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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAL PARA REVESTIMENTO EM MERCERIZADEIRAS MATHEUS ALBUQUERQUE BEZERRA DE CARVALHO NATAL-RN, 2018

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · vi Albuquerque, M. Caracterização de revestimento utilizado em mercerizadeiras da indústria têxtil. 2018.XX p. Trabalho

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAL PARA REVESTIMENTO EM

MERCERIZADEIRAS

MATHEUS ALBUQUERQUE BEZERRA DE CARVALHO

NATAL-RN, 2018

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAL PARA REVESTIMENTO EM

MERCERIZADEIRAS

MATHEUS ALBUQUERQUE BEZERRA DE CARVALHO

NATAL-RN

2018

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pela

Profa. Dra. Juliana Ricardo de Souza.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAL PARA REVESTIMENTO EM

MERCERIZADEIRAS

MATHEUS ALBUQUERQUE BEZERRA DE CARVALHO

Profa. Dra. Juliana Ricardo de Souza ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador

Prof. Me. Fernando Nunes da Silva ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Avaliador Externo

Prof. Me. Brenno Henrique da Silva Felipe ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno

NATAL-RN, 21 de Junho de 2018

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DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais, que abdicaram de tanto para que eu pudesse

chegar aonde cheguei.

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AGRADECIMENTOS

Este trabalho não teria sido concluído sem a ajuda, portanto presto homenagem

àqueles que me auxiliaram até aqui:

Agradeço primeiramente à Deus, por ser tão misericordioso e bondoso. Se estou vivo

hoje, é devido ao amor dEle por mim.

À Professora Doutora Juliana Ricardo de Souza por sua paciência e seus

ensinamentos, tanto ao longo desse TCC quanto na minha trajetória acadêmica. A senhora é

um verdadeiro exemplo de educadora.

À Vicunha Têxtil por me permitir o acesso à informações internas da empresa e por

fornecer o material para análise.

À estagiária Iane Castro, por propor a ideia desse trabalho, e por ser sempre prestativa

e aberta às discussões.

Aos realizadores dos ensaios, representantes do laboratórios de Engenharia Têxtil e do

Instituto de Química, nas figuras de Vinícius Silva, Joadir Júnior e Eugênio Teixeira

À Raissa, por seu amor e apoio.

E aos meus amigos, por nunca me negarem auxílio quando precisei.

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Albuquerque, M. Caracterização de revestimento utilizado em mercerizadeiras da

indústria têxtil. 2018. XX p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia

Mecânica) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.

RESUMO

Esse é um estudo preliminar acerca do material utilizado na indústria têxtil para

revestimento dos cilindros presentes nas máquinas mercerizadeiras. A soda cáustica aplicada

na mercerização é uma solução extremamente degradante para esses cilindros, que são

revestidos para dar durabilidade a esses componentes. Pensando nisso, desejou-se realizar a

caracterização desse material. Serão trazidos os resultados de três ensaios (Difração de Raios

X - DRX, Termogravimetria - TG e Tração) objetivando a caracterização química, térmica e

mecânica. Através do ensaio teste de tração quantificou-se o módulo de elasticidade e a

deformação máxima deste material, seguindo a norma ASTM 2136 com corpos de prova de 2

mm de espessura. À priori, a falha dos corpos de prova ocorreu num ponto inesperado devido

à inadequabilidade das garras da máquina de ensaio. Em um segundo momento os ensaios

foram refeitos, obtendo resultados satisfatórios e esperados. Os ensaios de DRX e TGA são

complementares ao de tração no processo de caracterização do material, para identificar sua

composição química e a estabilidade térmica desse polímero.

Palavras Chave: merceirização, revestimento, propriedades mecânicas, policloropreno,

Termogravimetria, difração de raios X, estabilidade térmica.

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Albuquerque, M. Characterization for coated mercerized machines of textile industry.

2018. XX p. Conclusion Work Project (Mechanical Engineering Graduation) – Federal

University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.

ABSTRACT

This is a preliminary study about the material used in the textile industry to coat the

cylinders present in mercerizing machines. The caustic soda applied in the mercerization is an

extremely degrading solution for these cylinders, which are coated to give durability to these

components. Thinking about this, we wanted to characterize this material. The results of three

tests (X-ray Diffraction - XRD, Thermogravimetry - TG and tensile test) will be brought to

the chemical, thermal and mechanical characterization. Through the tensile test, the Young’s

modulus and the maximum deformation of this material were quantified following the ASTM

2136 standard with 2 mm thickness specimens. A priori, the failure of the specimens occurred

at an unexpected point due to the inadequacy of the test machine claws. In a second moment

the tests were redone, obtaining satisfactory and expected results. The XRD and TGA test are

complementary to the tensile tests in the characterization process to identify the chemical

composition and thermal stability of the polymer.

Palavras-chave: mercerizer, coating, mechanical, properties. Policloroprene,

thermogravimetry, thremal stabilization.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Perfil de uma Mercerizadeira....................................................................................13

Figura 2: Cilindros pneumáticos da Mercerizadeira.................................................................13

Figura 3: Módulo de impregnação da soda cáustica.................................................................14

Figura 4: Mudança na fibra do tecido durante o processo de mercerização.............................15

Figura 5: Mudança no fio do tecido após aplicada a Mercerização..........................................15

Figura 6: Um dos corpos de prova utilizados no ensaio de tração...........................................16

Figura 7: Equipamento utilizado para ensaio de tração............................................................16

Figura 8: Garra de acoplamento da máquina de ensaio.................................................;..........17

Figura 9: Resultados da primeira bateria de ensaios.................................................................17

Figura 10: Amostra da segunda bateria de resultados..............................................................18

Figura 11. Amostra em pó para ensaio de DRX.......................................................................18

Figura 12: Gráfico de Força (N) x Alongamento (%) para amostras 2 e 3 ..............................20

Figura 13: Gráfico de Força (N) x Alongamento (%) para amostras de 1 a 5 .........................21

Figura 14: Carta de Ashby Módulo x Resistência ...................................................................22

Figura 15: Resultado do teste de Difração de Raios X ............................................................23

Figura 16: Difratograma de vidro x difratograma da amostra de policloropreno.....................23

Figura 17: Difratograma obtido por RIVA para as três diferentes amostras de

policloropreno...........................................................................................................................24

Figura 18: Termogravimetria do Policloropreno sob presença de Nitrogênio..........................25

Figura 19: Termogravimetria do Policloropreno sob presença de Ar Sintético.......................25

Figura 20: Diagrama de Temperatura de Serviço Máxima.......................................................26

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Resultados do ensaio de tração preliminar ...............................................................19

Tabela 2: Resultados do ensaio de tração definitivo.................................................................20

Tabela 3: Grau de cristalinidade para diferentes amostras de Policloropreno (neoprene)........24

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SUMÁRIO

Dedicatória..............................................................................................................................IV

Agradecimentos........................................................................................................................V

Resumo....................................................................................................................................VI

Abstract..................................................................................................................................VII

Lista de Figuras...................................................................................................................VIII

Lista de Tabelas......................................................................................................................IX

Introdução...............................................................................................................................12

Metodologia.............................................................................................................................15

Tração............................................................................................................................16

DRX..............................................................................................................................18

Termogravimetria..........................................................................................................19

Resultados e Discussões..........................................................................................................19

Tração............................................................................................................................19

DRX..............................................................................................................................19

Termogravimetria..........................................................................................................24

Conclusões................................................................................................................................26

Tração............................................................................................................................26

DRX..............................................................................................................................27

Termogravimetria..........................................................................................................27

Referências Bibliográficas......................................................................................................27

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1 INTRODUÇÃO

Em indústrias têxteis são muitos os setores responsáveis pelo tratamento dos tecidos,

para que eles tenham as características desejadas quanto ao tingimento, estabilidade

dimensional e resistência. Um desses setores é o beneficiamento.

Segundo MEDEIROS (2013) o beneficiamento segue os princípios de preparação,

onde é feita a retirada de impurezas indesejáveis nos processos seguintes; coloração, onde

ocorre o tingimento; e acabamento final conforme características de uso desejáveis. Ainda, o

beneficiamento pode ser dividido em três etapas: Primário, Secundário e Final.

No beneficiamento primário ocorrem todos os procedimentos de preparação do

substrato têxtil para que seja possível a aplicação do tingimento. Nessa etapa enquadram-se:

Chamuscagem

Desengomagem

Cozimento/Purga

Lavagem/Purga

Mercerização

Fixação

Alvejamento Químico

Na segunda etapa, ocorrem as operações que visam dar cor ao substrato. Enquadram-

se nessa categoria: branco óptico, tingimento e estampagem.

Na etapa final do beneficiamento ocorrem todas as operações que visam tornar o

tecido adequado ao seu destino, recebendo propriedades físicas, térmicas e químicas.

MERCERIZAÇÃO

Como o alvo desse estudo é o material de revestimento das máquinas mercerizadeiras

como as da figura 1, na indústria têxtil, esse processo será tratado com maior profundidade.

FERRARI (2007) define a mercerização como um grupo de operações que mudam a estrutura

interna e morfológica das fibras celulósicas produzindo externamente um aumento de brilho e

alterações na geometria e internamente um aumento na sensibilidade a reações com certos

tipos de compostos químicos e corantes.

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JORDANOV (2010) cita que a extensão das mudanças que ocorrem com o tecido

depende do tempo de processamento, da concentração cáustica da solução e do grau de

polimerização. Portanto, faz-se importante destacar o papel da soda cáustica.

A soda cáustica aplicada na mercerização é uma solução extremamente degradante

para os cilindros da mercerizadeira (figura 2), que são revestidos para dar durabilidade. É

preciso, então, que esse revestimento possua boas propriedades mecânicas para resistir ao

esforço feito pelo cilindro e a degradação pela soda cáustica.

Figura 1. Perfil de uma mercerizadeira

Figura 2. Cilindros pneumáticos da mercerizadeira

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Figura 3. Módulo de impregnação da soda cáustica

A pressão nos cilindros exerce um papel importante no processo. Precisa ser constante

para que não haja diferenças de forças aplicadas e, consequentemente, diferença de grau de

mercerização.

Na fase de estabilização ocorre uma lavagem intensiva com maior temperatura

possível para que ocorra a diminuição do teor de soda cáustica. Nessa etapa a soda cáustica

deve ser retirada ao máximo para poder prosseguir para a lavagem.

A etapa final é a lavagem, que ocorre em sentido contrário e de maneira intensiva, de

forma a eliminar quaisquer resquícios da soda.

EFEITOS DO PROCESSO DE MERCERIZAÇÃO

A fibra do tecido ganha volume e seu corte transversal passa da forma alargada para

arredondada, como ilutrado na figura 4. Quando há tensão suficiente sobre o tecido, a fibra

inchada ganha uma maior capacidade de se esticar, porque há uma paralelização das fibras, e

também aumenta o brilho no tecido. Porém, as qualidades do tecido não reagem das mesmas

maneiras à mercerização. O tecido mercerizado final apresenta, em relação ao não

mercerizado, melhor estabilidade de forças, maior brilho, maior resistência à tensão e abrasão

e maior capacidade de tingimento (figura 5).

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Figura 4. Mudança na fibra do tecido durante o processo de mercerização.

Figura 5. Mudança no fio do tecido após aplicada a mercerização.

2 METODOLOGIA

Esse trabalho possui natureza qualitativa e quantitativa, apoiando-se na revisão

sistemática de artigos e na realização de ensaios laboratoriais. O estudo foi desenvolvido a

partir de:

1. Pesquisa Bibliográfica, onde os conceitos analisados foram: “Módulo de elasticidade e

deformação máxima”, “Difração de raios X”, “Comportamento com a variação de

temperatura” e “Cartas de Ashby”.

2. Realização de ensaios de Difração de raios X, Termogravimetria e Tensão aplicada de

material polimérico chamado Policloropreno, nome comercial NEOPRENE™.

3. Análise dos resultados.

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2.1 ENSAIO DE TRAÇÃO

O ensaio de tração seguiu a norma ASTM 2136, com exceção da velocidade de teste já

que a máquina de ensaio era fator limitador. Os corpos de prova para o ensaio de tração

possuem 2 mm de espessura e foram retirados de amostras de um elastômero de dimensões

100x100x17 mm.

Figura 6. Um dos corpos de prova utilizados no ensaio de tração.

A velocidade utilizada para o ensaio foi de 10 mm/min, o comprimento útil dos corpos

de prova foi de 25 mm e foi utilizada uma máquina de ensaio de tração modelo TENSOLAB

3000 MESDAN (Figura. 7).

Figura 7: Equipamento utilizado para ensaio de tração

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Porém os resultados obtidos do ensaio inicial foram inadequados. Esperava-se que a

ruptura do corpo de prova acontecesse em seu pescoço, parte de menor largura da amostra.

Mas o rompimento estava acontecendo na parte superior, chamada de “cabeça”.

Alguns motivos foram levantados para a causa dessa anomalia do ensaio. O mais

plausível seria a inadequação da garra ao tipo de amostras. A garra utilizada para o primeiro

ensaio possuía ranhuras que danificavam a amostra.

Figura 8. Garra de acoplamento da máquina de ensaio.

Figura 9. Resultados da primeira bateria de ensaios.

Realizou-se, então, um segundo ensaio substituindo as garras com ranhuras por garras

com revestimento de silicone. Esse revestimento gerou resultados satisfatórios e sanou o

problema da ruptura da amostra em local inadequado.

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Figura 10. Amostra da segunda bateria de resultados.

2.2 DRX

Para realização do teste de Difração de Raios X, foi retirada uma parte do material de

amostra, que foi usinado e transformado em pó.

Figura 11. Amostra em pó para o ensaio de DRX

2.3 TERMOGRAVIMETRIA

Para os testes de Termogravimetria também se fez necessário a utilização do pó da

amostra. Foram realizados dois testes, em um o gás de purga utilizado foi Ar sintético, e o

outro sob presença de Nitrogênio, ambos com Cadinho de α-alumina. O processo se deu com

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rampa de 600ºC com taxa de 15º/min e isoterma por 30 minutos, para um tempo total de

ensaio de 68 minutos.

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

TRAÇÃO

Os resultados do ensaio preliminar estão mostrados na Tabela 1 a seguir.

Tabela 1. Resultados do ensaio de tração preliminar

Força (N) Alongamento (%) Módulo de

Elasticidade (GPa)

Corpo de Prova 1 88,1 39,6 18,539

Corpo de Prova 2 81,9 34,8 19,612

Corpo de Prova 3 39,1 15,6 20,887

Média 85 37,2 19,679

Para medir o módulo de elasticidade das amostras na falha foi utilizada a área do

ponto de falha do material (área transversal de 12 mm²). É possível notar que os corpos de

prova 1 e 2 têm resultados bem próximos de módulo de elasticidade apesar do ponto de

fratura ter ocorrido na cabeça. O corpo de prova 3 apresentou-se caracteristicamente como

outline.

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Figura 12. Gráfico de Força(N) x Alongamento (%) para as amostras 2 e 3.

Observou-se em dados intervalos de deslocamento, um comportamento constante na

força aplicada, evidenciando o escorregamento do corpo de prova na garra do equipamento de

tração. Por esse motivo foi necessária a realização de novos testes com a troca dessa garra.

Os resultados do ensaio definitivo estão apresentados na Tabela 2 a seguir:

Tabela 2. Resultados do ensaio de tração definitivo

Força (N) Alongamento (%) Módulo de

Elasticidade (GPa)

Corpo de Prova 1 84,7 35,20 40,100

Corpo de Prova 2 89,2 40,00 37,167

Corpo de Prova 3 36,4 22,00 27,576

Corpo de Prova 4 69,5 32,00 36,197

Corpo de Prova 5 100,2 39,20 42,602

Média 76,02 33,680 37,618

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Para o cálculo do módulo de elasticidade no teste definitivo foi utilizada a área do

ponto de falha na garganta da amostra (área transversal de 6 mm²).

Figura 13. Gráfico de Força(N) x Alongamento (%) para as amostras de 1 a 5.

Para a devida caracterização dos corpos de prova, foi utilizada a carta de ASHBY de

Módulo de Elasticidade x Resistência como referência principal.

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Figura 14. Carta de Ashby Módulo x Resistência

Os dados de entrada para encontrar a devida região no mapa foram as grandezas

médias presentes na Tabela 2. Com a força média de 76,02N aplicadas sobre a área de

ruptura, correspondente à 6mm² (3mm de largura x 2mm de espessura), obtem-se uma tensão

média de 12,67 MPa. A tensão média é dividida então pelo alongamento médio para obtenção

do módulo resultante de 36,728 GPa.

DRX

O gráfico a seguir mostra o resultado do teste de Difração de Raios X.

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Figura 15. Resultado do teste de difração de raios x.

Na faixa inicial de medição, entre as temperaturas de 10° e 30º, há variação na

intensidade, porém esse resultado foi descartado em virtude da faixa entre 35º e 120º

apresentar os picos característicos do ensaio.

DA SILVA (2018) relata o aspecto característico de um difratograma para um material

cristalino. Segundo ele, os materiais cristalinos apresentam picos totalmente lineares e

inexiste em seu perfil formatos ondulares não-lineares, característica dos materiais amorfos.

Figura 16. Difratograma de vidro em comparação com difratograma da amostra de policloropreno

Fonte: DOMINGUES

Comparando o DRX do policloropreno com o do vidro, é claramente perceptível o

perfil semicristalino da amostra pela presença dos picos lineares para os valores de 38º, 44º e

83º. Mas é necessário destacar na faixa entre 10º e 30º um comportamento amorfo, o que

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indica que a composição da amostra pode não ser pura de Policloropreno, e sim um

compósito.

RIVA (1980) traz valores para o grau de cristalinidade de vários tipos diferentes do

policloropreno (neoprene).

Tabela 3. Grau de cristalinidade para diferentes amostras de Policloropreno (neoprene)

Figura 17. Difratograma obtido por RIVA para as três diferentes amostras de Policloropreno

Embora os resultados para RIVA tenham ocorrido em uma faixa de 2θ diferente do

apresentado da figura, destaca-se os picos característico de materiais cristalinos. Comparando

os difratogramas das figuras 16 e 17, é possível perceber que os picos presentes na figura 16

são mais estreitos e presentes em valores de 2θ maiores.

TERMOGRAVIMETRIA

Para o teste de Termogravimetria, foram utilizadas dois gases de purga diferentes:

Nitrogênio e Ar sintético. Usou-se cadinho de Alumina, com vazão de gás de purga de

100ml/min. A razão de aquecimento foi de 10ºC/min e a temperatura final de 900ºC para os

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para ambos os gases. O equipamento de teste foi um Analisador termogravimétrico e

calorímetro simultâneo, modelo SDTQ600 da fabricante TA instruments. Os resultados

obtidos estão demonstrados a seguir:

Figura 18. Termogravimetria do policloropreno sob presença de Nitrogênio.

Figura 19. Termogravimetria do policloropreno sob presença de Ar sintético.

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ASHBY classifica da seguinte forma a temperatura de serviço máxima dos materiais:

Figura 20. Diagrama de Temperatura de serviço máxima

Os dois resultados das termogravimetrias demonstram que ocorre perda de massa

severa aproximadamente a partir da temperatura de 300°C, embora em ambos os casos as

ocorre uma perda sensível a partir dos 50ºC, indicando a possível quebra das ligações entre as

moléculas de cloropreno. A temperatura de 300ºC foi assinalada no diagrama de temperatura

de serviço máxima.

A região dos polímeros enquadra o neopreno abaixo da temperatura especificada,

comprovando sua utilização para a indústria têxtil. A partir dos 350°C a utilização do material

é contraindicada, já que ocorre a degradação do composto em níveis altos.

5 CONCLUSÕES

TRAÇÃO

Para os dados utilizados, o ponto do material apresentou-se na região dos metais.

Embora FERNANDES (2010) cite que as matrizes poliméricas do tipo Policloropreno

apresentem resultados promissores para a formação de compósitos à base de ferrita, o

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resultado pode ser melhor explicado por possíveis erros que tenham permanecidos durante a

realização do ensaio.

Cita-se os erros presentes no ensaio de tração, e que podem ter influenciado o

resultado final: durante a realização do ensaio definitivo, a velocidade aplicada permaneceu

sendo de 10 mm/min devido às limitações da máquina de ensaio, porém a norma especificava

uma velocidade máxima de 2 mm/min. A garra de acoplamento apresenta-se como outro fator

causador de erros. Mesmo com a troca, é possível perceber regiões onde a força é constante e

o alongamento varia, demonstrando que ainda ocorre o escorregamento das amostras.

DRX

O estudo de RIVA demonstra que a cristalinidade de um material pode ser

quantificada pelo teste de DSC (Calorimetria Exploratória Diferencial), bem como pelo DRX.

A diferente faixa de 2θ demonstra a diferença do Neoprene das amostras. Enquanto que no

teste de RIVA o difratograma retrata picos com bases mais espaçadas e de menor intensidade,

o da amostra possui valores maiores de intensidade e em uma faixa superior de 2θ com bases

menos espaçadas. Na figura 16 a faixa entre 10º e 30º demonstra que a amostra de neoprene

possui um comportamento amorfo, o que indica que o material não é policloropreno puro e

sim trata-se de uma mistura. Os picos com intensidade maior e em faixa superior ao de RIVA

indicam que o grau de cristalinidade da amostra devem ser superiores, ficando portanto acima

da faixa entre 15 e 18 por cento, retratado na tabela 3.

TERMOGRAVIMETRIA

Segundo o responsável pelo setor de beneficiamento da vicunha, a temperatura

máxima que entra em contato com o material estudado é 100 ºC. Essa temperatura é bem

inferior à suportada pelo material, que como demonstram os testes de termogravimetria das

figuras 18 e 19 e a carta de temperatura de trabalho máximo de ASHBY é de 300 ºC.

Portanto, o policloropreno (neoprene) presente no revestimento do cilindro da mercerizadeira

é apropriado e suporta a temperatura de trabalho aplicada.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

R. Ferrari, “Reuso do efluente do processo de Mercerização no tingimento de malha de

algodão,” Universidade Regional de Blumenau, 2007.

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28

ASTM, “Standard Test Method for Notched , Constant Ligament-Stress ( NCLS ) Test to

Determine Slow-Crack-Growth Resistance of HDPE Resins or HDPE Corrugated Pipe 1,”

Astm, vol. 8, no. Reapproved, pp. 1–5, 2015.

I. Jordanov, "Mechanical and structural properties of mercerized cotton yarns, bio-scoured

with pectinases" Faculty of Technology and Metallurgy Skopje, Macedonia, 2010.

ASHBY, M. F. Seleção de materiais no projeto mecânico: tradução: Arlete Simille Marques.

RJ: Elsevier, 2012. 673 p.

FERNANDES, P.C. et al. Características morfológicas e estruturais do compósito: poliamida

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2010.

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