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Universidade Federal de Alfenas
Instituto de Ciência e Tecnologia
Campus Poços de Caldas-MG
ESTUDO PARA RETIRADA DE ENSIMAGEM DE FIBRAS DE POLIÉSTER
ALINE APARECIDA FERREIRA MARIANA SARAN FERREIRA DE CASTRO
Poços de Caldas-MG 2014
Dedicamos às nossas famílias pelo grande apoio, pois se vencemos é porque
alguém esteve conosco, trazendo coragem para atingir nossos objetivos, equilíbrio
nas dificuldades, e compreensão dos nossos anseios.
À Deus pela tranquilidade que nos foi concedida nas horas de angústia, pela
força que nos foi enviada nos momentos de fraqueza, pela segurança que
sentimos quando tudo parecia perdido. Hoje somos vencedoras.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos aos nossos pais e aos nossos irmãos, pela paciência, incentivo,
carinho e compreensão.
Aos nossos amigos, pela amizade, por nos escutar e por nos oferecer o ombro
para chorar.
A nossa orientadora, Gisele Sancinetti, por confiar em nós, por transmitir o seu
conhecimento e nos motivar para a realização deste trabalho e ao nosso co-
orientador Gian Freschi por ter nos ajudado no momento em que mais
precisávamos.
A M&G por ter aberto as suas portas para que este trabalho pudesse ser
realizado, principalmente ao Lucas Viana, Daniel Baroni, Marildo Plachi e aos
técnicos do laboratório de qualidade que não mediram esforços para nos ajudar.
Aos técnicos do laboratório da UNIFAL, especialmente a Aline e a Alessandra
por estarem presentes em todas as horas em que pedíamos ajuda, e por sempre
conseguirem aquilo que precisávamos.
A minha mãe, por ser a luz no meu caminho e que infelizmente não está mais
presente fisicamente na minha vida, mas sei que está muito feliz por essa minha
conquista, pois foi um sonho que sonhamos juntas, beijos da sua filha Aline Apª
Ferreira.
“Vivemos neste mundo para nos esforçar a aprender sempre, para
esclarecer uns aos outros, por meio de troca de ideias, e para nos
aplicar todos os dias e cada vez mais às ciências e às artes”.
(W. A. Mozart)
RESUMO
As fibras de poliéster possuem a maior porcentagem de consumo do setor têxtil,
representando 62,8% da demanda total. Essa grande porcentagem é justificada pelo
seu preço e por suas propriedades químicas e físicas. A matéria prima para o
poliéster é PTA e o monoetilenoglicol, ambos oriundos da cadeia do petróleo, que
depois de sinterizado produz polímeros. Uma massa fundida de polímeros passa por
uma fieira para se formarem filamentos. Neste processo de produção, o atrito da
fibra com os equipamentos pode causar alterações em suas propriedades. Visando
diminuir este atrito, um óleo lubrificante, conhecido como ensimagem, é adicionado
ao processo. Em alguns casos, este óleo fica em excesso nas fibras, alterando as
propriedades finais desejadas pelo cliente. Observando a necessidade da empresa
Mossi & Ghisolfi (M&G) em retirar este óleo em excesso nas fibras de poliéster, este
trabalho buscou desenvolver um método para a lavagem das fibras e retirada de sua
ensimagem para reaproveitamento da fibra. A proposta consistiu em um banho de
lavagem ultrassônica das fibras com água e metanol como solvente extrator. As
variáveis tempo e temperatura foram alteradas para avaliar qual forneceria o melhor
resultado.
Palavras chave: Fibras de Poliéster, Ensimagem, Banho Ultrassônico.
ABSTRACT
Polyester fibers have the biggest consumption from textile sector, representing 62,7
% of total demand. This high percentage is justified by the price and by their
chemical and physical properties. Polyester’s feedstock is PTA and
monoethileneglicol. A polymer melt passes through a spinneret to form filaments. In
this production process, the friction between the fiber and the equipment can cause
change in their properties. For reduce this friction, lubrificant oil, known as finish oil, is
aplyed on the filaments and fiber. In some cases, this oil is in excess on the fiber,
altering the final properties required by the customer. Noting the need of The Mossi &
Ghisolfi (M&G) company has interested to remove this excess oil in the polyester
fiber and reuse the fiber, this study intend to develop a method for cleaning fibers
and removal their finish oil to reuse this fiber. The proposal consisted of washing the
fiber by an ultrasonic bath with water and methanol as extracting solvent. Time and
temperature were changed to know which would provide the best result.
Key words: Polyester fibers, Finish oil, Ultrasonic bath.
SUMÁRIO
1 – INTRODUÇÃO--------------------------------------------------------------------------------------8
2 – OBJETIVOS-----------------------------------------------------------------------------------------9
3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 – Histórico das fibras--------------------------------------------------------------------9
3.2 – Características das fibras de poliéster-------------------------------------------10
3.3 – Processo de Produção --------------------------------------------------------------12
3.4 – Ensimagem-----------------------------------------------------------------------------15
3.5 – Extração por solvente----------------------------------------------------------------17
3.6 – Limpeza ultrassônica-----------------------------------------------------------------18
4.0 – METODOLOGIA E RESULTADOS
4.1 – Materiais e equipamentos-------------------------------------------------------21
4.2 – Procedimento analítico----------------------------------------------------------21
4.3 – Resultados e discussão---------------------------------------------------------24
5.0 – VIABILIDADE ECONÔMICA----------------------------------------------------------------29
6.0 – CONCLUSÃO-----------------------------------------------------------------------------------30
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS-------------------------------------------------------------31
ANEXOS-------------------------------------------------------------------------------------------------33
APÊNDICE----------------------------------------------------------------------------------------------34
8
1– INTRODUÇÃO
As primeiras fibras de poliéster surgiram em 1941 e eram feitas a partir de
ácidos aromáticos sintéticos e glicóis. Classificadas em fibras químicas, foram
desenvolvidas para copiar e melhorar as fibras naturais, suprindo a necessidade da
população (NETO, 1996). Suas principais características são a alta elasticidade e
estabilidade dimensional, sendo resistentes à ruptura e ao desgaste. Além disso,
possuem aparência brilhante com aspecto vítreo (FIBRAS TÊXTEIS, 2013).
A fabricação pode ser com ou sem aditivos, tais como algodão, náilon,
viscose, lã e linho. A partir delas produzem-se os mais diversos produtos, como
camisas, camisetas, pijamas, calças, ternos, lençóis, cortinas, dentre outros artigos,
como os não-tecidos, exemplificados pelos enchimentos de agasalhos e edredons.
A empresa com maior porcentagem de produção de fibras de poliéster no
Brasil é a M&G (Grupo Mossi & Ghisolfi), que utiliza como matéria-prima básica o
PTA (para-terephthalic acid), e a partir dele produz fibras de poliéster e resinas para
embalagens PET.
Durante o processo de fabricação ocorre a adição de um óleo lubrificante,
conhecido como ensimagem, às fibras de poliéster, com o intuito de reduzir o atrito
com os equipamentos. A adição se dá antes da frisagem, para que haja maior
contato da fibra com o algodão. A porcentagem de óleo que permanece na fibra é
controlada pelo fabricante, pois em excesso pode comprometer a qualidade da fibra
para o cliente.
Quando é detectado um excesso de ensimagem nas fibras, seus lotes são
separados e vendidos a um preço inferior, ocorrendo uma perda para a empresa. Se
este excesso fosse eliminado, as fibras poderiam ser reaproveitadas e vendidas.
Para a eliminação da ensimagem nas fibras, um banho de limpeza ultrassônico
será testado para verificar sua eficiência. Este banho faz uso da cavitação e da
transferência de momento, e quando associado a outros métodos de limpeza, como
a alcalina, ácida e por emulsões, a limpeza ultrassônica é capaz de remover os
contaminantes complexos sem danificar a superfície que está sendo limpa (R.
SANTOS, 2011).
9
2 – OBJETIVOS
Geral
Avaliar um método para retirada de ensimagem das fibras de poliéster para
serem reaproveitadas pela empresa Mossi & Ghisolfi (M&G).
Específico
Usar o banho de limpeza ultrassônico em diferentes tempos com os solventes
metanol e água;
Avaliar qual o melhor tempo e o melhor solvente para a limpeza das fibras de
poliéster com ensimagem;
Verificar a viabilidade econômica da retirada de ensimagem.
3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 – Histórico das Fibras
Na pré-história o homem confeccionava a sua própria roupa e os seus
utensílios de maneira primitiva. Com o passar dos anos, houve a necessidade de
aprimorar estas peças com tecidos de qualidade.
No século XVIII, na Europa, utilizavam-se apenas lã, linho e seda, pois ainda
não existia o algodão. Mas no fim deste mesmo século os ingleses fabricaram um
tecido composto de fios de linho e algodão a que deram o nome de “Juline”, sendo
muito bem aceito no mercado, mas ainda não satisfazia as necessidades locais,
havendo a necessidade de importação de fios de outros países.
No final do século XVIII, Thomas Higgs inventou a primeira fiandeira, a
“Spinning-Jenny”, a qual posteriormente foi aperfeiçoada e Higgs conseguiu inventar
a “Fiandeira Contínua”, a qual deu nome de “Throstte” ou “Watter Frame”.
Em 1775, Samuel Compton, juntou as maquinas “Spinning Jenny” e “Throstte” e
construiu a “Mule-Jenny”.
Com o decorrer dos tempos surgiu a necessidade de se produzirem fibras
artificiais, pois a produção das fibras naturais não acompanhava o ritmo de
10
consumo. Estas fibras apareceram nos fins do século XIX, sendo inventadas pelo
Conde Hilaire de Chardonet, o qual apresentou amostras de seda artificial em Paris
(FEITOR, 2006).
Em 1833, Gay Lussac e Pelouse obtiveram um poliéster sintético, por
aquecimento do ácido lático. Posteriormente, as propriedades de formação desta
fibra foram conhecidas e Wallace H. Carothers obteve um poliéster alifático a partir
de hidroxi-ácidos e também a partir do ácido dicarboxílico e do glicol.
Por volta de 1941, os laboratórios “Callico Printers Association”, em
Manchester, sugeriram que as fibras de poliésteres feitas a partir de ácidos
aromáticos sintéticos e glicóis poderiam ser usadas para melhorar as propriedades
das fibras.
Após a Segunda Guerra Mundial surgiu um novo conceito de fibra, a sintética,
derivada do petróleo, dentre as quais são o poliéster, náilon e polipropileno,
proporcionando concorrência com as artificiais, produzidas a partir de celulose,
substância encontrada na madeira ou no linter de algodão. Neste grupo pode-se
destacar o raiom viscose e o raiom acetato. Em decorrência do seu continuo
desenvolvimento tecnológico, a fibra sintética vem se tornando cada vez mais
utilizada.
Em 1950, a Dupont iniciou a produção experimental de poliéster, tendo este
recebido o nome de “fibra V” e que ficou conhecido comercialmente como “Dracon”.
Em 1955, as fibras sintéticas começaram a ser produzidas no território
nacional pela Rhodia e a partir de 1960 tiveram um crescimento constante (NETO,
1996).
3.2 – Características das Fibras de poliéster
Poliéster é um polímero de policondensação que possui em suas cadeias
grupos ésteres que podem ser distribuídos igualmente ou aleatoriamente,
denominando-o homopoliéster ou copoliéster, respectivamente.
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Pela definição da ISO 2076 fibras de poliéster são aquelas compostas de
macromoléculas lineares com uma cadeia de no mínimo 85% em massa de um éster
de um glicol e do ácido tereftálico (CARDOSO, 2009).
O poliéster é um tipo de fibra química, que foram desenvolvidas para melhorar
e copiar as fibras naturais. À medida que as suas aplicações foram se
desenvolvendo, elas se tornaram uma necessidade, principalmente porque a
população cresceu e passou a demandar vestuários produzidos com mais rapidez e
a um custo mais baixo.
A fibra química precisa ser combinada com o algodão para adquirir maior
desempenho, resistência, durabilidade e maciez.
Segundo Araújo (1986, p.1) “as fibras têxteis são elementos filiformes
caracterizados pela flexibilidade, finura e grande comprimento em relação à
dimensão transversal máxima, sendo aptas para aplicações têxteis”.
O comprimento de uma fibra é no mínimo 100 vezes maior que seu diâmetro
ou largura. Quando uma fibra possui grande comprimento é chamada de filamento,
classificada como sendo uma fibra manufaturada, formada a partir de um processo
de extrusão e pressurizada sobre placas com orifícios (CARVALHO, 2008).
Ao se submeter uma fibra a uma tensão aplicada em sua manufatura ou em
seu uso final, esta deve apresentar uma resistência à ruptura, e dependendo de sua
utilidade, deve ter um alongamento de 5 a 50%. Para resistir às intempéries
externas, a fibra precisa de uma estabilidade térmica e química (CARDOSO, 2009).
As propriedades de uma fibra são influenciadas por sua composição química
(celulósica, protéica e acrílica), estrutura externa e interna, e caracterizam o fio a ser
fabricado e o seu método de fabricação.
Muitas fibras químicas possuem propriedades, as quais são adquiridas durante
o processo de produção, que em determinados campos a fazem superar as fibras
naturais, por exemplo, a alta resistência à ruptura, o reduzido poder de absorção de
umidade e a estabilidade dimensional durante o tratamento a úmido, (p. ex. durante
a lavagem). São fáceis no trato, possuem alta solidez à luz e resistem a insetos
nocivos, bem como à ação de bolor e bactérias de apodrecimento (FIBRAS
TÊXTEIS, 2013).
O poliéster oferece uma alta resistência aos ácidos orgânicos, porém em
contato com o ácido nítrico e o ácido clorídrico em concentrações elevadas (20 a
12
40%), numa temperatura próxima a da ebulição, a fibra se decompõe. Em relação às
bases, também há resistência, porém, se estas estiverem concentradas, a fibra é
hidrolisada. Os solventes orgânicos não apresentam nenhuma ação sobre o
poliéster, porém a quente ele é dissolvido em dimetilformamida, monoclorobenzeno,
ortodiclorobenzeno, fenol a 90%, nitrobenzeno e a frio apenas no ácido sulfúrico a
90%. Por estes motivos, é muito importante o estudo preliminar da composição dos
óleos de ensimagem e de outros aditivos que serão adicionados à fibra, para não
ocorrer estes problemas citados (FEITOR, 2006).
As fibras de poliéster podem ser fabricadas com ou sem aditivos, tais como
algodão, náilon, viscose, lã e linho, em diferentes proporções. A partir delas
produzem-se os mais diversos produtos, como camisas, camisetas, pijamas, calças,
ternos, lençóis, cortinas, dentre outros artigos, como os não-tecidos, exemplificados
pelos enchimentos de agasalhos e edredons.
Os aditivos citados podem nomear a fibra como de alto desempenho por
possuírem uma elevada resistência mecânica, química, ao fogo, à variação de
temperatura muito elevada, dentre outras. O poliéster é capaz de aumentar a carga
de ruptura sobre o algodão em 50 %, enquanto o kevlar tem capacidade de
aumentar 300 % de carga de ruptura e 1000% a resistência ao alongamento
(CARDOSO, 2009).
3.3 – Processo de produção
O petróleo é a matéria prima principal do processo de produção de fibras
sintéticas e, a partir da sua sinterização química, produz polímeros.
O petróleo passa pela destilação fracionada e gera nafta. Este por sua vez
gera para-xileno e etileno e numa segunda geração são transformados
respectivamente em ácido tereftálico (PTA), dimetil tereftalato (DMT) e monoetileno
glicol (MEG) (NAVARRO, 2007).
Os meros de poliéster são formados inicialmente, a partir da reação de
esterificação entre o MEG com o PTA, representado pela Figura 1:
13
Figura 1: Meros de poliéster Fonte: (NAVARRO, 2007)
Essa reação ocorre nos polimerizadores, equipamentos nos quais as moléculas
de baixo peso molecular reagem entre si, formando moléculas de alto peso
molecular.
Nessa etapa há adição de alguns aditivos, que são responsáveis por controlar
as reações químicas e conferir certas propriedades às fibras. São adicionados
catalisadores com a função de diminuir a energia de ativação; branqueador óptico
que reduz o amarelamento, tornando a fibra mais branca.
Posteriormente, a massa fundida de polímero passa pela fieira (Figura 2), para
se formarem os filamentos, que se solidificam, instantaneamente.
Figura 2: Fieira
Fonte: (J.SANTOS, 2012)
O processo de fiação do polímero se dá em quatro etapas:
1. Escoamento do polímero através de um capilar;
2. Relaxamento das tensões internas da fibra;
3. Alongamento do material extrudado;
4. Solidificação dos fios.
14
As duas primeiras etapas dependem da temperatura, pressão e viscosidade do
polímero, pois relacionam com as regularidades das dimensões macroscópicas das
fibras. A terceira etapa determina a orientação molecular e a quarta compreende o
resfriamento dos fios.
Após tomar forma de fios, estes passam para estiragem, o qual é um processo
onde os filamentos são submetidos a uma tensão constante, constituídos por rolos
aquecidos com velocidades diferentes, os quais determinam a orientação dos
cristais e das cadeias moleculares no sentido longitudinal do filamento. Nesta etapa
os fios tem seu diâmetro diminuído e são alongados em até três vezes, aumentando
assim a sua resistência mecânica (NAVARRO, 2007).
A Figura 3 ilustra o processo de estiragem:
Figura 3: Processo de estiragem
Fonte: (J.SANTOS 2012)
Depois de formarem os filamentos, as fibras passam pelo processo de frisagem
(Figura 4) para que ela fique com ondulações, facilite a processabilidade e formação
de fios na tecelagem.
15
Figura 4: Fibra sendo frisada
Fonte: (J.SANTOS, 2012)
Posteriormente ela segue para um secador para retirada do excesso de água
proveniente do processo produtivo e para adquirir estabilidade dimensional e
elongacional. Depois disso, é cortada de acordo com o tamanho exigido pelo cliente.
No último estágio ela é embalada em fardos e destinada para o cliente.
3.4 – Ensimagem
Nas etapas de produção da fibra de poliéster tem-se grande atrito desta com
os equipamentos e isso pode causar alterações nas características finais do produto.
Para diminuir este atrito é adicionado no processo de produção um óleo lubrificante,
conhecido por ensimagem, que garante a energia estática e melhora algumas
características da fibra de poliéster.
Existem diversos tipos de óleos no mercado, de diferentes fornecedores e com
diferentes características.
Um tipo de óleo adicionado no processo de fiação das fibras de poliéster é
baseado em éster poliglicólico de ácido graxo com aditivos especiais, que tem a
16
função de neutralizar as cargas estáticas, diminuir o coeficiente de atrito e aumentar
a coesão fibra a fibra (KIRSTEN, 2007).
Outro óleo que pode ser adicionado é aquele com propriedades de lubrificar os
fios sintéticos, evitando o aquecimento por atrito, evitando assim o rompimento do fio
e a parada do processo para reparo (STEINKE, 2004).
Além de melhorar as características das fibras, a ensimagem não deve atacar
as fibras, deve permanecer na superfície, não pode ser volátil, tem que preservar o
toque e outras propriedades das fibras. Para cada tipo de fibra existe um óleo
específico que é aplicado.
Segundo o Departamento de Assistência Técnica e Desenvolvimento da
indústria Vicunha Têxtil S/A, alguns cuidados devem ser tomados em relação à fibra,
após a aplicação de ensimagem, como não deixar o fio estocado por muito tempo,
considerando o tempo de permanência no estoque e utilizar sequenciamento FIFO
(first in, first out), pois o fio estocado por muito tempo pode apresentar a migração de
óleo de ensimagem.
O local de armazenagem deve ser coberto, com temperatura variando entre
25ºC ± 5ºC com uma umidade relativa de 65% ± 5%, para manter as propriedades
do óleo de ensimagem aplicado ao fio (VICUNHA TÊXTIL S/A, 2013).
O procedimento de controle de qualidade realizado na M&G baseia-se na
extração da ensimagem com um solvente, por exemplo, um álcool. Certa quantidade
de fibra pesada é colocada dentro de tubos de metal, os quais são colocados sobre
uma chapa aquecedora com temperatura controlada, por um determinado tempo. O
resíduo de ensimagem passa pelo tubo arrastado pelo solvente e cai sobre uma
cápsula de alumínio que se encontra aquecida pela chapa logo abaixo do tubo e faz
com que o solvete se evapore restando somente o resíduo. O procedimento
completo encontra-se no ANEXO A.
Para o cálculo da porcentagem de ensimagem, utiliza-se a Equação 1:
(1)
Em que:
A= massa em gramas da amostra
B= massa em gramas da capsula de alumínio
C= massa em gramas da capsula de alumínio e do óleo de ensimagem
17
Cada fibra possui um intervalo padrão estabelecido pela especificação de
qualidade da empresa M&G, o qual permite saber se a fibra está com excesso ou
não de ensimagem.
3.5 – Extração por solvente
O primeiro solvente descoberto pelo homem foi a água, que era capaz de
extrair algumas características dos vegetais, como cor, aroma, sabor, fazer remédios
e venenos. Posteriormente, descobriu-se que o álcool também podia ser um
solvente, conseguindo extrair outras essências.
Para ser um bom solvente, as seguintes propriedades devem ser satisfeitas,
como ser imiscível, volátil, não reagir quimicamente com o soluto e não ser
inflamável. Os solventes mais usados são água, acetato de etila, acetona, benzeno,
etanol, hexano, metanol, tolueno, dentre outros (DIAS, 2004).
O solvente deve ser solúvel com o composto orgânico e insolúvel com a fase
que o contêm, no caso a fibra. Após a lavagem das fibras com um solvente, duas
fases são formadas, e o produto principal – óleo – se encontra em uma mistura
homogênea com o solvente, podendo ser separado.
Fibras de poliéster são resistentes à solventes orgânicos, justificando a escolha
desta extração (CARDOSO, 2009).
A fim de facilitar o processo de separação, realiza-se uma centrifugação, que
pela ação da força centrífuga, quando em rotação, separa as fases. Esta operação é
realizada em uma centrífuga, que realiza movimentos circulares uniformes com os
recipientes que contêm a amostra.
18
3.6 – Limpeza ultrassônica
O processo de limpeza para resíduos sólidos está presente em diversos
segmentos, desde os industriais até os hospitalares, seja para a limpeza durante a
manufatura ou manutenção dos equipamentos. Diante desta necessidade, o método
ultrassônico é o mais avançado, sendo capaz de remover impurezas orgânicas e
inorgânicas, sem comprometer a matéria prima que está sendo limpa (NAVARRO,
2007).
A limpeza ultrassônica faz uso da cavitação e da transferência de momento,
fenômenos que são induzidos pela propagação de ondas acústicas com alta
intensidade, operando com frequências acima do limite de audição humana (≈ 18
kHz) em meios líquidos.
Associada com outros métodos de limpeza, como a limpeza alcalina, ácida e
por emulsões, a limpeza ultrassônica é capaz de remover os contaminantes
complexos sem danificar a superfície que está sendo limpa. Atualmente é
largamente utilizada na indústria metal-mecânica, automotiva, aeronáutica e óptica,
para a remoção de resíduos metálicos e graxos de processos de usinagem,
manutenção e manipulação (PEREIRA, 2010).
A Figura 5 mostra um esquema típico de limpeza ultrassônica industrial, com
três tanques em série. O primeiro tanque realiza a limpeza mais grosseira, operando
em 25 KHz, o segundo (40KHz) remove as partículas microscópicas que resistiram à
primeira limpeza. Já o terceiro enxágua, evitando a secagem de resquícios das
soluções dos tanques anteriores.
Neste sistema, as fontes de ultrassom são acopladas ao fundo dos tanques e
excitadas por um gerador.
19
Figura 5: Esquema de limpeza ultrassônica industrial.
Fonte: (PEREIRA, 2010)
A realização do processo de limpeza deve romper as atrações que ligam o
contaminante à fibra (interações intermoleculares), vencer as forças elétricas e de
Van der Walls e garantir que o afastamento dos contaminantes seja permanente,
evitando que a força elétrica se redeposite (PEREIRA, 2010).
Entende-se por cavitação a formação de milhões de micro bolhas de vapor
que se chocam no meio líquido gerando diferenciais de temperatura e de pressão,
destruindo assim a sujeira.
Nos sistemas ultrassônicos, a cavitação e a transferência de momento
afastam as sujeiras e as mantém afastados dos substratos. As manifestações
macroscópicas destes fenômenos no processo de limpeza são as seguintes:
- Dispersão e aumento da dissolução de filmes sólidos e líquidos;
- Erosão;
- Fadiga e ruptura de contaminantes folheados;
- Remoção de bolhas de ar de pequenas cavidades e reentrâncias.
Em sistemas que operam até 400 KHz a cavitação é o efeito principal, já
aqueles com frequências próximas de 1 MHz, é a transferência de momento.
Na fase de dispersão e aumento da dissolução de filmes sólidos e líquidos a
ação do banho ocorre somente na interface, via dissolução, e à medida que o banho
reage com os contaminantes há formação de uma camada saturada. A Figura 6
ilustra a condição inicial e evoluída de um substrato submerso em um banho químico
estático.
20
Figura 6: Condição inicial e evoluída de um substrato submerso em um banho químico estático.
Fonte: (PEREIRA, 2010)
Na presença de um campo ultrassônico de alta intensidade em meio líquido,
ocorre a cavitação, que é o surgimento de bolhas de vapor que colapsam gerando
grandes diferenciais pontuais de pressão e temperatura.
Existem diversos tipos de contaminantes, dentre eles, os quimicamente
inertes, os quais são os mais difíceis de serem removidos, por isso necessitam de
uma vigorosa remoção mecânica realizada pela erosão gerada pela cavitação.
Quando as ondas ultrassônicas se propagam, geram a expansão e contração
de bolhas de ar que possivelmente estejam presas em orifícios e cavidades, que
acabam impedindo a limpeza completa do objeto por dificultarem o acesso do banho
químico. Este processo leva os contaminantes folheados à fadiga e facilita a
remoção de bolhas presas por tensões superficiais. Durante a expansão, o volume
da bolha aumenta como também, a força de empuxo no sentido de remover o
contaminante, representado pela Figura 7 a seguir.
Figura 7: Processo de remoção do contaminante folheado
Fonte: (PEREIRA, 2010)
21
A água utilizada no banho ultrassônico deve ser deionizada pelo processo de
osmose reversa, que reduz o risco de contaminação microbiana da água (ANVISA,
2013).
4 – METODOLOGIA E RESULTADOS
4.1 – Materiais e equipamentos
Os materiais e os equipamentos necessários para a realização dos testes
propostos neste método foram:
Água deionizada por osmose reversa;
Balança Analítica;
Banho ultrassônico de 1 litro;
Béquer;
Centrífuga;
Eppendorf de 15 ml;
Estufa;
Fibra de poliéster;
Metanol;
Pinça;
Proveta de 10 ml;
Suporte universal com garra;
Vidro relógio.
4.2 – Procedimento analítico
A fibra Spunlace, DTEX 3,3, lote 50085B, foi denominada fibra A, e a fibra
FiberFill DTEX 11, lote 50166I, foi denominada fibra B. O intervalo padrão
estabelecido para estas fibras não serem consideradas com alta ensimagem é de
22
0,10 – 0,16% para a fibra A e 010 – 0,18% para a fibra B. Caso o lote da fibra não
esteja dentro destes intervalos, ela será estocada e poderá ser vendida para um
cliente como segunda linha, por um preço inferior. No dia 03/12/2013 havia 342 Kg
da fibra com ensimagem alta e 273 Kg da fibra com ensimagem baixa em estoque.
Para verificar a quantidade de ensimagem contida nas fibras e se estas
estavam dentro dos padrões, adotou-se método de extração utilizado na M&G.
Para a validação do método proposto neste trabalho, dois solventes foram
utilizados na extração.
O primeiro solvente testado foi o metanol. Para cada 1 grama de fibra, 3 ml de
metanol foram usados. Com o auxílio de uma proveta de 10 ml, colocou-se o
metanol no eppendorff de 15 ml e em seguida, com uma pinça, a fibra. O banho
ultrassônico com capacidade para 1l e frequência de 55 kHz foi preparado
colocando-se água deionizada por osmose reversa até seu nível máximo. Como
este banho já estava mapeado, a melhor posição para inserção do eppendorff já
estava definida, sendo esta a de número quatro, com maior incidência de ondas
ultrassônicas, recebendo assim mais energia. A Figura 8 mostra a fibra sendo
lavada pelo banho ultrassônico e a localização desta posição.
Figura 8: Banho ultrassônico com eppendorff na posição 4.
O tempo de permanência das amostras no banho ultrassônico foi de 1 a 10
minutos, com variação de 1 minuto. A temperatura manteve-se em torno de 22°C.
23
Terminado o banho ultrassônico, as amostras no eppendorff foram
centrifugadas durante 15 minutos em 2500 rpm. A Figura 9 mostra a centrífuga
utilizada na separação do metanol da fibra:
Figura 9: Centrífuga com os eppendorffs contendo as amostras.
O vidro relógio que será utilizado como recipiente da fase líquida separada na
centrifugação deve ser pesado em uma balança analítica e ter seu valor anotado. A
Figura 10 representa a balança utilizada:
Figura 10: Balança analítica com 5 casas decimais.
Após a separação da fase líquida (metanol + óleo) com a fibra, todo o líquido
foi disposto no vidro relógio e colocado durante 10 minutos em uma estufa a 100°C
com o intuito de evaporar o metanol, que possui ponto de ebulição de 64,7 °C.
Quando a temperatura do vidro relógio se igualou à do ambiente, este foi novamente
pesado para verificar a quantidade de óleo retirado da fibra.
24
Este procedimento foi realizado em triplicata.
O segundo solvente testado foi a água. Neste procedimento, realizado na
temperatura de 22 °C, 10 gramas de cada fibra foram imersas no banho ultrassônico
com 1 litro de água deionizada durante 30 minutos, como mostra a Figura 11:
Figura 11: Banho ultrassônico com água como solvente.
Após a lavagem no ultrassom a fibra deve ser lavada com água corrente três
vezes, retirando o excesso de água, e colocada para secar em uma estufa na
temperatura de 100ºC até que toda água presente na fibra evapore.
Feita a triplicata para cada fibra, o método de quantificação da M&G foi
realizado para verificar se o óleo foi retirado.
4.3 – Resultados e discussão
Utilizando-se o método de extração da M&G e pela Equação 1, calculou-se a
porcentagem de óleo presente na fibra. A quantidade de óleo encontrada em cada
fibra foi determinada pela subtração do peso da cápsula depois desta extração com
o seu peso de antes. Os resultados estão apresentados nas Tabelas 1 e 2.
Tabela 1: Método de extração por metanol da fibra A
Peso (g) fibra A: E601 Peso Depois (g) Peso do óleo (g) Porcentagem (%)
10,134 7,228 0,024 0,236
10,038 7,339 0,019 0,186
10,235 7,3568 0,012 0,193
10,228 7,312 0,020 0,197
10,270 7,3671 0,02 0,194
10,101 7,3937 0,023 0,233
25
Tabela 2: Método de extração por metanol da fibra B
Peso (g) fibra B: HG201 Peso Depois (g) Peso do óleo (g) Porcentagem (%)
10,010 7,221 0,017 0,170
10,010 7,336 0,015 0,154
10,021 7,350 0,014 0,137
10,002 7,303 0,012 0,117
10,134 7,360 0,012 0,124
10,101 7,384 0,014 0,140
Conforme pode ser notado nas Tabelas 1 e 2, as porcentagens de
ensimagens em algumas análises não estão dentro dos parâmetros adotados pelo
controle de qualidade da M&G (principalmente para a fibra A), não significando que
a fibra está com excesso de ensimagem e sim que houve alguns erros durante a
realização do procedimento experimental, tais como erro da balança analítica, erro
humano, e até mesmo o peso da fibra, que foi considerado com todas as casas
decimais, e não somente 10,0 gramas.
Feita a triplicata para cada tipo de fibra, denominadas A e B, na temperatura
de 20°C com o solvente metanol, os resultados obtidos não foram satisfatórios, uma
vez que o melhor tempo não foi o mesmo nas três vezes em que o método foi
aplicado. Algumas razões para este resultado foram apontadas, como por exemplo,
a temperatura da água, que aumentava após algumas análises serem realizadas,
chegando a 28ºC, pois o ultrassom não possuía controle de temperatura. Outro fator
pode ter sido a balança analítica utilizada, que só contava com quatro casas
decimais, fazendo com que o óleo que deveria ser pesado fosse o próprio erro da
balança, por isto os resultados negativos ou até mesmo iguais antes e depois do
experimento. A tinta da caneta, utilizada para numerar os vidros de relógios, depois
de passar pela estufa, apagou-se um pouco, diminuindo mais uma vez a massa
total. A rotação da centrífuga muito baixa, não sendo o suficiente para decantar o
líquido, separando-o da fibra de poliéster.
A fim de melhorar os resultados, realizou-se mais uma triplicata para a fibra A,
trocando-se a água deionizada toda vez que ela atingia 27ºC. Conclui-se então que
o método deveria ser mudado, uma vez que o melhor tempo não se repetia.
A solução encontrada foi variar o tempo de 5 em 5 minutos, de 5 a 30
minutos, em uma mesma temperatura próxima de 20°C, realizando, para cada fibra,
26
cinco vezes o mesmo tempo. A balança analítica foi substituída por uma com 5
casas decimais. A água do banho era trocada toda vez que a temperatura
aumentava pra 30ºC, aproximadamente.
Os resultados do novo método estão apresentados no APÊNDICE A.
Cada teste das fibras A e B foi repetido cinco vezes para saber qual seria o
melhor tempo de retirada do óleo e com esses resultados foram plotados os seus
respectivos gráficos, os quais estão ilustrados nas Figuras 12 e 13.
Figura 12: Gráficos com os resultados dos testes para fibra A.
27
Figura 13: Gráficos com os resultados dos testes para a fibra B.
De acordo com os resultados encontrados, pode-se concluir que o método de
lavagem da fibra por ultrassom é eficaz, pois foi possível a retirada do óleo da fibra.
O que não pode ser concluído é qual foi o melhor tempo, pois tanto para a fibra A,
quanto para a B os tempos de maior extração do óleo foram diferentes.
Para a fibra A, os melhores tempos de extração foram de 5,10 e 30 minutos,
sendo que o tempo de 30 minutos se repetiu três vezes. Já para a fibra B, os
melhores tempos foram de 20 e 30 minutos, sendo o tempo de 20 minutos repetido
duas vezes e o tempo de 30 minutos por três vezes. Portanto, quanto maior o tempo
de exposição da fibra ao banho ultrassônico, maior a quantidade de óleo retirada.
28
Diversos foram os fatores que podem ter contribuído para que um mesmo
tempo não se repetisse nas cinco análises. Ao se colocar 1 grama de fibra no
eppendorff, a altura que esta fibra alcançava foi diferente para cada análise, pois as
fibras não eram tão compressíveis, fazendo com que a água do banho ultrassônico
não cobrisse toda a fibra. Este fato fez com que a porcentagem de fibra coberta pela
água fosse diferente para cada análise. Muitas vezes a centrifugação não foi capaz
de retirar todo o metanol da fibra, fato percebido pela umidade com que estas
ficavam após o processo. A justificativa pode estar na rotação por minuto do
aparelho, que foi fixada em 3300 rpm e pode não ter sido suficiente para a
separação. A centrífuga disponível já estava operando em seu limite, não podendo
aumentar ainda mais a rotação.
Após ter feito a lavagem das fibras utilizando água no banho como solvente, o
óleo foi quantificado pelo método da M&G e apresentou os valores mostrados nas
Tabelas 3 e 4.
Tabela 3: Quantidade retirada de óleo após a lavagem com água e extração.
Fibra A: E601
Peso antes (g) Peso depois (g) Qtdd retirada de óleo (g)
7,25843 7,27893 0,0205
7,34057 7,35300 0,01243
7,36967 7,40547 0,0358
Tabela 4: Quantidade retirada de óleo após a lavagem com água e extração.
Fibra B: HG201
Peso antes (g) Peso depois (g) Qtdd retirada de óleo (g)
7,33390 7,34248 0,00858
7,199836 7,20405 0,004214
7,33031 7,33645 0,00614
De acordo com os dados das Tabelas 3 e 4 foi possível verificar que a
lavagem da fibra com água não se mostrou eficaz, uma vez que o intuito da lavagem
era retirar o óleo da fibra e não foi o que aconteceu. Fazendo o método de extração
29
com metanol verificou-se que ainda restava um pouco de óleo, tanto na fibra A,
quanto na B. Portanto, esse método não pode ser utilizado.
Um posterior estudo pode ser feito mudando algumas variáveis como
temperatura, tempo e frequência do ultrassom e testando outros tipos de materiais
para fazer a extração como solventes oxigenados (acetona, ácido acético e
derivados) e solventes dibásicos à base de éster, produzidos pela esterificação
biácida com vários alcoóis ou até mesmo um tipo de detergente industrial.
7.0 – VIABILIDADE ECONÔMICA
O preço por litro de metanol é de aproximadamente R$ 17,50, considerando
que um fardo de fibra de poliéster possui aproximadamente 300 kg, seriam gastos
R$ 15.750,00 (utilizando a proporção de 30ml de metanol para 10g de fibra) valor
não viável economicamente para a empresa, pois o fardo da fibra depois de limpa é
vendido por um valor médio de R$ 1410,00, portanto é mais viável fazer a fibra
virgem do que lavá-la e depois fazer a sua reciclagem.
Para minimizar este valor, uma solução seria a substituição do metanol pelo
etanol anidro, também utilizado em banhos ultrassônicos, após este ser testado em
laboratório para verificar seu poder de extração. O valor do litro do etanol anidro, se
comprado no estado de São Paulo, é R$ 1,4351, totalizando um gasto de R$
1.291,59, valor bem mais viável para a empresa, porém ainda não gerando bons
lucros.
Para a quantificação do óleo presente na fibra o método mostrou ser muito
viável, tanto em economia quanto em tempo, pois a quantidade de metanol gasta foi
menor e de tempo também, variando de 20 a 30 minutos por análise, enquanto o
método utilizado pela M&G demora uma hora e meia para ser realizado. Ao se
diminuir o tempo de análise, diminuiu-se também o tempo para a liberação da fibra
pelo controle de qualidade e o tempo de espera da equipe de distribuição. Além
disso, a empresa já possuiu o ultrassom, centrifuga e deionizador.
Portanto, o método proposto só é viável para fazer a quantificação do óleo
presente na fibra, onde utiliza-se pouca quantidade de metanol. Além disso, este
30
método gasta de vinte a trinta minutos para ser realizado, enquanto que o da M&G,
uma hora e meia. Quanto mais rápida a análise for feita, mais rapidamente a fibra
será liberada pelo controle de qualidade e menor seria o tempo de espera do
pessoal de distribuição, uma vez que tempo é um fator essencial para o bom
andamento de uma empresa.
6.0 - CONCLUSÃO
Foi possível perceber a vasta aplicabilidade das fibras de poliéster em
diferentes segmentos, indo desde roupas até enchimentos em geral. Por isso o setor
tem ganhado grande destaque no mercado nacional e internacional, com elevados
níveis de produção.
O processo de produção da fibra de poliéster não apresenta muita
complexidade, mas alguns cuidados devem ser tomados quando este fio recebe
ensimagem para não haver excesso deste óleo e consequentemente a perda do
valor da fibra.
O solvente que se mostrou mais eficiente foi o metanol, porém não foi viável
devido ao seu alto custo. A água, que seria um meio mais barato, não mostrou
eficiência na retirada de ensimagem. Outros solventes podem ser testados, como o
etanol anidro e até mesmo detergentes industriais.
A lavagem ultrassônica é um método que vem sendo cada vez mais utilizado,
pois ele é capaz de retirar o contaminante do material sem agredi-lo. Este foi uma
maneira encontrada para quantificar o óleo presente na fibra, pois para fazer a
lavagem da fibra ele não apresentou viabilidade econômica favorável, porém para
quantificar o óleo ele apresentou-se mais vantajoso do que o método de extração
aplicado atualmente na M&G, uma vez que o tempo gasto para a análise diminuiu
três vezes.
31
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARAÚJO, M. ; Melo e Castro, E.M. MANUAL DE ENGENHARIA TEXTIL. Lisboa: Ed. Fundação Calouste Gulbenkian, 1986. CARDOSO, Sérgio G. ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DOS MECANISMOS DE FRATURA DE FIBRAS SINTÉTICAS DO TIPO NÁILON E POLIÉSTER EM TECIDOS DE ENGENHARIA. São Paulo, SP; 2009. CARVALHO, Vladimir. FABRICAÇÃO DE MALHA DE TRAMA UTILIZADA COMO PRÉ-FORMAS NA INDÚSTRIA DE COMPÓSITOS E AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS. Natal, RN; pag 16, 17 Agosto 2008. DIAS, Ayres Guimarães; COSTA, Marco Antonio; GUIMARÃES, Pedro Ivo Canesso. GUIA PRÁTICO DE QUÍMICA ORGÂNICA. Rio de Janeiro, RJ: Interciência 2004. Pag. 96. FEITOR, Michelle. ESTUDO DA MOLHABILIDADE DE TECIDOS 100% POLIÉSTER TRATADOS EM PLASMA N2/02 E 02 EM FUNÇÃO DO SEU ENVELHECIMENTO NATURAL. Natal, RN; Junho 2006; pg 26-27. FIBRAS TÊXTEIS, CLASSIFICAÇÃO. Disponível em <
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32
http://www.majop.com.br/ARTIGO%20T%C3%89CNICO%20OSMOSE%20REVERSA%20ENTENDA%20O%20SEU%20FUNCIONAMENTO%20.pdf>. Acesso em 26 dez 2013. PEREIRA, Antônio H.A. LIMPEZA ULTRASSÔNICA: OVERVIEW E ESTADO DE ARTE. São Carlos, SP. Abril 2010. Pags. 3 - 6. SANTOS, Jonathan Gomes. OBTENÇÃO DE FIBRA DE POLIÉSTER A PARTIR DE PET RECILCADO. Sorocaba, 2012; pgs 32 a 34. SANTOS, Ricardo Lima. LIMPEZA ULTRASSÔNICA – LAVADORAS ULTRASSÔNICAS. Universidade Federal do ABC (UFABC), 09210-170, Santo André, SP, Brasil; Março 2011. STEINKE, Alexandre. ESTÁGIO SUPERVISIONADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO: DISAMTEX. Blumenau, SC; Dezembro 2004; pg 9. VICUNHA TÊXTIL S/A. MANUAL TÉCNICO DE POLIÉSTER VICUNHA. Americana, SP. 2013. Disponível em <http://www.abqct.com.br/artigost/Manual%20de%20Poliester.pdf>. Acesso em 20 ago 2013.
33
ANEXO A – Método de extração da M&G
1.0 - PROCEDIMENTO DE EXTRAÇÃO
1.1 Equipamentos/Reagentes:
1.1.1 Cápsula de alumínio
1.1.2 Tubo inox 46,5 cm de comprimento/1,5 cm de diâmetro
1.1.3 Suporte de apoio e base de secagem
1.1.4 Estufa de convecção mecânica
1.1.5 Balança analítica
1.1.6 Pinça
1.1.7 Dessecador
1.1.9 Proveta de 50 ml
1.1.10 Chapa aquecedora
1.1.11 Metanol
1.2 - PROCEDIMENTO ANALÍTICO
1.2.1 Pese 10 ±0,1 gramas de amostra a ser analisada;
1.2.2 Coloque, com auxílio de uma pinça, a amostra dentro do tubo de inox;
1.2.3 Comprima a fibra com uma barra até sentir que ela esteja firme dentro do tubo;
1.2.4 Coloque o tubo no suporte sobre a chapa aquecedora, colocando sob a boca
do tubo uma cápsula de alumínio previamente tarada (pesada com precisão de
0,0001 g);
1.2.5 Com o auxílio da proveta de 50 ml, coloque 30 ml de metanol;
1.2.6 Deixe o processo por 1 hora e meia;
1.2.7 Retire a cápsula da chapa e leva a estufa por 10 minutos a uma temperatura
de 100 °C;
1.2.8 Levar a cápsula em dessecador até atingir a temperatura ambiente;
1.2.9 Retire a cápsula do dessecador para efetuar a pesagem.
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APÊNDICE A – Resultados do novo método
Fibra A: Spunlace DTEX 3,3, lote 50085B Tabela 1: Resultados para a fibra A
1º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 7,64216 7,64232 0,00016
10 7,32463 7,32493 0,00030
15 8,20696 8,20696 0
20 6,47798 6,47802 0,00004
25 7,23622 7,23647 0,00025
30 7,53700 7,53704 0,00004
2º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 7,85461 7,85486 0,00025
10 7,75135 7,75184 0,00049
15 7,57432 7,57467 0,00035
20 7,26564 7,26576 0,00012
25 7,75135 7,75146 0,00011
30 7,23622 7,23677 0,00055
3º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 7,95730 7,95793 0,00063
10 7,26524 7,26582 0,00058
15 7,32463 7,32513 0,00050
20 7,97613 7,97654 0,00041
25 7,64210 7,64230 0,00020
30 7,85474 7,85464 -0,00010
4º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 6,50962 6,50968 0,00006
10 6,79944 6,79974 0,00030
15 7,87202 7,87212 0,00010
20 6,47811 6,47821 0,00010
25 7,75153 7,75153 0,00000
30 7,23645 7,23645 0,00000
5º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 8,20730 8,20630 0
10 6,76426 6,76446 0,00020
15 7,26573 7,26588 0,00015
20 7,95760 7,95766 0,00006
25 7,32485 7,32485 0
30 6,47806 6,47838 0,00032
35
Fibra B: FiberFill DTEX 11, lote 50166I Tabela 2: Resultados para a fibra B.
1º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 7,26561 7,26561 0
10 7,23627 7,23627 0
15 7,32466 7,32481 0,00015
20 7,75114 7,75140 0,00026
25 8,20678 8,20703 0,00025
30 7,87199 7,87235 0,00036
2º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 6,79933 6,79952 0,00019
10 7,97616 7,97616 0,00000
15 7,97615 7,97631 0,00016
20 7,27651 7,27657 0,00006
25 6,76408 6,76423 0,00015
30 6,50952 6,50996 0,00044
3º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 7,85467 7,85467 0
10 7,75133 7,75135 0,00002
15 8,20686 8,20703 0,00017
20 7,26563 7,26589 0,00026
25 7,85464 7,85480 0,00016
30 7,95746 7,95763 0,00017
4º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 6,50954 6,50954 0,00000
10 6,47808 6,47810 0,00002
15 6,50948 6,50948 0
20 6,79940 6,79984 0,00044
25 7,64218 7,64232 0,00014
30 6,47815 6,47843 0,00028
5º teste Tempo (min) Peso Antes (g) Peso depois (g) Óleo Retirado (g)
5 7,95740 7,95747 0,00007
10 7,97626 7,97631 0,00005
15 7,97626 7,9762 0,00005
20 7,57439 7,57439 0
25 7,23647 7,23650 0,00003
30 7,32476 7,32507 0,00031 *Os dados destacados em vermelho, referem-se às análises que apresentaram maior quantidade de
óleo retirado.