PT2014093493B

PT2014093493B - Filamentos e fibras e método para fabrico de filamentos e fibras

Info

Publication number: PT2014093493B
Application number: PT2013074405A
Authority: PT
Inventors: Paul Forgeron Dean; Marie O'connell Shannon
Original assignee: Polysteel Atlantic Ltd
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2018-09-20
Also published as: US20140178686A1; CA2894528A1; CA2894528C; US10619269B2; ZA201504337B; MX2015007503A; WO2014093493A1

Description

Material maciço, tal como o betão, pode ser friável com uma força de tensão baixa, podendo quebrar sob tensões baixas. Como exemplo, o betão pode ser reforçado, frequentemente com barras de reforço de aço que fornecem uma capacidade de tensão pós fissuras. 0 estado da técnica anterior inclui também a utilização de fibras discretas para reforçar betão. No estado da técnica anterior, o betão armado reforçado com fibras contém frequentemente cimento hidráulico, água, agregados e fibras discretas curtas, distribuídas aleatoriamente. As fibras discretas podem ser usadas para controlar o comportamento de fissuração, melhorar a resistência ao impacto e aumentar a robustez. Tem sido utilizada uma grande variedade de fibras discretas produzidas com diversos materiais, comprimentos, formas e secções transversais. As fibras discretas aumentam as propriedades mecânicas do betão ao intersectarem e transferirem carga pelas fissuras. As fibras discretas no estado plástico podem também aumentar a resistência do betão à fissuração, ao aumentarem a capacidade de tensão do betão fresco. A capacidade de transferência de cargas pelas fissuras é conhecida no meio como resistência à tração, a qual é fundamental para o desempenho do betão armado reforçado com fibras. No estado da técnica anterior, as fibras caracterizam-se por uma resistência à tração insuficiente ou excessiva para um desempenho ideal.

No estado da técnica anterior, com vista a aumentar a resistência à tração, as fibras continham uma ancoragem mecânica através de extremidades em forma de gancho ou de haltere ou eram concebidas para formar uma ligação quimica com a própria matriz do betão. A força de ligação interfacial fibra-matriz é um fator importante nas propriedades mecânicas finais do betão armado reforçado com fibras sintéticas. Os componentes de ligação incluem uma aderência fisica ou quimica, fricção, ancoragem mecânica ou entrelaçamento entre as fibras. A aderência pode ser aumentada, aumentando a área de superfície ou reduzindo a superfície de alisamento das fibras. Além da utilização de materiais diversos ou aumento das secções transversais das fibras para tirar proveito de uma aderência acrescida, as técnicas de produção do estado da técnica anterior incluem etapas de fibrilação após extrusão, cravagem e gravação em relevo das superfícies para reforçar a ligação fibramatriz. Tais fibras do estado da técnica anterior requerem passos de produção adicionais com fim a adicionar as extremidades em gancho ou modificações de superfície às referidas fibras após a extrusão da própria fibra.

RESUMO BREVE

Uma fibra com um eixo estriado e uma superfície exterior principal pode ser descrita como incluindo um material de base e fluoreto de polivinilideno, cuja razão do material de base para o fluoreto de polivinilideno é maior na direção do eixo central da fibra do que na superfície exterior principal da fibra. 0 material de base pode consistir selecionado a numa olefina. 0 material de partir nylon do grupo polipropileno, rugosidade superficial

Uma fibra pode composto por, de polivinilideno extremidade que e poliéster.

ser descrita inclui

A fibra base pode ser o polietileno, pode ter uma alongado fluoreto pelo como incluindo um corpo menos, um material de base e um primeira primeira segunda uma , um corpo alongado segunda extremidade com uma extremidade, extremidades oposta à um eixo estriado entre a primeira e a uma superfície exterior principal espaçada radialmente ao exterior do eixo estriado, com a razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno sendo maior na proximidade do eixo estriado do que na proximidade da superfície exterior principal. 0 material de base pode ser constituído por uma olefina. A razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno pode diminuir gradualmente a partir do eixo estriado em direção à superfície exterior principal.

A fibra pode incluir ainda anidrido maleico. 0 material de base pode ser selecionado a partir do grupo que inclui o polietileno, polipropileno, nylon e poliéster. A razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno pode diminuir gradualmente a partir do eixo estriado em direção à superfície exterior principal. A razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno pode diminuir gradualmente a partir do eixo estriado em direção à superfície exterior principal. A razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno pode diminuir significativamente de modo linear a partir do eixo estriado em direção à superfície exterior principal. A razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno pode diminuir significativamente de modo não linear a partir do eixo estriado em direção à superfície exterior principal. A superfície exterior principal da fibra pode ter uma rugosidade superficial.

Um método de formação de fibras pode ser resumido como incluindo o fornecimento de, pelo menos, um material de base e um polímero de fluoreto de vinilideno a uma extrusora; a extrusão de um corpo alongado que compreende, pelo menos, o material de base e o fluoreto de polivinilideno, um corpo alongado com uma primeira extremidade, uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade, um eixo estriado entre a primeira e segunda extremidades e uma superfície exterior principal espaçada radialmente ao exterior do eixo estriado, com uma razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno sendo maior na proximidade do eixo estriado do que na proximidade da superfície exterior principal.

fornecimento de, pelo menos, um material de base e um fluoreto de polivinilideno a uma extrusora pode incluir o fornecimento de uma olefina à extrusora como material de base. 0 fornecimento de, pelo menos, um material de base e um fluoreto de polivinilideno a uma extrusora pode incluir o fornecimento à extrusora de, pelo menos um dos materiais de base polietileno, polipropileno, nylon ou poliéster. 0 fornecimento de, pelo menos, um material de base e um fluoreto de polivinilideno a uma extrusora pode incluir o fornecimento de polietileno e fluoreto de polivinilideno numa razão de peso de 82

DESCRIÇÃO SUMÁRIA DAS FIGURAS

Nas figuras, números de referência idênticos identificam elementos ou atos semelhantes. As dimensões e posições relativas dos elementos nas figuras não estão necessariamente desenhadas à escala. Como exemplo, as formas de vários elementos e ângulos não estão desenhados à escala e alguns destes elementos estão arbitrariamente ampliados e posicionados para melhorar a sua legibilidade. Além do mais, as formas especificas dos elementos desenhados não se destinam a transmitir qualquer informação sobre a forma real desses elementos e foram selecionadas apenas para maior facilidade de reconhecimento nas figuras.

A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma linha de extrusão.

A Figura 2 é uma secção transversal potencial de uma fibra de acordo com uma forma de realização ilustrada.

A Figura 3 é uma fotografia de uma fibra de acordo com outra forma de realização ilustrada.

A Figura 4 é um gráfico da resistência à tração máxima versus o teor de fluoreto de polivinilideno (PVDF) das fibras, de acordo com certas formas de realização ilustradas.

A Figura 5 é um gráfico do módulo elástico em contraste com o teor de PVDF das fibras, de acordo com certas formas de realização ilustradas.

A Figura 6 é um gráfico da carga de tração versus a distância de deslizamento das fibras, de acordo com certas formas de realização ilustradas.

DESCRIÇÃO DE FORMAS DE REALIZAÇÃO ESPECÍFICAS

Na descrição que se segue, certos pormenores específicos são apresentados de modo a proporcionar uma compreensão profunda de várias formas de realização divulgadas. Contudo, um perito na especialidade reconhecerá que as formas de realização podem ser praticadas sem um ou mais destes detalhes específicos, ou com outros métodos, componentes, materiais, etc. Noutros casos, não foram apresentados ou descritos em pormenor materiais, estruturas e métodos bem conhecidos associados a material reforçado com fibra incluindo o betão, para evitar descrições obscuras desnecessárias das referidas formas de realização.

Ao longo da especificação e reivindicações que se seguem, a palavra compreende e variações desta tais como compreendendo e ser constituído por devem ser interpretadas de forma aberta e inclusiva, isto é, como incluindo mas não se limitando a , a menos que o contexto o requerra.

Ao longo desta especificação, a referência a uma forma de realização ou a uma forma de realização significa que determinado aspeto, estrutura ou caracteristica descritos em ligação com a forma de realização estão incluídos em, pelo menos, uma forma de realização. Assim sendo, as aparências da frase numa forma de realização em vários locais ao longo desta especificação não se referem necessariamente todos à mesma forma de realização.

Além do mais, os aspetos, estruturas ou caracteristicas específicos podem ser combinados de qualquer forma apropriada numa ou mais formas de realização.

Tal como é usado nesta reivindicações anexas, as formas singulares especificação e um/uma e nas o

incluem referentes plurais, a menos que expressamente indicado. Deve ser também de salientar que o termo ou geralmente utilizado no seu sentido incluindo e/ou, menos que expressamente indicado.

Os títulos e Sumário da Publicação fornecidos no presente documento são apenas para conveniência e não têm como fim interpretar o alcance ou significado das referidas formas de realização.

presente publicação refere-se fibras sintéticas para reforçar materiais, tal como o betão, constituídas por um material sintético de base, constituídas por uma ou mais olefinas incluindo materiais tais como o polietileno (PE) , polipropileno (PP), nylon ou poliéster e um aditivo de

PVDF. 0 PE pode incluir polietileno de alta densidade assim como polietileno de baixa densidade.

método de produção primária para tais fibras sintéticas é o da extrusão a quente. 0 processo de extrusão aqui descrito pode, por exemplo, ser levado a cabo com uma extrusora disponível comercialmente, tal como o Compact System T20, disponível pelo Grupo SIMA, com sede em Via Chiesaccia, 2 40056 Crespellano (BO), Itália, com base nos ensinamentos aqui estabelecidos. A Figura 1 mostra uma linha de extrusão com 13 elementos, cada um dos quais pode ter definições específicas para produzir uma fibra de acordo com uma forma de realização ilustrada.

O material do filamento ou fibra, uma mistura de material de base sintético composta, por exemplo, por uma ou mais olefinas tais como PE, PP, nylon ou poliéster, ou uma mistura dos mesmos, com um aditivo de PVDF pode começar como grânulos de resina disponíveis comercialmente, embora possam ser apropriadas outras formas de material. O PP está comercialmente disponível através da LyondellBasel Industries, de Houston, Texas. O PE está comercialmente disponível a partir da Muehlstein, de Toronto, Canadá. O PVDF encontra-se comercialmente disponível através da Solvay Plastics.

O material de base e o PVDF são pesados e colocados numa misturadora a seco (não mostrado) e de seguida através de um sistema de vácuo direcionado para a tremonha 1, perto do topo da extrusora 4. Um sensor deteta o material de fibra e a alimentadora 3 direciona o material de fibra para a extrusora 4, conforme necessário. A fusão dos materiais ocorre à medida que estes são encaminhados para a extrusora 4 através de um trado para direcionar, aquecer, fundir e misturar a resina antes da extrusão através do cabeçote 5, criando um fluido viscoso com dois componentes. As temperaturas de transição de fase dos materiais são bem conhecidas. O fluido viscoso com vários componentes pode ser então forçado através de um trado de extrusão pelo cabeçote 5 (ou fieira) com um ou mais orifícios para expulsar um filamento. O trado de extrusão pode consistir numa rosca, pistão, bomba ou outro elemento que exerça pressão. O cabeçote 5 pode apresentar um ou mais orifícios, de tal forma que a ação de forçar o fluido viscoso de dois componentes em direção ao cabeçote ou fieira expulsa um ou mais filamentos em paralelo.

As temperaturas na câmara de fusão e através da câmara da rosca e a velocidade com que o fluido viscoso de dois componentes é forçado para a fieira, expulsando assim os filamentos, variam de acordo com o material e com as propriedades desejadas dos filamentos extrudidos. Um exemplo de definições funcionais para a extrusora 4 Compact System 20 para extrusão de filamentos de acordo com uma forma de realização ilustrada pode incluir 11

DO AR
TEMPERATURA	3		098°C	098°C
FORNO	2	LIGADO	ÁGUA

VELOCIDADE 075

DO AR

PUXADOR	(180 m/1' )	112,8 m/1'	50,8 m/1'	50,8 m/1'	41,89%	4,3 A	LIGADO
DENIER TOTAL	054000 den
			RAZÃO DE ESTIRAMENTO	TAXA DE FUSÃO
PRODUÇÃO	31 Kg/h		1	9, 13%
TOTALIZADOR	8 72 Kg		2	1,13%
			TOTAL	10,32%		2,42%

trado de extrusão pode criar uma pulsação e um fluxo irregular do material de filamento para o cabeçote 5, de modo que pode ser utilizada uma bomba de engrenagem (não mostrada) para controlar a pressão e a taxa de fluxo do material à medida que este atinge o cabeçote. Além do mais, a alteração das velocidades da bomba de engrenagem pode levar à variação das dimensões das secções transversais dos filamentos ou fibras resultantes. Um perito com um conhecimento comum da especialidade pode selecionar pressões adequadas para determinada utilização.

Os orifícios no cabeçote 5 podem variar em número e forma, incluindo a secção transversal, podendo ser utilizados para adaptar a dimensão e a forma geométrica dos filamentos ou fibras resultantes e pode depender da natureza do material a ser extrudido. As fibras ou filamentos, tal como aqui utilizados, podem incluir também folhas do material ou outras formas. Um perito com um conhecimento comum da especialidade pode selecionar um cabeçote apropriado para determinada utilização.

Quando saem do cabeçote ou da fieira, os filamentos são um polímero semi-sólido e são moldados na sua configuração, forma ou feitio finais através de um processo conhecido na especialidade como fiação. Os métodos de fiação geralmente utilizados podem incluir; fiação húmida, fiação a seco, fiação em gel e fiação por fusão. Estes métodos variam em termos de economia para os materiais específicos utilizados.

Num exemplo de fiação por fusão, o material solidifica por arrefecimento através de ar arrefecido ou de um banho de água. A fiação por fusão é frequentemente utilizada para materiais que são fundidos antes de passarem pela fieira, tal como aqui descrito.

Após o arrefecimento através de ar arrefecido ou de um banho de água, as fibras podem então passar para os fusos ou godets, 7, 9, e 11 e um ou mais fornos de estiramento 8, 10, onde podem ser extraídas e reaquecidas. As fibras podem ser aquecidas e os godets 7, 9, 11 podem ser movidos ou ajustados com um diferencial de velocidade para estirar as fibras com vista a aumentar a orientação molecular uniaxial e a sua resistência à tração. As fibras podem então passar através de uma zona de fusão aquecida ou um forno de fusão 12 para serem fundidas. Nos fornos de estiramento 8, 10, a temperatura é alterada com base na geometria da fibra necessária para determinada utilização. A quantidade de estiramento depende da temperatura e da secção transversal da fibra, por exemplo. Tal deve permitir um aquecimento suficiente da fibra à medida que esta atravessa o forno, para permitir a mobilidade das cadeias moleculares, permitindo assim o estiramento e alinhamento pelos godets 7, 9, 11. As definições podem variar dependendo da linha de extrusão, de diferentes cabeçotes, etc. Como notado, um perito com um conhecimento comum da especialidade pode selecionar temperaturas apropriadas para determinada utilização.

Os filamentos podem então ser enrolados em fusos ou bobinas 13, ou torcidos em molhos ou noutras conformações, formas ou formatos, para armazenamento e transporte. Alternativamente, ou adicionalmente, os filamentos podem ser cortados em comprimentos específicos, dependendo da utilização desejada. As fibras serão formadas com um eixo central ou estria que corre geralmente de modo paralelo à direção da extrusão e uma superfície principal que circunscreve o eixo central ou estria.

Um perito com um conhecimento comum da especialidade pode selecionar temperaturas adequadas para determinada utilização. A velocidade da rosca e as temperaturas no interior da câmara do parafuso de fusão podem ser ajustadas de acordo com as temperaturas de fusão de diferentes materiais. A velocidade da bomba e a razão de estiramento podem ser variados para se obter a dimensão em corte transversal desejada.

As razões de estiramento variam dependendo do material e da geometria da fibra. A Figura IA mostra os parâmetros para a extrusora para, pelo menos, uma forma de realização especifica.

O PP e o PE são geralmente hidrofóbicos e o PVDF é geralmente hidrófilo. Tem vindo a verificar-se que, quando extrudido , tal como aqui descrito, o PVDF geralmente agrega-se para o exterior da fibra e o material de base agrega-se para o interior da fibra, produzindo um gradiente de concentração mais elevado do material de base em direção ao núcleo ou eixo central ou estria central da fibra, com uma concentração mais elevada de PVDF em direção ao exterior da fibra na superfície exposta principal da fibra.

PVDF tende a criar uma superfície texturada ou áspera em direção ao exterior da fibra, o que aumenta aderência mecânica no interior da matriz de betão a qual aumenta, por sua vez, resistência à tração.

Além do mais , o PVDF tem uma ligação quimica maior com a matriz de betão do que o material de base de olefinas. A concentração maior de PVDF em direção ao exterior da fibra aumenta a resistência à tração e o desempenho do reforço da fibra, através desta ligação quimica. O material de base fornece uma maror resistência das fibras do que o

PVDF puro e são tipicamente menos caros do que o PVDF.

As razões por peso de

0,5

Razões de 82 de uma fibra única, teste do desempenho da fibra em misturas de betão armado e teste de fluência e tração.

teste de tração foi realizado de acordo com a ASTM D2256-10 e EN 14880-2:2006, utilizando uma máquina Instron 8501 com uma célula de carga de até 100 kN e um controlador Instron 8500+. Foi aplicada uma carga pelo estiramento da fibra a uma velocidade constante de 200 mm/min.

O teste de tração foi realizado utilizando uma máquina Instron 8501 com uma célula de carga de 5 kN e um controlador Instron 8500+ em vários ângulos.

A Figura 4 mostra um gráfico referente a uma força de tração máxima de 400 versus o teor de PVDF para várias concentrações de PVDF com HDPE 5906 como material de base, com aditivo MAH conforme necessário.

A Figura 5 mostra um gráfico referente a um módulo de elasticidade de 500 versus o teor de PVDF para várias concentrações de PVDF com HDPE 5906 como um material de base, com aditivo MAH conforme necessário.

Ao adicionar PVDF ao HDPE, foram obtidas razões de estiramento mais elevadas do que com apenas PVDF. Portanto, a adição de PVDF melhorou ligeiramente as propriedades de tração da fibra, como mostrado nas Figuras 4 e 5. Espera-se que a adição de menos do que 10 de HDPE está representado por uma quarta curva de tração 608. O desempenho de uma fibra composta por, aproximadamente, 3

Podem ser feitas estas e outras alterações às formas de realização à luz da descrição detalhada acima fornecida. Em termos gerais, os termos usados nas reivindicações anexas não devem ser interpretados como limitando as reivindicações às formas de realização especificas apresentadas na especificação e nas reivindicações, mas devem ser interpretados de forma a incluir todas as formas de realização possíveis, juntamente com o âmbito total de equivalentes aos quais tais reivindicações dizem respeito. Consequentemente, as reivindicações não estão limitadas pela divulgação.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Fibra (52) tendo um eixo estriado (22) e uma superfície exterior principal (42), composta por um material de base em olefina e um material polímero de fluoreto de polivinilideno caracterizada por a razão entre o material de base e o material polímero de fluoreto de polivinilideno ser maior no sentido do eixo estriado (22) da fibra (52) do que na superfície exterior principal (42) da fibra (52) e a razão de material polímero de fluoreto de

polivinilideno e o 0,5:95,5 e 22:78. material de base em olefina ser entre 2. Fibra (52) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o material de base em olefina ser

selecionado a partir do grupo que inclui polietileno, polipropileno, nylon e poliéster.
3. Fibra (52) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por esta ter uma rugosidade superficial.
4. Fibra (52) caracterizada por compreender um corpo alongado composto por, pelo menos, um material de base em olefina e um material polímero de fluoreto de polivinilideno, o referido corpo alongado com uma primeira extremidade (32), uma segunda extremidade (34) oposta à primeira extremidade (32), um eixo estriado (22) entre a primeira e a segunda extremidades (32, 34) e uma superfície exterior principal (42) espaçada radialmente ao exterior do eixo estriado (22), com a razão entre o material de base e o material polímero de fluoreto de polivinilideno sendo maior na proximidade do eixo estriado (22) do que na proximidade da superfície exterior principal (42).
5.

Fibra (52) de acordo com a reivindicação 4 caracterizada por a razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno diminuir gradualmente a partir do eixo estriado (22) em direção à superfície exterior principal (42).

6. Fibra (52) de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por a fibra (52) conter ainda anidrido maleico. 7. Fibra (52) de acordo com a reivindicação 4, caracterizada por o material de base ser selecionado a partir do grupo que inclui polietileno, polipropileno, nylon e poliéster. 8. Fibra (52) de acordo com a reivindicação 4,

caracterizada por a razão entre o fluoreto de polivinilideno e o material de base ser de 0,5 a 22 menos, um material de base e um polímero de fluoreto de vinilideno a uma extrusora; na extrusão de um corpo alongado que compreende, pelo menos, o material de base e o fluoreto de polivinilideno, um corpo alongado com uma primeira extremidade (32), uma segunda extremidade (34) oposta à primeira extremidade (32), um eixo estriado (22) entre a primeira e segunda extremidades (32, 34) e uma superficie exterior principal (42) espaçada radialmente ao exterior do eixo estriado (22), com uma razão entre o material de base e o fluoreto de polivinilideno sendo maior na proximidade do eixo estriado (22) do que na proximidade da superficie exterior principal (42).

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por o fornecimento de, pelo menos, um material de base e um fluoreto de polivinilideno a uma extrusora incluir fornecimento de uma olefina como material de base extrusora.

14. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por o fornecimento de, pelo menos, um material de base e um fluoreto de polivinilideno a uma extrusora incluir o fornecimento de polietileno e fluoreto de polivinilideno na razão de peso de 82

17. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por o fornecimento de, pelo menos, um material de base e fluoreto de polivinilideno a uma extrusora incluir fornecimento de polietileno e fluoreto de polivinilideno razão de peso de 80