Desenvolvimento de uma estrutura têxtil de aquecimento por efeito de Joule

março de 2024 Universidade do Minho Escola de Engenharia José Emanuel Ferreira Abreu Desenvolvimento de uma estrutura têxtil de aquecimento por efeito de Joule UMinho | 2024 José Abreu Desenvolvimento de uma estrutura têxtil de aquecimento por efeito de Joule março de 2024 Universidade do Minho Escola de Engenharia José Emanuel Ferreira Abreu Desenvolvimento de uma estrutura têxtil de aquecimento por efeito de Joule Dissertação de Mestrado Área de Especialização em Materiais e Tecnologias Avançadas Trabalho efetuado sob orientação de: Professora Doutora Ana Maria Moreira Ferreira Rocha ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE iii Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Universidade do Minho, 16 de janeiro de 2024 Nome: José Emanuel Ferreira Abreu Assinatura: iv Agradecimentos Esta dissertação marca o fim de uma etapa de muito trabalho, empenho e aprendizagem ao longo de cinco anos de formação e como tal, não poderia deixar de enaltecer os meus maiores agradecimentos àqueles que auxiliaram e tornaram bem-sucedido o meu trajeto académico. Assim sendo, começo por dar um especial agradecimento, à minha orientadora, a Professora Doutora Ana Maria Rocha, por toda a atenção, dedicação e conhecimentos transmitidos ao longo de toda esta jornada, motivando-me e orientando-me ao longo de toda a investigação. É com enorme honra poder ter crescido e me desenvolvido na área da engenharia segundo os seus concelhos, metodologias e perspetivas neste mundo da área têxtil. À empresa TMG Automotive e a todos os colaboradores envolvidos neste projeto, por toda a aceitação, integração e apoio na minha investigação, atribuindo um louvor em especial á Engenheira Teresa Fareleiro que me acompanhou desde o primeiro dia, ajudando-me e instruindo-me novos conhecimentos no contexto empresarial. Também não posso deixar de referir o enorme contributo do Engenheiro Gonçalo, do Engenheiro Cesar e da Engenheira Mariana, pela orientação e soluções neste projeto nas suas áreas de especialização. Ao Engenheiro Joaquim Jorge, por toda a sua disponibilidade em ajudar e tornar possível a realização de ensaios práticos elaborados neste trabalho, para além de todo o complemento de conhecimento teórico fornecido ao longo da minha formação. A todos os meus amigos, que num processo de entreajuda e companheirismo me fizeram ultrapassar as adversidades encontradas ao longo desta caminhada, marcando com muito carinho todos os momentos didáticos e sociais necessários também para um saudável e inigualável crescimento formativo. Por fim, á minha família, um agradecimento carregado de amor, por todos os valores transmitidos e sacrifícios, para me proporcionarem o melhor desenvolvimento e crescimento pessoal. v vi Resumo O desenvolvimento de estruturas têxteis funcionais e inteligentes tem despertado muito interesse e uma evolução considerável, nomeadamente quando destinadas ao setor automóvel. O objetivo principal deste projeto enquadra-se nesta área, pretendendo-se desenvolver um substrato técnico e funcional, que garanta aquecimento ativo, por efeito de Joule, a integrar no artigo de pele artificial produzido pela TMG Automotive. A abordagem adotada focou-se no estudo de estruturas tecidas condutoras produzidas com diferentes parâmetros de construção, que após recobrimento com uma camada polimérica, constituem o substrato final, i.e pele artificial. Assim sendo, foram projetados e construídos têxteis elétricos, nomeadamente tecidos incorporando fios elétricos, entre os quais, fios de carbono e fios de inox. Como resultado, foram criados sistemas resistivos em paralelo, em que os fios condutores constituem os elementos principais do aquecimento do substrato, bem como sistemas resistivos em série, constituindo a camada de recobrimento com propriedades condutoras, o principal responsável do aquecimento do substrato. A avaliação da eficiência do aquecimento do substrato, terá como base de análise a temperatura de superfície da pele artificial, bem como a velocidade e uniformidade do aquecimento, parâmetros intrinsecamente relacionados com propriedades especificas dos materiais, isto é, condutividade elétrica, condutividade térmica e difusividade térmica do substrato final. Palavras-chave: Efeito de Joule; Propriedades elétricas; Propriedades térmicas; Têxteis condutores. VII XIV Figura 25 - Esquema representativo dos parâmetros métricos do filme obtido por extrusão................ 50 XV Índice de Tabelas Tabela 1 - Mapa resumo das propriedades elétricas e térmicas estudadas ........................................ 20 Tabela 2 - Especificações técnicas dos fios de carbono a utilizar nos tecidos a desenvolver ................ 23 Tabela 3 - Especificações técnicas dos fios de Inox a utilizar nos tecidos a desenvolver. ..................... 24 Tabela 4 - Características dos fios dos tecidos condutores desenvolvidos ........................................... 25 Tabela 5 - Debuxos utilizados na produção das amostras de suporte têxtil ......................................... 26 Tabela 6 - Características de construção dos tecidos condutores desenvolvidos ................................. 27 Tabela 7 - Quadro dos resultados obtidos apos produção dos substratos têxteis de aquecimento ....... 30 Tabela 8 - Valores teóricos de resistência total, Intensidade de corrente e Potência das amostras de substrato têxtil .................................................................................................................................. 37 Tabela 9 - Resultados da potência real dos sistemas integrados nas amostras ................................... 38 Tabela 10 - Resultados dos fatores de correlação dos sistemas contruídos ........................................ 38 Tabela 11 - Resultados obtidos da medição de resistência do fio condutor inserido na amostra com fios de inox inseridos à teia ..................................................................................................................... 39 Tabela 12 Resultados obtidos da medição de resistência total das amostras de substrato têxtil .......... 40 Tabela 13 – Valores de proporção da amostra com sistema resistivo em paralelo integrando fios de inox à teia ................................................................................................................................................ 40 Tabela 14 - Resultados das temperaturas superficiais (no ponto mais quente) ................................... 41 Tabela 15 - Resultados da Temperatura superficial das amostras em 3 instantes .............................. 44 Tabela 16 - Imagens Termográficas após 3 minutos de ativação do circuito ....................................... 45 Tabela 17 - Resultados obtidos das propriedades térmicas dos filmes obtidos por extrusão ................ 47 Tabela 18 - Resultados da Resistividade elétrica da amostra 3 de filme obtido por extrusão ............... 49 Tabela 19 - Mapa resumo do desenvolvimento do projeto .................................................................. 53 Tabela 20. Sugestões de melhoria dos sistemas resistivos estudados ................................................ 58 1 1 Introdução 1.1 Enquadramento Os têxteis destinados ao setor automóvel, comumente aplicados em componentes de interior, tais como, estofos e revestimentos, cintos de segurança, airbags, entre outros, têm vindo a apresentar uma evolução crescente ao nível funcional e de desempenho, consentânea com as tendências e requisitos deste setor. Para tal tem contribuído o forte avanço verificado na área dos materiais inteligentes e funcionais, permitindo que sistemas eletrónicos sejam incorporados diretamente na estrutura do substrato têxtil, modificando e incrementando funcionalidades de modo a dar resposta às necessidades do setor. Como produtora de materiais para a indústria de peças e componentes de automóveis, a TMG Automotive desenvolve e fabrica artigos para aplicação no interior dos automóveis desde 1971, sendo que nos dias de hoje é a segunda maior fornecedora de peles artificiais no mercado europeu, prezada pela sua qualidade e eficiência. Assim sendo, a TMG Automotive apresenta-se como Second-Tier ( Tier 2 ), isto é, uma fornecedora de materiais e substratos à produção de peças ( Tier 1 ) que, por sua vez, fornece os fabricantes de automóveisOEM ( Original Equipment Manufacturer ). De modo a dar resposta aos avanços tecnológicos e inovações requeridos e procurados pelo setor automóvel, existe por parte da empresa, uma necessidade acrescida de funcionalizar os substratos produzidos. É neste contexto que surge o projeto realizado no âmbito desta dissertação, tendo como principal objetivo o desenvolvimento de um substrato têxtil técnico e funcional para revestimento de assentos, que promova e garanta aquecimento e que constitua uma solução inovadora e integrada ( Built-in ), alternativa à convencional, baseada em resistências (fios) incorporados em mantas/materiais de suporte que são colocados no estofo. Além de uma melhoria na uniformidade do aquecimento, a abordagem proposta é energeticamente mais eficiente e promove a redução do peso do sistema. (Mbise, Dias, & Hurley, Design and manufacture of heated textiles, 2015). Atendendo à importância do mercado das peles artificiais para a empresa, a solução a propor basear-se-á numa estrutura composta por camadas e considerará os processos envolvidos para a sua produção, designadamente, tecelagem (para conceção do tecido condutor de suporte) e revestimento ( coating ). A Figura 1 ilustra o esquema do substrato de revestimento de estofos a desenvolver. 2 1.2 Objetivos Como referido anteriormente, o objetivo geral deste trabalho é a conceção e desenvolvimento de um substrato têxtil para revestimento de assentos que garanta um princípio funcional de aquecimento. A solução a propor, deverá enquadrar-se no mercado das peles artificiais e considerar os processos e tecnologias disponíveis na empresa. Para atingir este objetivo foram estabelecidos os seguintes objetivos específicos: a) Selecionar materiais e métodos que permitam funcionalizar o substrato têxtil de suporte ao nível das suas propriedades elétricas e térmicas. b) Conceber e estudar diferentes circuitos elétricos a integrar no substrato têxtil, incluindo métodos para ligação dos elementos condutores, de modo a produzir o substrato de aquecimento de suporte da pele artificial mais eficiente. c) Caracterizar a temperatura e homogeneidade da dissipação de calor dos tecidos condutores (sistemas resistivos em paralelos) desenvolvidos para o suporte. d) Definir os parâmetros de processo de extrusão de forma a obter substratos de revestimento com uma espessura inferior a 0,5mm, para garantir flexibilidade ao material. e) Caraterizar as propriedades elétricas e térmicas do substrato bicamada desenvolvido para revestimento. Figura 1 - Substrato de pele artificial TMG - Estrutura bicamada, Fonte: Autor Revestimento Polimérico Tecido condutor - Suporte têxtil 3 1.3 Metodologia de desenvolvimento do trabalho A metodologia adotada envolveu 3 fases, as duas primeiras fases centradas na seleção dos materiais e processos para a conceção e produção dos diferentes elementos do produto, designadamente, camadas de suporte têxtil e de recobrimento por extrusão e a terceira fase dedicada à caraterização das propriedades das estruturas desenvolvidas e análise dos principais fatores estudados. A Figura 2 ilustra as fases consideradas. A primeira fase envolveu a conceptualização das duas camadas a desenvolver. Para a camada de suporte têxtil adotou-se a abordagem baseada na integração de fios condutores (à trama) por tecelagem, variando o tipo de fio condutor e alguns parâmetros de construção do tecido. Deste modo, definiu-se dois métodos de ligação dos fios condutores, inseridos á trama, de forma a construir o sistema resistivo incorporado. Seguidamente, a camada de revestimento, obtida na empresa pelo processo de extrusão, optouse por incluir na receita-base existente, materiais que promovem propriedades térmicas e elétricas, de modo a explorar uma outra forma de ligação dos fios condutores integrados no substrato têxtil de suporte (tecido condutor) e melhorar a uniformidade do aquecimento no produto final. A adoção desta abordagem obrigou a um estudo do processo de extrusão, no concerne à definição da composição e concentração da pasta de recobrimento e a parâmetros estruturais dos filmes produzidos. Na fase seguinte foram produzidos substratos de suporte e efetuados os revestimentos, de acordo com as abordagens aos materiais e processos definidos na fase de conceptualização. Numa fase final, os substratos têxteis de suporte com o revestimento foram submetidas a análises laboratoriais dos dois sistemas resistivos integrados, de forma a compreender qual a combinação de fatores e sistemas resistivos integrados que conduz a um melhor resultado de aquecimento da estrutura global da pele artificial. 4 1.4 Estrutura da dissertação O trabalho desenvolvido pode ser dividido em 7 capítulos. No primeiro capítulo abordou-se de uma forma introdutória o tema, enquadrando a sua problemática, introduzindo os objetivos e a metodologia a seguir. O segundo capítulo, foi destinado para a descrição de toda a fundamentação teórica, com o objetivo de averiguar alguns estudos e produtos desenvolvidos, como também de descrever processos e fenómenos para a melhor compreensão do estudo realizado. No capítulo 3, são descritos os métodos para a caracterização das propriedades selecionadas e pertinentes para avaliar a funcionalização das estruturas e eficiência dos sistemas resistivos contruídos. O capítulo 4 descreve o desenvolvimento experimental, explicando todas as etapas realizadas para a obtenção dos substratos. No capítulo 5 são apresentados os resultados, bem como a discussão dos resultados obtidos nas estruturas de camada de suporte têxtil, camada de recobrimento e na estrutura final bicamada. Neste capítulo apresenta-se ainda um mapa-resumo de todo o projeto, apresentando as ideias chaves e resumindo as análises intercalares e finais das estruturas desenvolvidas e analisadas. Figura 2 - Esquema das diferentes fases a seguir no projeto de dissertação . Fonte: Autor Fase de conceptualização do projeto (Mês 1 a Mês 4) Fase de produção das 2 camadas que compõe a pele artificial (Mês 2 a Mês 5) Fase de Testes laboratoriais e conclusões finais sobre objetivos compridos (Mês 2 a Mês 6) 5 No capítulo 6 são apresentadas as conclusões pertinentes deste estudo, servindo estas como impulso ao capítulo 7, em que se apresentam algumas perspetivas futuras e sugestões de melhoria das estruturas produzidas. 6 2 Fundamentação teórica Neste capítulo é feito um enquadramento técnico-científico dos sistemas de aquecimento de bancos de automóvel, baseado na pesquisa bibliográfica efetuada. São ainda apresentados os conceitos teóricos subjacentes ao desenvolvimento destes sistemas que foram considerados mais relevantes. 2.1 Sistemas de aquecimento de bancos Os sistemas de aquecimento dos bancos ou assentos são utilizados na indústria automóvel, como forma de providenciar ao proprietário do veículo um ambiente de maior conforto e bem-estar para a sua atividade de condução. O sistema de aquecimento mais convencional recorre à incorporação de elementos de aquecimento num substrato-base colocado nos próprios bancos do veículo durante a montagem, antes do revestimento final do estofo. (Mbise, Dias, & Hurley, Design and manufacture of heated textile, 2015). Os elementos elétricos resistivos à base de cobre ou carbono (fios/filamentos ou tintas) podem ser ligados a este substrato de base usando vários métodos (costura, colagem, etc), (Warska, Barburski, & van Langenhove, 2019). Este produto é comumente designado por manta de aquecimento. A figura 3, ilustra sistemas de aquecimento convencional, comercializados por algumas marcas de automóveis. Figura 3 - Sistemas de aquecimento convencional para bancos de automóvel. Fonte: http://www.tachibana.com.cn/en_01_01_04_index_car.html; https://www.acessorios-ford.pt/conforto/produtos-deconforto/kit-aquecedor-do-banco/2021595 7 Devido a algumas limitações na eficiência destes sistemas resistivos, nomeadamente no tempo de aquecimento e homogeneidade da distribuição do calor, algumas investigações e produtos têm surgido nesta área de aplicação. Destaca-se, o produto patenteado (Estados Unidos Patente Nº 6,150,642, 2000), em que um tecido condutor de carbono é utilizado como sistema de aquecimento do estofo, (Petru, et al., 2023). Como se pode ver na figura 4, podem ser produzidas várias geometrias dependendo do efeito e eficiência de aquecimento que se pretende atribuir á estrutura produzida. Esta abordagem permitiu uma distribuição mais homogénea do calor. . Qualquer que seja a abordagem adotada, os desenvolvimentos nesta área focam-se no aquecimento por efeito de Joule, (Petru, et al., 2023), considerado uma das formas mais eficientes para aquecimento ativo dos ocupantes dos veículos. A figura 5 representa esquematicamente este fenómeno, o qual ocorre devido à passagem de uma corrente elétrica através de um condutor. A B C D E F Figura 4 - Estruturas têxteis condutoras para aquecimento de bancos Fonte: https://patentimages.storage.googleapis.com/e8/d2/82/c41cf42b364a6e/US6150642A.pdf 8 Este fenómeno determina que a energia térmica gerada por um material condutor (𝑸), quando percorrido por uma corrente elétrica, é diretamente proporcional á resistência do material condutor, ao quadrado da intensidade da corrente que o percorre e ao intervalo de tempo que a corrente o demorou a percorrer, e pode ser expresso pela equação 1: 𝑸 = 𝑹 × 𝑰𝟐× ∆𝒕 [ J ] (1) Onde: 𝑹 - resistência elétrica (Ω) 𝑰 - intensidade da corrente (A) ∆𝒕 - intervalo de tempo (s). Para permitir o princípio de funcionamento do substrato têxtil a produzir, será necessário definir e construir circuitos elétricos, em que elementos condutores serão integrados na estrutura de suporte têxtil de modo a criar circuitos elétricos que quando conectados a uma fonte de energia, permitem a passagem de corrente elétrica ao longo da estrutura, promovendo assim aquecimento por efeito de Joule. A estrutura do têxtil, bem como o circuito nele integrado, têm uma influência muito grande nas eficiências do mesmo. Assim sendo, através de diferentes métodos de ligação dos fios condutores inseridos na estrutura têxtil (integrando dois circuitos elétricos com princípios de funcionamento diferentes), pretende-se averiguar os resultados ao nível do aquecimento de cada uma das estruturas concebidas. Figura 5Efeito de Joule num fio condutor Fonte: Autor 15 3 Métodos para caracterização de propriedades Neste capítulo serão descritos os métodos e procedimentos de ensaio utilizados para caraterizar o comportamento elétrico e térmico dos substratos desenvolvidos. 3.1 Avaliação do comportamento elétrico 3.1.1 Resistência elétrica do substrato têxtil condutor A resistividade de um material () é uma das mais importantes propriedades a ter em consideração de modo a garantir a funcionalidade da estrutura têxtil condutora, uma vez que o aquecimento por efeito de joule é determinado pela resistência (R) que o material oferece á passagem de corrente elétrica, para além de depender do tipo de material que é feito, depende também do comprimento e espessura do fio, tal como verificamos na equação 2. 𝑅 = 𝜌 𝑙 𝐴 [Ω] (2) Onde: R - resistência do fio (Ω);  - resistividade do material (Ωm); l - comprimento do fio (m); A - área de secção reta do fio (m2); De uma forma prática, a resistência de elementos condutores pode ser medida experimentalmente através do método de duas pontas. Este método é então caracterizado pela equação 3, sendo o cálculo realizado de maneira automática pelo próprio circuito interno do multímetro. Isto é, o circuito interno integra uma fonte de tensão, que é usada para aplicar uma diferença de potencial, gerando uma corrente elétrica (I) que será usado no cálculo da resistência (R). 𝑅 = 𝑉 𝐼 [Ω] (3) Onde: 16 R – resistência do fio (Ω); V –Tensão elétrica (V); I – intensidade de corrente (A). Na prática, para obtermos o valor da resistência do fio em cada passagem, teremos de seguir um procedimento interno, definido pela empresa. Este método consiste na execução de cinco medições em passagens distintas da estrutura têxtil, procedendo-se depois a uma média de todos os valores obtidos para cada amostra. As medições são efetuadas com auxílio de um multímetro no modo ohmímetro. Nos sistemas em paralelo a determinação prática da resistência equivalente pode ser efetuada seguindo o mesmo procedimento anterior, porém aplicando os terminais nas extremidades dos elementos condutores das estruturas. Posteriormente, de modo a ser possível fazer uma correlação entre os valores de resistências teóricos e experimentais, podemos seguindo a equação 4, fazer o cálculo da resistência total teórica, também designada por resistência equivalente. 1 𝑅𝑒𝑞 =1 𝑅1 +1 𝑅2 + ⋯ + 1 𝑅𝑛 [Ω] (4) Onde: 𝑅𝑒𝑞 – Resistência equivalente do sistema (Ω) 𝑅𝑛 – Resistência do fio n (Ω) 3.1.2 Resistência elétrica do filme Para uma correta medição da resistência elétrica na camada obtida por extrusão, deverá recorrer-se ao método da sonda de quatro pontas. Este método, tal como descrito (Girotto & Santos, 2001), tem sido fortemente utilizado para a caracterização analítica da resistividade elétrica em filmes semi-condutores, nas mais diversas formas geométricas. O método de 4 pontas é uma técnica de medição da resistência e resistividade elétrica, usado para medir com alta precisão, e minimizar os erros causados pelos fios de teste e contactos elétricos. Este método tem a particularidade de não ser necessário um bom contacto entre o elétrodo e a amostra. (Oka, 2000). 17 Figura 8 - Representação das diferenças de potencial aplicadas no provete numa análise. Retirada: https://www.lsi.usp.br/~dmi/manuais/QuatroPontas.pdf Deste modo, apresenta-se como uma solução viável ao método de duas pontas em medições de materiais semi-condutores, contornando as flutuações aleatórias das medições efetuadas, permitindo assim medições mais rápidas e precisas sobre a característica elétrica específica do material. A medição é então efetuada por quatro contactos pontuais por meio de sondas que monitorizam a corrente e a tensão que atravessa a amostra. Assim sendo, dois dos terminais tem como função aplicar a corrente elétrica e outros dois tem a função de medir a tensão aplicada, tal como evidenciado na figura 8. Para esse efeito usou-se o equipamento Hall effect Measurement System , em que as condições de medição poderão ser consultadas nos anexos, realizando-se 5 medições da resistividade do material em amostras com um tamanho de 1 por 1 centímetro. Relativamente ao parâmetro da corrente elétrica estipulada para realizar o teste, esta foi variada de forma a se obter valores coerentes, tendo-se estipulado um valor de intensidade de corrente final de 200 microamperes, (valor averiguado em ensaios prévios). A fim de obter-se o valor da resistência elétrica da camada de extrusão das amostras produzidas, após o valor da resistividade elétrica obtida por meio desta atividade experimental, segundo a equação 5 resultará o valor da resistência do material para uma área definida, tal como demonstra a figura 9. 18 𝑅 = 𝜌 𝑡 𝑙 𝑤 [Ω] (5) Onde: R - Resistência do material (Ω);  - Resistividade do material (Ωm); 𝑡 – Espessura do material (m); 𝑙 – Largura do material (m); 𝑤 – Comprimento do material (m); Como já mencionado, o valor da resistividade do material é apresentando em função de uma temperatura, isto é, o fator de temperatura influência a propriedade do material dependendo do coeficiente de temperatura da resistividade (𝛼), (Barbosa, 2003) como podemos constatar pela análise da equação 6. Assim será importante avaliar a influência da temperatura em relação à resistência do material. Denotando assim, se o valor da temperatura para o aquecimento pretendido as mesmas possam ser desprezadas, podendo-se considerar uma resistência constante ao longo do funcionamento. 𝛼 = 1 𝑅(𝑇0)×∆𝑅 ∆𝑇 (6) Onde Figura 9 - Representação da medição da resistência do material. Retirada: “MEDIDAS DE RESISTIVIDADE ELTRICA DC EM SLIDOS: COMO EFETU- LAS CORRETAMENTE”, Emerson M. Girotto e Ivair A. Santos, 2001 19 𝛼 – Coeficiente de temperatura de resistividade 𝑅(𝑇0) - Resistência na temperatura inicial ∆𝑅 – Variação da resistência ∆𝑇 – Variação da temperatura 3.2 Avaliação das propriedades térmicas 3.2.1 Condutividade e Difusividade Térmica do substrato têxtil condutor Afim de obtermos os valores das propriedades de condutividade e difusividade térmica pode-se recorrer a um método de medição objetivo, baseado no equipamento Alambeta. Este aparelho avalia simultaneamente as propriedades térmicas estacionárias, como é o caso da condutividade térmica, e as propriedades térmicas dinâmicas, tais como a difusividade térmica. A medição é executada por contacto direto com a amostra, para que seja possível o processamento e medição dos níveis de fluxo de calor, devido a imposição de uma diferença de temperatura entre as duas placas do aparelho, obtendo-se deste modo, os resultados das propriedades termofísicas do substrato, (Fournier, Duvaut, Chirtoc, & Bachmann, 2008). A Condutividade térmica (𝜆) é a propriedade que exprime a quantidade de calor que flui pelo material, por unidade de comprimento, para uma variação de 1K, (Hes & Loghin, 2009). Em resultado disto, a propriedade de condutividade térmica é expressa em Wm-1K-1, e desta interpretação resulta que um material com maior condutividade térmica, necessita de menos energia calorífica para aumentar a temperatura. Por sua vez, a difusidade térmica (𝔞) é a propriedade que descreve a velocidade de propagação da temperatura do material, dependendo da propriedade estática de condutividade térmica, da densidade do material e da capacidade calorífica especifica do mesmo. Assim sendo esta propriedade é expressa nas unidades de m2/s, (Venkataraman, Mishra, Militky, & Hes, 2014). Para a realização desta atividade laboratorial, procedeu-se de acordo com um procedimento interno, em que se realizaram cinco medições em zonas diferentes para cada uma das amostras, após uma calibração do aparelho Alambeta. Esta calibração é executada utilizando um material específico cuja sua propriedade de condutividade térmica é conhecida, e deste modo apenas se procedeu á leitura das amostras em estudo após a primeira leitura no material de calibração apresentar um valor de condutividade de 34 ±1 mW/m/K. 20 3.2.2 Temperatura superficial do substrato têxtil condutor Para comprovar o princípio de funcionamento e verificar a eficiência do sistema construído, será necessário medir as temperaturas de superfície da pele artificial produzida. Assim, pode-se recorrer ao uso de uma camara termográfica obtendo os valores das temperaturas alcançadas pelo têxtil, quando submetidos a uma diferença de potencial e uma dada intensidade de corrente por parte de uma fonte de alimentação, num determinado período. Este método, possibilita ainda a obtenção de imagens termográficas que permitem analisar os pontos da superfície com temperaturas diferenciadas, permitindo conclusões ao nível da uniformidade de distribuição da energia calorífica, ao longo da superfície do substrato final, (Kim & Lee, 2017). 3.3 Mapa-resumos dos métodos de caracterizações das propriedades analisadas De uma forma mais sucinta, o quadro 1 apresenta o mapa-resumo das propriedades avaliadas: Tabela 1 - Mapa resumo das propriedades elétricas e térmicas estudadas Propriedades Método Equipamento Observações Propriedades elétricas Resistência elétrica da camada de suporte têxtil 2 pontas Teste realizado aos Fios condutores e ás estruturas de suporte têxtil produzidas Resistência elétrica da camada de recobrimento 4 pontas Teste realizado à camada de filme obtida pelo processo de extrusão 21 Propriedades Térmicas Condutividade e difusividade térmica da camada de recobrimento Alambeta Teste realizado à camada de filme obtida pelo processo de extrusão Temperatura Superficial Câmara termográfica Teste realizado às estruturas de suporte têxtil. 22 4 Desenvolvimento experimental Este capítulo tem por objetivo explicitar as etapas necessárias para a elaboração das estruturas de suporte têxtil que integram a primeira camada da pele artificial. Assim sendo, será subdividido em subcapítulos, em que será descrito os materiais utilizados para o estudo, bem como, os parâmetros estruturais para a produção das amostras têxteis. Por último, será especificado os diferentes sistemas de ligação dos elementos condutores, que resultarão em amostras têxteis com sistemas resistivos integrados diferentes. 4.1 Desenvolvimento das estruturas têxteis condutorasTecidos De acordo com a pesquisa efetuada, um dos métodos de obtenção de um têxtil condutor baseiase na integração de fios condutores na estrutura base de um substrato têxtil, neste caso tecido. Os principais fatores a ter em consideração neste método são a forma de integração dos fios condutores na estrutura do tecido (teia ou trama) e a conexão dos mesmos num circuito elétrico eficiente. Assim, foram considerados e estudados os efeitos: (i) do tipo de fio condutor utilizado; (ii) dos parâmetros de construção do tecido e (iii) do tipo de circuito elétrico a implementar, pretendendo com isto aumentar a eficiência do tecido condutor, suporte do substrato final de revestimento do assento, garantindo a total capacidade de produção interna da empresa TMG. 4.1.1 Características dos fios condutores utilizados No desenvolvimento deste projeto foram estudados 2 tipos de fios condutores, designadamente, fios de carbono e Inox para funcionalização da estrutura tecida, base do substrato final de revestimento do assento. 4.1.1.1 Fios de Carbono As fibras de carbono apresentam propriedades físicas e químicas que lhes conferem uma alta resistência mecânica, baixa densidade, alta rigidez, excelente resistência à corrosão, alta condutividade térmica e elétrica, baixa expansão térmica e resistência a altas temperaturas. (Bunsell, 2009). O fio de carbono a utilizar na produção das estruturas tecidas foi adquirido na empresa Teijin sob a marca Tenax ™ sendo um fio de filamento adequado para variados processos, tais como tecelagem (Teijin Carbon, 2023). 23 Na tabela 2 encontram-se algumas características do fio de carbono utilizado, com valores medidos pela empresa. Tabela 2 - Especificações técnicas dos fios de carbono a utilizar nos tecidos a desenvolver Marca Massa Linear Composição Resistência elétrica (R) (Ω) Resistividade elétrica (ρ) (Ω/cm) Comprimento do condutor (cm) 25 50 75 100 Teijin 2000 dtex 100% fibra de carbono (não torcido) 70 89 160 280 1,6 x 10-3 4.1.1.2 Fios de Inox O fio utilizado, obtido a partir da torção de microfilamentos ultra-finos de aço inoxidável, é da marca Bekaert , designado comercialmente por Bekinox VN . As suas caraterísticas técnicas são apresentadas na Tabela 3, podendo a ficha técnica do produto ser consultada nos anexos. 24 Tabela 3 - Especificações técnicas dos fios de Inox a utilizar nos tecidos a desenvolver. Marca Massa Linear Composição Resistência elétrica (R) (Ω) Resistividade elétrica (ρ) (Ω/cm) Comprimento do condutor (L) (cm) 25 50 75 100 Bekaert 2500 dtex 100% Inox (torcido) 8 14 22 28 29 x 10-2 4.1.2 Conceção e produção das amostras de tecido De modo a estudar a influência dos parâmetros de construção da estrutura do tecido nas propriedades elétricas e eficiência dos sistemas de aquecimento resistivos resultantes, produziram-se várias amostras de tecido integrando os fios condutores selecionados. Para a produção das amostras foi utilizado um tear Dornier de amostras, disponibilizado pela TMG textiles . O tear apresenta uma tecnologia de inserção de trama por pinças, com um sistema de corte manual para as inserções de trama relativas aos fios condutores. Posto isto, todas as amostras foram produzidas com fios de teia em poliéster reciclado e fios de trama em poliéster virgem nas zonas não condutoras. Nestas zonas, o número de inserções (passagens) de poliéster virgem foi variado, de modo a avaliar o efeito da distância entre os fios condutores nas propriedades elétricas do tecido, produzindo-se assim amostras com proporções de fios condutores em relação aos fios de poliéster virgem diferentes. As caraterísticas dos fios dos fios utilizados nas amostras de tecido condutor desenvolvidas são apresentadas na Tabela 4. 31 Sistema resistivo em série Método de ligação de uma das extremidades de cada fio condutores inserido á trama com pistas de cobre à teia, fechando o circuito através da camada condutora de recobrimento obtida extrusão 4.2 Desenvolvimento da camada polimérica condutora A produção dos filmes poliméricos para recobrimento foi realizada por extrusão em 2 etapas: em primeiro lugar, foi realizada a pesagem, mistura e respetiva secagem das diferentes matérias-primas (devidamente aditivadas) e, em segundo lugar, foi efetuada a extrusão propriamente dita. A camada polimérica resultante da extrusão foi primeiramente produzida sem colagem/revestimento do substrato têxtil e posteriormente com a colagem/revestimento das amostras de tecido condutor produzidas. Neste caso em específico, pretendeu-se que os filmes extrudidos apresentassem uma espessura final de ±0.5 mm e foi utilizado um equipamento laboratorial monofuso do fabricante Periplast com débito máximo de 8 kg/h. Foram produzidas 3 amostras de filme extrudido, apresentadas na figura 14, fazendo-se variar alguns parâmetros de processo, nomeadamente temperatura e pressão. As condições de temperatura e pressão utilizadas na produção das amostras, são apresentadas no esquema da figura 15. Esta experiência, permitiu após a realização dos testes laboratoriais de análise das propriedades do material, descobrir e parametrizar as condições de processamento ideais. 32 4.2.1 Processo de Extrusão nas Amostras de suporte têxtil Após a averiguação e seleção dos parâmetros de processo mais adequados para a obtenção de uma camada de extrusão com propriedades elétricas e térmicas mais vantajosas para o aquecimento da estrutura global. As amostras de suporte têxtil, foram colocadas de um modo manual entre os cilindros e o filme (fase de calandragem), tendo-se em atenção a colocação das amostras de tecido com o avesso a ser recoberto pela camada resultante da extrusão. Este pormenor é bastante pertinente para as amostras de suporte têxtil cujo processo de ligação dos fios condutores e consequente fecho do circuito, será provocado pela camada de extrusão de carácter condutor. (amostras de suporte têxtil pelo processo 3). Figura 14 - Filmes poliméricos condutores obtidos pelo processo de extrusão Fonte: Autor Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 230⁰C Pressão Padrão 220⁰C Pressão Padrão 220⁰C Inferior à Pressão Padrão Figura 15 - Condições de obtenção das amostras de extrusão. Fonte: Autor 33 Na Figura 16, pode se verificar o momento de colagem de uma das amostras de suporte têxtil no filme polimérico obtido por extrusão, apresentando as restantes amostras um aspeto muito similar. Processo de Calandragem entre o filme e o substrato Amostra obtida Figura 16 - Processo de colagem do substrato têxtil no filme polimérico através da calandragem e respetiva amostra obtida. Fonte: Autor 34 5 Análise e Discussão dos resultados 5.1 Camada de Suporte Têxtil A análise e discussão dos resultados será efetuada em dois momentos da produção da pele artificial com efeito de aquecimento. Assim sendo, neste capítulo será apresentado e discutido os resultados obtidos com a execução dos testes laboratoriais efetuados às estruturas de suporte têxtil, em que inicialmente serão averiguadas as propriedades de resistência elétrica dos sistemas resistivos integrados, para posteriormente efetuar-se as análises térmicas das estruturas. 5.1.1 Caraterização elétrica do sistema resistivo em paralelo conectado por pistas de cobre à teia Após a construção das amostras de suporte têxtil com carácter condutor, procedeu-se então à medição da resistência do sistema elétrico montado. Como explicado no capítulo dos métodos, mediuse a resistência das passagens dos fios condutores, aplicando os terminais do multímetro (modo ohmímetro) nas extremidades do fio condutor e a resistência do sistema global, utilizando as extremidades das pistas condutoras que conectam todas as passagens em paralelo. Obtendo-se os resultados especificados no gráfico da Figura 17. Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Carbono Inox Resistência elétrica do fio (Ω) 27,00 32,80 28,30 2,40 2,64 2,32 Resistência elétrica do sistemaem paralelo (Ω) 5,76 3,49 3,20 0,96 1,36 2,14 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 Figura 17 - Gráfico dos valores médios da resistência elétrica dos fios e dos sistemas resistivos em paralelo construídos Fonte: Autor Resistência elétrica(Ω) 35 Posto isto, como verificado pela análise da Figura 17, o fio de carbono apresenta um valor de resistência consideravelmente mais elevado do que o fio de inox. Este facto, como verificamos anteriormente nas tabelas 2 e 3, referentes às características dos fios utilizados o fio de carbono apresenta na sua natureza uma maior resistência elétrica. Também pela análise do gráfico, verifica-se uma maior diferença entre a resistência do fio face à resistência elétrica dos sistemas resistivos contruídos nas estruturas contendo o fio de carbono. Este facto, poderá ser indicativo que nas amostras contendo o fio de Inox, poderão alguns dos fios condutores inseridos à trama não estarem devidamente conectados às pistas condutoras de cobre. 5.1.1.1 Análise da influência do espaçamento dos fios condutores na resistência elétrica dos sistemas Tendo por base os parâmetros de construção das amostras de suporte têxtil produzidas, nomeadamente o parâmetro do espaçamento entre os fios condutores e relacionando a resistência elétrica dos circuitos montados, podemos obter o gráfico 18. Atendendo aos parâmetros de construção das amostras têxteis era espectável que o aumento da distância entre as passagens de fios condutores inseridos à trama ao longo da produção das amostras, 1 23 45 6 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Resietncia do circuito (Ω) Espaçamento entre fios condutores (cm) Resistência do circuito em função do espaçamento entre fios condutores Figura 18 - Gráfico da resistência do circuito em função do afastamento entre as inserções dos fios condutores. Fonte: Autor 36 levasse consequentemente ao aumento da resistência do circuito elétrico integrado. Ou seja, como estamos perante um circuito em paralelo o número de fios condutores é inversamente proporcional à resistência total dos sistemas, e deste modo ao aumentarmos o afastamento dos fios condutores levamos à diminuição do número de passagens do mesmo, sendo esperado um aumento da resistência global dos sistemas. Este facto apenas foi observado nas amostras de Inox, tal como verificamos pela análise do gráfico 18, sendo que as amostra constituídas pelo fio de Carbono verificou-se uma relação inversa. 5.1.2 Análise da correlação dos sistemas elétricos integrados na estrutura têxtil Uma vez medida a resistência dos sistemas integrados nos têxteis, torna-se possível calcular as eficiências das amostras elaboradas. Assim, e uma vez conhecida a resistência de cada fio incorporado na estrutura de cada amostra de tecido, podemos calcular a potência teórica que cada amostra idealmente deveria apresentar, isto é, num sistema ideal em que todos os fios, com propriedades elétricas que contribuem para a montagem do sistema de resistências em paralelo, estivessem conectados devidamente nas suas extremidades. Este estudo, tornou-se crucial dada a dificuldade e incerteza do total cruzamento de todos os fios, e para tal este será um método que determinará as potências reais dos sistemas montados. 5.1.2.1 Cálculo da Potência Teórica dos sistemas de aquecimento Para calcularmos a potência teórica de um sistema, como podemos constatar pela equação 6, necessitamos de descobrir o valor teórico da resistência equivalente dos sistemas de aquecimento idealmente conectados. Considerando o valor de corrente de 5 amperes, correspondente á limitação da fonte utilizada. Para tal, teremos de usar as fórmulas 6 e 7 respetivamente. A expressão 7 é uma simplificação da equação 4, considerando que o valor da resistência dos fios inseridos à trama é igual entre eles. 𝑃𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑅𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 × 𝐼𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 2 [W] (6) 𝑅𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 =𝑅 𝑓𝑖𝑜 𝑁°𝑓𝑖𝑜𝑠 [Ω] (7) Onde: 𝑃𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎Potência Teórica do sistema (W); 𝑅𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎Resistência Teórica do sistema (Ω); 37 𝐼𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 2Intensidade da Corrente Teórico (A); 𝑅 𝑓𝑖𝑜Resistência média do fio condutor (Ω); 𝑁°𝑓𝑖𝑜𝑠 – Número de fios inseridos na estrutura têxtil; Após a aplicação deste raciocínio matemático os resultados obtidos estão apresentados na tabela 8. Tabela 8 - Valores teóricos de resistência total, Intensidade de corrente e Potência das amostras de substrato têxtil Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 𝑅𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 0,63 1,26 1,57 0,06 0,12 0,16 𝐼𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎(A) 5 5 5 5 5 5 𝑃𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎(W) 15,75 31,5 39,2 1,5 3 4 5.1.2.2 Cálculo Potência Real dos sistemas de aquecimento Neste caso os valores da resistência média dos sistemas em paralelo já eram conhecidos pelos testes efetuados anteriormente, sendo que os valores das intensidades da corrente foram fornecidos por uma leitura direta da fonte de energia utilizada e limitada a cinco amperes (5A), podendo ser consultados na tabela 9. Deste modo, aplicando a equação 9, obtivemos os resultados das potências descritos na tabela 10. 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑅𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 × 𝐼𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 2 [W] (9) 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙Potência real do sistema resistivo (W); 𝑅𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙Resistência medida experimentalmente do sistema (Ω); 𝐼𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 2 – Intensidade de corrente que percorre o sistema resistivo ao quadrado (A). 38 Tabela 9 - Resultados da potência real dos sistemas integrados nas amostras Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 𝐼𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 (A) 2,08 3,43 3,75 5,00 5,00 5,00 𝑅𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 (Ω) 5,76 3,49 3,2 0,96 1,36 2,14 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙(W) 24,9 41,1 45,0 24,0 34,0 53,5 Da análise dos resultados obtidos, uma vez que a tensão aplicada é a mesma para todas as amostras, podemos inferir que as amostras que continham o fio condutor de Carbono apresentaram experimentalmente uma potência do sistema semelhante às amostras produzidas com o fio de Inox. 5.1.2.3 Proporção entres os sistemas de aquecimento produzidos e teóricos Assim sendo, depois do cálculo teórico e real das potências de cada sistema resistivo, podemos, por fim, determinar a proporção de cada amostra construída pela equação 10, verificando também qual o tipo de fio e parâmetros de construção dos tecidos, com maior destaque para a taxa de sucesso na elaboração do sistema resistivo. Deste modo, os resultados obtidos encontram-se apresentados na tabela 10. 𝑃𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟çã𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎𝑠 =𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑃𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 (10) 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙Potência real dos sistemas resistivos (W); 𝑃𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜Potência teórico dos sistemas resistivos (W); Tabela 10 - Resultados dos fatores de correlação dos sistemas contruídos Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 𝑃𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎(W) 15,75 31,5 39,2 1,5 3 4 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙(W) 24,9 41,1 45,0 24 34 53,5 𝑃𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟çã𝑜 1,6 1,3 1,14 16 11 13 39 Ao nível dos sistemas elétricos montados, foi possível perceber que, as amostras compostas por fios de carbono apresentaram uma taxa de sucesso bastante superior quando comparadas com as amostras produzidas pelos fios de Inox, pelo que as potencias reais se aproximam mais das potencias teóricas estipuladas. Uma das justificações mais plausíveis para este acontecimento deve-se á especificação técnica dos fios utilizados, isto é , como mencionado na tabela 2 e 3 referente às propriedades especificas dos fios utilizados, o fio de carbono encontra-se sob a forma de filamentos com ausência de torção, e, uma vez que os filamentos se encontram soltos entre si, este fator pode aumentar a probabilidade de cruzamento do material com as barras, levando por isso a uma maior quantidade de material em contacto com as pistas condutoras de cobre. Uma outra justificação para a baixa eficiência dos sistemas montados, no caso do fio de inox, deve-se á limitação da intensidade da corrente por parte da fonte utilizada, pelo que os cálculos foram efetuados tendo em conta a amperagem máxima da fonte (5A). 5.1.3 Caraterização elétrica do sistema resistivo em paralelo conectado por fios de inox à teia Tal como realizado nas amostras obtidas pelo primeiro processo de ligação dos fios condutores inseridos na estrutura têxtil, seguindo-se o procedimento interno anteriormente explicado. Posto isto, a tabela 11 apresenta os valores médios das medições efetuadas à única amostra produzida por este método. Tabela 11 - Resultados obtidos da medição de resistência do fio condutor inserido na amostra com fios de inox inseridos à teia Valor médio da resistência elétrica do fio condutor (Ω) 1ªMedição 2ªMedição 3ªMedição 4ªMedição 5ªMedição Valor Médio 1,4 1,9 2,6 2,1 3,0 2,2 Posteriormente efetuou-se a medida da resistência do sistema global, utilizando as extremidades da amostra, correspondentes à zona das aurelas. Para isso, seguiu-se o procedimento anterior, efetuando 5 medições na amostra, obtendo o valor médio da resistência do circuito integrado, tal como demonstra a tabela 12. 40 Tabela 12 Resultados obtidos da medição de resistência total das amostras de substrato têxtil Valor médio da resistência do sistema paralelo (Ω) 1ªMedição 2ªMedição 3ªMedição 4ªMedição 5ªMedição Valor Médio 0,09 0,12 0,10 0,11 0,08 0,1 5.1.3.1 Cálculo da proporção do sistema resistivo integrando fios de inox à Teia Para determinar a proporção do sistema resistivo em paralelo integrando fios de inox à teia, seguiu-se o mesmo raciocínio anteriormente feito. Assim obteve-se os valores apresentado na tabela 13, onde se expressa também os valores dos parâmetros que permitem o cálculo. Nesta mesma tabela, também está descrito os resultados obtidos da amostra 4, para permitir uma análise comparativa das estruturas que apresentam os mesmos parâmetros de construção (diferindo apenas no método de ligação dos fios condutores inseridos á trama). Tabela 13 – Valores de proporção da amostra com sistema resistivo em paralelo integrando fios de inox à teia Parâmetros Amostra 4 Amostra 4.1 Resistência média do fio 2,4 Ω 2,2 Ω Nº de Condutores 40 40 Resistência Total Teórica 0,06 Ω 0,06 Ω Resistência Total Medida 0,96 Ω 0,1 Ω Intensidade de Corrente Teórica 5 A 5 A Intensidade de Corrente Experimental 5 A 5 A Potência Sistema Teórico 1,5 W 1,5 W Potência Sistema Experimental 24 W 2,5 W Proporção 16 1,67 47 Tabela 17 - Resultados obtidos das propriedades térmicas dos filmes obtidos por extrusão Amostra 1 Condição de processamento 1 Amostra 2 Condição de processamento 2 Amostra 3 Condição de processamento 3 Propriedade Elétrica Não Condutor Semi-condutor Condutor Condutividade Térmica (Wm-1K-1) 47,2 51,44 121 Difusidade Térmica (m2/s) 0,07 0,078 0,082 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 1 2 3 Condutividade Térmica (Wm-1K-1) Amostra Condutividade térmica Figura 22 - Gráfico de barras dos valores de condutividade térmicas dos filmes obtidos por extrusão Fonte: Autor 48 Como evidenciado nos gráficos acima apresentados, ambas as propriedades apresentaram um aumento das propriedades térmicas juntamente com o aumento do carácter condutor do material, de uma forma mais acentuada na propriedade de condutividade térmica e de uma forma mais ligeira nas propriedades de difusividade térmica. Assim sendo, destaca-se a amostra três, de carácter condutor elétrico, como a amostra que apresenta melhores propriedades de condutividade térmica, isto é, o material extrudido com os parâmetros de processo para a obtenção do material da amostra três (220 ⁰C com pressão inferior á Padrão), apresentou características estruturais que facilitam a passagem de calor ao longo da estrutura de recobrimento, ainda que a sua propriedade de difusividade térmica não se destaque de uma mesma proporção. 5.2.2 Medição das propriedades elétricas do filme Como consequência dos resultados obtidos nas propriedades térmicas, selecionou-se a amostra mais competente ao nível das propriedades térmicas do material de modo a promover o estudo da camada mais eficiente do ponto de vista do princípio de funcionamento da estrutura. Para a medição da resistência do filme obtido pelo processo de extrusão, primeiramente teve-se de executar a medição da resistividade do material do substrato, seguindo-se o procedimento descrito na secção relativa aos métodos de caracterização das propriedades de elétricas dos filmes poliméricos. Assim sendo através do medidor de 4 pontas obteve-se os resultados apresentados na tabela 18. 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 1 2 3 Difusividade Térmica (m2/s) Amostra Difusividade térmica Figura 23 - Gráfico de barras dos valores das difusividades térmicas dos filmes obtidos por extrusão Fonte: Autor 49 Tabela 18 - Resultados da Resistividade elétrica da amostra 3 de filme obtido por extrusão Ensaio Resistividade elétrica (𝛀𝒄𝒎) Resistividade Elétrica Média 1 8,203059E+01 138,6±56,6 Ω𝑐𝑚 2 1,042607E+02 3 1,402976E+02 4 2,388522E+02 5 1,292175E+02 5.2.2.1 Cálculo da resistência elétrica do filme a aplicar nas estruturas de sistema resistivo em paralelo Após o valor médio da resistividade do filme produzido, recorrendo á equação 5, podemos retirar o valor da resistência do filme. Para isso, torna-se necessário perceber de que modo as cargas se movimentaram ao longo da camada de extrusão, podendo esta ser compreendida pela análise da figura 24. 𝑙 - Comprimento dos fios condutores (Largura do filme); 𝑡 - Espessura do filme; 𝑤 - Comprimento do filme 𝑅 = 138,6 0,15 ×18,75 8=17 [KΩ] (12) + − 𝑙 𝑤 𝑡 Figura 24 - Esquema representativo dos parâmetros métricos do filme a aplicar nas estruturas de sistema resistivo em paralelo. Fonte: Autor 50 Após este cálculo matemático, a camada de recobrimento pode ser caracterizada ao nível das propriedades elétricas com um valor de resistência de 17 KΩ. 5.2.2.2 Cálculo da resistência elétrica do filme a aplicar nas estruturas de sistema resistivo em série No caso dos sistemas resistivos em série, os parâmetros métricos têm de ser reconhecidos de outra perspetiva, uma vez que a diferença de potencial é gerada entre fios e não nas extremidades dos fios condutores, como no caso dos sistemas resistivos em paralelo. Podendo ser representado como demonstra a figura 25. 𝑙 - Distância entre fios condutores; 𝑡 - Espessura do filme; 𝑤 - Largura do filme 𝑅 = 138,6 18,75 ×0,2 0,15 = 9,8 [Ω] (13) Após este cálculo matemático, a camada de recobrimento pode ser caracterizada ao nível das propriedades elétricas com um valor de resistência de 9,8 Ω entre fios condutores. 5.3 Estruturas Finais – Bicamada 5.3.1 Resistência total das amostras compostas por suporte têxtil e revestimento Para a realização deste teste laboratorial foi utilizado o mesmo procedimento interno mencionado para a medição das propriedades elétricas das estruturas de suporte têxtil. Este teste laboratorial só foi possível concluir nas amostras de substrato têxteis contendo um sistema resistivo em paralelo conectado com pistas de cobre e nas amostras de substrato têxtil com 𝑙 − + 𝑡 𝑤 Figura 25 - Esquema representativo dos parâmetros métricos do filme obtido por extrusão Fonte: Autor 51 sistema resistivo em série, pois as amostras de suporte têxtil com o sistema de ligação dos fios condutores pelo processo de inserção de fios de inox à teia encontravam-se como mencionado nos testes laboratoriais iniciais em curto-circuito. É de salientar que o material utilizado na extrusão já apresentava muito tempo de exposição aos fatores ambientais, podendo ter afetado propriedades especificas do mesmo. 5.3.1.1 Amostras Bicamada com sistema resistivo em paralelo Os resultados obtidos não foram muito promissores, uma vez que, após a aplicação da camada de recobrimento nas amostras de tecido, todas as amostras entraram em curto-circuito. Assim sendo, as medições da resistência das amostras, recorrendo ao procedimento interno do método de dois terminais, as amostras apresentaram valores de resistência ínfimos o que se traduzia num curto-circuito quando ligado a uma fonte programada a 12V. Assim, comprovou-se que no sistema elétrico em paralelo integrados nas estruturas de suporte têxtil, a adição de uma camada de revestimento com propriedades elétricas para a produção da estrutura global, resulta na inviabilização do projeto, uma vez que forma um sistema em curto-circuito. 5.3.1.2 Amostras bicamada com sistema resistivo em série Os resultados obtidos, mostraram valores de resistências nas ordens de grandeza dos Kilohms, o que não era espectável, pois como verificamos nos resultados obtidos sobre a resistência elétrica do filme polimérico, este apresentava um valor de 9,8 Ω, que deveria de se constatar como a resistência total do sistema resistivo em série montado. Este facto pode ter resultado das condições das propriedades em que se encontrava o material utilizado, em que as suas propriedades químicas e físicas não foram suficientes para a obtenção dos valores de condutividade conseguidos no estudo anteriormente feito, resultando na formação de uma camada de extrusão com valores de resistência mais elevados para o efeito pretendido. Outra justificação para o resultado da resistência equivalente da amostra ser muito elevado, deveu-se á falta de consideração da espessura do tecido introduzido no momento da extrusão, que forçou a uma diminuição da espessura do filme aplicado, inviabilizando o princípio funcional dos sistemas resistivos das amostras finais. Porém, ainda que os resultados não sejam muito promissores para a funcionalidade do aquecimento propriamente dito, ficou provado a capacidade da camada de recobrimento fechar o 52 circuito, tornando-se parte ativa do aquecimento resultante de um sistema integrado na estrutura da pele artificial. 53 Tabela 19 - Mapa resumo do desenvolvimento do projeto Primeira Etapa de produção da pele artificial Avaliação intercalar Segunda etapa da pele artificial Avaliação Final Sistema Resistivo incorporado Estrutura de suporte Têxtil Material utilizado Sistema resistivo Estrutura de Recobrimento por extrusão Sistema resistivo em paralelo Fios de Carbono Conexão dos fios condutores por pistas de cobre -Propriedades térmicas vantajosas para aumentar eficiência do aquecimento; - A falta de torção do fio pode aumentar a facilidade de dissipação do calor - Sistema de aquecimento funcional; -Baixa eficiência de conexão; - Dificuldade de previsão das potencias reais dos sistemas Camada Polimérica com adição de material com propriedades condutoras -Sistema de aquecimento em curto-circuito, provocado pela adição de uma camada com elementos condutores Fios de Inox -Propriedades condutoras elevadas provocando uma baixa resistência dos circuitos. - Sistema de aquecimento funcional; - Resistências de circuito baixas, provocando menores potencias dos sistemas contruídos. -Baixa eficiência de conexão; - Dificuldade de previsão das potencias reais dos sistemas -Sistema de aquecimento em curto-circuito, provocado pela adição de uma camada com elementos condutores Fios de Inox Conexão dos fios condutores por inserção de fios inox nas ourelas. -Sem termo comparativo para avaliação. -Sistema de aquecimento não funcional por baixa resistência, derivado da alta eficiência de conexão. - Alta capacidade de previsibilidade das potencias reais dos sistemas contruídos; ND Sistema resistivo em série Fios de Inox Conexão alternada dos fios em pista de cobre - Propriedades elétricas convenientes (baixa resistência elétrica), para uma menor transformação da energia elétrica em calorifica. -Sistema de aquecimento inoperacional (circuito aberto) -Sistema de aquecimento não funcional pela alta resistência do sistema; - Camada de extrusão capaz de fechar circuito integrado no têxtil. 54 6 Conclusões Em virtude do estudo realizado, parte dos objetivos foram cumpridos, revelando avanços pertinentes para a elaboração técnica do produto pretendido. Assim sendo, foi possível retirar algumas conclusões, através da análise dos resultados obtidos nos testes laboratoriais executados, que possibilitam a produção mais racional de uma pele artificial com uma funcionalidade de aquecimento superficial, evidenciando um melhor custo-benefício por aproveitamento dos recursos. Neste sentido, foram estudados nos sistemas resistivos em paralelo as dificuldades de ligações dos fios condutores, introduzidos nos substratos têxteis produzidos, em que se pode constatar o aumento do aproveitamento dos recursos, nomeadamente os fios de inox e de carbono, pelo método de ligação direto nas ourelas do tecido. Esta análise permite, não só o aumento do aproveitamento dos recursos materiais, como também, a possibilidade de uma projeção prática mais próxima da teoria, podendo através dos cálculos matemáticos prever com maior exatidão o número de fios condutores a introduzir na estrutura têxtil, tendo em conta a potência necessária para o sistema resistivo a construir. Ao longo do estudo foi bastante notória a influência do material selecionado para a produção do substrato de suporte têxtil. Em suma, através das análises comparativas dos dois tipos de fio utilizados (fio de inox e fio de carbono), foi bastante percetível, não só a influência das propriedades elétricas e térmicas, bem como, a forma estrutural do fio na eficiência do aquecimento produzida pelos sistemas resistivos construídos em paralelo. Assim sendo, foi possível concluir através da relação das temperaturas atingidas face à potência dos circuitos montados que as amostras contendo os fios de carbono apresentaram uma maior velocidade de aquecimento associado a uma temperatura superficial mais alta, funcionalizando o têxtil de uma maneira mais eficaz para o ponto de aplicação estipulado. Assim pode-se inferir que o fio sobre a forma de filamento com ausência de torção, aliado às propriedades de difusividade e condutividade térmica serão pontos cruciais e de beneficiamento para a melhoria do princípio funcional do aquecimento do substrato. Na segunda etapa de produção do substrato final, com a elaboração da camada de recobrimento podemos concluir uma influência dos parâmetros de processamento nas propriedades térmicas e elétricas da camada polimérica, contendo elementos condutores. Desta forma, com a variação dos parâmetros de pressão e temperatura de calandragem no momento de produção dos filmes poliméricos foram obtidos diferentes valores de propriedades térmicas e elétricas dos filmes, verificando-se uma relação diretamente proporcional entre as mesmas. Em resultado disso, conclui-se que uma menor temperatura e pressão de calandragem, resulta num aumento do caracter condutor. Porém do estudo é 55 de ressaltar a necessidade dos ajustes na produção do substrato final, pois como verificados na medição da resistência do filme extrudido na camada de suporte têxtil a camada de recobrimento apresentou uma resistência elétrica superior às amostras de filmes produzidas e analisadas laboratorialmente, este facto deveu-se à espessura do tecido introduzido que forçou a uma diminuição da espessura do filme aplicado, implicando perdas de propriedades elétricas da camada de recobrimento e inviabilizando o princípio funcional dos sistemas resistivos em paralelo da camada de suporte têxtil. Ao nível das propriedades de construção dos tecidos os debuxos estipulados foram pontos de apreciação para a funcionalização do substrato têxtil integrando o circuito resistivo em série, provandose a eficiência do contacto dos fios condutores, com a camada de recobrimento. Assim conclui-se que estrutura de tecido com maior número de flutuações, correspondentes às passagens dos fios condutores, permitem um melhor contacto destes com a camada de recobrimento condutora, possibilitando o fecho do circuito total. 7 Perspetivas Futuras Em virtude de todo o trabalho desenvolvido ao longo do período da dissertação, e devido ao fator limitante do tempo de chegada de novos materiais necessários para a conclusão total da elaboração de 56 todas as amostras e aprimoramento dos circuitos construídos, levantam-se algumas tarefas futuras para mais conclusões do projeto em questão. Assim sendo, deve-se repetir a produção da estrutura bicamada, considerando na etapa de extrusão do filme polimérico nas estruturas de suporte têxtil, a espessura do mesmo para garantir as condições ideais estudadas na produção do filme individual. Deste modo, para além de garantir a utilização de novo material, com melhores condições de acondicionamento e propriedades químicas e físicas mais estáveis, garantir também alcançar o fator ideal de produção do produto final, estritamente necessário para a funcionalização do circuito elétrico no caso de sistema de resistência em série. Um estudo que seria também importante de realizar seria o da verificação da propriedade de resistividade do material da camada de extrusão às temperaturas de aquecimento das diferentes estruturas têxteis. Para tal dever-se-ia montar um circuito em paralelo, em que no caso do substrato têxtil com integração do sistema resistivo em paralelo, dever-se-ia ligar a estrutura global a uma fonte de energia, instalando um multímetro (configurado no modo ohmímetro) na zona de conexão da estrutura têxtil, registando os valores da resistência total da amostra durante o aquecimento á temperatura estipulada. No caso da estrutura criada com o sistema de resistência em série, o procedimento seria similar, porém dado que a resistência que se pretende avaliar seria exclusivamente a da camada de extrusão, o multímetro deveria estar conectado à camada de recobrimento, onde os terminais deverão estar afastados a 1cm, distância predefinida na medição da resistividade do material no medidor de 4 pontas. Deste modo, poderíamos concluir sobre a estabilidade do material relativamente às temperaturas de funcionamento do sistema de aquecimento, durante o seu período de utilização, garantindo a total disponibilidade das propriedades dos materiais ao nível do parâmetro de resistividade elétrica do mesmo. Tal como se propôs no início deste projeto, ao nível da produção e comercialização em grande escala deste artigo, apenas elaborado em escala piloto, algumas soluções foram pensadas num conceito mais teórico, sendo necessário executar na prática futuramente. Deste modo, dever-se-á desenvolver um debuxo, de modo a provocar flutuações ao longo do comprimento do tecido, permitindo zonas especificas de corte nas dimensões desejadas. Estas flutuações permitirão não só localizar as zonas do corte do material nas dimensões necessárias para aplicar na peça de automóvel, como também permite que os fios de trama facilmente sejam identificados, agrupados e conectados, facilitando deste modo a finalização dos diferentes possíveis circuitos. Também ao nível das estruturas de suporte têxtil, alguns parâmetros devem ser alterados de modo a criar circuitos mais eficientes, podendo-se seguir diferentes abordagens como ilustrado na tabela 20. 63 Valores Resistência nas pistas condutoras (Ω) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 1ª Medição 7,50 2,50 2,20 1,80 0,80 4,00 2ª Medição 3,30 7,60 3,60 1,00 1,20 1,40 3ª Medição 5,50 2,60 2,50 0,90 1,50 1,90 4ª Medição 8,20 2,53 2,30 0,60 0,90 1,50 5ª Medição 4,30 2,20 5,40 0,50 2,40 1,90 Valor Médio 5,76 3,49 3,20 0,96 1,36 2,14 64 Anexo 4. Cálculos para descobrir a proporção entre os valores teóricos e experimentais. Parâmetro Fórmulas Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Resistência média de um fio (Ω) 𝑅 𝑓𝑖𝑜 25,8 27,7 29,8 2,4 2,64 2,32 Nº de Fios Condutores 𝑁º𝑓𝑖𝑜𝑠 41 22 19 40 21 14 Resistência Equivalente teórica do sistema (Ω) 𝑅𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 =𝑅 𝑓𝑖𝑜 𝑁º𝑓𝑖𝑜𝑠 0,63 1,26 1,57 0,06 0,12 0,16 Resistência Equivalente do sistema (Ω) Medida experimentalmente 𝑅𝐵𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠 5,76 3,49 3,2 0,96 1,36 2,14 Intensidade da Corrente Teórico (A) 𝐼 = 𝑉 𝑅𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 5 5 5 5 5 5 Intensidade da Corrente experimental (A) Leitura direta na fonte 2,08 3,43 3,75 5 5 5 Potência do Sistema Teórico (W) 𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 =𝑅𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 × 𝐼𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜2 15,75 31,5 39,2 1,5 3 4 Potência do Sistema Experimental (W) 𝑃 𝑒𝑥𝑝 = 𝑅𝐵𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠 × 𝐼𝑒𝑥𝑝2 24,9 41,1 45,0 24,0 34,0 53,5 Proporção Proporção=𝑃𝑒𝑥𝑝 𝑃𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 1,6 1,3 1,14 16 11 13 65 Anexo 5. Resultados propriedades térmicas das amostras de extrusão Propriedade Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Ensaio 5 Valor Médio Desvio Padrão Coef. Variação h 1,78 1,45 1,51 1,78 1,12 1,53 0,27 17,9 P 1,94 1,84 3,73 1,29 1,77 2,11 0,94 44,3 q 0,449 0,56 1,08 0,303 0,812 0,64 0,31 48,1 y 43,2 47,2 45,9 44 56,8 47,42 5,47 11,5 A 0,05 0,09 0,06 0,09 0,04 0,07 0,02 34,9 b 194 154 178 146 291 192,60 58,22 30,2 r 41,3 30,8 33 40,6 19,6 33,06 8,82 26,7 Propriedade Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Ensaio 5 Valor Médio Coeficiente Coef. Variação h 0,98 1,83 1,57 1,85 1,27 1,5 0,37 24,9 P 1,22 1,38 5,35 2,84 1,44 2,446 1,75 71,5 q 0,687 0,308 1,53 0,665 0,555 0,749 0,46 61,7 y 64,4 44 49,2 45,3 54,3 51,44 8,28 16,1 A 0,1 0,06 0,05 0,09 0,09 0,078 0,02 27,8 b 196 175 223 151 178 184,6 26,78 14,5 r 15,2 41,6 31,9 40,9 23,5 30,62 11,36 37,1 Propriedade Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Ensaio 5 Valor Médio Coeficiente Coef. Variação h 1,02 1,06 1,05 1,03 1,02 1,036 0,02 1,8 P 1,41 1,73 1,88 1,83 1,91 1,752 0,20 11,6 q 1,24 1,66 1,64 1,63 1,68 1,57 0,19 11,8 y 119 129 118 120 119 121 4,53 3,7 A 0,14 0,08 0,06 0,07 0,06 0,082 0,03 40,8 b 320 463 486 464 506 447,8 73,61 16,4 r 8,6 8,2 8,9 8,5 8,6 8,56 0,25 2,9 66 Anexo 6. Print Screen dos resultados obtidos no medidor de 4 pontas