Estudio de las variables de texturación mediante el concepto de la energía de deformación de los filamentos.

Estudio de las variables de texturación mediante el concepto de la energía de deformación de los filamentos A. Naik, Ing. Ind. E. Valencia, Dr. Ing. RESUMEN La fuerza de contracción de los hilos texturados ha sido medida utilizando una cámara térmica acoplada al dinamómetro Instron 3111. La transferencia del calor en el filamento durante el proceso de texturación, la energía de deformación del filamento individual, y la velocidad de la absorción de la energía, han sido estudiadas con respecto a la falsa torsión introducida, la sobrealimentación de la zona de texturación, y la temperatura del 1.'' y 2.0 horno. El hilo ensayado fue poliéster texturado y fijado. En las conclusiones, ciertos parámetros han sido identificados como los que tienen una influencia importante en la deformación de los filamentos durante el proceso de texturación por el sistema de falsa torsión. RESUME La force ,de rétraction des fils texturés a été mésurée dedans une chambre thérmique ajoutée au dynamométre Instron 3111. La transférence de chaleur aux filaments pendant le procésus de texturation, ainsi que l'énergie de deformation du filament et 'la vitesse d'absorption de l'énergie, ont été étudiées part rapport a la fausse torsion introduite, la suralimentation a la zone de texturation et les températures du prémier four et du deuxieme four. Le fil essayé a été de polyester texíuré et fixé. Sur les conclussions, certains paramktres ont été identifiés comme les plus influents sur la déformation des filaments pendant le procésus de texturation par fausse torsion ou décrépage. SUMMARY The crimp contraction force has been measured on single textured yarns surrounded by a heating chamber on an Instron 3111 tensile tester. The heat transfer into the filament during texturing, the deformation energy of the single filaments, and rate of energy absorption have been studied in relatioii to rate of false-twisting, overfeed, heating chamber temperature, and the ternperature of the second heating zone. The yarn in the experiments was polyester set yarn. In the conclusions certain parameters are identified as having important influence on filament deformation during false-twist texturing. BOL. INST. INV. TEXTIL TARRASA, N," 73, 1978 11 1. INTRODUCCION El proceso de texturación produce cambios estructurales en los filamentos continuos. Estos cambios son debidos al tratamiento térmico dando como resultado una distribución bilateral asimétrica a lo largo del filamento. El grado de estas diferencias estructurales depende de las variables del proceso de texturación. Esto es particularmente cierto para los hilos texturados poiel sistema de falsa torsión que imparte unas características especiales al hilo así tratado. Es preciso que el texturador conozca el destino final del hilo texturado para así poder establecer las condiciones óptimas del proceso de texturación, así como las características fundamentales del hilo que se recibe de la productora de fibras. Debe procurarse reducir las manipulaciones de los hilos texturados al mínimo posible para evitar depreciación de dichos hilos. Generalmente en la industria, por los motivos de control de calidad, un hilo texturado viene caracterizado por sus parámetros físicos y su afinidad a la tintura. La mayoría de estas propiedades físicas están basadas en la medición de las madeJas cargadas bajo distintos pesos. Los aparatos necesarios para ensayar son generalmente bastante seilcillos y económicos. Recientemente se ha introducido otra característica de gran importancia, que es la fuerza de contracción (l), medida mediante un aparato diseñado por el Shirley Institute, cuando el hilo está en condiciones dinámicas. En el presente trabajo se pretende medir esta fuerza utilizando un Instron Modelo 3111, al que se ha acoplado una cámara térmica cuya teinperatura máxima alcanzable es de 200" C. Simultáneamente se midió la contracción utilizando un dispositivo especial. A partir de los valores obtenidos para la fuerza y la contracción, se determinó la energía de deformación de los filamentos. Para la predicción del comportamiento del nilo una vez que esté transformado en tejido de punto o de calada, el conocimiento de la fuerza de contracción durante la relajación del tejido es importante. Esta fuerza es responsable del colapso que tiene lugar en el hilo dentro del tejido. La medición de esta fuerza en un hilo independiente es bastante difícil, ya que la fuerza ejercida es de una magnitud muy pequeña. Por otra parte, es importante que esta fuerza sea medida bajo las mismas o similares condiciones de relajación. Los hilos de poliamida pueden adquirir fácilmente un rizado cuando son sumergidos en agua a temperatura ainbierital, como en e! casi de! e~sayayo «H.A.T.R.A. Crimp Rigidity tests; sin embargo, los hilos de poliéster no se rizan fácilmente con tanta intensidad cuando están relajados en las mismas condiciones. Por lo tanto, basándose en la experiencia de ensayos de retracción por aire caliente, y a causa dc las características del aparato, se eligió corno medio más conveniente para la relajación del hilo, el aire caliente. El hecho de que las fuerzas de contracción vengan acompañadas de una disminución de la longitud clel hilo, nos sugirió que se podría enfocar este estudio desde el punto de vista de la energía de deformación, U, absorbida por los filamentos, considerando el comportamiento del hilo, análogo al de un cuerpo elástico sometido a una tensión. Para ello se han determinado los diagramas de fuerza de contracción en función de la deformación, a partir de los cuales se calculan los valores de U, y los de la velocidad 'de absorción de energía (concepto que se define en el texto más adelante). Consideramos que 12 BOL. INST. INV. TEXTIL TARRASA, N." 73, 1978 estos tres valores medidos -fuerza de contracción elástica, energía de deformación y velocidad de absorción de la energíason fundamen.tales para la caracterización de las variables de texturación. 2. TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS FILAMENTOS DURANTE EL TRATAMIENTO DE TEXTURACION Se parte de la fórmula empírica utilizada en la práctica que nos indica que el tiempo mínimo de tratamiento del hilo en la zona de calefacción, debe ser de 0,3 seg. En los sisCemas actuales de calefacción, tanto la concepción de la máquina como el recorrido del hilo y las condiciones mecánicas, están determinadas en alto grado por la longitud necesaria del calentador, el rendimiento del cual en la transmisión del calor es, en este caso, muy reducido. De entre todos los sistemas conocidos de calefacción, se han impuesto los llamados calentadores de contacto, 'por su sencilla manejabilidad. La transmisión de calor a los hilos en movimiento rotatorio y axial, se lleva a cabo principalmente por convección de calor y no por la conducción del calor de la superficie de la placa calentadora. Si tomamos un hilo constituido por un solo filamento, un segundo hilo formado por varios filamentos ligeramente torcidos y un tercero formado por varios filamentos con una torsión saturante, el problema de la transmisión calorífica cuando este hiio está en movimiento puede plantearse de la siguiente forma: el calor debería penetrar hasta el centro de cada filamento que constituye cada uno de los hilos. Prácticamente la velocidad de penetración ciel calor hacia el interior del hilo está en función de la diferencia de temperatura entre el calentador y el propio hilo. Naturalmente el calor llegaría más fácilmente al centro de un hilo fino que a otro grueso, pese a que la velocidad de penetración del calor es aproximadamente la misma en uno que en el otro; pero debemos tener en cuenta que no es posible elevar la temperatura por encima de un determinado valor, más allá del cual el exterior del hilo se degrada. En este experimento, el hilo permanece estático durante un cierto tiempo y la temperatura del horno del instrumento aumenta de 40°C a 200J C. Este tratamiento térmico del hilo durante un tiempo relativamente largo facilita la penetración del calor hasta el centro de cada filamento. Consideramos este factor importante para obtener resultados reproducibles y uniformes en cada serie de ensayos, y también porque puede compararse con otros procedimientos de control de calidad, como el ensayo de retracción por aire caliente donde la contracción máxima del hilo se consigue al penetrar el calor completamente en el filamento, ya que la madeja permanece en la estufa durante 5 minutos. 3. ENERGPA DE DEFORMACIBN DEL FILAMENTO Al someter los filamentos a un calentamiento progresivo, se contraen uniformemente. Si los dos extremos de un filamento están sujetos mediante mordazas que impiden su contracción por efecto de calentamiento, aparecen unas fuerzas de tracción que tenderán a deformarlo. Estas deformaciones son básicamente de dos tipos: elásticas y plásticas. Las primeras se caracterizan por ser de tal naturaleza que desaparecen al cesar el esfuerzo aplicado; las segundas, por el contrario, son permanentes, de modo que al liberar al cuerpo BOL. INST. INV. TEXTIL TARRASA, N," 73, 1978 13 del esfuerzo que actúa sobre él, éste conserva 12 forma adquirida en la situación que tenía cuando estaba cargado. El comportamiento de los filamentos textiles 2s idéntico al que se observa en los materiales corrientes de la coilstr~cció~~ (acero, hierro, hormigóri), cuando están sometidos a esfuerzos de tracción, compresión, flexión, torsión, etc. Los problemas de deformaciones elastop1ás:icas han sido ampliamente estudiados últimamente y sólo a título de ejempla se señalan las referencias indicadas en la bibliografía (2), (3), (6), (7), (8), (9) El distinto comportamiento de un cuerpo sometido a tensión puede caracterizarse de dos formas posibles. a). a través de las relaciones funcionales entr~ fuerza-deformación b). a través de la energía de deformación dada por la integral: 1 u = -J 4 Aij . Sej . Sei . dL Spi . 6pi . dL ............ / 1 i + S 2 donde U es la energía de deformación, L la magnitud que caracteriza geométricamente al cuerpo, Aij es un tensor de propiedad elástica; Sej . Sei son tensores elásticos, Spi . 6pi tensor plástico y 6' es la deformación plástica. Las i deformaciones elásticas vienen evidentemente dadas por: e e 8 = Aij 6 ........................... j 12 1 El primer término de la ecuación ( 1 1 representa la energía de deformación elástica: la energía que el cuerpo absorbe para deformarse y utiliza para recuperar su forma inicial, siempre y cuando la tensión aplicada no exceda el límite de proporcionalidad. El segundo término representa la energía 'de deformación plástica, también conocida como la energía consumida por el interior del cuerpo. Al eliminar la fuerza aplicada, el cuerpo no recupera su estado inicial, como en el primer caso. En otras palabras; cierta cantidad de la energía es consumida para romper las cadenas moleculares, lo cual da como resultado su deformación permanente. 4 - VELOCIDAD DE ABSORCION DE ENERGIA La velocidad de absorción 'de energía se valora como la energía absorbida por los filamentos en la unidad de tiempo. La velocidad de absorción de energía es una función de la velocidad de la penetración del calor, y depende de la temperatura ldel instrumento y de la historia térmica del hilo. Consideramos la curva de fuerza de contracción en función de la deformación. Fig. 1. Cada punto de la curva corresponde a la temperatura T de ensayo. Según esto, la velocidad de la absorción de la energía tendrá dos términos. a) La velocidad de absorción de la energía elástica viene dada por: área (ABE) ve ve = - -- tiempo te L BOL. INST. INV. TEXTIL TARRASA. N." 73, 1978 Fig. 1. - Fuerza F en función de deformación y b) la velocidad de absorción de energía plástica viene dada por área (BCDE) - VP v, = - -- tiempo t, t P 5 - OBJETO El objeto de este estudio es determinar la influencia de las variables de texturación sobre: la fuerza de contracción, la deformación del filamento y la velocidad de absorción de energía. Cuando estas características han sido halladas, se pueden caracterizar los hilos texturados, prediciendo su comportamiento en el tejido. 6 - PARTE EXPERIMENTAL 6.1 - Material empleado Para llevar a cabo este estudio, hemos empleado poliéster de 167 dtex, 34 filamentos, texturado por el sistema de falsa torsión (decrepado) bajo distintas condiciones de texturación, que están indicadas en la Tabla n.? 1. ,6.2 - Aparatos empleados - Un dinamómetro Instron Modelo 3111, con una cámara termostatizada. La temperatura instantánea es medida por un termómetro convenientemente instalado. Usando este aparato se obtuvieron directamente las curvas de fuerza de contracción en función de la temperatura del instrumento. - Un dispositivo especial en forma de tornillo micrométrico, para medir la deformación en función de la contracción sufrida por los filamentos durante el tratamiento térmico. La sensibilidad del instrumento fue obtenida al determinar los valores iniciales de sus variables, ya que el hilo permanece estacionario en la cámara térmica, y las variables fueron reducidas a 'dos: temperatura del instrumento (cámara térmica) y tensión aplicada al hilo. La cámara fue calibrada deter. minando la velocidad de calentamiento. Se obtuvo una relación lineal con respecto al tiempo. 'BOL. INST. INV. TEXTIL TARRASA, N," 73, 1978 15 TABLA 1 Poliéster fijado 167 dtex 34 filamentos. Velocidad del husillo: 333.000 v/min. Temp. del Temp. del Falsa torSobrenliler. horno 2.O horno sión introd. mentación Muestra o C Td OC Tf tlm Ft % S Los primeros ensayos fueron realizados sobre hilo individual, utilizando la escala mínima #del Instron. $Pero la fuerza de contracción ejercida por e1 hilo a temperatura inferior era tan pequeña que no fue posible registrarla. Entonces se decidió utilizar como probeta el hilo en forma de madeja. La mayoría de los ensayos para medir la retracción de los hilos texturados están basados en la medición de una madeja tratada en distintos medios y temperaturas. - Se aplicó una tensión constante a la madeja, lo cual fue relativamente fácil, ajustando la pluma de registro gráfico siempre en la misma posición. La distancia entre las dos mordazas del Instron era constante: 30 cm. Es decir, la longitud de la probeta era de 30 'cm. 6.3 - Resultados experimentales Se obtuvieron dos tipos de curvas en el Instron: 6.3.1 - Curvas de fuerza de contracción en función de ,la temperatura de1 instrumento. Para ello se sujetó a la madeja de hilo de 5 vueltas (título global de la madeja = 1.670 dtex) mediante dos mordazas fiias, situadas dentro de la cámara térmica, cuya temperatura se aumentó gra-dualmente desde 30D C hasta 2000 C. 6.3.2 - Curvas de deformación en función de la temperatura, obtenidas sujetando la madeja por una mordaza inferior, pasando el otro extremo de 16 BOL. INST. INV. TEXTIL TARRASA, N," 73, 1978 TABLA 11 Fuerza de contrsxión ejercida por poliéster texturado (FTF) 1/167/34 --A - - -- - - - -- - Temp. del Instrumento Temp. ler. horno C Temp. del 2.O horno O C Falsa torsión Tlpm Sobrealimentación % Fig. 2 - Fuerza de contracción ejercida por hilos texiurados a distintas temperaturas del primer horno, en función de la temperatura de cámara térmica. Fig. 3. - Fuerza de contracción ejercida por hilos texturados a distintas temperaturas del segundo horno, en función de la temperatura de la cámara térmica. -*-*--- .-a 10 ID 60 IP 1 <a ino ii jio ia iio tia im w leo iia ipo - rq -rc Fig. 4. - Fuerza de contracción ejercida por hilos textu. rados a distintos niveles de torsión, en función de la temperatura de la cámara térmica. Fig. 5. - Fuerza de contracción ejercida por hilos texturados a distintos niveles de sobrealimentación, en función de la temperatura de la cámara térmica. la madeja por un alambre en forma de gancho de tal forma que tenía libertad de movimiento. La tensión en la madeja fue controlada aplicando un contrapeso de forma tal que la distancia entre los dos extremos de la madeja siempre era de 30 cm. El contrapeso pasaba sobre una polea y su desplazamiento hacia arriba o hacia abajo correspondía a la contracción o alargamiento que sufría la madeja en la cámara térmica. Este desplazamiento del peso fue medido mediante un tornillo micrométrico. A través de estas dos curvas se obtuvieron las gráficas de fuerza de contracción en función de la deformación. Los valores de fuerza de contracción en función de la temperatura del instrumento están indicados en la Tabla 11. La Tabla 111 resume los valores de la energía de deformación calculados. Los valores de la velocidad de absorción de la energía están tabulados en Tabla IV. 18 BOL. INST. INV. TEXTIL TARRASA, N," 73, 1978 7 - DISCUSION Las curvas de fuerza de contracción en función de la temperatura del instrumento o cámara térmica están indicadas en las Figs. 2, 3, 4 y 5. La Fig. 2 corresponde a los hilos texturados cuya temperatura de deformación Td (temperatura del primer horno) son 200, 210, 220 y 230" C. Se observa el mismo fenómeno en las cuatro curvas: la variación en la fuerza de contracción con respecto a la temperatura se manifiesta claramente. Es bien conocido que los polímeros semicristalinos, generalmente cambian sus propiedades físicas cuando están sometidos a temperaturas elevadas, pero inferiores a su punto de fusión. Esios cambios están relacionados con la alteración de su estructura morfológica e indican que en la mayoría de los casos el polímero no está en estado de equilibrio termodinámicamente. Por lo tanto, el tratamiento térmico da lugar a una reorganización de la estructura. Pueden darse tres tipos de alteraciones estructurales: reversible, cuasi-reversible y deformación permanente. Teniendo esto en cuenta, en las curvas anteriores se observan tres zonas: 1). Al aumentar la temperatura del instrumento T, la fuerza de contracción aumenta. Esta 'parte de la curva puede subdividirse en dos zonas; de 40" C a 70°C correspondiente a la zona elástica y de 70u a 90° C a la zona plástica. 2). Zona en que la fuerza de contracción disminuye bajo aumentos en la temperatura )del instrumento. 3). Zona en que la fuerza de contracción vuelve a aumentar cuando aumenta 'la temperatura. En esta zona se produce la degradación del filamento por el calor. El fenómeno observado en la primera zona tiene :a siguiente posible explicación: el aumento de la temperatura provoca la desorientación de las zonas cristalinas del filamento y conduce a un aumento de la fuerza !de contracción. De los resultados obtenidos podemos deducir que para una temperatura determinada T, de la cámara térmica el hilo que ejerce máxima fuerza de contracción es aquel cuya T'd (temperatura del primer horno) también sea más elevada; es decir FTd (para 230") 1 Ftd (para 200" C). Este hecho también viene confirmado en otro trabajo (1). Para todos los hilos ensayados, la máxima fuerza de contracción registrada lo fue para la temperatura T de 90" C. En un trabajo previo de Denton (1) la máxima fuerza de contracción correspondía a la temperatura T de 120°C. En nuestro trabajo, al estar el hilo estacionario en la cámara térmica, queda saturado de calor a temperatura inferior, concretamente a 90°C. Parece ser que a la temperatura T = 90" C, la máxima fuerza de contracción ejercida por el hilo no produce ningún cambio en el grado de cristalinidad existente en los filamentos, sino que se limita a superar las atracciones intramoleculares. La segunda zona de la curva puede considerarse como una zona de período de transición, durante el cual no ocurren cambios sustanciales en los filamentos. La fuerza de contracción tiende a disminuir, lo cual conduce a la degradación gradual del filamento. Una de las propiedades importantes derivadas de estas curvas, es el comportamiento térmico de la memoria del polímero. Los polímeros tienen la capacidad de retener su historia térmica, que manifiestan cuando están tratados en condiciones similares. Vamos a considerar los puntos entre las zonas segunda y tercera >de la curva. En estos puntos reservisibles de la curva se produce cierta recristalización de los filamentos. Por ejemplo, para el hilo BOL. INST. INV. TEXTIL TARRASA, N." 73, 1978 19 8.5 - La temperatura del primer horno y la falsa torsión introducida son dos importantes variables de texturación, que son responsables de la deformación de los filamentos ,durante el proceso de texturación. BIBLIOGRAFIA (1) Denton, M. 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