O masterbatch de cor para fibras têxteis é o veículo concentrado de pigmentos que permite aos fabricantes de fios produzir fios coloridos e fibras staple diretamente do extrusor, sem a água, energia e efluentes da tintura em banho. Ao derreter uma pequena porcentagem de masterbatch na mistura de polímero antes da máquina de filamento, um produtor de fibras obtém uma cor uniforme e fixa nos filamentos de polipropileno, polietileno, poliéster e poliamida. O apelo comercial é grande: a coloração por fusão reduz os passos do processo, elimina as águas residuais das tintureiras e oferece uma excelente uniformidade de lote para lote. O desafio técnico é igualmente grande, pois a fibra colorida deve sobreviver à luz solar, à lavagem, ao atrito e às altas temperaturas do ferro ou da transferência de calor sem desbotar ou escorrer. Este guia explica a resistência da cor da fibra em todas as suas formas, como selecionar pigmentos que mantenham a sua cor, por que a qualidade de dispersão e o valor da pressão do filtro decidem se é possível mesmo filar fios finos de denier, como prevenir a quebra dos filamentos e como combinar o veículo masterbatch com o polímero da fibra. A Kerke, uma fábrica da Wanplas especializada em extrusoras de mistura de dois eixos, constrói as linhas de co-rotação da série KTE que os fabricantes de masterbatch usam para dispersar os pigmentos até a qualidade submicrônica que os fabricantes de fios têxteis exigem.
Para o comprador técnico em uma fábrica de misturas ou um produtor de fibras integradas verticalmente, a decisão de compra não se limita apenas à cor. Trata-se de saber se a mistura vai passar pelo teste de resistência, se vai fluir limpo através de uma roda de 20 micrômetros a alta velocidade e se vai evitar o tempo de inatividade catastrófico causado por filamentos quebrados em uma linha de denier fino. Esses resultados são estabelecidos na fase de mistura, muito antes da fibra deixar a roda. O conteúdo abaixo trata a mistura de cor como um produto dispersivo projetado, e não como uma simples tonalidade, e explica os controles que diferenciam uma mistura de fibra de uma mistura de commodities.
O que é o masterbatch de cor de fibra têxtil?
O masterbatch de cor de fibra têxtil é um grânulo altamente pigmentado e fluido, no qual os pigmentos de cor insolúveis estão dispersos em 20 a 60 por cento em massa em um porta-pigmento de polímero que se ajusta à fibra que está sendo filada. O filador mede uma pequena taxa de redução, normalmente de 1 a 5 por cento em peso, na mistura de polímero antes do pacote de filamento, de modo que cada filamento emerge pre-colorido. Esta rota de coloração em fusão é padrão para as fibras de polipropileno utilizadas em tapetes, estofos e tecidos não tecidos, para a fita de polietileno e monofilamento, para os fios de moda de poliéster POY e DTY e para os fios de poliamida para tapetes e aplicações técnicas. Como o pigmento está preso dentro do polímero sólido, a cor não pode sair, como pode acontecer com um corante de superfície, o que é o fundamento da história de fixação apresentada mais tarde neste guia.
Existem dois modelos de produção. No modelo de masterbatch dedicado, um especialista em misturas produz o grânulo concentrado e vende-o a muitos fabricantes de fios; no modelo integrado, o produtor de fibras opera sua própria linha de dois parafusos para produzir masterbatch ajustado à sua janela de filamento exata. Ambos se baseiam na mesma física de dispersão: os agregados de pigmento fornecidos pelo fabricante de pigmentos devem ser fragmentados em partículas primárias e mantidos separados por um revestimento estável de portador, para que não se re-agreguem durante a produção de grânulos ou mais tarde durante a nova fusão. A qualidade dessa dispersão é o que determina o resultado final da produção de fios.
O transportador não é um componente secundário. É o meio que molha o pigmento, transporta-o através do parafuso e deve desaparecer na polimerização da fibra na espiral, de modo que não fique nenhuma fase separada. Um transportador com o índice de fluxo de fusão errado ou uma química incompatível com a fibra deixa um grão não fundido que se torna um ponto fraco no filamento. A fábrica Kerke, da Wanplas, suporta ambos os modelos com extrusoras KTE de dupla hélice co-rotantes, que vão desde unidades de laboratório KTE-16B para testes de formulação até máquinas de produção KTE-135D, todas construídas em torno de conjuntos de parafusos auxiliados por computador, com forte auto-limpeza para alterações de cor limpas.
O que torna o masterbatch de fibra mais rigoroso do que o masterbatch de cor de uso geral é a spinneret. O filme ou a moldagem podem tolerar uma partícula de algumas dezenas de microns; um filamento de denier fino é estirado a partir de um capilar de dez a trinta microns, portanto, qualquer partícula que se aproxima desse tamanho é um defeito. As especificações, portanto, impõem a dispersão ao nível sub-micrônico e exigem um valor de pressão de filtro muito baixo, tópicos abordados em detalhe abaixo. Um masterbatch que parece bom em uma plaqueta moldada ainda pode destruir uma linha de fibra, é por isso que o masterbatch de grau de fibra é tratado como uma disciplina própria.
Compreender a resistência à cor nas fibras têxteis
A resistência à mancha é a resistência de um material colorido às alterações de tonalidade ou à transferência de cor quando exposto às condições de uso, e para as fibras têxteis é geralmente avaliada em quatro dimensões independentes: resistência à luz ou à intempérie, resistência à lavagem, resistência ao atrito ou ao encolhimento e resistência à sublimação. Cada dimensão examina um modo de falha diferente, pelo que um masterbatch pode ser excelente em uma e pobre em outra. Compreender o mecanismo por trás de cada uma é o primeiro passo para especificar pigmentos e um processo de mistura que satisfaçam o padrão de uso final, quer seja interior de automóveis, toldo exterior, roupa desportiva ou tapetes para contratos.
A resistência à luz, também chamada de resistência ao clima quando combinada com calor e umidade, mede a resistência à descoloração sob exposição radiante. É classificada na escala internacional de lã azul, de 1, muito fraca, a 8, excelente, com aplicações externas e automotivas que normalmente exigem 6 a 8. O mecanismo é a decomposição fotocímica do cromóforo do pigmento; os pigmentos inorgânicos, como o dióxido de titânio, os óxidos de ferro e o óxido de cromo, além de organicos de alta performance, como a ftalocianina e a quinacridona, resistem a esta decomposição, enquanto muitos pigmentos azo de baixo custo descolorem-se rapidamente. Como o pigmento está fisicamente aprisionado na fibra, a resistência à luz é essencialmente uma propriedade da química do pigmento escolhida, e não do processo de fiação.
A resistência à lavagem mede a resistência do pigmento à perda de cor e a resistência da fibra à alteração de cor durante a lavagem, classificada em uma escala de cinza de 1 a 5. Os pigmentos são, por natureza, insolúveis, portanto, um pigment adequadamente disperso e bem encapsulado quase não se lava, razão pela qual as fibras pigmentadas costumam superar as fibras tingidas neste teste. O caminho para o fracasso não é a dissolução do pigmento, mas sim o vazamento do porta-pigmento ou de qualquer aditivo de baixo peso molecular, ou o afrouxamento do pigmento superficial, devido à ligação inadequada. Ambos apontam para a qualidade do masterbatch. O calor e o detergente na lavagem aceleram qualquer componente fraco, por isso o porta-objetos e qualquer lubrificante devem ser escolhidos para garantir estabilidade.
O grau de resistência à abrasão, conhecido como craqueamento, mede a cor transferida para uma superfície abrasiva, novamente em uma escala de 1 a 5. A dispersão deficiente é geralmente a culpada: quando o pigmento não está completamente encapsulado pelo polímero, alguns fragmentos ficam próximos ou na superfície do filamento e transferem-se com o atrito. Um masterbatch com um valor elevado de pressão de filtração e aglomerados visíveis quase sempre falha no teste de craqueamento, mesmo que sua química seja satisfatória. É por isso que a dispersão e a resistência estão ligadas: o melhor pigmento ainda falha se o composto deixá-lo como grumos.
A resistência à sublimação mede se a cor se transfere quando o tecido é aquecido, como na lavagem a ferro, no fixação a calor ou na impressão por transferência térmica. Os corantes dispersos clássicos sublimam facilmente, razão pela qual os sistemas pigmentados são preferidos quando a estabilidade térmica é importante; no entanto, alguns pigmentos orgânicos têm volatilidade finita na faixa de 180 a 290 °C de fiação e fixação a calor, e um pigmento volátil ou de baixa estabilidade térmica pode migrar ou mudar de cor sob o efeito do calor. A seleção de pigmentos com alta temperatura de decomposição térmica e baixa sublimação é essencial para as fibras de poliéster e poliamida que são submetidas a processamento a alta temperatura.
Tipos de resistência e métodos de ensaio de referência
| Dimensão de resistência | O que mede | Método de referência | Classificação de alvo típica |
|---|---|---|---|
| Luz ou tempo | Desaparecimento sob exposição radiante | ISO 105-B02 / AATCC 16 | 6 a 8 lã azul |
| Lavar | Escorregamento e alteração de cor no lavagem | ISO 105-C06 / AATCC 61 | 4 a 5 escala de cinza |
| Rubor ou crocagem | Transferência de cor por abrasão | ISO 105-X12 / AATCC 8 | 4 a 5 escala de cinza |
| Sublimação | Transferência sob calor | Método de sublimação por estampagem a quente | 4 a 5 escala de cinza |
As quatro dimensões de resistência são avaliadas com referências independentes de escala de cinza ou lã azul, e os padrões são citados aqui como texto simples porque o corpo do artigo não contém links. Um produto de fibra é tão bom quanto sua dimensão mais fraca, por isso um fio de tapete pode necessitar de excelente resistência à luz, mas apenas de boa resistência ao lavagem, enquanto as roupas esportivas precisam do oposto. A especificação do masterbatch deve, portanto, nomear as classificações de uso final exatas necessárias, e o composto deve selecionar a química do pigmento e a qualidade da dispersão para atender a cada uma delas, em vez de otimizar um único número.
Seleção de pigmentos para coloração de fibras
A seleção de pigmentos é a variável principal que define o limite para cada classificação de fixação, e deve ser feita antes de se projetar a receita de costura. A escolha é ampla entre pigmentos inorgânicos e orgânicos. Os pigmentos inorgânicos, como o dióxido de titânio para o branco, o negro de carbono para o preto, os óxidos de ferro para o vermelho, amarelo e marrom, o óxido de cromo para o verde e a ultramarina ou o cobalto para o azul, são químicamente estáveis, resistentes ao calor e à luz, mas oferecem uma gama de cores mais limitada, menor força de tonalização e podem endurecer ou enfraquecer fibras muito finas se carregadas pesadamente. Os pigmentos orgânicos proporcionam cores mais vivas e saturadas com uma carga menor, mas sua estabilidade ao calor, resistência à luz e resistência à sublimação variam enormemente de acordo com a química, portanto, a seleção da classe é crítica para fibras que são filadas e fixadas a altas temperaturas.
No âmbito dos produtos orgânicos, os níveis de desempenho correspondem de forma próxima ao custo. Os pigmentos azo são baratos e vividos, mas muitas vezes apresentam baixa resistência à luz e à sublimação, o que os torna adequados apenas para fibras para uso interior, menos exigentes. Os pigmentos de nível médio, como algumas antraquinonas, oferecem um melhor equilíbrio. Os pigmentos de alto desempenho, como o azul e o verde de ftalocianina, a quinacridona, a perileno e as tintas vermelhas DPP, apresentam classificações de 7 a 8 em relação à resistência à luz e à estabilidade térmica, e são a opção padrão para fibras para automóveis, exteriores e roupas de luxo, apesar de terem um custo mais elevado. Como o pigmento constitui uma pequena parte do custo da fibra, mas define o seu mercado, o nível de pigmento mais elevado geralmente é a opção mais barata, uma vez que se leva em conta o risco de falha.
Duas propriedades do pigmento são inegociáveis para as fibras. A primeira é a estabilidade térmica acima da temperatura de filamento: o polipropileno e o polietileno são filados a cerca de 230 a 260 °C, o poliéster a cerca de 280 a 290 °C e o poliamida a cerca de 270 a 285 °C, portanto, o pigmento não deve se decompor ou sublimar nesta faixa de temperatura, ou ele sofrerá uma mudança de tonalidade e obstruirá a malha de filamento. A segunda é a distribuição do tamanho das partículas após a dispersão; são necessárias partículas primárias na faixa submicrônica a baixa micrônica, e a mistura deve mantê-las separadas. Um pigmento que se dispersa mal, não importa quão bom seja o parafuso, nunca será adequado para fibras, portanto, o composto avalia o pigmento em um extrusor de laboratório antes de se comprometer com uma produção completa.
Guia de seleção de famílias de pigmentos
| Classe de pigmento | Intervalo de cores | Resistência à luz | Estabilidade térmica | Nível de custo relativo |
|---|---|---|---|---|
| Inorgânico (TiO2, óxido de ferro, etc.) | Branco, preto, tons de terra | Excelente, de 7 a 8 | Muito alto | Baixo a médio |
| Ftalocianina | Azul, verde | Excelente, de 7 a 8 | Alto | Médio |
| Quinacridona, DPP, perileno | Vermelho, violeta, laranja | Excelente, de 7 a 8 | Alto | Alto |
| Azo de mercadoria | Amarelo, vermelho, laranja | Variável, de 3 a 6 | Médio | Baixo |
| Carbono negro | Preto | Excelente, 8 | Muito alto | Baixo |
O tratamento superficial e os aditivos de dispersão completam a imagem. Muitos pigmentos modernos são fornecidos pré-tratados com um agente de ligação ou um agente de humedecimento que melhora a compatibilidade com o veículo e acelera a desaglomeração na hélice; o composto deve confirmar que o tratamento se adapta ao veículo escolhido e não prejudica a resistência ou a capacidade de filamento. Uma pequena adição de um agente deslizante ou antioxidante compatível é comum, mas todos os aditivos devem ser estáveis ao calor e não sangráveis, porque os testes de lavagem e sublimação revelarão qualquer molécula fraca. A disciplina é adicionar apenas o que o processo necessita e nada que possa falhar em um teste de resistência mais tarde.
Testee da qualidade da dispersão e do valor da pressão do filtro
A qualidade da dispersão determina se um masterbatch pode ser transformado em fibra de denier fino ou não, e o valor da pressão do filtro, frequentemente abreviado como FPV ou DF, é o único número que o quantifica. A dispersão descreve o quão finamente os aglomerados de pigmento foram fragmentados e o quão uniformemente as partículas primárias estão distribuídas pelo veículo; uma boa dispersão não apresenta manchas visíveis em uma seção transversal microtomada e nenhum aglomerado maior do que alguns microns. Uma dispersão fraca deixa grumos duros que, na turbina, funcionam como pedras em uma mangueira de jardim, bloqueando ou diluindo um filamento até que se rompa.
O teste de valor da pressão do filtro força a fusão do masterbatch a passar por um pacote de tela padronizado a uma taxa de produção e temperatura constantes e registra a rapidez com que a pressão aumenta. Uma fusão limpa e bem dispersa passa com pouca resistência e uma traçado de pressão plano; um masterbatch cheio de aglomerados, gel ou contaminação faz a pressão subir abruptamente porque a tela se obstrui. O valor reportado é a taxa de aumento da pressão, às vezes normalizada por unidade de massa, e é um proxy direto e quantitativo para o número e o tamanho das partículas que bloqueariam uma máquina de filamento. O equipamento para isso inclui analisadores em linha dedicados construídos em torno de um princípio de reometria capilar, e a reometria subjacente é descrita pela ASTM D3835, citada aqui como texto simples. Quanto maior o valor, maior é o risco do masterbatch para fibras finas.
O que torna tão importante este fator para os têxteis é a escala. Uma linha de BCF para tapetes, com capilares relativamente grandes, pode tolerar um valor de pressão de filtro moderado, mas um fio de PET ou PA de denier fino, fabricado a partir de orifícios de dez a trinta micrômetros, não pode; ali, o masterbatch deve atingir um valor muito baixo ou a pressão do pacote de filamento escapará e os filamentos se romperão em minutos. Muitos produtores de fibras estabelecem um limite rígido de valor de pressão de filtro na especificação de compra e rejeitam o masterbatch que excede esse limite, exatamente como rejeitariam uma química fora dos parâmetros. Investir em compósitos dispersivos para atingir esse limite é o que confere ao masterbatch o status de grau de fibra.
Valor de pressão do filtro e utilização aceitável
| Intervalo de valores de pressão do filtro | Qualidade de dispersão | Aplicação adequada de fibras | Risco de quebra |
|---|---|---|---|
| Muito baixo | Excelente, sub-micrônico | Fio de PET e PA de denier fino | Baixo |
| Baixo | Bom | PP BCF e fibra de parafuso | Baixo a médio |
| Médio | Justo, alguns aglomerados | Fita grossa, monofilamento | Médio |
| Alto | Pobre, muitos grumos | Só moldagem, não fibra | Muito alto |
Além do valor da pressão do filtro, os fabricantes de misturas executam uma contagem de geles e uma verificação do microscópio de dispersão. A contagem de geles quantifica partículas moles, parcialmente derretidas, distintas dos aglomerados de pigmentos sólidos; ambos bloqueiam as telas de fiação, mas os geles geralmente provêm de veículos degradados ou de umidade e são fixados por meio do controle do processo, e não por uma força de cisalhamento do parafuso mais forte. O ciclo de qualidade prático consiste em medir o valor da pressão do filtro em cada lote, plotá-lo em um gráfico de controle e correlacionar qualquer tendência ascendente com o desgaste do parafuso, a calibração do alimentador ou um novo lote de pigmento, de modo que a tela de fiação nunca receba um grão fora do padrão.
Problemas de quebra de fibra e filamento de denier fino
A quebra do filamento, conhecida na indústria como , é o modo de falha mais caro na fiação de denier finos, e quase sempre pode ser atribuída à mistura mestre e não à máquina de fiação. Quando uma partícula maior do que o capilar da fuso entra na seção de dosagem, ela restringe ou enfraquece localmente o filamento emergente. Sob a tensão de tração elevada da fiação de denier finos, esse ponto enfraquecido se rompe, o extremo quebrado enrola o godet ou o rolo, e a linha para. Em velocidades modernas, uma única lotação de mistura mestre defeituosa pode custar horas de inatividade e toneladas de produto de qualidade inferior, por isso, prevenir a quebra é o argumento econômico central para a dispersão de grau de fibra.
As causas agrupam-se em cinco categorias, e o masterbatch aborda quatro delas diretamente. Os aglomerados de pigmentos não dispersos são a causa clássica; mesmo alguns grumos duros por grama são suficientes em deniers finos. As partículas de gel provenientes de um veículo degradado ou mal devolatilizado criam bloqueios moles com o mesmo resultado. O aparecimento de manchas de veículo incompatível ocorre quando o veículo não corresponde ao polímero da fibra e não consegue se fundir na matriz, deixando um nó sólido. O pigmento que é volátil ou instável termicamente à temperatura de fiação descompõe-se em gás ou deposita-se, o que perturba o fluxo. Finalmente, a contaminação por metais ou substâncias estranhas introduz partículas duras que nenhuma máquina de fiação pode passar. A umidade, a quinta causa, é gerida através do secagem, mas é agravada se o masterbatch transportar umidade superficial proveniente de um processo de granulação deficiente.
As medidas de controlo estão integradas no projeto do masterbatch e são verificadas pelo valor da pressão do filtro. A mistura de alta dispersão rompe os aglomerados; a devolatilização a vácuo forte remove os compostos voláteis que poderiam formar gel ou gás; a adequação estreita do portador elimina a falha de partículas incompatíveis; e o controle da matéria-prima de entrada, juntamente com a gestão do desgaste dos parafusos e do tambor, mantêm o metal e a contaminação fora do processo. O girador também contribui, executando um pacote de tela adequado no pacote de girar e confirmando que a relação de descida do masterbatch está dentro do intervalo validado, pois o sobrecarga ou a subcarga alteram a viscosidade do derretimento e podem, por si só, induzir rupturas.
Mapa de causas e soluções para quebras de filamento
| Causa da quebra | Fonte raiz | Remédio para masterbatch |
|---|---|---|
| Agregado de pigmentos | Pobre dispersão | Amasso forte, valor de pressão do filtro validado |
| Partícula de gel | Degradação do transportador, umidade | Devolatilização a vácuo, temperatura controlada |
| Ponto incompatível | Transportador errado | Transportador compatível com polímero de fibra |
| Depósito térmico | Pigment instável ou aditivo | Seleção de pigmentos estáveis ao calor |
| Metal ou corpo estranho | Contaminação, desgaste | Controle de qualidade de entrada, manutenção de parafusos e tambores |
Uma forma útil de pensar sobre a quebra é em termos de tamanho de partículas em relação ao capilar. Se a partícula mais grande do masterbatch está confortavelmente abaixo do diâmetro do orifício da roda de engrenagem, a quebra é rara; à medida que o tamanho da partícula se aproxima do tamanho do orifício, a quebra aumenta drasticamente e de forma não linear. É por isso que os masterbatches de grau de fibra procuram dispersão sub-micron e um valor de pressão de filtro baixo, em vez de apenas uma boa correspondência de cor, e é por isso que um masterbatch de cor comercial, que é perfeitamente aceitável para moldagem por injeção, pode ser desastroso em uma linha de denier fina. A especificação deve especificar explicitamente o diâmetro do capilar e o tamanho máximo de partícula aceitável.
Compatibilidade da resina do transportador
A correspondência da resina transportadora é a disciplina de escolha de uma mistura mestre cuja composição seja idêntica ou totalmente compatível com o polímero que está sendo filiado, de modo que na máquina de filamento a resina transportadora se dissolva completamente na matriz da fibra e não deixe nenhuma segunda fase. A regra é simples: a fibra de polipropileno utiliza uma resina transportadora de polipropileno, a fibra de polietileno utiliza uma resina transportadora de polietileno, a fibra de poliéster utiliza uma resina transportadora de poliéster ou copolíester, e a fibra de poliamida utiliza uma resina transportadora de poliamida. A violação desta regra para economizar custos é a causa mais comum de quebras incompatíveis e de baixa resistência em misturas mestre bem pigmentadas.
A compatibilidade não é apenas química, mas também o fluxo de fusão. O índice de fluxo de fusão do transportador deve ser próximo ou ligeiramente superior ao do polímero da fibra, de modo que, sob a temperatura e a cisalhamento da boina, o transportador se funde e mistura um momento antes do polímero, garantindo uma única fase homogênea. Um portador com um fluxo de fusão muito inferior ao da fibra permanece como grãos sólidos; um portador com um fluxo muito maior pode diluir localmente o filamento e alterar suas propriedades. Conseguir este equilíbrio é parte do know-how de compilação que separa um fornecedor de fibras de um fornecedor geral.
Para fibras recicladas ou misturadas, a escolha do transportador torna-se mais delicada. Para uma linha de fiação de polipropileno reciclado com viscosidade variável, é necessário um transportador ajustado à corrente reciclada, muitas vezes com um fluxo de fusão ligeiramente maior e um pacote de aditivos para estabilizar a mistura. As fibras de PP e PE misturadas exigem um transportador compatível com ambos, ou a mistura pré-misturada é dividida. A Kerke, uma fábrica da Wanplas, aconselha seus clientes de misturas sobre a escolha do transportador durante a comissionamento da linha e pode fornecer configurações de parafusos e barris, alimentadores laterais e sistemas de perda de peso que lidam com esses transportadores especiais de forma consistente.
Transportador Match pela Fibra Polimérica
| Polímero de fibra | Transportador recomendado | Temperatura de giro (ºC) | Nota sobre correspondência de chaves |
|---|---|---|---|
| Polipropileno | PP homopolímero ou copolímero | 230 a 260 | Ajuste o fluxo de fusão à classe de fibra |
| Polietileno | HDPE ou LDPE | 210 a 250 | Utilize o porta-celofane para fita e monofilamento |
| Poliéster | PET ou copoliéster | 280 a 295 | É necessário um secagem rigorosa do veículo |
| Poliamida | PA 6 ou PA 66 | 270 a 285 | Associe o tipo PA à a fibra |
Um transportador incompatível é fácil de detectar e caro de descobrir tardiamente. O sintoma é a presença de manchas brancas ou coloridas intermitentes no fio, maior pressão no pacote de fios, e um aumento no número de rupturas de filamentos, que nenhuma limpeza com parafusos na máquina do fio pode corrigir, pois o defeito está incorporado no grão. A solução é retornar a um transportador adequado e reclassificar o masterbatch com um teste de valor de pressão do filtro e um teste de centrifugação. Incorporar a correspondência do veículo de construção na especificação do masterbatch desde o início evita toda a classe de falhas.
Processo de mistura para masterbatch têxtil
A produção de um masterbatch de cor de grau de fibra é, em primeiro lugar, uma operação de compósito dispersivo e, em segundo lugar, uma operação de coloração. O objetivo da hélice é converter aglomerados de pigmento fornecidos pelo fabricante de pigmento, muitas vezes com dimensões de dezenas de microns, em partículas primárias de bem abaixo de um micron, separadas uniformemente pelo portador, mantendo ao mesmo tempo a história térmica suficientemente baixa para que nem o pigmento nem o portador se degradem. O extrusor paralelo de hélice co-rotante é a plataforma padrão, porque a sua hélice modular permite ao compósito colocar uma amassagem intensa exatamente onde o pigmento precisa e uma condução suave em todos os outros lugares, e a sua ação de auto-limpador suporta mudanças de cor limpas.
Um layout representativo da hélice vai do alimentador para a matriz da seguinte forma. A resina transportadora entra no alimentador gravimétrico principal e é plastificada nas primeiras zonas, com uma condução moderada e um primeiro bloco de amassamento que forma a mistura fundida. O pigmento, muitas vezes pré-misturado com uma parte da resina transportadora ou adicionado através de um alimentador lateral, encontra a mistura fundida e é submetido a uma ou duas zonas de amassamento intensas, com discos estreitos e de ângulo elevado, que geram o corte dispersivo necessário para quebrar os aglomerados. Uma zona de mistura posterior, de passo largo, distribui uniformemente o pigmento, agora muito fino. Uma zona de ventilação a vácuo remove os voláteis e a umidade que, de outra forma, formariam gel. A zona de dosagem cria pressão na matriz para a pelotização de fios. A relação comprimento/diâmetro é normalmente de 40 a 48, para dar espaço para todas essas tarefas sem sobrecarregar as zonas de corte.
O controle de temperatura é um equilíbrio delicado. É necessário o suficiente calor para derreter o veículo e reduzir sua viscosidade, para que as zonas de amassamento possam dispersar o pigmento, mas um calor excessivo degrada os organicos sensíveis à temperatura e amarela os brancos. O perfil é, portanto, ajustado apenas o suficiente para o fluxo e mantido estável com um bom resfriamento do cilindro, e o tempo de permanência é mantido curto, operando-se a uma taxa de produção saudável. As máquinas da série KTE da Kerke, fornecidas pela rede de fábricas Wanplas, são otimizadas para este tipo de trabalho de dispersão, com elementos de engrenagem projetados para auto-limpeza e blocos de cilindro que colocam o alimentador lateral, a ventilação e a porta de líquido nas posições axiais ideais; o sistema de corte e pelotização pode ser especificado como de fio resfriado a água ou a ar, para proteger os pelotões totalmente dispersos e frágeis.
Conjunto típico de parâmetros de compósito
| Etapa do processo | Configuração da chave | Finalidade |
|---|---|---|
| Plasticização | Transporte moderado mais uma amassagem | Forma homogênea de fusão do veículo |
| Mistura dispersiva | Amassamento em ângulo alto e estreito | Quebra os aglomerados de pigmento |
| Mistura distributiva | Elemento de mistura de passo largo | Posicionamento uniforme das partículas |
| Desvolatilização | Ventilação a vácuo | Elimine a umidade e os compostos voláteis |
| Pelletização | Refrigerado por areia, água ou ar | Proteger o pellet disperso |
A disposição do alimentador é importante para a qualidade e a manutenção. A poeira de pigmento é um incômodo e um risco de contaminação, portanto, alimentá-lo através de um alimentador lateral selado ou de uma gaiola pré-misturada reduz ambos. Aditivos líquidos, como agentes de humedecimento ou antioxidantes, são introduzidos melhor por um alimentador líquido na zona de mistura, para que cubram o pigmento exatamente quando necessário. Durante a produção, o operador monitora a carga do motor, a pressão da fusão e o aspecto da fita; um aumento inexplicável da pressão ou uma rugosidade da fita são um aviso precoce de derivação da dispersão ou carga da peneira, que, se ignorada, seria enviada como um masterbatch fora dos padrões.
Protocolo de Controlo de Qualidade e Testees
Um masterbatch de grau de fibra é tão confiável quanto seu protocolo de qualidade, e o protocolo deve cobrir a dispersão, a composição e a resistência. Os controles na fábrica começam com o valor da pressão do filtro em cada lote, apoiado por uma medição da taxa de fluxo de fusão para confirmar o grau do veículo e uma verificação da umidade, pois a água da superfície promove a formação de gel e a quebra. Uma seção transversal microtomada ou um microscópio de dispersão de filme de fusão fornecem um grau de dispersão visual, e um contador de gel automático fornece um número repetível para partículas moles. Estes quatro testes na fábrica são rápidos o suficiente para serem realizados em cada lote e formam a espinha da decisão de liberação.
Os testes de resistência são realizados de acordo com a exigência de uso final, e não em cada lote, geralmente em uma amostra de qualificação e após qualquer alteração de pigmento ou veículo. A resistência à luz segue a norma ISO 105-B02, a resistência à lavagem ISO 105-C06, a resistência ao atrito ISO 105-X12 e a sublimação pelo método de carimbo térmico adequado, todos citados aqui como texto simples. O fabricante do masterbatch deve manter dossiês de qualificação para cada combinação de cor e fibra, para que o fio pode ver evidências de que o produto atende às classificações do contrato antes de o comprometer a uma linha de denier fino. Esta documentação faz parte do que justifica um nível de custo mais alto para um masterbatch de grau de fibra em comparação com uma alternativa comercial.
Testees de controle de qualidade recomendados
| Testee | Método de referência | Frequência | O que protege |
|---|---|---|---|
| Valor da pressão do filtro | Rheômetro de tela-pacote, base ASTM D3835 | Cada lote | Obstrução do bloco de embalagem por centrifugação |
| Velocidade de fluxo do material fundido | ISO 1133 | Cada lote | Identidade do veículo |
| Contenção de umidade | Forno gravimétrico ou analisador | Cada lote | Gelo e quebra |
| Resistência à luz | ISO 105-B02 | Durante a qualificação | Envelhecimento ao ar livre |
| Resistência à lavagem e à abrasão | ISO 105-C06, ISO 105-X12 | Durante a qualificação | Desempenho para uso final |
Além dos testes de lançamento, o fabricante de misturas deve realizar um teste periódico de centrifugação na linha de fibra real, pois a prova definitiva da qualidade da fibra é a centrifugação limpa com baixo número de rupturas no denier especificado. Muitas disputas entre o fornecedor de misturas e o fabricante de máquinas de tecer são resolvidas apenas por meio de um teste desse tipo, que expõe as interações entre a relação de descida, a geometria da tecelagem e a mistura, que nenhum teste de laboratório consegue capturar completamente. Incorporar o teste de centrifugação à qualificação e repeti-lo após qualquer alteração da fórmula protege ambas as partes e mantém as linhas de denier finas em funcionamento.
Aplicações em diferentes tipos de fibra
O masterbatch de cor serve um amplo conjunto de tipos de fibras, e os requisitos de fixação e dispersão variam de acordo com cada um. O fio de carpete BCF de polipropileno é o maior mercado, onde a fixação à luz, a fixação ao atrito e um valor de pressão de filtro muito baixo permitem a produção contínua de linhas de carpete; a mesma química de PP aparece em fibras staple para não tecidos, estofos e tecidos geotêxteicos, onde o nível de custo e a cor consistente muitas vezes superam a extrema fixação. A fita de polietileno e o monofilamento para rafia, corda e mobiliário exterior necessitam de pigmentos estáveis à luz UV e de um veículo de PE. Os fios POY e DTY de poliéster para vestuário exigem a mais estreita dispersão devido ao denier fino e à alta temperatura de fiação, além de uma forte fixação por sublimação para tecidos fixados por calor e impressos por transferência.
As fibras de poliamida para tapetes e têxteis técnicos necessitam de um portador de PA e pigmentos estáveis à temperatura mais elevada de filamento de PA, com excelente resistência à luz para os mercados automotivo e de contratos. Fibras especiais, como fios industriais tingidos em solução, misturas de aramida e formulações condutoras ou retardadoras de chama, impõem restrições de compatibilidade aditiva, mas seguem a mesma lógica de mistura: combinar o portador, dispersar com firmeza, verificar o valor da pressão do filtro e qualificar a resistência para o uso final. Em todos estes casos, o fabricante de misturas que pode documentar os dados de dispersão e resistência ganha o status de fornecedor qualificado, que garante repetidos pedidos.
Requisitos de masterbatch por tipo de fibra
| Tipo de fibra | Transportador | Resistência crítica | Demanda de dispersão |
|---|---|---|---|
| Tapete PP BCF | PP | Luz, esfregar | Valor de pressão do filtro baixo |
| PP não tecido em fio | PP | Lavar, claro | Médio |
| PET POY ou DTY | PET ou copoliéster | Sublimação, lavagem | Muito alto |
| Tapete PA ou técnico | PA 6 ou PA 66 | Luz, calor | Alto |
| Fita PE ou monofilamento | PE | Clima, tempo | Médio |
A lógica económica em todos estes mercados é consistente: o masterbatch representa uma pequena fração do custo da fibra, mas decide se a fibra pode ser produzida e se atende aos requisitos de resistência. Pagar um nível de custo mais elevado por um masterbatch de qualidade para fibras, com baixo valor de pressão de filtração e certificação de resistência, é quase sempre mais barato do que o tempo de inatividade, o produto de qualidade inferior e as reclamações que podem surgir a partir de um produto de qualidade inferior. Esta é a proposta de valor que a rede de fábricas especializadas da Wanplas apoia, com a Kerke fornecendo as linhas de mistura de dois parafusos e o know-how de aplicação associado.
Perguntas Frequentes
Qual é a diferença entre pigmento e corante para fibras têxteis?
Os pigmentos são partículas insolúveis dispersas no polímero e são naturalmente resistentes à lavagem e à luz, enquanto os corantes dissolvem-se na fibra e podem migrar ou sublimar. O masterbatch para fibras de fiação por fusão utiliza pigmentos, pois estes sobrevivem à máquina de fiação e permanecem presos no filamento. O compromisso é que os pigmentos exigem uma excelente dispersão para evitar o bloqueio da máquina de fiação.
Por que ocorre a quebra do filamento na fiação de denier finos?
Uma partícula maior do que o capilar da spinneret, como um aglomerado de pigmento não disperso, um gel ou um grão de suporte incompatível, localmente enfraquece ou bloqueia o filamento, fazendo-o quebrar sob a tensão de tração; a causa fundamental é quase sempre a qualidade da dispersão do masterbatch e a compatibilidade do suporte. A secagem e a manutenção do pacote de tela do lado do moedor ajudam, mas o defeito se origina no grão.
Qual é o valor da pressão do filtro e por que é importante?
O valor da pressão do filtro é a taxa de aumento de pressão quando o fundido de masterbatch é forçado através de um pacote de tela padronizado; um valor alto indica aglomerados e gel que bloquearão os orifícios da máquina de filamento e causará fios quebrados em fios de denier finos. É o número de especificação de entrada mais útil para um masterbatch de fibra.
Quais testes de resistência se aplicam ao masterbatch de cor de fibra?
O conjunto básico inclui resistência à luz de acordo com a norma ISO 105-B02, resistência ao lavagem de acordo com a norma ISO 105-C06, resistência ao atrito ou à deformação por amassamento de acordo com a norma ISO 105-X12 e resistência à sublimação por métodos de estampagem a quente, todos referenciados aqui como texto simples sem links. As classificações exatas necessárias dependem do uso final, desde o setor automóvel até o de vestuário.
Como posso combinar o portador de masterbatch com o polímero de fibra?
Utilize a mesma família de polímeros: suporte de polipropileno para fibras de PP, suporte de poliéster ou copolíester para fibras de PET, suporte de poliamida para fibras de PA, de modo que o suporte se funda completamente na matriz e não deixe nenhum grão não fundido. A correspondência do índice de fluxo de fusão ao grau da fibra é igualmente importante.
É possível utilizar o mesmo masterbatch para fibras de PP e PET?
Não, porque os portadores são incompatíveis; um masterbatch de portador PP na filiação de PET deixa partículas não fundidas que causam quebras e baixa resistência, por isso é necessário um grau separado adequado a cada polímero de fibra. O uso de um masterbatch em polímeros não relacionados é um erro comum e caro.
Qual o pigmento que oferece a melhor resistência à luz em fibras para exteriores?
Os pigmentos inorgânicos e os orgânicos de alta performance, como o azul e o verde de ftalocianina, a quinacridona e as tintas vermelhas DPP, apresentam classificações de 7 a 8 na escala de lã azul, enquanto muitos pigmentos azo de baixo custo desbotam rapidamente à luz do sol. Para fibras para exteriores ou para o setor automóvel, a classe de alta performance é a escolha segura, apesar de um nível de custo mais elevado.
Qual extrusora é melhor para masterbatch de pigmentos têxteis?
Uma extrusora co-rotante paralela de dois parafusos, com forte amassamento dispersivo e boa devolatilização a vácuo, como a série KTE da Kerke, da rede de fábricas Wanplas, produz a dispersão de baixo valor de pressão de filtro que é exigida pela fiação de denier finos. Seu parafuso modular permite que o composto coloque uma forte cisalhamento exatamente onde o pigmento precisa.
Conclusão
O masterbatch de cor para fibras têxteis tem sucesso ou fracassa em três propriedades interligadas: a química do pigmento que mantém a cor sob luz, lavagem, atrito e calor; a dispersão suficientemente fina para passar por um spinneret de vinte micrómetros sem bloqueio; e um porta-voz combinado de forma tão completa com o polímero da fibra que nenhuma segunda fase sobrevive. A resistência à luz, à lavagem, ao atrito e à sublimação é definida por escolhas distintas, desde o grau do pigmento até a estabilidade dos aditivos, e deve ser especificada para cada uso final, em vez de ser presumida. O valor de pressão de filtro é a porta quantitativa que prova a dispersão e é o número que prediz se o fio de denier fino vai se enrolar limpo ou se vai quebrar.
Para os produtores de masterbatch e os fabricantes de fios integrados, o caminho para a qualidade de fibra passa pela compoção em dupla hélice dispersiva com rigoroso controle de temperatura, devolatilização a vácuo e um protocolo de qualidade rigoroso de valores de pressão do filtro, fluxo de fusão, umidade e testes de resistência. A Kerke, uma fábrica da Wanplas, fornece os extrusores co-rotativos de dois parafusos da série KTE e o conhecimento técnico necessário para este trabalho, apoiado pelas normas de serviço compartilhadas da rede Wanplas, incluindo um limite anual de peças gratuitas e comissionamento no local. Fale com a equipe técnica da Kerke para especificar a configuração dos parafusos, a alimentação lateral e a configuração de pelotização que fornecerão um masterbatch de cor com valor de pressão no filtro baixo, com qualidade de fixação, para o seu tipo exato de fibra, desde tapetes de PP até fios de PET e PA de denier finos.
