Es udio de las a iables de ex u ación
median e
el
concep o de la ene gía
de de o mación de los ilamen os
A.
Naik,
Ing. Ind.
E.
Valencia,
D . Ing.
RESUMEN
La ue za de con acción de los hilos ex u ados ha sido medida u ilizan-
do una cáma a é mica acoplada al dinamóme o Ins on 3111. La ans e-
encia del calo en el ilamen o du an e el p oceso de ex u ación, la ene gía
de de o mación del ilamen o indi idual, y la elocidad de la abso ción de la
ene gía, han sido es udiadas con espec o a la alsa o sión in oducida, la
sob ealimen ación de la zona de ex u ación, y la empe a u a del
1.''
y
2.0
ho no. El hilo ensayado ue poliés e ex u ado y ijado. En las conclusiones,
cie os pa áme os han sido iden i icados como los que ienen una in luencia
impo an e en la de o mación de los ilamen os du an e el p oceso de ex u-
ación po el sis ema de alsa o sión.
RESUME
La o ce ,de é ac ion des ils ex u és a é é mésu ée dedans une chamb e
hé mique ajou ée au dynamomé e Ins on 3111. La ans é ence de chaleu
aux ilamen s pendan le p océsus de ex u a ion, ainsi que l'éne gie de de o -
ma ion du ilamen e 'la i esse d'abso p ion de l'éne gie, on é é é udiées
pa appo
a
la ausse o sion in odui e, la su alimen a ion
a
la zone de
ex u a ion e les empé a u es du p émie ou e du deuxieme ou . Le
il
essayé a é é de polyes e exíu é e ixé. Su les conclussions, ce ains pa a-
mk es on é é iden i iés comme les plus in luen s su la dé o ma ion des
ilamen s pendan le p océsus de ex u a ion pa ausse o sion ou déc épage.
SUMMARY
The c imp con ac ion o ce has been measu ed on single ex u ed ya ns
su ounded by a hea ing chambe on an Ins on 3111 ensile es e . The hea
ans e in o he ilamen du ing ex u ing, he de o ma ion ene gy o he
single ilamen s, and a e o ene gy abso p ion ha e been s udied in ela ioii
o a e o alse- wis ing, o e eed, hea ing chambe empe a u e, and he e n-
pe a u e o he second hea ing zone. The ya n in he expe imen s was polyes e
se ya n. In he conclusions ce ain pa ame e s a e iden i ied as ha ing impo -
an in luence on ilamen de o ma ion du ing alse- wis ex u ing.
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73,
1978
11
1.
INTRODUCCION
El p oceso de ex u ación p oduce cambios es uc u ales en los ilamen os
con inuos. Es os cambios son debidos al a amien o é mico dando como
esul ado una dis ibución bila e al asimé ica a lo la go del ilamen o. El
g ado de es as di e encias es uc u ales depende de las a iables del p oceso
de ex u ación. Es o es pa icula men e cie o pa a los hilos ex u ados poi-
el sis ema de alsa o sión que impa e unas ca ac e ís icas especiales al hilo
así a ado.
Es p eciso que el ex u ado conozca el des ino inal del hilo ex u ado
pa a así pode es ablece las condiciones óp imas del p oceso de ex u ación,
así como las ca ac e ís icas undamen ales del hilo que se ecibe de la p o-
duc o a de ib as. Debe p ocu a se educi las manipulaciones de los hilos
ex u ados al mínimo posible pa a e i a dep eciación de dichos hilos. Gene-
almen e en la indus ia, po los mo i os de con ol de calidad, un hilo ex-
u ado iene ca ac e izado po sus pa áme os ísicos y su a inidad a la in u a.
La mayo ía de es as p opiedades ísicas es án basadas en la medición de las
madeJas ca gadas bajo dis in os pesos. Los apa a os necesa ios pa a ensaya
son gene almen e bas an e seilcillos y económicos. Recien emen e se ha
in oducido o a ca ac e ís ica de g an impo ancia, que es la ue za de
con acción (l), medida median e un apa a o diseñado po el Shi ley Ins i u e,
cuando el hilo es á en condiciones dinámicas.
En el p esen e abajo se p e ende medi es a ue za u ilizando un
Ins on Modelo 3111, al que se ha acoplado una cáma a é mica cuya einpe-
a u a máxima alcanzable es de
200"
C.
Simul áneamen e se midió la con ac-
ción u ilizando un disposi i o especial.
A
pa i de los alo es ob enidos pa a
la ue za
y
la con acción, se de e minó la ene gía de de o mación de los
ilamen os.
Pa a la p edicción del compo amien o del nilo una ez que es é ans-
o mado en ejido de pun o o de calada, el conocimien o de la ue za de
con acción du an e la elajación del ejido es impo an e. Es a ue za es
esponsable del colapso que iene luga en el hilo den o del ejido. La medi-
ción de es a ue za en un hilo independien e es bas an e di ícil, ya que la
ue za eje cida es de una magni ud muy pequeña. Po o a pa e, es impo -
an e que es a ue za sea medida
bajo
las mismas o simila es condiciones de
elajación.
Los hilos de poliamida pueden adqui i ácilmen e un izado cuando son
sume gidos
en
agua a empe a u a ainbie i al, como en e!
casi
de!
e~sayayo
«H.A.T.R.A. C imp Rigidi y es s; sin emba go, los hilos de poliés e no se
izan ácilmen e con an a in ensidad cuando es án elajados en las mismas
condiciones. Po lo an o, basándose en la expe iencia de ensayos de e acción
po ai e calien e, y a causa dc las ca ac e ís icas del apa a o, se eligió co no
medio más con enien e pa a la elajación del hilo, el ai e calien e.
El hecho de que las ue zas de con acción engan acompañadas de una
disminución de
la
longi ud clel hilo, nos sugi ió que se pod ía en oca es e
es udio desde el pun o de is a
de
la ene gía de de o mación,
U,
abso bida po
los ilamen os, conside ando el compo amien o del hilo, análogo al de
un
cue po elás ico some ido a una ensión. Pa a ello se han de e minado los dia-
g amas de ue za de con acción en unción de la de o mación, a pa i de
los cuales se calculan los alo es de
U,
y
los de la elocidad 'de abso ción de
ene gía (concep o que se de ine en el ex o más adelan e). Conside amos que
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es os es alo es medidos - ue za de con acción elás ica, ene gía de de o -
mación y elocidad de abso ción de la ene gía- son undamen. ales pa a la
ca ac e ización de las a iables de ex u ación.
2.
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS FILAMENTOS DURANTE
EL TRATAMIENTO DE TEXTURACION
Se pa e de la ó mula empí ica u ilizada en la p ác ica que nos indica
que el iempo mínimo de a amien o del hilo en la zona de cale acción, debe
se de
0,3
seg. En los sisCemas ac uales de cale acción, an o la concepción
de la máquina como el eco ido del hilo
y
las condiciones mecánicas, es án
de e minadas en al o g ado po la longi ud necesa ia del calen ado , el endi-
mien o del cual en la ansmisión del calo es, en es e caso, muy educido.
De en e odos los sis emas conocidos de cale acción, se han impues o
los llamados calen ado es de con ac o, 'po su sencilla manejabilidad. La ans-
misión de calo a los hilos en mo imien o o a o io y axial, se lle a a cabo
p incipalmen e po con ección de calo
y
no po la conducción del calo de la
supe icie de la placa calen ado a.
Si omamos un hilo cons i uido po un solo ilamen o, un segundo hilo
o mado po a ios ilamen os lige amen e o cidos y un e ce o o mado po
a ios ilamen os con una o sión sa u an e, el p oblema de la ansmisión
calo í ica cuando es e hiio es á en mo imien o puede plan ea se de la siguien e
o ma: el calo debe ía pene a has a el cen o de cada ilamen o que cons-
i uye cada uno de los hilos. P ác icamen e la elocidad de pene ación ciel
calo hacia el in e io del hilo es á en unción de la di e encia de empe a u a
en e el calen ado
y
el p opio hilo. Na u almen e el calo llega ía más ácil-
men e al cen o de un hilo ino que a o o g ueso, pese a que la elocidad de
pene ación del calo es ap oximadamen e la misma en uno que en el o o;
pe o debemos ene en cuen a que no es posible ele a la empe a u a po
encima de un de e minado alo , más allá del cual el ex e io del hilo se
deg ada.
En es e expe imen o, el hilo pe manece es á ico du an e un cie o iempo
y
la empe a u a del ho no del ins umen o aumen a de
40°C
a
200J
C.
Es e
a amien o é mico del hilo du an e un iempo ela i amen e la go acili a
la pene ación del calo has a el cen o de cada ilamen o. Conside amos es e
ac o impo an e pa a ob ene esul ados ep oducibles
y
uni o mes en cada
se ie de ensayos, y ambién po que puede compa a se con o os p ocedimien-
os de con ol de calidad, como el ensayo de e acción po ai e calien e donde
la con acción máxima del hilo se consigue al pene a el calo comple amen e
en el ilamen o, ya que la madeja pe manece en la es u a du an e
5
minu os.
3.
ENERGPA DE DEFORMACIBN DEL FILAMENTO
Al some e los ilamen os a un calen amien o p og esi o, se con aen
uni o memen e. Si los dos ex emos de un ilamen o es án suje os median e
mo dazas que impiden su con acción po e ec o de calen amien o, apa ecen
unas ue zas de acción que ende án a de o ma lo. Es as de o maciones son
básicamen e de dos ipos: elás icas y plás icas. Las p ime as se ca ac e izan
po se de al na u aleza que desapa ecen al cesa el es ue zo aplicado; las se-
gundas, po el con a io, son pe manen es, de modo que al libe a al cue po
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del es ue zo que ac úa sob e él, és e conse a 12 o ma adqui ida en la si ua-
ción que enía cuando es aba ca gado.
El compo amien o de los ilamen os ex iles 2s idén ico al que se obse a
en los ma e iales co ien es de la coils ~cció~~ (ace o, hie o, ho migó i),
cuando es án some idos a es ue zos de acción, comp esión, lexión, o sión,
e c. Los p oblemas de de o maciones elas op1ás:icas han sido ampliamen e
es udiados úl imamen e
y
sólo a í ulo de ejempla se señalan las e e encias
indicadas en la bibliog a ía (2),
(3),
(6),
(7),
(8),
(9)
El dis in o compo amien o de un cue po some ido a ensión puede ca ac-
e iza se de dos o mas posibles.
a). a a és de las elaciones uncionales en ~ ue za-de o mación
b). a a és de la ene gía de de o mación dada po la in eg al:
1
u
=
-J
4
Aij
.
Sej
.
Sei
.
dL Spi
.
6pi
.
dL
............
/
1
i
+
S
2
donde
U
es la ene gía de de o mación,
L
la magni ud que ca ac e iza geomé-
icamen e al cue po, Aij es un enso de p opiedad elás ica; Sej
.
Sei son en-
so es elás icos, Spi
.
6pi enso plás ico y
6'
es la de o mación plás ica. Las
i
de o maciones elás icas ienen e iden emen e dadas po :
e e
8
=
Aij
6
...........................
j
12
1
El p ime é mino de la ecuación
(
1
1
ep esen a la ene gía de de o ma-
ción elás ica: la ene gía que el cue po abso be pa a de o ma se
y
u iliza pa a
ecupe a su o ma inicial, siemp e
y
cuando la ensión aplicada no exceda
el lími e de p opo cionalidad. El segundo é mino ep esen a la ene gía 'de
de o mación plás ica, ambién conocida como la ene gía consumida po el
in e io del cue po. Al elimina la ue za aplicada, el cue po no ecupe a su
es ado inicial, como en el p ime caso. En o as palab as; cie a can idad de
la ene gía es consumida pa a ompe las cadenas molecula es, lo cual da como
esul ado su de o mación pe manen e.
4
-
VELOCIDAD DE ABSORCION DE ENERGIA
La elocidad de abso ción 'de ene gía se alo a como la ene gía abso bida
po los ilamen os en la unidad de iempo.
La elocidad de abso ción de ene gía es una unción de la elocidad de la
pene ación del calo ,
y
depende de la empe a u a ldel ins umen o
y
de la
his o ia é mica del hilo.
Conside amos la cu a de ue za de con acción en unción de la de o ma-
ción. Fig.
1.
Cada pun o de la cu a co esponde a la empe a u a
T
de ensayo.
Según es o, la elocidad de la abso ción de la ene gía end á dos é minos.
a) La elocidad de abso ción de la ene gía elás ica iene dada po :
á ea (ABE)
e
e
=
-
--
iempo e
L
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Fig.
1.
-
Fue za
F
en unción de de o mación
y
b) la elocidad de abso ción de ene gía plás ica iene dada po
á ea (BCDE)
-
VP
,
=
-
--
iempo ,
P
5
-
OBJETO
El obje o de es e es udio es de e mina la in luencia de las a iables
de
ex u ación sob e: la ue za de con acción, la de o mación del ilamen o y la
elocidad de abso ción de ene gía. Cuando es as ca ac e ís icas han sido ha-
lladas, se pueden ca ac e iza los hilos ex u ados, p ediciendo su compo a-
mien o en el ejido.
6
-
PARTE EXPERIMENTAL
6.1
-
Ma e ial empleado
Pa a lle a a cabo es e es udio, hemos empleado poliés e de
167
d ex,
34
ilamen os, ex u ado po el sis ema de alsa o sión (dec epado) bajo dis-
in as condiciones de ex u ación, que es án indicadas en la Tabla n.?
1.
,6.2
-
Apa a os empleados
-
Un dinamóme o Ins on Modelo
3111,
con una cáma a e mos a izada.
La empe a u a ins an ánea es medida po un e móme o con enien emen e
ins alado. Usando es e apa a o se ob u ie on di ec amen e las cu as de ue za
de con acción en unción de la empe a u a del ins umen o.
-
Un disposi i o especial en o ma de o nillo mic omé ico, pa a medi
la de o mación en unción de la con acción su ida po los ilamen os du an e
el a amien o é mico.
La sensibilidad del ins umen o ue ob enida al de e mina los alo es
iniciales de sus a iables, ya que el hilo pe manece es aciona io en la cáma a
é mica, y las a iables ue on educidas a 'dos: empe a u a del ins umen o
(cáma a é mica)
y
ensión aplicada al hilo. La cáma a ue calib ada de e .
minando la elocidad de calen amien o. Se ob u o una elación lineal con
espec o al iempo.
'BOL.
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TABLA
1
Poliés e ijado
167
d ex 34 ilamen os.
Velocidad del husillo: 333.000 /min.
Temp. del Temp. del Falsa o - Sob enli-
le . ho no
2.O
ho no sión in od. men ación
Mues a
o
C
Td
OC
T lm F
%
S
Los p ime os ensayos ue on ealizados sob e hilo indi idual, u ilizando
la escala mínima #del Ins on. $Pe o la ue za de con acción eje cida po e1
hilo a empe a u a in e io e a an pequeña que no ue posible egis a la.
En onces se decidió u iliza como p obe a el hilo en o ma de madeja. La
mayo ía de los ensayos pa a medi la e acción de los hilos ex u ados es án
basados en la medición de una madeja a ada en dis in os medios
y
em-
pe a u as.
-
Se aplicó una ensión cons an e a la madeja, lo cual ue ela i amen e
ácil, ajus ando la pluma de egis o g á ico siemp e en la misma posición.
La dis ancia en e las dos mo dazas del Ins on e a cons an e:
30
cm.
Es
deci , la longi ud de la p obe a e a de
30
'cm.
6.3
-
Resul ados expe imen ales
Se ob u ie on dos ipos de cu as en el Ins on:
6.3.1
-
Cu as de ue za de con acción en unción de ,la empe a u a de1
ins umen o. Pa a ello se suje ó a la madeja de hilo de
5
uel as ( í ulo global
de la madeja
=
1.670
d ex) median e dos mo dazas iias, si uadas den o de
la cáma a é mica, cuya empe a u a se aumen ó g a-dualmen e desde
30D
C
has a
2000
C.
6.3.2
-
Cu as de de o mación en unción de la empe a u a, ob enidas
suje ando la madeja po una mo daza in e io , pasando el o o ex emo de
16
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TABLA
11
Fue za de con sxión eje cida po poliés e ex u ado
(FTF)
1/167/34
--A
-
-
--
-
-
-
--
-
Temp. del
Ins umen o Temp. le . ho no
C
Temp. del
2.O
ho no
O
C
Falsa o sión Tlpm Sob ealimen ación
%
Fig.
2
-
Fue za de con acción eje cida po hilos exiu-
ados a dis in as empe a u as del p ime ho no, en un-
ción de la empe a u a de cáma a é mica.
Fig.
3.
-
Fue za de con acción eje cida po hilos ex-
u ados a dis in as empe a u as del segundo ho no, en
unción de la empe a u a de la cáma a é mica.
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ID
60
IP
1
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ipo
-
q
- c
Fig.
4.
-
Fue za de con acción eje cida po hilos ex u.
ados a dis in os ni eles de o sión, en unción de la
empe a u a de la cáma a é mica.
Fig.
5.
-
Fue za de con acción eje cida po hilos ex-
u ados a dis in os ni eles de sob ealimen ación, en un-
ción de la empe a u a de la cáma a é mica.
la madeja po un alamb e en o ma de gancho de al o ma que enía libe ad
de mo imien o. La ensión en la madeja ue con olada aplicando un con a-
peso de o ma al que la dis ancia en e los dos ex emos de la madeja siemp e
e a de
30
cm. El con apeso pasaba sob e una polea
y
su desplazamien o hacia
a iba
o
hacia abajo co espondía a la con acción o ala gamien o que su ía
la madeja en la cáma a é mica. Es e desplazamien o del peso ue medido
median e un o nillo mic omé ico.
A
a és de es as dos cu as se ob u ie on las g á icas de ue za de con-
acción en unción de la de o mación.
Los alo es de ue za de con acción en unción de la empe a u a del ins-
umen o es án indicados en la Tabla
11.
La Tabla
111
esume los alo es de la
ene gía de de o mación calculados. Los alo es de la elocidad de abso ción
de la ene gía es án abulados en Tabla
IV.
18
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7
-
DISCUSION
Las cu as de ue za de con acción en unción de la empe a u a del
ins umen o o cáma a é mica es án indicadas en las Figs. 2, 3,
4
y
5.
La Fig. 2 co esponde a los hilos ex u ados cuya empe a u a de de o -
mación Td ( empe a u a del p ime ho no) son 200, 210, 220 y 230" C. Se ob-
se a el mismo enómeno en las cua o cu as: la a iación en la ue za de
con acción con espec o a la empe a u a se mani ies a cla amen e.
Es bien conocido que los políme os semic is alinos, gene almen e cambian
sus p opiedades ísicas cuando es án some idos a empe a u as ele adas, pe o
in e io es a su pun o de usión. Esios cambios es án elacionados con la
al e ación de su es uc u a mo ológica e indican que en la mayo ía de los
casos el políme o no es á en es ado de equilib io e modinámicamen e. Po lo
an o, el a amien o é mico da luga a una eo ganización de la es uc u a.
Pueden da se es ipos de al e aciones es uc u ales: e e sible, cuasi- e e si-
ble
y
de o mación pe manen e. Teniendo es o en cuen a, en las cu as an e-
io es se obse an es zonas:
1). Al aumen a la empe a u a del ins umen o
T,
la ue za de con ac-
ción aumen a. Es a 'pa e de la cu a puede subdi idi se en dos zonas; de
40"
C
a 70°C co espondien e a la zona elás ica y de 70u a 90° C a la zona plás ica.
2). Zona en que la ue za de con acción disminuye bajo aumen os en la
empe a u a )del ins umen o.
3).
Zona en que la ue za de con acción uel e a aumen a cuando
aumen a 'la empe a u a. En es a zona se p oduce la deg adación del ilamen o
po el calo .
El enómeno obse ado en la p ime a zona iene :a siguien e posible ex-
plicación: el aumen o de la empe a u a p o oca la deso ien ación de las zonas
c is alinas del ilamen o
y
conduce a un aumen o de la ue za !de con acción.
De los esul ados ob enidos podemos deduci que pa a una empe a u a
de e minada T, de la cáma a é mica el hilo que eje ce máxima ue za de
con acción es aquel cuya T'd ( empe a u a del p ime ho no) ambién sea
más ele ada; es deci FTd (pa a 230")
1
F d (pa a 200" C). Es e hecho ambién
iene con i mado en o o abajo (1). Pa a odos los hilos ensayados, la má-
xima ue za de con acción egis ada lo ue pa a la empe a u a T de 90" C.
En un abajo p e io de Den on (1) la máxima ue za de con acción co es-
pondía a la empe a u a T de 120°C. En nues o abajo, al es a el hilo
es aciona io en la cáma a é mica, queda sa u ado de calo a empe a u a
in e io , conc e amen e a 90°C. Pa ece se que a la empe a u a
T
=
90" C,
la máxima ue za de con acción eje cida po el hilo no p oduce ningún
cambio en el g ado de c is alinidad exis en e en los ilamen os, sino que se
limi a a supe a las a acciones in amolecula es.
La segunda zona de la cu a puede conside a se como una zona de
pe íodo de ansición, du an e el cual no ocu en cambios sus anciales en
los ilamen os. La ue za de con acción iende a disminui , lo cual conduce a
la deg adación g adual del ilamen o.
Una de las p opiedades impo an es de i adas de es as cu as, es el
compo amien o é mico de la memo ia del políme o. Los políme os ienen
la capacidad de e ene su his o ia é mica, que mani ies an cuando es án
a ados en condiciones simila es. Vamos a conside a los pun os en e las
zonas segunda y e ce a >de la cu a. En es os pun os ese isibles de la cu a
se p oduce cie a ec is alización de los ilamen os. Po ejemplo, pa a el hilo
BOL.
INST. INV. TEXTIL TARRASA, N." 73, 1978 19
8.5
-
La empe a u a del p ime ho no
y
la alsa o sión in oducida son
dos impo an es a iables de ex u ación, que son esponsables
de la de o mación de los ilamen os ,du an e el p oceso de ex-
u ación.
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