Incorporação de fibras inorgânicas em revestimentos poliméricos para melhoria da performance ao corte

Abstract

A presente dissertação insere-se num projeto de desenvolvimento e melhoria contínua do departamento de investigação e desenvolvimento (I&D) da Ansell Portugal. Esta empresa é líder em soluções de proteção para as mãos e braços, e o objetivo da equipa de I&D é responder às necessidades dos clientes, através do desenvolvimento de novos produtos que incluam elevada performance, conforto, e que ofereçam proteção e segurança aos utilizadores. O objetivo deste projeto é avaliar o impacto da incorporação de fibras inorgânicas em revestimentos poliméricos de luvas têxteis para melhoria da sua performance ao corte. Para que o produto final adquira o desempenho desejado, e tire partido das ótimas propriedades mecânicas das fibras inorgânicas, estas devem estar bem dispersas na suspensão polimérica. As fibras inorgânicas utilizadas neste projeto pertencem à classe de fibras minerais da família dos aluminossilicatos. O revestimento polimérico onde estas foram incorporadas é constituído, essencialmente, por borracha de acrilonitrilo-butadieno (NBR) carboxilada, que antes da vulcanização é aplicada na luva têxtil sob forma de uma emulsão polimérica estável. Tendo em conta a natureza das fibras, estas possuem elevado grau de hidrofilicidade, e a NBR carboxilada, apesar de possuir grupos hidrofílicos, é sobretudo hidrofóbica. Assim, a estratégia passou não só por tentar criar forças repulsivas entre as fibras, com o objetivo de impedir a sua agregação, mas também por promover uma boa interação das fibras com a NBR. Testaram-se vários métodos de dispersão, nomeadamente a utilização de um homogeneizer, a tecnologia de banho de ultrassons e ponteira de ultrassons, a adição de tensioativos não iónicos à suspensão polimérica, com diferentes concentrações, e, por último, realizou-se a funcionalização das fibras inorgânicas, recorrendo à química sol-gel e ao precursor metiltrimetoxisilano (MTMS). De seguida, avaliou-se a redispersibilidade das fibras inorgânicas na suspensão polimérica ao longo do tempo. Os métodos mais eficazes de dispersão foram a utilização da ponteira de ultrassons e a adição do polímero polietilenoglicol (PEG-3000, 1% em massa) à suspensão de fibras. Com estes dois métodos, mesmo após 31 dias de repouso, as fibras apresentaram redispersibilidade na matriz polimérica. Para analisar a estabilidade das dispersões, realizaram-se testes de potencial zeta. Verificou-se uma melhoria significativa nas dispersões após aplicação destes métodos relativamente às amostras dispersas apenas com agitação mecânica (-32,4 mV). O melhor resultado foi obtido para as amostras com fibras dispersas com ponteira de ultrassons (-63,1 mV), passando de uma estabilidade média para uma estabilidade muito boa. Realizaram-se testes de resistência ao corte às amostras vulcanizadas e concluiu-se que esta é incrementada após a incorporação de fibras inorgânicas nos revestimentos poliméricos, passando de um nível de corte 1 para um nível 3 (segundo a norma ASTM F1790-97). Assim, esta tecnologia acrescenta valor ao produto final, a um custo muito reduzido, face aos custos de produção de luvas têxteis resistentes ao corte que utilizam fibras técnicas. Os testes de corte permitiram ainda verificar que a variabilidade dos resultados diminui significativamente para as amostras com fibras dispersas com ponteira de ultrassons e com a adição do tensioativo não iónico PEG-3000 (1% em massa). Conclui-se, portanto, que as amostras utilizadas em cada teste são semelhantes entre si, pelo que as fibras se encontram homogeneamente dispersas na matriz polimérica. O trabalho realizado nesta dissertação permitiu desenvolver dois métodos de dispersão de fibras eficazes para o processo produtivos de luvas da Ansell com revestimentos poliméricos incorporando fibras inorgânicas. A adição do PEG-3000 (1% em massa) é de fácil implementação e não requer custos adicionais significativos no processo de produção, mas para ser aplicado em todos os produtos da Ansell, teria de ser avaliado o impacto deste nas propriedades finais dos produtos. A tecnologia de ultrassons também é de fácil implementação a nível industrial, requer custos de investimento relevantes, mas tem a vantagem de poder ser utilizado em qualquer um dos artigos produzidos pela Ansell.

This MSc Thesis is framed on the development and continuous improvement vision of the research and development department (R&D) of Ansell Portugal. This company is the leader of solutions for hands and arms protection, and the goal of the R&D department is to answer the needs of clients, through the development of new products that have high performance, comfort, and offer protection and safety to users. The goal of this project is to evaluate the impact of the incorporation of inorganic fibers in the polymer coatings of textile gloves on their resistance to cut. In order to obtain the final product with the desired mechanical resistance and take advantage of the fibers great properties, thelatter need to be well dispersed in the polymeric suspension. The inorganic fibers used in this project belong to the group of mineral fibers from the aluminosilicate series. The polymer coating where they were incorporated is essentially constituted by carboxilated acrylonitile-butadiene (NBR) rubber that is applied on the textile glove in the form of a stable polymeric emulsion, followed by vulcanization. Considering the nature of the fibers, they have a high hydrophilicity. On the other hand, the carboxilated NBR, although it has hydrophilic groups, is mostly hydrophobic. Therefore, the strategy was not only to creat repulsive forces between the fibers, with the objective of preventing their agglomeration, but also to promote a good interaction between fibers and NBR. Several methods of dispersion were tested, such as using an homogeneizer, an ultrasound bath, an ultrasound tip, addition of a non-ionic tensioactive to the polymeric suspension with diferent concentrations and the functionalization of the inorganic fibers with the use of sol-gel chemistry using the methyltrimethoxysilane (MTMS) precursor. Then, the redispersibility of the inorganic fibers in the polymeric suspension was evealuated over time. The most effective dispersion methods were the use of the ultrasonic tip and the addition of polyethylene glycol (PEG-3000, 1% wt) to the fibers suspension. With these two methods, even after 31 days of resting, the fibers show redispersibility in the polymeric matrix. In order to analyze the stability of the dispersions, potencial zeta tests were carried out. A significant improvement was verified in the optimized dispersions comparatively to the dispersed samples with only mechanical mixing (-32,4 mV). The best result was obtained for the dispersed fiber samples with the ultrasonic tip (-63,1 mV), going from a medium to a very good stability. Cut resistance tests to the vulcanized samples were carried out, and the gloves performance increased after incorporating the inorganic fibers in the polymer coating, ranging from a cut level 1 to 3 (according to ASTM F1790-97). Thus, this tecnology adds value to the final product, at a very low cost, when compared to the production cost of the textile gloves using tecnical fibers with cut resistance. The cut test allowed to verify that the variability was significantly decreased for the fiber samples dispersed with the ultrasonic tip and with the addition of the non-ionic tensioactive PEG-3000 (1% wt). Thereby the used samples in the tests are similar to each other, and the fibers are homogeneously dispersed in the polymeric matrix. The study performed in this MSc Thesis allowed to develop two efficient fiber dispersion methods for the Ansell glove production process with the incorporation of inorganic fibers in polymer coating. The non-ionic tensioactive PEG-3000 (1% wt) is easily added and does not require significant additional costs in the production process, but to be used in every Ansell’s product its impact in the final properties must be assessed. Also, the ultrasound technology is easily implemented at industrial level, although it requires an additional investiment, and can be used in other products manufactured by Ansell.