O
conhecimento da forma de secagem e ve-locidade de polimerização de resinas em não tecidos de poliéster significa aumentar a compreensão deste processo na visão dos fenômenos de transportes. Estes materiais são comu-mente utilizados em processos de filtração de particu-lados, onde a adição de resinas aumenta a vida útil do têxtil. Este artigo mostra a forma clássica de secagem convectiva em secador Rama, os modelos de polime-rizações revistos pela literatura e no final um estudo de controle da reação de cura de resina em não teci-do de poliéster. Foram otimizateci-dos os parâmetros de tempo e temperatura de secagem em secador Rama. As curvas exotérmicas levantadas para o secador serviram como modelo para a produção industrial. Os resultados das propriedades mecânicas mostraram que baixa temperatura e baixa velocidade da esteira do secador são ideais para produzir não tecidos de poliéster, com a melhora da qualidade no produto e minimização de 19,4% com custo em gás liquefeito de petróleo (GLP). Por meio do presente trabalho, foi possível verificar que o emprego correto de energia térmica é uma alternativa eficaz para o controle da qualidade e custos em processos industriais.Introdução
A secagem de um não tecido úmido ocorre mediante uma corrente de gás, a uma temperatura e umidade fixa. Resulta sempre um tipo de comportamento pa-drão, conforme mostra a Figura 1.
Imediatamente depois do contato entre o não teci-do e o meio secante, a temperatura teci-do têxtil ajusta-se até atingir o equilíbrio entre a superfície e o ajusta-seu meio exterior, período de indução, trecho A’B ou AB. A temperatura do não tecido e a velocidade de se-cagem podem aumentar ou diminuir para chegarem a essa condição de equilíbrio. Neste caso, a tempe-ratura da superfície do material é a tempetempe-ratura de bulbo úmido da corrente gasosa.
As temperaturas no interior do têxtil tendem a ser iguais à temperatura de bulbo úmido do gás, mas devido às defasagens entre a transferência de calor e massa, isso não acontece. Uma vez que a tempera-tura do têxtil tenha atingido a temperatempera-tura de bulbo úmido do gás, ela permanece constante; a taxa de água eliminada na umidade de tempo é constante e este período da secagem é o período a taxa cons-tante, trecho BC.
Após o ponto C, a temperatura da superfície eleva-se e a taxa de eleva-secagem cai rapidamente, neste período de taxa decrescente, trecho CD, pode ser mais dilatado que o período de taxa constante, em-bora a remoção de umidade possa ser muito menor. É também denominado de “primeiro período de taxa decrescente”, a superfície fica paulatinamente mais pobre em líquido, pois a velocidade do movimento do líquido para a superfície é menor que a velocida-de com que a massa é transferida da superfície. No ponto D não há, na superfície, qualquer área sa-turada no líquido. O vapor, nos níveis mais internos do não tecido (centro), difunde-se para a parte da su-perfície que não está saturada e continua a difundir-se para a corrente gasosa. Este mecanismo é muito lento em comparação com a transferência convec-tiva que ocorre na superfície saturada. Nos teores de umidade mais baixos que os do ponto D, toda a evaporação ocorre a partir do interior do têxtil. À medida que o teor de umidade continua a cair, a distância a ser coberta na difusão do calor e da mas-sa aumenta, dificultando cada vez mais a migração de umidade, até que no limite, quando o material chega à umidade de equilíbrio, Yeq, cessa a secagem. O teor de umidade de equilíbrio é atingido quando a pressão de vapor sobre o sólido é igual à pressão par-cial do vapor na corrente gasosa. Este período é de-nominado “segundo período de taxa decrescente”.
FILTRAÇÃO DO AR
Por Me. Luciano Peske Ceron, Drª. Sandra Mara Oliveira Einloft
e Dr. Marcus Seferin
Polimerização de resinas em
não tecidos de poliéster
16| Meio Filtrante | Novembro/Dezembro 2010
Fotos: Divulgação Renner
Secador Rama
A polimerização de resinas em não tecidos baseia-se no proces-so de impregnação de proces-solução em manta de não tecido de po-liéster, com secagem e reticula-ção em secador Rama, seguido de compactação do produto por meio de calandras. Depois dis-so, o produto obtido é bobina-do. Este método difundiu-se a partir de 1979 devido ao custo deste material.A Rama é um secador com as funções de extrair água, pro-mover a cura da resina, padro-nizar dimensionalmente e dar acabamento ao produto final (Figura 2). É constituído por um alargador que, através de garras acopladas a correntes, trabalha numa determinada velocidade em trilhos junto à estrutura rí-gida da máquina, tencionando o não tecido no sentido trans-versal e fazendo o mesmo atra-vessar o túnel de ar aquecido. O túnel é um longo caminho por onde passa o têxtil, normalmen-te dividida em vários campos. Nos campos existem ventilado-res para insuflar o ar quente e seco, forçando a passagem de ar pelo não tecido pelo princípio de convecção forçada.
A maior taxa de evaporação de água ocorre nas duas primeiras câmaras de secagem. Por esta razão que altas temperaturas de ar quente são mais importan-tes nestas regiões com abertura total dos dampers, para trans-portar a umidade retirada no produto para fora do sistema, evitando a condensação. Nas câmaras seguintes os dampers serão fechados gradualmente,
devido à diminuição da quanti-dade de água no têxtil. Na últi-ma câúlti-mara o damper deve estar praticamente fechado, para evi-tar a perda de energia térmica pela fenda de saída do túnel do secador, mostrada na Figura 3.
Polimerização
O tempo de cura é o intervalo de tempo necessário para que a reação de reticulação ocorra, aglomerando as camadas em uma massa sólida e compacta. Já a temperatura de cura é a temperatura máxima atingida pelo sistema reacional durante a cura. A complexidade do
con-trole térmico está em determi-nar a relação entre velocidade da esteira do secador e tempe-ratura nas câmaras de secagem, com ajuste nos dampers, para promover a cura da resina de forma econômica.
Segundo Kosar, Gomzi e Antu-novic acompanharam a polime-rização de resina em poliéster, induzida pela decomposição de um iniciador em uma geometria
cilíndrica aquecida fechada. Neste estudo o calor transferido por convecção do ar à superfície do molde e do calor transferido por condução através da resina, mostrou um complexo modelo matemático de cura, onde a taxa
de calor contribuiu para a cura da reação antecipadamente. Os períodos característicos das curvas de temperatura versus tempo são mostrados na Figu-ra 4, que seguem a equação de Arrhenius, pois, com a elevação da temperatura do molde (100ºC para 110ºC), aumentou a tem-peratura de cura (156ºC para 172ºC), diminuindo o tempo de reação (11 min para 9,5 min). Gu, Chen e Huang investigaram o efeito da temperatura na es-trutura de agregação em resinas em poliéster usando micros-copia eletrônica de varredura (MEV). Dependendo da tempe-ratura de polimerização, dois tipos de morfologias são forma-das. A estrutura I foi cultivada a partir da amostra original, a 170ºC, formando uma morfolo-gia hexagonal cilíndrica (Figura 5-a) e a estrutura II foi cultivada a 185ºC, formando uma morfolo-gia ortorrômbica lamelar (Figura 5-b). Os resultados experimentais mostraram que o comportamen-to de agregação da estrutura II é mais parecido com a dos não tecidos convencionais.
Figura 2 - Secador Rama
FILTRAÇÃO DO AR
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Suh, Lim e Park estudaram as diferentes propriedades de poliéster, variando as condições de adição de resi-na mergulhada posteriormente em silicatos. A adição de silicatos a polímeros representa uma alternativa para convencionalmente preencher a estrutura, com ligações cruzadas de cura e melhorar as propriedades mecânicas do não tecido. Durante as ligações cruza-das de copolimerização com o poliéster, os silicatos decompõem-se e criam-se radicais livres no sistema. Os radicais livres crescem e formam uma longa ca-deia de moléculas, conectando a resina e poliéster com reações intermoleculares e intramoleculares. O mecanismo de cura é mostrado na Figura 6, onde o monômero de resina atua como um agente de cura com pontes adjacentes às moléculas de poliéster.
Huang verificou uma característica importante na cura de resinas (LPA) em poliéster insaturado (UP), que é a obtenção de uma estrutura com duas fases (LPA-rica e UP-rica), formando posteriormente micro-lacunas, que aumentam a resistência do não tecido, minimizando o efeito do encolhimento. Constatou que dependendo do sistema de miscibilidade e da re-ação cinética, a formre-ação de amostra e estrutura segue a mesma rota, mas pode terminar em diferentes fases com diferentes tipos de estrutura. Com base em resul-tados experimentais de um mecanismo de controle de encolhimento, uma temperatura de cura inferior foi proposta. O esquema do mecanismo de encolhimento a baixa temperatura de cura é visto na Figura 7.
Metodologia
O estudo acompanhou o desenvolvimento da poli-merização de emulsão acrílica estirenada em não tecidos agulhados de poliéster nas gramaturas de 110, 150 e 200 g/m2. A geometria do túnel de
se-cagem escolhida foi a de largura constante em 1,5 metros. A abertura dos dampers em cada cam-po, da entrada para o fim do secador, foram res-pectivamente 100%, 100%, 50%, 25% e fechado totalmente. O índice de flexão em cada amostra foi avaliado por equipamento de Máquina de Flexão SATRA STM 129, de acordo com as normas SATRA PM 3 e BS 5131. O ensaio de resistência à tração e alongamento foi feito em Máquina de Ensaio Uni-versal EMIC DL-200 Computadorizada, seguindo a norma NBR 13041. Os gráficos e resultados foram gerados pelo software programa Tesc versão 3.00. A primeira parte constituiu-se em um estudo tér-Figura 4 - Curva temperatura x tempo: (I) Período de
indução - aquecimento; (II) Período de reação - cura; (III) Período de relaxamento - estabilização.
Figura 5 - Micrografias das estruturas de poliéster: (a) I -170ºC; (b) II -185ºC.
Figura 6 - Mecanismo de cura do poliéster: (a) antes da cura; (b) depois da cura. (Estireno: linha negrita; Poliéster: cadeia
negrita; Silicato: ponto; Polimerização: cadeia clara)
Figura 7 - Mecanismo de encolhimento a baixa temperatura de cura: (1) indução; (2) reação/separação; (3) micro géis: (i) LPA-rica, (ii) UP-rica; (4) crescimento: (a) co-estrutura gros-sa contínua, (b) LPA-rica; (5) macro géis; (6) formação de
mico sobre as condições do secador e não tecido, obtendo-se curvas de secagem para cada gramatura de poliéster. Fixou-se nos dez queimadores a velo-cidade do ar de secagem em 5 m3/h. As
tempera-turas nas câmaras de secagem foram ajustadas por display eletrônico. Para as medições das tempera-turas dentro de cada câmara do secador, usaram-se termopares do tipo T, acoplado a um indicador digital de temperatura Agilent 34970A. A meto-dologia adotada baseou-se na norma NBR 14610. Utilizou-se o método Simplex Modificado para de-terminar os valores máximos e mínimos de veloci-dade da esteira, ajustadas a um teor máximo de 0,8% de umidade no têxtil (método direto em estufa). A segunda parte avalia qual a melhor curva de secagem, através de ensaios de índice de flexão, resistência à tração e alongamento na ruptura. Utilizou-se as curvas dos extremos, uma com perfil econômico (velocidade mínima e temperatura bai-xa) e outra de perfil avançado (velocidade máxima e temperatura alta).
A terceira parte é a produção-teste em Rama, por 6 meses, em indústria de não tecidos, utilizando-se as curvas de secagem econômica e avançada, para avaliar os custos com GLP.
Resultados e discussões
Curvas de secagem
Devido à temperatura de secagem linear na super-fície dos não tecidos de 110, 150 e 200 g/m2,
conse-guiu-se nas cinco câmaras do secador um perfil tér-mico decrescente de ajuste no display, em relação ao medido na superfície do têxtil, com resultados de: +10ºC, 0ºC, -10ºC, -10ºC, -20ºC. Este incre-mento de energia térmica inicial foi necessário por ser uma região de entrada do túnel do secador, com perda térmica para o ambiente externo e também, devido à maior taxa de evaporação de água nesta câmara inicial. Já na segunda câmara, sem perda de energia térmica, as temperaturas de display e medido foram praticamente iguais. A partir da ter-ceira câmara, conseguiu-se a minimização térmica com o fechamento nas aberturas dos dampers e re-aproveitamento da energia.
Para manta de gramatura, 200 g/m2, foi necessário
o fechamento progressivo do damper no quarto e quinto campos do secador. Constatou-se que não te-cidos mais grossos, devido ao maior percentual de água retida entre as suas fibras para evaporar, ne-cessitam absorver maior quantidade de energia para realizar o processo de secagem. Comprovou-se esta
hipótese, pela elevação do perfil térmico mínimo de 180ºC para 190ºC, pois, o não tecido quando expos-to a um perfil térmico constante inferior a 190ºC, deixou a manta molhada na saída do secador. As curvas de secagem desenvolvidas no secador Rama, com as relações de velocidade da esteira versus umida-de são mostradas nas Figuras 8, 9 e 10. Os valores reco-mendados por Bomtempi, para umidade em não tecidos de poliéster situam-se entre as linhas tracejadas, com teores de 0,3 a 0,8% de umidade interna no têxtil.
Perfis econômicos e avançados
A Figura 11 identifica as amostras nas curvas de perfis econômicos e avançados, que foram avalia-das nos ensaios de índice de flexão, resistência à tração e alongamento na ruptura.
Índice de flexão
Observou-se nos perfis econômicos das três grama-turas, que nas zonas com baixos teores de umidade e mínima velocidade, nos pontos 2, 9 e 15, apre-sentaram os maiores valores para índice de flexão (Figura 12), obtendo produtos com melhor qualida-de técnica. Os pontos 1 e 5 (secos em excesso) e os pontos 4 e 8 (com excesso de umidade) apresenta-ram baixo índices de flexão, mostrando que a umi-dade interfere nos resultados de índice de flexão. Confirmou-se a faixa de umidade ideal para não tecidos de poliéster é realmente entre 0,3 e 0,8%, onde os valores de índice de flexão apresentaram os melhores resultados.
Não tecidos com maior gramatura tiveram os valo-res de índice de flexão significativamente aumenta-dos devido o aumento de massa têxtil.
FILTRAÇÃO DO AR
Figura 8 - Curva de secagem para gramatura de 110 g/m2.
Figura 9 - Curva de secagem para gramatura de 150 g/m2.
Figura 10 - Curva de secagem para gramatura de 200 g/m2.
Figura 11 - Identificação das amostras nas curvas de perfis econômico e avançado.
FILTRAÇÃO DO AR
Resistência à tração e alongamento
Como já esperado, o ensaio de tração das fibras de-positadas na direção paralela (longitudinal) é cer-ca de 50% maior que a disposição perpendicular (transversal), conforme mostra a Figura 13. Esta situação pode ser explicada devido ao processo de fabricação do não tecido ser induzido e pelo efeito de tensão dos morcetes no têxtil.
Para uma mesma gramatura. os resultados de tra-ção e alongamento (Figura 14) mostraram-se
pra-ticamente lineares, dentro de cada perfil. Por sua vez, o perfil econômico apresentou um pequeno acréscimo nos resultados de tração e alongamento em relação ao perfil avançado.
Com a elevação da gramatura do não tecido, verifi-caram-se maiores valores de tração e alongamento, obtendo produtos mais rígidos.
Nos pontos 1, 4, 5 e 8 os resultados de tração e alongamento apresentaram valores fora da faixa re-comendada pela literatura, que confirmam que os efeitos excessivos de umidade e secagem afetam a qualidade de não tecidos de poliéster.
Produção teste
Conclusões
Em termos de redução de custos, utilizando-se as curvas de secagem como modelo de produção in-dustrial, os resultados obtidos foram considerados excelentes. Constatou-se a vantagem de se realizar a secagem em perfil térmico econômico, o qual mini-mizou em 19,4% o consumo de GLP. Já a produção com perfil térmico avançado aumentou em 31,1%. Os ensaios de índice de flexão, tração e alonga-mento demonstraram que quantitativamente é re-comendável o uso de curvas de secagem com perfil térmico econômico, em zonas próximas a 0,30% de umidade e baixa velocidade da esteira da Rama, por apresentarem melhores resultados físico-químicos para não tecidos de poliéster. RMF
Figura 12 - Gráfico de índice de flexão para 110, 150 e 200 g/m2
Figura 13 - Gráfico de tração para 110, 150 e 200 g/m2
Figura 14 - Gráfico de alongamento para 110, 150 e 200 g/m2
Tabela 1 - Resultados comparativos entre produção-teste e normal.
Me. Luciano Peske Ceron
Engenheiro Químico, Doutorando em Engenharia de Materiais (PUCRS), Mestre em Engenharia de Materiais (polímeros/não tecidos), Especializa-ções em Gestão Ambiental e Gestão Empresarial. É responsável pela Enge-nharia da Renner Têxtil Ltda, ativida-de que integra as funções ativida-de engenha-ria de aplicação e assistência técnica. Luciano@rennertextil.com.br
Skype: Luciano.rennertextil www.rennertextil.com.br
