mm. O corte é realizado com um cortador rotativo. O cortador rotativo tem a vantagem adicional de ser mais eficiente, tornando o processo mais económico e resultando em menos ou em nenhum material residual. Qualquer outro cortador comum que seja adequado para cortar fibras de aramida, tal como um cortador de guilhotina, ainda que proporcionando também um aumento da 4 ΕΡ 1 910 050/ΡΤ densidade aparente, não conduz às densidades aparentes extremamente elevadas do processo deste invento.

Constatou-se ainda que o efeito de torção e corte no cortador rotativo podia ser adicionalmente aumentado utilizando uma fibra de baixa densidade linear. Este efeito adicional era particularmente substancial quando se cortava a fibra em pedaços curtos, preferivelmente 4 mm ou menos. Assim, prefere-se utilizar fibra possuindo uma densidade linear inferior a 2000 dtex, e a fibra é cortada preferivelmente num comprimento inferior a 4 mm.

As fibras que podem ser tratadas de acordo com o presente processo incluem qualquer fibra de aramida, particularmente fibra fiada em continuo e fio quebrado por alongamento. Os títulos do fio não são importantes para o invento mas estão geralmente entre 800 e 8050 dtex, mais preferivelmente entre 1200 e 4830 dtex. Fibras de aramida adequadas incluem as fibras de meta- e para-aramida, tais como fibras Teijinconex® [poli-(meta-fenileno-isoftalamida); MPIA], fibras Twaron® [poli(para-fenilenotereftalamida); PPTA] e fibras Technora® [co-poli-(parafenileno/3,4'-oxidifenileno-tereftalamida)]. Muito habitualmente, são utilizadas as fibras Twaron®.

As fibras que são tratadas de acordo com o processo do invento apresentam propriedades de forte coesão interfilamentos, i.e. as fibras que são cortadas em pequenos pedaços têm uma baixa tendência para se separarem em filamentos individuais. As fibras cortadas do invento têm deste modo uma densidade aparente elevada e são fáceis de dosear e dispersar em extrusoras para a preparação de compostos com materiais termoplásticos tais como poliamida, polioximetileno, policarbonato, polibutenotereftalato, e similares. O invento é adicionalmente explicado e as vantagens são apresentadas nos exemplos ilustrativos não limitativos seguintes.

Exemplo 1

Fibra de aramida (PPTA, Twaron®) 3360 dtex foi impregnada com agente ligante (Eastman LB-100, Eastman 5 ΕΡ 1 910 050/ΡΤ

Chemical Company, Kingsport, E.U.A.), seca e tratada com um acabamento de revestimento (LW 245, Cognis, Dusseldorf, Alemanha). As fibras foram depois cortadas num cortador rotativo Neumag a 100 mpm (metros por minuto) em pedaços de 6 mm e determinou-se a densidade aparente (a fibra cortada A era quase plana; de acordo com a especialidade anterior). A densidade aparente foi determinada como se segue: Aparelhagem requerida:

Um copo de alumínio redondo com um volume de 1000 ml (diâmetro interno 10 cm, altura 12,7 cm);

Uma balança (exactidão 0,01 grama);

Uma régua.

Pesar o copo de alumínio (a gramas) e colocá-lo sobre uma mesa. Encher o copo de alumínio com fibras cortadas curtas desde uma altura de 10 cm. Adicionar tantas fibras até se formar um monte de fibras. Remover o monte com a régua raspando sobre o topo do copo. Pesar outra vez o copo de alumínio cheio (b gramas). Durante a determinação, deve-se evitar abanar o copo ou comprimir as fibras cortadas curtas. A densidade aparente das fibras cortadas curtas é b-a gramas. O teste é realizado em duplicado e o valor médio é a densidade aparente da amostra de fibra.

Nos exemplos, utiliza-se a quantidade "razão de densidade aparente". No Exemplo 1 esta é a razão entre (a densidade aparente da amostra de fibras cortadas curtas χ 100) / (a densidade aparente das fibras cortadas curtas produzidas de fios não torcidos) . No Exemplo 2, esta é a razão entre (a densidade aparente da amostra de fibras cortadas curtas χ 100) / (a densidade aparente das fibras cortadas curtas produzidas de fios que foram cortados por guilhotina). Como consequência, a razão de densidade aparente das fibras cortadas curtas produzidas de fios não torcidos (Exemplo 1) e a razão de densidade aparente das fibras cortadas curtas produzidas de fios que foram cortados por guilhotina (Exemplo 2) é definida como "100". O processo foi repetido mas, antes da impregnação, a fibra foi torcida (A fibra cortada I era elíptica ou quase 6 ΕΡ 1 910 050/ΡΤ redonda; de acordo com o invento). Os resultados são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 A I Nível de torção (tpm) 0 50 Agente ligante (%) 4,5 4,5 Processo de secagem Estufa em ar Estufa em ar Acabamento (%) 0,7 0,7 Corte (n.° de fios) 2 2 Razão de densidade aparente 100 117 A densidade aparente da fibra cortada que estava torcida é mais elevada do que a de fibra não torcida. Deste modo, os materiais torcidos podem ser utilizados para alimentação de extrusoras mais facilmente, de modo mais rápido e sem risco de obstrução.

Exemplo 2

Fibra de aramida torcida (PPTA, Twaron ) 3360 dtex foi impregnada com agente ligante Eastman LB-100, seca e tratada com LW 245 como acabamento de revestimento. As fibras foram cortadas em fibras cortadas curtas de 6 mm. Uma parte das fibras foi cortada utilizando um cortador de guilhotina de Pierret a 1,2 mpm (fibra cortada B; comparativa) e a outra parte foi cortada utilizando um cortador rotativo Neumag a 120 mpm (fibra cortada II; invento). As fibras cortadas B e II eram ambas elípticas ou quase redondas. Os resultados são apresentados na Tabela 2 e ilustram que, quando é utilizado um cortador rotativo, podem ser produzidas fibras cortadas curtas com uma densidade aparente e um rendimento mais elevados. 7 ΕΡ 1 910 050/ΡΤ

Tabela 2 B II Nível de torção (tpm) 60 60 Agente ligante (%) 4,0 4,0 Processo de secagem Estufa em ar Estufa em ar Acabamento (%) 0,6 0,6 Corte (tow, ktex) 806 17 Rendimento (kg/hora) 58 122 Razão de densidade aparente 100 116

Exemplo 3

Fibras de aramida torcidas (PPTA, Twaron®) de 3360 (III) e 1680 dtex (IV) foram impregnadas com agente ligante Eastman LB-100, secas e tratadas com LW 245 como acabamento de revestimento. As fibras foram cortadas em fibras cortadas curtas. As fibras cortadas curtas com um comprimento de 1,5 mm e 3,3 mm foram obtidas utilizando um cortador rotativo Neumag NMC 290H. As fibras cortadas curtas com um comprimento de 6 mm foram obtidas utilizando um cortador rotativo Fleissner. Os resultados ilustram que podem ser produzidas fibras cortadas curtas com uma densidade aparente mais elevada quando se utiliza fio de alimentação torcido com uma densidade linear mais baixa.

Tabela 3

Illa Illb IIIc IVa IVb IVc Densidade linear do fio alimentado 3360 dtex 1680 dtex Nível de torção (tpm) 50 50 Agente ligante (%) 4,3 6, 0 Processo de secagem Estufa em ar Estufa em ar Acabamento (%) 00 o 2,5 Cortador rotativo Neumag Neumag Fleissner Neumag Neumag Fleissner Comprimento de fibra 1,5 mm 3, 3 mm 6 mm 1, 5 mm 3,3 mm 6 mm Velocidade de corte (m/min) 100 200 150 200 200 150 Densidade aparente (gramas) 92 114 245 118 166 233

Lisboa, 2009-01-30

Claims (8)

1. ΕΡ 1 910 050/ΡΤ 1/1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para melhoria da coesão de filamentos de fibra de aramida cortada, que inclui os passos de impregnação de um agente ligante de formação de película na fibra, secagem da fibra, opcionalmente a aplicação de um acabamento à fibra, e o corte da fibra em pedaços de 1 a 16 mm de comprimento, em que antes da aplicação do agente ligante a fibra é submetida a um processo de torção para obter uma fibra possuindo um nível de torção de 10 a 150 tpm e o corte da fibra é realizado num cortador rotativo.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, onde o nível de torção é 20 a 100 tpm.
3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1, onde o nível de torção é 30 a 80 tpm.
4. 4. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, onde o agente ligante de formação de película é um agente ligante de formação de película solúvel em água ou dispersível em água.
5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 4, onde o agente ligante de formação de película é poliuretano ou poliéster, ou uma sua mistura.
6. 6. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, onde a fibra é fibra de poli-(para-fenileno-tereftalamida).
7. 7. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, onde a fibra é co-poli-(parafenileno/3,4'-oxidifenileno-tereftalamida).
8. 8. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 7, onde a fibra tem uma densidade linear inferior a 2000 dtex, e a fibra é cortada preferivelmente num comprimento inferior a 4 mm. Lisboa, 2009-01-30