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Evaluation of Wrapper Fibre Percentage in Lyocell Air-Jet Spun Yarns: Development of a New Method and Analysis of Its Relationship to Yarn Properties

Este artigo introduz um método objetivo, baseado em regras, para quantificar a porcentagem de fibras de revestimento em fios de lyocell produzidos por jato de ar e demonstra que, embora essa porcentagem atinja o pico em espaçamentos de bocal mais curtos, a tenacidade e o alongamento do fio exibem uma relação não linear com o conteúdo de revestimento, favorecendo, em última análise, espaçamentos de bocal mais longos para melhores propriedades mecânicas e redução da pilosidade.

Autores originais: Iva Mertová, Eva Moučková, Petra Jirásková

Publicado 2026-11-05

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CC BY 4.0

Autores originais: Iva Mertová, Eva Moučková, Petra Jirásková

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine um fio de linha não como um cordão único e sólido, mas como um feixe de minúsculas fibras mantidas juntas por uma arquitetura específica. Na fabricação têxtil moderna, uma das formas mais eficientes de criar esse feixe é através da fiação por jato de ar. Em vez de torcer as fibras como uma corda, uma máquina as sopra com ar em turbilhão. Essa força puxa algumas fibras para fora do feixe principal e as envolve ao redor do exterior, criando uma camada protetora que trava as fibras internas no lugar. O resultado é um fio forte, suave e rápido de produzir, tornando-o um favorito para tudo, desde roupas até têxteis médicos. No entanto, a resistência e o toque desse fio dependem inteiramente do equilíbrio entre o núcleo interno e a camada externa. Se muitas fibras acabarem do lado de fora, o fio pode ficar piloso e fraco; se poucas, pode se desfazer. Durante décadas, cientistas lutaram para contar exatamente quantas fibras pertencem à camada externa versus o núcleo interno, muitas vezes recorrendo a métodos que eram lentos, difíceis ou que deixavam muito espaço para o palpite humano.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Técnica de Liberec, na República Tcheca, enfrentou esse problema ao desenvolver uma nova maneira, mais precisa, de enxergar o interior desses fios. Eles focaram em um tipo específico de fibra chamada Lyocell, um material feito de polpa de madeira conhecido por ser macio, forte e ecologicamente correto. Os pesquisadores queriam entender como uma configuração específica na máquina de fiação — a distância entre os rolos que alimentam as fibras e o bocal que as fia — altera a estrutura do fio. Eles produziram fios em três distâncias diferentes: uma configuração padrão, uma distância menor e uma distância maior. O objetivo era ver se mudar esse intervalo alterava a proporção de fibras externas para fibras internas, e se essa mudança tornava o fio mais forte ou mais fraco.

Para resolver o problema da contagem, a equipe primeiro tentou separar as fibras manualmente, mas descobriu que as fibras externas estavam tão firmemente emaranhadas com as internas que puxá-las separadamente destruía a estrutura. Eles então recorreram a um microscópio, cortando o fio em seções incrivelmente finas para ver as fibras de lado. Métodos anteriores exigiam que um especialista humano olhasse para essas fatias e decidisse quais fibras eram "núcleo" e quais eram "envoltório" com base na aparência. Isso era subjetivo, o que significava que dois especialistas diferentes poderiam contar a mesma fibra de formas distintas. Os pesquisadores criaram um novo método que remove esse palpite. Eles mediram o tamanho da seção transversal de cada fibra individual na imagem. Eles sabiam que as fibras que correm diretamente pelo centro do fio pareceriam círculos perfeitos, enquanto as fibras envolvidas ao redor do exterior seriam cortadas em um ângulo, fazendo-as parecer ovais maiores e mais alongadas. Ao estabelecer uma regra estrita de que qualquer fibra maior que um tamanho específico deveria fazer parte da camada externa, eles puderam deixar o computador fazer a contagem. Eles até refinaram essa regra para ignorar fibras grandes que por acaso estivessem perto do centro, garantindo que apenas a verdadeira camada externa fosse contada.

Usando este novo método objetivo, os pesquisadores descobriram que a distância entre as partes da máquina tinha um efeito profundo na estrutura do fio. Quando utilizaram a distância mais curta, o fio continha a maior porcentagem de fibras de envoltório externas, atingindo cerca de trinta por cento do total de fibras. À medida que aumentavam a distância, o número de fibras externas mudava, mas não de forma linear simples. A descoberta mais surpreendente foi como essa estrutura afetava a resistência do fio. Os pesquisadores descobriram que ter mais fibras externas inicialmente tornava o fio mais forte, mas apenas até certo ponto. Uma vez que a porcentagem de fibras externas excedia um certo limite, o fio tornava-se, de fato, mais fraco. Isso acontece porque as fibras externas, que são envolvidas em um ângulo, não puxam de forma tão eficiente quanto as fibras internas retas. Se houver muitas delas, a força que tenta romper o fio é distribuída de uma forma que as fibras não conseguem suportar, fazendo com que o fio falhe mais cedo.

O estudo também analisou outras propriedades, como o quanto o fio esticava antes de romper e quantas fibras soltas ficavam presas na superfície, um traço conhecido como pilosidade. Os resultados mostraram que aumentar a distância entre as partes da máquina tornava o fio mais forte e permitia que ele esticasse mais antes de arrebentar. Ao mesmo tempo, uma distância maior reduzia o número de fibras soltas saindo da superfície, resultando em um fio mais suave. Isso sugere que dar às fibras mais espaço para percorrer antes de serem fiadas permite que elas se alinhem melhor e formem uma estrutura mais apertada e eficiente. Os pesquisadores concluíram que, embora a compactação das fibras dentro do fio não tenha mudado significativamente com a distância, o arranjo das fibras mudou. Ao encontrar o ponto ideal onde a porcentagem de fibras externas é alta o suficiente para manter o fio unido, mas não tão alta a ponto de enfraquecer o núcleo, os fabricantes podem produzir têxteis de melhor qualidade. Este novo método de contagem de fibras fornece uma ferramenta confiável para compreender essas estruturas complexas, indo além do palpite para um entendimento claro e baseado em regras de como os fios fiados por jato de ar são construídos.

Resumo Técnico: Avaliação da Percentagem de Fibras de Envoltória em Fios de Lyocell Produzidos por Jato de Ar

Definição do Problema
O desempenho dos fios produzidos por jato de ar é fundamentalmente determinado pela sua estrutura única de núcleo-envoltória, onde fibras helicoidais de envoltória mantêm um feixe de núcleo paralelo unido. A percentagem destas fibras de envoltória é um parâmetro estrutural crítico para modelar o comportamento do fio e prever propriedades mecânicas. No entanto, os métodos existentes para quantificar esta percentagem sofrem de limitações significativas. As abordagens convencionais, como o desenrolamento manual e a pesagem, são laboriosas e propensas à perda de fibras. Os métodos baseados em imagens, incluindo o "método da frequência" (Mertová e Moučková, 2020) e as técnicas de fibras traçadoras, dependem frequentemente da interpretação visual subjetiva para distinguir entre fibras do núcleo e de envoltória, particularmente ao lidar com seções transversais de fibras não circulares, como o Lyocell. Além disso, a influência de variáveis específicas da máquina, como o espaçamento do bocal de fiação ( $L$ ), na percentagem de fibras de envoltória e nas propriedades subsequentes do fio, requer maior elucidação para otimizar a produção.

Metodologia
Este estudo introduz uma metodologia objetiva e inovadora para identificar e quantificar as fibras de envoltória em fios de Lyocell produzidos por jato de ar, afastando-se da classificação visual subjetiva.

Preparação da Amostra: Fios 100% Lyocell (20 e 30 tex) foram produzidos numa máquina de fiação de jato de ar Rieter J20. Foram testadas três configurações distintas de espaçamento do bocal de fiação ( $L$ ): 17,6 mm (Z-3 housing), 19,6 mm (Z-1 housing) e 21,6 mm (Z+1 housing). Todos os outros parâmetros, incluindo a pressão de fiação e a velocidade de entrega, foram mantidos constantes.
Métodos de Análise de Imagem:
- Método da Frequência: Utilizado como linha de base, este método classifica subjetivamente as fibras com base na aparência visual em imagens de seção transversal.
- Método Direto: Foi desenvolvida uma nova abordagem baseada em regras. Esta estabelece um limite objetivo entre as fibras do núcleo e as de envoltória com base na área da seção transversal. As áreas das fibras foram medidas a partir de feixes de fibras paralelos para determinar uma área média e um intervalo de confiança. As fibras com uma área de seção transversal superior ao limite superior do intervalo de confiança de 95% (112 μm²) foram classificadas como fibras de envoltória.
- Método Direto Modificado: Para abordar o problema de fibras próximas do centro do fio que apresentam grandes secções transversais devido à falta de paralelismo perfeito, foi adicionada uma segunda condição: as fibras de envoltória também devem situar-se além de uma distância radial ( $r$ ) específica do eixo do fio, calculada com base na torção da fita de envoltória e na inclinação da fibra.
Caracterização de Propriedades: O estudo mediu a densidade de empacotamento do fio (usando o método da secante em secções transversais), tenacidade, alongamento de rutura (ISO 2062:2009) e pilosidade (Zweigle G 567, critérios S12 e S3). A análise estatística (ANOVA) foi empregada para avaliar a significância do espaçamento do bocal de fiação sobre estas propriedades.

Principais Contribuições

Desenvolvimento de um Método de Quantificação Objetiva: O artigo apresenta um "Método Direto" e a sua versão "Modificada" que eliminam a subjetividade inerente às técnicas de análise de imagem anteriores. Ao utilizar regras geométricas (área da seção transversal e posição radial) em vez de estimativa visual, o método proporciona uma classificação mais reprodutível de fibras do núcleo e de envoltória.
Correlação Estrutura-Propriedade: O estudo estabelece uma ligação quantitativa entre o espaçamento do bocal de fiação ( $L$ ), a percentagem resultante de fibras de envoltória e o desempenho mecânico dos fios de Lyocell de jato de ar.
Identificação de Limiares Críticos: A investigação identifica uma relação não linear entre a percentagem de fibras de envoltória e a tenacidade do fio, apontando um limiar crítico onde o desempenho mecânico atinge o pico.

Resultados

Percentagem de Fibras de Envoltória: O novo Método Direto produziu percentagens de fibras de envoltória geralmente consistentes com os valores da literatura (cerca de 30%), embora os valores específicos tenham variado conforme o método e a contagem do fio. O maior número de fibras de envoltória determinado através do Método Direto (não modificado) foi encontrado em fios fiados com o menor espaçamento do bocal de fiação ( $L$ = 17,6 mm). Os resultados obtidos usando o Método Direto Modificado seguiram a mesma tendência, mas as percentagens de fibras de envoltória calculadas foram inferiores devido à restrição adicional da distância radial.
Efeito do Espaçamento do Bocal de Fiação ( $L$ ):
- Densidade de Empacotamento: A análise estatística revelou que o espaçamento do bocal de fiação ( $L$ ) não teve um efeito estatisticamente significativo na densidade de empacotamento do fio para qualquer contagem.
- Tenacidade e Alongamento: Observou-se uma dependência não linear entre a percentagem de fibras de envoltória e a tenacidade do fio; a tenacidade aumentou com a proporção de fibras de envoltória apenas até um limite crítico (aproximadamente 26%), após o qual as propriedades mecânicas declinam. No entanto, o aumento do espaçamento do bocal de fiação ( $L$ ) melhorou consistentemente tanto a tenacidade como o alongamento de rutura para ambos os fios de 20 e 30 tex. Esta melhoria é atribuída ao melhor endireitamento das fibras do núcleo facilitado por elementos de alimentação de fibras mais longos, o que potencia o desempenho do rendilho do núcleo, apesar da relação complexa com as proporções de fibras de envoltória.
- Pilosidade: Um maior espaçamento do bocal de fiação ( $L$ ) resultou numa redução da pilosidade (especificamente S12, fibras curtas protuberantes), atribuída ao melhor controlo das fibras proporcionado pelo elemento de alimentação de fibras (FFE) mais longo. Inversamente, o menor espaçamento ( $L$ = 17,6 mm) resultou na maior pilosidade.
Comparação de Métodos: Embora o Método da Frequência seja mais rápido, é subjetivo. Os Métodos Direto e Direto Modificado são demorados e requerem rastreio manual, mas oferecem maior precisão e objetividade, particularmente ao excluir fibras centrais que não são verdadeiras fibras de envoltória.

Significância
O artigo afirma que a metodologia proposta fornece uma ferramenta robusta e objetiva para a análise estrutural de fios de alto desempenho produzidos por jato de ar, superando as limitações das técnicas subjetivas anteriores. Ao clarificar a relação entre o espaçamento do bocal de fiação, a percentagem de fibras de envoltória e as propriedades do fio, o estudo amplia o conhecimento atual relativo à otimização dos parâmetros de fiação por jato de ar para fibras de Lyocell. Os resultados sugerem que o aumento do espaçamento do bocal de fiação pode melhorar as propriedades mecânicas e reduzir a pilosidade, oferecendo um caminho prático para melhorar a qualidade do fio em aplicações industriais. A identificação de um limiar crítico de percentagem de fibras de envoltória (~26%) fornece um alvo específico para a otimização do processo para maximizar a resistência à tração, enquanto os resultados confirmam que um maior espaçamento de bocal produz uma tenacidade e um alongamento superiores.

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