Development of polymeric systems for safety footwear

Abstract

In the recent years, the Portuguese Footwear industry seeks to affirm itself in a global competitive market, with high technical and innovative solutions able to offer high quality products. The Safety footwear market deserves special attention since the manufactured products are used to protect worker’s feet from potential hazards. The toe cap is one of the key components in safety shoes and one of the main contributors to the overall weight since most safety shoes are built with steel toe caps due to their high mechanical performance. Efforts have been made to replace these toe caps by non-metallic solutions, because they are lighter, provide better thermal and electrical insolation, and are insensitive to magnetic fields. However, most of these toe caps require higher volume concept to achieve a comparable performance to their metallic counterparts, causing aesthetic and design problems. This thesis aimed to foster new solutions based on the enhancement of polycarbonate (PC) mechanical properties and to establish a numerical methodology based on the OpenFOAM®. To this end, PC blends and PC (nano)composites were prepared by melt blending, with ABS, ABS-g-MA, SEBS-g-MA, COPE, nanoclay and natural fibers, and characterized in terms of morphology, topology, structure, tensile and impact behavior of each system. The results demonstrate that ductile to brittle transition mode is highly dependent on the polymeric system and that PC suffers extensive thermo-oxidative degradation during processing, which can be delayed by blending with the elastomeric materials. SEBS-g-MA and COPE can improve toughness, while nanoclay and natural fiber slightly increases the elastic modulus, and ABS and ABS-g-MA only show a marginal increase on both. For the numerical studies, a commercially available toe cap was characterized, and the corresponding tensile behavior was obtained to feed the numerical simulations. A toolbox developed within the OpenFOAM® for solid mechanics and fluid-solid interaction was used to simulate the EN 12568 tests (15 kN of compression force and 200 J of impact) required for safety footwear product approval, showing excellent agreement with the experimental data, with a maximum error of 6.8%.

Nos últimos anos, a indústria Portuguesa do Calçado tenta afirmar-se num mercado global muito competitivo apresentando soluções inovadoras e de elevada qualidade. A área do calçado de segurança merece especial atenção devido à sua importância na fabricação de produtos de proteção para os pés dos trabalhadores. A biqueira é um dos componentes mais importantes nesta tipologia de calçado, sendo um dos maiores contribuidores para o peso, uma vez as biqueiras de aço são as mais utilizadas devido à sua elevada resistência mecânica. Vários esforços têm sido direcionados na sua substituição por materiais não-metálicos, porque são mais leves, são térmica e eletricamente isolantes, e não apresentam resposta magnética. Por outro lado, esta alternativa cria problemas estéticos e de design uma vez que requer uma maior espessura maior para obter a resistência comparável à das biqueiras metálicas. Esta tese teve como objetivo apresentar novas soluções que impulsionem o desenvolvimento de novas biqueiras não-metálicas, através de um estudo sobre a manipulação das propriedades do policarbonato (PC) e do desenvolvendo de uma metodologia numérica baseada em OpenFOAM® que permita ajudar na conceção de novos designs. Desta forma, misturas de PC e (nano)compósitos de PC foram preparados por mistura no fundido, com ABS, ABS-g-MA, SEBS-g-MA, COPE, nanoargila e fibras naturais, e procedeuse à caracterização da sua morfologia, topologia, estrutura e comportamento à tração e ao impacto. Os resultados mostraram que o modo de transição dúctil-frágil é dependente do sistema polimérico, e que o PC sofre extensa degradação termo-oxidativa durante o seu processamento, que pode ser amenizado com materiais elastoméricos. O SEBS-g-MA e o COPE promoveram tenacidade, a nanoargila e as fibras naturais aumentaram o módulo de elasticidade, e o ABS e o ABS-g-MA tiveram um impacto ligeiro em ambas as propriedades. Relativamente aos estudos numéricos, uma biqueira comercial foi caracterizada e a respetiva curva tensão-deformação do material foi usada para alimentar as simulações numéricas. A ferramenta numérica baseada em OpenFOAM® para mecânica de sólidos e interação de sólidos-fluidos foi utilizada para simular os ensaios da norma EN 12568 (15 kN de força de compressão e 200 J de energia de impacto) que são requeridos na validação de biqueiras para calçado de segurança, mostrando uma excelente concordância com os dados experimentais com um máximo de erro de 6.8%.