Giáo trình môn công nghệ sợi hoá học ppt

Có thể nói rằng sự xuất hiện của sợi hóa học là loại sợi tạo ra từ các hợp chất cao phân tử thiên nhiên xenlulozaza, protein và các hợp chất cao phân tử tổng hợp polyamit 6, polyamit66,

- -

Giáo trình môn

Công nghệ sợi hoá học

Giáo trình môn công nghệ sợi hoá học

MỤC ĐÍCH MÔN HỌC:

Nghiên cứu những lý thuyết về: Đặc điểm, tính chất của nguyên liệu tạo sợi; các đặc trưng cơ bản của sợi hóa học; các phương pháp tạo sợi Lý thuyết về đặc điểm, tính chất và công nghệ sản xuất các loại sợi hóa học điển hình như : sợi vitxco, sợi axetat, sợi polyamit6, sợi polyamit66, sợi polyeste, sợi clorophip, sợi acrylonitryl

1.1 Lịch sử phát triển của sợi hóa học

Từ thời thượng cổ, con người đã biết dùng vỏ cây, da thú để che thân Cùng với sự phát triển về trí tuệ của con người, xã hội cũng dần văn minh hơn thì vấn đề mặc của con người ngày càng được chú trọng Lúc này con người đã phát hiện các loại cây có sợi, để từ đó đã khai thác chế tạo thành vải sợi, tuy còn thô sơ nhưng hồi

đó đã thỏa mãn được nhu cầu mặc không cao lắm của họ Do vậy, mà từ chỗ chỉ mọc hoang dại trong thiên nhiên các loại cây có sợi đã được thuần hóa và trồng trọt có tổ chức như đay, gai, dứa dại và cuối cùng là bông Chúng đã trở thành những nguyên liệu quan trọng để đáp ứng nhu cầu mặc được xếp là quan trọng thứ hai sau nhu cầu

ăn của con người Tiến lên một bước nữa con người đã biết nuôi cừu, lạc đà, thỏ để cắt lông làm len, biết nuôi tằm để lấy kén kéo sợi dệt thành những tấm vải lụa mềm mại, bóng mượt Như vậy, trong một thời gian rất dài thiên nhiên là nguồn nguyên liệu duy nhất giải quyết nhu cầu mặc cho con người Thế nhưng, nếu chỉ dựa vào nguồn nguyên liệu này thì không thể đáp ứng và theo kịp sự phát triển của xã hội cả

về số lượng và chất lượng Đồng thời nguồn nguyên liệu này lại phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố khách quan: thời tiết, khí hậu, đất đai, thổ nhưỡng, giống nên rất bị động và không đáp ứng cho tất cả các vùng miền, địa phương Một bất lợi nữa của nguồn nguyên liệu thiên nhiên là tiêu tốn quá nhiều nguyên liệu để sản xuất ra vải, ví

dụ để sản xuất 1000 bộ quần áo bằng vải bông cần toàn bộ số bông thu hoạch trên 1 hecta; 1000 chiếc áo len từ lông cừu cần số lông của một đàn khoảng trên 50 con thu hoạch trong 1 năm Do vậy để đáp ứng về số lượng cho cả thế giới ngày càng tăng đến nay đã hơn 6 tỷ dân thì phải trồng bao nhiêu bông, nuôi bao cừu thì đủ đây? Bên

cạnh đó với mức sống tăng không ngừng của xã hội, dẫn đến nhu cầu mặc còn đòi hỏi cao hơn, phức tạp hơn: bền, đẹp, duyên dáng, tiện dụng (dễ giặt, mau khô, không nhàu khi giặt gấp )

Tất cả những nguyên nhân đó đã thôi thúc các nhà khoa học phải nghiên cứu, tìm kiếm những loại nguyên liệu mới khắc phục được các khuyết điểm của nguyên liệu thiên nhiên và đáp ứng được các yêu cầu của con người Cũng từ đó lần lượt các loại sợi hóa học ra đời với sự tiến triển và thăng trầm theo từng thời kỳ Có thể nói rằng sự xuất hiện của sợi hóa học là loại sợi tạo ra từ các hợp chất cao phân tử thiên nhiên (xenlulozaza, protein) và các hợp chất cao phân tử tổng hợp (polyamit 6, polyamit66, polyeste, polyacrylonitryl đã đánh dấu một giai đoạn mới mẻ và cực kỳ quan trọng, đóng góp ngày càng to lớn và hiệu quả, phát huy tác dụng một cách kịp thời khi xã hội loài người đang lâm vào một cuộc khủng hoảng trầm trọng trong việc giải quyết vấn đề ăn mặc Từ chỗ chỉ để bổ sung vào lượng thiếu hụt của sợi thiên nhiên, sợi hóa học ngày càng trở thành loại vật liệu "không thể thay thế được" trong may mặc cũng như trong các ngành kỹ thuật khác

Chính vì vậy mà công nghiệp sản xuất sợi hóa học là một ngành công nghiệp nằm trong cơ cấu của nền công nghiệp bất cứ nước nào, một ngành có vai trò to lớn

và đang được phát triển mạnh mẽ

1.2 Phân loại sợi dệt

Nguồn nguyên liệu của công nghiệp dệt hiện nay rất phong phú, bao gồm không chỉ sợi có sẵn trong thiên nhiên có trong thành phần của một số bộ phận của thực vật (lá, thân cây ) mà còn gồm các loại sợi được con người chế tạo từ các loại nguyên liệu tổng hợp như polyme thiên nhiên (xenlulozaza, protein ), polyme tổng hợp (polyamit, polyeste, PVC ) Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu ban đầu để sản xuất sợi người ta chia sợi dệt ra làm 2 nhóm chính là sợi thiên nhiên và sợi hóa học Sợi hóa học lại chia thành 2 nhóm chính: sợi nhân tạo và sợi tổng hợp

1.2.1 Sợi thiên nhiên

Sợi thiên nhiên là sợi mà loài người biết từ lâu, chúng có thể đã có sẵn ở dạng

xơ, sợi như: xơ bông, len, tơ tằm hoặc nằm lẫn với các tạp chất khác trong vỏ cây,

thân cây, lá cây như sợi, lanh, sợi đay, gai, dứa dại Theo thành phần hóa học sợi thiên nhiên được chia làm 2 nhóm:

+ Sợi thực vật

+ Sợi động vật

Sợi thực vật được cấu tạo chủ yếu từ xenluloza Trong đó bao gồm bông là loại

xơ đầu tiên mà loài người biết đến và sử dụng nó vào công nghiệp dệt, cho đến nay nó vẫn chiếm tỷ lệ khá lớn (52-60%) so với tổng số các loại xơ sợi dùng trong công nghiệp dệt Sau bông là sợi libe (hay còn gọi là sợi cứng) được tách ra từ một số bộ phận của cây như vỏ, thân (đau, gai, lanh ), lá cây (dứa, dứa dại ) Loại sợi này nằm dưới dạng xen kẽ với các tạp chất thực vật khác như lignin, pectin, tecpin, protein ,

vì vậy để tách riêng chúng ra người ta phải dùng kết hợp quá trình gia công cơ học, sinh học, hóa học

Sợi động vật thiên nhiên gồm có len, tơ tằm Len thu được chủ yếu từ lông cừu, một phần từ lông dê, lông lạc đà, lông vịt Hiện nay len vẫn chiếm 6-9% so với tổng

số các loại xơ sợi dùng trong công nghiệp dệt thế giới Tơ tằm tuy vẫn còn được duy trì ở một vài nước, trong đó có nước ta, nhưng giá thành sản xuất cao, nên hiện nay nó chỉ chiếm khoảng 0,2% tổng số các loại xơ sợi dùng trong công nghiệp dệt thế giới

1.2.2 Sợi hóa học

Sợi hóa học là loại sợi không có sẵn trong thiên nhiên và do con người chế tạo bằng các quá trình vật lý, cơ học và hóa học Dựa vào nguồn gốc của nguyên liệu chế tạo sợi mà chúng được chia làm 2 nhóm: sợi nhân tạo và sợi tổng hợp

Sợi nhân tạo là loại sợi được sản xuất từ các hợp chất cao phân tử sẵn có trong

thiên nhiên, được tách ra khỏi hỗn hợp nguyên liệu thô ban đầu bằng các quá trình vật lý, hóa học, chuyển dạng rồi tái sinh lại dạng ban đầu hoặc được biến tính thích hợp để gia công dễ dàng hoặc để tạo ra một số tính chất mới cho sản phẩm Các hợp chất cao phân tử thiên nhiên sử dụng để chế tạo sợi chủ yếu là: xenluloza (gỗ, tre, nứa ) và protein động thực vật (sữa, ngô, lạc, đậu nành ) Trong số các sợi nhân tạo

đi từ xenluloza có các loại: sợi vitxco, sợi polino, sợi axetat, sợi triaxetat, sợi amoniac, sợi nitratxenluloza còn sợi đi từ protein có các loại:sợi cazein (đi từ sữa),

đồng-sợi acdin (lạc), đồng-sợi zein (ngụ) Song vỡ nguyờn liệu để sản xuất đồng-sợi nhõn tạo từ protein là cỏc thực phẩm quý nờn hiện nay hầu như khụng sản xuất nữa

Sợi tổng hợp là loại sợi được sản xuất từ cỏc hợp chất cao phõn tử tổng hợp

Nguyờn liệu ban đầu để tổng hợp chỳng là những đơn phõn tử (monome) thu được trong cụng nghiệp luyện than cốc, chế biến dầu mỏ, khớ thiờn nhiờn Theo cấu tạo húa học của nguyờn liệu tạo sợi, sợi tổng hợp cũng được chia làm 2 nhúm: sợi mạch dị thể

và sợi mạch cacbon

Sợi mạch dị thể là loại sợi trong mạch chớnh của mạch đại phõn tử của nú ngoài nguyờn tử cacbon ra cũn chứa cỏc nguyờn tố khỏc như oxy, nitơ Nhúm này gồm cỏc loại như: sợi polyamit6, polyamit66, sợi polyeste

Sợi mạch cacbon là loại sợi trong mạch chớnh mạch đại phõn tử chỉ cú nguyờn

tử cacbon Tiờu biểu của nhúm này là sợi nitron, vinilon, oclon, clorin-teflon, sợi polypropylen, polyetylen

Cú thể biểu diễn phõn loại sợi dệt trờn sơ đồ 1.1

2.1 Tớnh ưu việt của sợi húa học so với sợi thiờn nhiờn

Mặc dự, ra đời trong một thời gian khụng lõu, nhưng sợi húa học đó nhanh chúng thu hỳt sự chỳ ý của tất cả mọi người và cú những bước đột phỏ trong quỏ trỡnh phỏt triển cả về số lượng và chất lượng Để cú được sự chinh phục đối với con người, đỏp ứng được cỏc yờu cầu khắt khe và phức tạp trong vấn đề mặc của con người ngày càng cao trước tiờn sợi húa học đó bộc lộ cỏc tớnh chất quý bỏu ưu việt hơn sợi thiờn nhiờn

- Về ngoại quan: sợi hóa học đẹp, óng m−ợt, mịn màng, bóng, láng

Có thể tạo ra loại vải với vẻ đẹp phong phú, đa dạng đáp ứng nhu cầu mặc

đẹp, thời trang góp phần làm phong phú vẻ đẹp cho xã hội

- Tính tiện dụng: ít thấm dầu mỡ, mồ hôi, nên dễ giặt, sạch lâu, ít hút

ẩm nên mau khô Đặc biệt là tính bền hình dạng, nhất là sợi tổng hợp nên

không bị co khi giặt, không nhàu nát, giữ nếp tốt nên không cần là ủi

- Độ bền: So với sợi thiên nhiên thì độ bền của sợi hóa học cao hơn

nhiều, so với sợi thiên nhiên thì sợi hóa học dai hơn, lâu rách hơn, thời gian sử dụng lớn hơn gấp 2 - 3 lần Các tính năng kỹ thuật như độ bền đứt, độ bền mài mòn và độ chịu uốn gấp lớn Có thể thay đổi tính chất của sợi hóa học trong phạm vi khá rộng bằng cách điều chỉnh thành phần và cấu tạo hóa học của sợi hoặc thay đổi các điều kiện kỹ thuật Hiện nay người ta đã chế tạo được các loại sợi hóa học tuyệt đối về mặt hóa học, chịu được ánh sáng và nhiệt độ, bền với tác dụng của nước, côn trùng, vi sinh vật là những tính chất không có

được ở sợi thiên nhiên Do vậy mà sợi hóa học được sử dụng nhiều trong lĩnh vực kỹ thuật, đáp ứng được các yêu cầu vốn khắt khe của kỹ thuật và đóng góp tích cực vào việc thúc đẩy những tiến bộ của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đang diễn ra sôi động trong thời đại chúng ta

- Tiềm năng và sản lượng: Năng suất sản xuất sợi hóa học so với sợi

thiên nhiên rất cao Khác với sợi thiên nhiên là sản phẩm của nông nghiệp, còn sợi hóa học là con đẻ của công nghiệp nên chúng mang những thế mạnh của ngành sản xuất công nghiệp

Nếu như để có 1 tấn bông trong điều kiện thâm canh và cơ khí hóa sản xuất vẫn cần tới 150 ngày công, để có 1 tấn len cần 1000 ngày công, hoặc 1 tấn tơ tằm thì cần tới 6000 ngày công Trong lúc đó để sản xuất 1 tấn sợi vitxco (sợi nhân tạo) chỉ cần 30 - 50 ngày công, 1 tấn sợi nylon hoặc 1 tấn sợi polyeste chỉ cần khoảng 30 - 40 ngày, thậm chí có thể thấp hơn nhiều tùy thuộc vào mức độ hiện đại của quy trình công nghệ Có thể áp dụng những thành tựu mới nhất của khoa học kỹ thuật để cải tiến quy trình công nghệ nhằm nâng cao năng suất sản xuất, cải thiện tính chất của sản phẩm đáp ứng các yêu cầu thị hiếu của người sử dụng, giảm nhân công lao động, hạ giá thành sản phẩm

Do có độ bền cao, độ bền đứt lớn nên người ta có thể đưa công suất máy tới tối đa Trên cùng một máy dệt, năng suất dệt vải hóa học có thể cao hơn năng suất dệt sợi bông từ 1,4 - 1,6 lần

Nguồn nguyên liệu để sản xuất sợi hóa học, đặc biệt là sợi tổng hợp bao gồm: dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên và các khoáng sản khác là vô tận

So với nguyên liệu để sản xuất sợi thiên nhiên thì rất hạn chế, không đáp ứng

được nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của con người Do vậy việc sản xuất sợi

hóa học hoàn toàn chủ động, không phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu, thổ

nhưỡng, hay vùng địa lý như đối với sợi thiên nhiên

- Hiệu suất sử dụng nguyên liệu: So với sợi thiên nhiên thì hiệu suất sử

dụng nguyên liệu trong sản xuất sợi hóa học rất cao Từ 1m3 gỗ có thể chế tạo

được 160 kg tơ để gia công 1500 m lụho tương đương 75 vạn kén tằm, 30 con

cừu hay 0,75 ha cây lanh, 0,35 ha cây bông Trong khi đó từ 1 tấn dầu mỏ có

thể sản xuất được 1500 m vải từ sợi tổng hợp Một nhà máy sợi năng suất

40000 tấn/năm có thể thay thế 50000 hecta đất tốt tại vùng khí hậu thuận lợi

để chuyên canh bông hoặc trên 10 vạn hecta cây lanh

Do tỷ trọng của sợi hóa học thấp cho nên cùng một khối lượng sợi thì

chiều dài tấm vải dệt từ sợi hóa học luôn luôn lớn hơn dệt từ sợi thiên nhiên

- Giá thành: Giá thành vải dệt từ sợi hóa học thấp hơn nhiều so với sợi

thiên nhiên

- Lĩnh vực ứng dụng: Sợi hóa học có những tính chất đặc biệt được ứng dụng

trong nhiều lĩnh vực đời sống và kỹ thuật như may mặc, y tế, chữa bệnh, chống cháy, chống chất phóng xạ

Sợi húa học được xem như là một tặng phẩm vụ giỏ mà khoa học kỹ thuật đó mang lại cho con người

2.2 Cỏc dạng của sợi

- Xơ còn gọi là sợi cắt ngắn hay cũn gọi là xơ xtapen, cú chiều dài từ 30-150

mm tùy theo mục đích sử dụng mà có độ dài và độ mảnh khác nhau, có hình dạng giống như xơ bông, xơ len Để tạo xơ thì sợi tạo ra sau khi qua các quá trình xử lý cho qua qua thiết bị để cắt ngắn sợi theo độ dài định trước Xơ xtapen được dựng để kộo sợi dạng nguyờn chất hoặc để pha với với cỏc loại xơ sợi khỏc (thiờn nhiờn )

- Tơ hay còn gọi là sợi vô tận - có độ dài không hạn chế Tơ gồm có 2

dạng: tơ đơn và tơ phức

Tơ đơn (filament): được sản xuất ở dạng sợi dài vô tân, chỉ gồm một xơ

cơ bản

Tơ phức: gồm nhiều tơ đơn chập lại với nhau, tơ phức dùng cho công

nghiệp dệt thường có số tơ đơn từ vài chục đến vài chục vạn

Với hình dạng khác nhau như vậy nên cách sản xuất ra chúng cũng khác nhau Đối với dạng xơ cắt ngắn thì phải xe thành chỉ trước khi dệt thành vải, để thuận tiện trong quá trình gia công xơ phải được tạo quăn, dập sóng bằng cách cho qua công đoạn được gọi là quá trình textua Đối với tơ thì không cần dập sóng như xơ Nhưng để dễ thao tác trên máy dệt thì thường xoắn tơ về phía phải hay phía trái (quá trình textua, quá trình kéo căng)

2.3 Cỏc chỉ số đặc trưng của sợi

Để đánh giá và so sánh các loại sợi, trên cơ sở đánh giá đó ta có thể lựa chọn sợi cho thích hợp với mục đích sử dụng thì người ta dựa trên các chỉ số

đặc trưng cho sợi như sau:

a/ Độ mảnh

Độ mảnh cho ta biết sợi dày mỏng ra sao

Đơn vị: Đennie (viết tắt là đen) được tính bằng trọng lượng sợi có chiều dài là 9000 m

+ Cách xác định: Đo chính xác 9 m sợi, cân chính xác trên cân phân

tích rồi nhân lên 1000 lần

Sau này người ta dùng hệ đơn vị có tính quy chuẩn hơn đó là tex được tính bằng 1/9 đen; tức là trọng lượng đo bằng gam của 1000 m sợi

Căn cứ vào độ mảnh người ta chia xơ hoá học thành 3 loại:

- Loại mảnh nhất: có độ mảnh là 160 ữ 190 mtex; độ dài tương ứng của xơ là 38 - 40 mm, gọi là “hệ bông” (dùng để pha trộn với bông và các sợi cùng hệ)

- Loại có độ mảnh là 3,3 ữ 6,6 dtex và độ dài là 65 ữ 100 mm thuộc hệ len

- Loại thô hơn và dài hơn thuộc hệ gai

b/ Độ bền đứt

Độ bền đứt phản ánh một đặc trưng cơ lý chủ yếu của sợi, đo bằng lực làm đứt sợi Độ bền đứt càng cao thì sợi càng dai, vải càng bền và lâu rách, thời gian sử dụng kéo dài

Đơn vị đo: kg/mm2 hay g/tex; g/đen

Yếu tố xác định độ bền đứt, ngoài bản chất hoá học của sợi là trọng lượng phân tử polyme, độ định hướng cũng như độ kết tinh của sợi

Ngoài độ bền của sợi đơn, người ta còn đo độ bền nút và độ bền móc của sợi

Độ bềnđứt của nhiều loại sợi ở trạng thái ướt và khô thường khác nhau,

đặc biệt đối với sợi nhân tạo, là loại sợi mà những phân tử nước dễ dàng len lỏi vào giữa các đại phân tử polyme, làm liên kết giữa chúng yếu đi

thông số kỹ thuật khi sản xuất sợi, sao cho thoả mãn được 2 chỉ tiêu quan trọng này nhằm thu được sợi vừa có độ bền cao, vừa có độ dãn dài khi đứt không quá thấp

d/ Đường cong làm việc

Đường cong làm việc diễn tả sự thay đổi của ngoại lực tác dụng lên sợi (biểu diễn trên trục tung) và độ dãn dài tương ứng (%) của sợi (ghi trên trục hoành)

Mỗi loại sợi đặc trưng bởi một đường cong, từ đó các nhà chuyên môn

đánh giá được giá trị của sợi Ban đầu đường biểu diễn thường là đoạn thẳng

→ tính chất sợi tuân theo định luật Húc Đoạn thẳng càng dài sợi càng đàn hồi Sau đó độ dãn dài tăng khá nhanh → sợi bước vào giai đoạn chảy dẻo, độ

đàn hồi thực sự đã mất đi Điểm uốn của đường biểu diễn là điểm tới hạn của sợi, thường xuất hiện rất sớm ở đa số các sợi

Sợi tốt nhất là sợi hầu như không bị dãn trên máy dệt

e/ Độ đàn hồi

Độ đàn hồi là khả năng hồi phục trở lại kích thước ban đầu sau khi kéo căng bằng ngoại lực Nếu sau khi kéo dãn 10% rồi giải phóng lực tác dụng, sợi hoàn toàn trở lại độ dài ban đầu, thì độ đàn hồi của sợi bằng 100% Nếu sợi bị dãn, chiều dài sau khi hồi phục sẽ tăng lên, giả sử là 2% thì độ đàn hồi

là 80% Độ đàn hồi càng nhỏ thì chất lượng sợi càng cao

f/ Độ uốn gấp

Độ uốn gấp nhằm xác định số lần gấp cho tới khi sợi bị đứt có ý nghĩa

đặc trưng cho tính bền của vải khi chịu những tác động tương tự trong thực tế như giặt, vò Trong đó sợi poliamit có độ bền uốn gấp rất lớn (> sợi vitxco 70

Về tính chất này người ta chia sợi có hoá học ra làm 3 nhóm:

định chức - OH, hút ẩm rất tốt (> 20%) → sợi nhân tạo như vitxco, mođan

- Nhóm trung bình: độ hút ẩm từ 3 - 4% → sợi poliamit

- Nhóm kị nước: độ hút ẩm ≤ 1% → phần lớn sợi tổng hợp

Độ hút ẩm càng cao sợi càng thoáng mát, dễ chịu Độ hút ẩm thấp, sợi thường bí, gây cảm giác nóng bức khó chịu nhất là đối với quần áo mùa hè, quần áo lót

i/ Trọng lượng riêng

Trọng lượng riêng được đo bằng đơn vị là g/cm3 giúp ta nhận biết hiệu suất gia công sợi thành vải

Trọng lượng càng nhỏ, số lượng mét vải thu được khi dệt càng lớn tức

là hiệu suất sử dụng nguyên liệu lớn Điển hình là sợi hóa học có trọng lượng riêng nhỏ nên hiệu suất sử dụng nguyên liệu khi dệt vải lớn hơn nhiều so với sợi thiên nhiên (đây là một ưu điểm tiêu biểu của sợi hóa học)

Sợi có chứa flo có d lớn nhất (2,2 ữ 2,3 g/cm3) và thấp nhất là sợi PP (0,92 g/cm3)

* Ngoài ra còn có một số tính chất của sợi nhằm cho ta biết một cách toàn diện về một loại sợi nào đó như: nhiệt độ mềm cao, nhiệt độ nóng chảy

Từ đó xác định chế độ là ủi cho loại vải đó

Độ định hướng, độ kết tinh, độ nhuộm màu, độ cách nhiệt nhằm lựa chọn loại sợi có độ ẩm khác nhau

Độ bền với khí quyển, ánh sáng, các bức xạ hồng ngoại và tử ngoại nhằm xác định tính chịu lão hoá của sợi

Độ bền với vi sinh vật, khả năng chịu hoá chất để từ đó tìm phương pháp giặt tẩy hoặc xác định điều kiện làm việc của sợi

Tính nhiễm điện thường gây ra tiếng nổ lách tách, vải dễ bị bẩn

* Tóm lại: Những tính chất cơ lý của sợi hoá học nói chung liên quan mật thiết với nhau, gắn bó với nhau, mỗi tính chất phản ánh nhằm giúp ta tìm hiểu toàn diện một loại sợi từ việc xác định điều kiện gia công tới việc lựa chọn thích hợp cho mục đích sử dụng nhất định

3.1 Mở đầu

3.2 Đặc trưng về thành phần, cấu tạo của nguyờn liệu tạo sợi

3.2.1 Cấu tạo hóa học

Trừ nhóm sợi vô cơ hầu hết sợi hóa học đều được cấu tạo bởi các hợp chất cao phân tử hay còn gọi là polyme Các polyme này đều được tạo ra từ các phân tử đơn giản gọi là monome, mạch đại phân tử của chúng được nối

với nhau bằng những liên kết hóa học từ các mắt xích cơ bản Các polyme có

đặc điểm là trọng lượng phân tử rất lớn và hình dạng đặc biệt: chiều dài lớn gấp nhiều lần so với chiều rộng, do đó mà tạo ra tính chất đặc biệt cho polyme

là khả năng tạo sợi

Các tính chất của sợi được xác định trước hết do cấu tạo và tính chất của polyme tạo sợi, tiếp đến là các thông số kỹ thuật, tính chất công nghệ gia công sợi Cấu tạo hóa học của polyme là yếu tố quyết định để lựa chọn phương pháp gia công và tính chất cơ lý của sợi thành phẩm Chính các nhóm nguyên tử trong polyme gây ra hàng loạt các tính chất cơ, lý, hóa cho sợi hóa

tính hút ẩm, mồ hôi tốt và dễ nhuộm màu, tuy nhiên chúng lại kém bền về mặt hóa học Và ngược lại

thì liên kết giữa các đại phân tử kém chặt chẽ → sợi rất cắn màu, xốp, dễ tan trong các dung môi hữu cơ Nếu trong đại phân tử có chứa nhân thơm sẽ làm tăng độ cứng của polyme → tăng lực tương tác giữa các phân tử trong khối polyme → sợi có tính chịu nhiệt cao, tuy nhiên có nhược điểm là khó gia công

3.2.2 Cấu trúc mạch đại phân tử

Polyme tạo sợi trước hết là những polyme có cấu trúc mạch thẳng, hạn chế tối đa sự có mặt của mạch nhánh hay những nhóm thế cồng kềnh Đây là tính chất tuyến tính của polyme tạo sợi Polyme tạo sợi tồn tại 2 trạng thái pha khác nhau: kết tinh và vô định hình, xác định do bản chất hóa học, điều kiện tổng hợp hoặc tốc độ làm lạnh

Polyme trong sản xuất sợi thì tốc độ kết tinh tăng, những tinh thể tạo thành do tác dụng ngoại lực sẽ sắp xếp theo kiểu bất đẳng hướng, nghĩa là những tính chất của nó (tính chất quang học, cơ học, điện học ) theo những hướng khác nhau sẽ khác nhau Độ kết tinh của polyme cao bảo đảm cho sợi bền hình dạng, nhất là không bị co ngót khi sử dụng

3.3 Cỏc phương phỏp cơ bản tổng hợp polyme

Các polyme dùng tạo sợi đều được tổng hợp từ monome Các monome này thường không có sẵn trong thiên nhiên, mà nó được tạo ra bằng các phương pháp hóa học từ các nguyên liệu cơ bản Thường các monome được chế biến từ các nguyên liệu có trong tự nhiên như dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên, đá vôi Các cơ sở chế biến dầu mỏ, khí thiên nhiên, sản đất đèn, hoá chất cơ bản và các ngành công nghiệp hóa chất đảm nhận nhiệm vụ này

Dạng tổng quát của phản ứng trùng hợp có thể biểu diễn bằng phương trình:

nA → (A)n Các hợp chất có khả năng trùng hợp là các hợp chất có liên kết bội, số lượng và tính chất của những liên kết đó trong phân tử monome thường khác nhau

Ví dụ: Quá trình trùng hợp olefin và các dẫn xuất của chúng, xảy ra do

sự mở liên kết đôi của chúng:

Quá trình trùng hợp nói chung luôn kèm theo sự giảm độ không no của chất tham gia phản ứng, giảm số phân tử chung trong hệ và tăng trọng lượng phân tử trung bình của phân tử

Các hợp chất cao phân tử thu được khi trùng hợp các hợp chất có một nối đôi nói chung sẽ trở thành polyme no Khi trùng hợp các hợp chất có chứa

2 nối đôi trở lên thì thường thu được polyme có số nối đôi thấp hơn hợp chất ban đầu

dị mạch

⎜ ⎜ ⎜

OH OH OH

- Cũng có thể trùng hợp được các hợp chất no có cấu tạo vòng chứa dị nguyên

tố trong vòng Trong trường hợp này xảy ra sự mở vòng khi trùng hợp và tạo thành polyme thẳng dị mạch

Ví dụ: nCH2-CH2 → -O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-O-

Hoặc nhiều vòng mắt xích hơn như caprolactam:

Sơ đồ chung của các giai đoạn như sau:

Ax → Ax° (giai đoạn khơi mào)

Ax + Ax° → Ay°

Ay° + Ax → Az° (giai đoạn phát triển mạch)

Ax + Az° → At°

A° → An (giai đoạn ngắt mạch)

Trong trường hợp phản ứng trùng hợp diễn biến đơn giản nhất, độ dài của đại phân tử sẽ tương ứng với độ dài của mạch phản ứng tức là tương ứng với giai đoạn phát triển mạch kế tiếp nhau

Đặc trưng của phản ứng trùng hợp mạch (tương tự với phản ứng dây chuyền thông thường):

* Giai đoạn tạo thành các trung tâm hoạt động luôn luôn đòi hỏi phải tiêu tốn một năng lượng lớn và tiến triển chậm

* Giai đoạn phát triển mạch có năng lượng hoạt hóa nhỏ và tốc độ phản ứng rất lớn Hiệu ứng nhiệt của phản ứng phát triển mạch luôn dương

* Giai đoạn ngắt mạch cũng đặc trưng bằng năng lượng hoạt hóa nhỏ

và xảy ra với tốc độ tương đối cao

Rõ ràng tốc độ phát triển mạch càng cao so với tốc độ ngắt mạch thì độ dài của mạch đại phân tử sẽ càng lớn và do đó trọng lượng phân tử polyme càng lớn Như vậy độ dài của mạch đại phân tử và trọng lượng phân tử polyme phụ thuộc vào tương quan giữa tốc độ của các giai đoạn cơ bản trong quá trình trùng hợp mạch

Các trung tâm hoạt động được tạo ra do quá trình hoạt hóa phân tử ban

đầu bằng một năng lượng vừa đủ, có thể là năng lượng ánh sáng, bức xạ, năng lượng nhiệt, hoặc các chất xúc tác, các chất khơi mào thuộc nhóm peroxit, azo, diazo

Các trung tâm hoạt động tạo ra có thể là gốc tự do, ion dương, ion âm

và tương ứng với nó mà phản ứng được gọi là trùng hợp gốc hay trùng hợp ion

Ngoài ra người ta còn phân loại phản ứng trùng hợp mạch theo tác nhân kích thích quá trình khơi mào:

+ Trùng hợp nhiệt

+ Trùng hợp quang

Số lượng trung tâm hoạt động tuỳ thuộc vào năng lượng mà monome tiếp nhận được và mức năng lượng hoạt hóa cho quá trình này

Liên kết đôi có năng lượng lớn hơn liên kết đơn Khi liên kết đôi bị đứt, năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt lại chính là tác nhân để hoạt hóa các phân tử khác Các trung tâm hoạt động nói trên luôn luôn có khuynh hướng trao đổi năng lượng dư thừa của mình cho phân tử khác, làm đứt liên kết bội của phân tử nào chúng gặp rồi kết hợp với phân tử này thành một phân

tử mới (dài hơn) với một trung tâm hoạt động mới → đây chính là giai đoạn phát triển mạch

Đến một lúc nào đó trong quá trình chuyển động hỗn loạn 2 trung tâm hoạt động gặp nhau, hoặc xảy ra hiện tượng là trong bản thân một trung tâm nào đó các hóa trị tự do được trung hòa, thì lúc đó quá trình phát triển mạch bị tắc lại Các trung tâm hoạt động sẽ kết hợp với nhau để tạo thành phân tử trung hòa đó là đại phân tử polyme → đây chính là giai đoạn ngắt mạch

trình phản ứng Trung tâm hoạt động càng ít thì số các đại phân tử không nhiều, nhưng độ lớn của từng đại phân tử cao (tức trọng lượng phân tử của polyme lớn), và ngược lại

2/ Đồng trùng hợp

Đồng trùng hợp là quá trình trùng hợp phối hợp của hai hoặc nhiều loại monome khác nhau Polyme thu được gọi là copolyme

Trong công nghiệp sợi người ta thường hay nhắc đến loại sợi đồng

Thành phần của mạch phân tử copolyme gồm các mắt xích khác nhau tương ứng với số monome ban đầu

Đồng trùng hợp có ứng dụng lớn trong thực tế vì nó cho phép làm thay

đổi tính chất các hợp chất cao phân tử trong một giới hạn rộng

Ví dụ: copolyme của acrylonitril và vinylclorua

có ái lực cao với thuốc nhuộm

Như vậy đồng trùng hợp còn gọi là quá trình biến tính polyme nhằm thay đổi một số tính chất cho polyme đáp ứng yêu cầu sử dụng cũng như yêu cầu về công nghệ

3/ Trùng ngưng

Trùng ngưng là phản ứng tổng hợp polyme xảy ra do sự tương tác giữa các nhóm chức của các chất tham gia phản ứng tạo thành nhóm chức mới liên kết các phần còn lại của phân tử phản ứng và đồng thời tách ra các chất đơn giản thấp phân tử như nước, rượu, amoniac, cloruahydro

Khác với sản phẩm trùng hợp sản phẩm trùng ngưng có thành phần hóa học không giống với thành phần hóa học của các chất ban đầu

Phản ứng trùng ngưng đặc trưng cho các hợp chất trong thành phần chứa các nhóm chức Khi các nhóm chức này phản ứng với nhau sẽ tách ra phân tử đơn giản và tạo thành nhóm chức mới liên kết những phần còn lại của phân tử phản ứng

Quá trình trùng ngưng trong đó chỉ có các phân tử cùng loại tham gia

gọi là quá trình trùng ngưng đồng loại Dạng tổng quát của quá trình này có

thể trình bày bằng phương trình sau:

Z là nhóm liên kết phần còn lạI của các phân tử phản ứng

Quá trình trùng ngưng trong đó các phân tử khác loại tham gia được

gọi là quá trình trùng ngưng khác loại Dạng phương trình tổng quát có thể

biểu diễn như sau:

nX - R - X + nY - R’ - Y → X - (R - Z - R’ - Z)n - 1- R - Z - R’ - Y + (2n - 1)a

Ví dụ: Sự trùng ngưng của acid adipic và hexametylendiamin tạo thành polihexametylenadipamit (polyamit66 hay nylon66):

NHOOC-(CH2)4-COOH + nNH2-(CH2)6-NH2 →

→ đây chính là polyme để tạo sợi có tên gọi là nilon66 hay polyamit66

Nếu có từ ba loại monome khác nhau tham gia phản ứng cùng một lúc

để cuối cùng thu được 1 copolyme thì phản ứng được gọi là đồng trùng ngưng

Khi trong hỗn hợp phản ứng có mặt một hợp chất đơn chức nào đó thì chất này có khả năng khóa 1 nhóm chức hoạt động của phản ứng, làm quá trình phát triển mạch tắc nghẽn Thường đây là một hiện tượng không mong muốn và xảy ra trong trường hợp monome không sạch

Tuy nhiên trong sản xuất người ta lợi dụng nó để điều chỉnh trọng lượng phân tử polyme theo ý muốn và lúc đó các hợp chất này được gọi là chất ổn định trọng lượng phân tử

Phản ứng trùng ngưng là một trường hợp của loại phản ứng phổ biến trong hoá học hữu cơ là phản ứng ngưng tụ Nó tuân theo cơ chế và những đặc trưng của loại phản ứng này: đó là phản ứng thuận nghịch, có thể dịch chuyển phản ứng về phía tạo thành polyme, nhưng lại có khả năng xảy ra sự phân hủy polyme, tạo ra các chất có trọng lượng phân tử nhỏ hơn Để làm cho phản ứng dịch chuyển về phía tạo polyme người ta tiến hành lấy ra các phân tử thấp phân tử trong quá trình phản ứng Vì các chất tách ra thường là những hợp chất như nước, rượu, amoniac nên dễ dàng lấy ra bằng chưng cất ở nhiệt độ không cao lắm, dùng chân không để tách ra, dùng hỗn hợp đẳng phí với những dung môi dễ bay hơi, dễ tách

Cũng như phản ứng trùng hợp, phản ứng trùng ngưng có thể thực hiện trong khối nóng chảy, trong dung dịch, trong huyền phù, trong nhũ tương, trùng ngưng còn có thể tiến hành ở bề mặt phân chia các pha lỏng với nhau

Những polyme tạo thành do những phương pháp nói trên thường là trong suốt, do vậy cuối giai đoạn tổng hợp polyme người ta cho vào các chất làm mờ với lượng 0,1%, có tác dụng làm sợi không trong suốt nữa Chất làm

mờ thường là những bột màu vô cơ màu trắng, rất mịn màng (kích thước hạt từ

1 đến 3 àm) có khả năng cản quang cao và được phân tán đều trong polyme

năng làm mờ sợi rất cao, bền, chịu hoá chất, lại tương đối rẻ tiền Ngoài ra người ta còn bổ sung thêm một lượng rất nhỏ chất hoạt động quang học, quá trình này người ta gọi là quá trình lơ quang Mục đích là làm cho màu trắng của sợi trở nên có ánh xanh, hồng hoặc tím làm tăng thêm sắc trắng cho vải

Đối với các loại sợi không ăn màu nên rất khó khăn khi nhuộm màu thì người

ta cho thêm chất màu vào polyme khi đang ở dạng nóng chảy, ví dụ đối với sợi poliolêfin

Chương 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO SỢI

ở trên đã trình bày các phương pháp tạo ra nguyên liệu để tạo ra sợi thành phẩm, đây là bước đầu tiên của quá trình sản xuất sợi, bước tiếp theo là quá trình tạo thành sợi thành phẩm để từ đó chuyển đến nhà máy sợi hoặc các cơ sở để gia công

Quá trình tạo sợi bao gồm 3 giai đoạn:

+ Chuẩn bị polyme

+ Kéo sợi

+ Kéo căng - hoàn tất

Tạo sợi là một quá trình cơ bản nhất của công nghiệp sản xuất sợi hoá học, có thể phối hợp cả quá trình hoá học và vật lý (đối với sợi nhân tạo); có thể chỉ là quá trình vật lý đơn thuần (đối với đa số sợi tổng hợp)

4.1 Công đoạn chuẩn bị nguyên vật liệu kéo sợi

Thông thường nguyên liệu ban đầu để sản xuất sợi (tổng hợp và nhân tạo) đều ở dạng rắn, dạng hạt do đó để kéo sợi thì phải làm cho polyme ban

đầu trở nên linh động hay nói cách khác là chuyển polyme sang trạng thái lỏng nhớt

Có 2 cách để làm được điều này:

- Cách thứ nhất là hòa tan nguyên liệu trong dung môi thích hợp nào

đó Đối với những polyme khó hòa tan trong các dung môi thông thường thì phải dùng các tác nhân hoá học để chuyển polyme thành các dẫn xuất trung gian dễ hòa tan trong các dung môi thông thường Dung môi thích hợp phải

đáp ứng đồng thời một số điều kiện: khả năng phân tán polyme lớn, rẻ, dễ kiếm, không độc, không gây nổ, khó bắt lửa, dễ thu hồi

- Cách thứ hai: đưa polyme lên một nhiệt độ nào đó, cho đến khi polyme nóng chảy và chuyển sang trạng thái lỏng nhớt

Trước khi sang công đoạn ép kéo sợi người ta còn thực hiện một số thao tác phụ như lọc để tách các tạp chất, phần polyme chưa hòa tan hoặc khử các bọt khí bằng chân không, vì chúng là những nguyên nhân làm đứt dòng sợi phun ra liên tục

4.2 Công đoạn kéo sợi

Polyme được tạo thành sợi trên thiết bị đặc biệt là máy kéo sợi Máy thực hiện những công đoạn như: lọc (nếu cần); dùng bơm định lượng ép chất lỏng qua “philie”, làm lạnh sợi và cuốn sợi vào ống sợi

Bộ phận quan trọng của máy kéo sợi là mũ philie Có hai loại mũ philie chính: philie bản phẳng và philie hình mũ

- Philie bản phẳng thường được làm bằng thép cao cấp, không gỉ hoặc

bằng hợp kim đặc biệt, có độ dàu tùy trường hợp, chịu được áp suất tới 100

nhật, hình sao, hình kim ), thành lỗ có độ bóng rất cao Hình dạng của nó có thể khác nhau tùy thiết kế của máy, có thể là hình tròn, hình chữ nhật Số lỗ trên philie thay đổi từ 1 ữ 1500; bán kính từ 0,1 m trở lên Tuy trông có vẻ

đơn giản như vậy nhưng kỹ thuật chế tạo philie rất công phu

- Philie hình mũ (còn gọi là mũ phun sợi) được làm bằng thép không

gỉ, kim loại quý, thông thường nhất là platin Philie hình mũ mỏng hơn rất nhiều so với philie bản phẳng, bán kính lỗ cũng nhỏ hơn, từ 0,04 mmm trở lên Phần trên có hình trụ, phần dưới hình phễu làm cho sợi rất mảnh Việc chế tạo mũ phun này rất kỳ công: dùng khoan bằng tia lửa điện, đánh bóng bằng bột kim cương mịn Do platin dễ dát mỏng nên mật độ đục lỗ rất cao: 20.800 lỗ trên một mũ có đường kính là 47 mm Hình dạng của lỗ đục rất đa dạng, độc đáo để thu được sợi có những tiết diện khác nhau hoặc sợi rỗng

Cần chú ý rằng độ mảnh của sợi không phải do lỗ phun lớn hay nhỏ Yếu tố quyết định độ mảnh của sợi lại là tỷ số giữa tốc độ chảy của polyme khi ra khỏi lỗ phun và tốc độ cuốn sợi vào ống trên máy kéo sợi

Phương pháp này dùng để tạo hình những polyme hòa tan trong dung môi nhất định với nồng độ ≤ 25% Dung dịch sau khi hoà tan được qua các bộ phận lọc, tách khí, rồi bơm qua những lỗ của philie (dưới dạng tơ liên tục), sau đó cho qua một bể đông tụ Dung môi được tách ra và polyme rắn lại thành sợi

Thành phần của dung dịch trong bể phụ thuộc vào loại polyme, thường

là nước có hòa tan một số muối vô cơ như clorua, sunfat hay các chất phụ gia khác

Do sợi chuyển động dưới tác dụng của lực cuốn vào ống, nên chúng

được định hướng sơ bộ các đại phân tử dọc theo trục của sợi giúp cho những công đoạn tiếp theo (như kéo căng) thực hiện dễ dàng

Phương pháp này chủ yếu để sản xuất loại sợi nhân tạo (như vitxco) và một vài loại sợi tổng hợp như acrylic, sợi polivinylclorua (clorophip)

Phương pháp này giống với phương pháp kéo ướt ở chỗ hòa tan polyme vào dung môi, nhưng dòng dung dịch polyme từ lỗ phun đi ra gặp những điều kiện làm đóng rắn polyme như thổi luồng khí nóng hoặc áp suất thấp để tách dung môi, polyme hoá rắn thành sợi và được cuốn vào ống Luồng khí mang theo dung môi đi qua thiết bị làm lạnh, tại đây hơi dung môi được ngưng tụ, sau đó cho qua hệ thống thiết bị tinh chế để sử dụng lại

Phương pháp này dùng để sản xuất sợi tổng hợp như axêtat xenluloza; sợi PVC clo hoá; sợi acrylic

Phương pháp này dùng chủ yếu cho sợi tổng hợp Polyme dùng kéo sợi thường sản xuất ra ở dạng hạt nhỏ Để chuyển polyme sang trạng thái chảy nhớt ở đây người ta dùng nhiệt Khi ở nhiệt độ cao để làm nóng chảy polyme thường có tác dụng phụ như thúc đẩy một số phản ứng hoá học, trong đó có cả những phản ứng không có lợi như phản ứng thủy phân, phân hủy oxy hoá polyme nhất là khi có lẫn tạp chất sẽ làm giảm trọng lượng phân tử của polyme và làm suy giảm tính chất của sợi sau này Do đó cần phải loại bỏ các

tác nhân gây ra như độ ẩm, không khí, tạp chất bằng cách sấy khô polyme, tiến hành làm nóng chảy polyme trong môi trường khí trơ như khí CO2, N2

Dòng polyme đi ra khỏi lỗ philie, tiếp xúc với không khí lạnh sẽ rắn lại thành sợi và trước khi quấn vào ống sợi thường được tẩm chất hoạt động bề mặt để chống tạo ra hiện tượng tĩnh điện trên bề mặt sợi và thuận lợi cho các quá trình gia công sau này

4.4 Công đoạn kéo căng - hoàn tất

Sợi thu trực tiếp từ các công đoạn trên được gọi là sợi chưa kéo căng Sợi này thường không bền, dễ biến dạng, gặp lực tác dụng theo chiều dọc thì sợi bị dãn, gặp nóng thì bị quăn tức là không có tính đàn hồi, khả năng chịu nhiệt kém nghĩa là chưa có những tính chất cần thiết cho quá trình sử dụng Lúc này những đại phân tử polyme trong sợi sắp xếp hỗn loạn mất trật tự Để khắc phục nhược điểm này người ta tiến hành quá trình kéo căng sợi

Kéo căng là một quá trình vật lý, dùng ngoại lực tác dụng lên sợi chưa căng theo chiều dài của sợi, cho tới khi sợi có chiều dài tăng từ 1,5 ữ 7 lần so với chiều dài ban đầu Khi kéo căng sẽ làm biến đổi cấu trúc sắp xếp của mạch đại phân tử, định hướng lại các đại phân tử polyme sắp xếp trật tự dọc theo trục của sợi Do đó độ kết tinh của sợi tăng lên, làm tăng độ bền cho sợi

và đáp ứng được những yêu cầu của kỹ thuật dệt và thuận lợi khi sử dụng

Tuy nhiên sự định hướng của đại phân tử sau khi kéo căng cũng có ảnh hưởng không mong muốn đến tính chất khác của sợi, như sợi khó nhuộm hơn, tính hút ẩm giảm

Quá trình kéo căng được tiến hành trên thiết bị kéo căng, trong đó sợi

được cuốn trên những bánh xe có tốc độ quay khác nhau Tỷ tốc của những bánh xe này chính là tỷ số căng của sợi Trong nhiều trường hợp để tạo điều kiện cho những đại phân tử polyme trong sợi sắp xếp một cách trật tự hơn, người ta bố trí hành loạt bánh xe cuốn sợi với tốc độ tăng dần và lúc đó tỷ số căng chính là tỷ số giữa tốc độ của bánh xe đầu và cuối

Quá trình kéo căng thường thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hoá thủy tinh của polyme, tức là nhiệt độ mà tại đó tính chất của polyme thay đổi

đột ngột (thể tích riêng, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt, tính cách điện, chỉ số khúc xạ, mođun đàn hồi )

Thường gia nhiệt bằng cách cho sợi tiếp xúc với một “bàn là” có trang

bị nhiệt kế tự điều chỉnh nhiệt độ, hoặc đi qua bể nước nóng, hoặc buồng kín bão hòa hơi nước quá nhiệt, đặt giữa 2 bánh xe

Quá trình tiếp theo đặc biệt đối với sợi tổng hợp, là ổn định nhiệt : đưa

sợi lên nhiệt độ nhất định trong khoảng thời gian nhất định Quá trình này có tác dụng giải phóng những sức căng nội của các đại phân tử trong sợi bị kéo dài ra một cách cưỡng bức, cho phép những đại phân tử bị xoắn tiếp nhận một năng lượng để tự do trở về những vị trí thuận tiện hơn về mặt năng lượng Sau khi đã ổn định nhiệt sợi bền hình dạng, giữ nếp là, không bị co khi giặt bằng nước nóng

Sợi nhân tạo hay còn gọi là sợi bán tổng hợp vì nguyên liệu ban đầu là những polyme có sẵn trong thiên nhiên, được phân thành hai nhóm chính: xenluloza và protein của động thực vật

5.1 Sợi trên cơ sở xenluloza

Nhóm sợi trên cơ sở xenluloza phong phú về sản lượng, đa dạng về chủng loại dựa trên một nguồn nguyên liệu tái sinh không bao giờ cạn nếu trên Trái đất còn nước, không khí và ánh sáng Theo số liệu thống kê

Xenluloza thu được chủ yếu là từ thế giới thực vật hùng hậu và phong phú Xenluloza thực chất là một loại polyme thiên nhiên thuộc họ

đặc biệt, nó tồn tại dưới dạng tinh khiết như bông, đay, gai Xenluloza chỉ là một trong nhiều thành phần của tế bào thực vật với các tỷ lệ khác nhau Số lượng mắt xích cơ bản làm cho trọng lượng phân tử trung bình của xenluloza trong từng loại cây dao động khá rộng

Ví dụ đối với gỗ thì độ trùng hợp trung bình khoảng 3000, của bông là 11.000, của lanh là 36.000 tương ứng với M phân tử là 450.000, 1.750.000 và 5.900.000 đơn vị ôxi

Xenluloza hòa tan trong một số dung môi rất hạn chế

Tuy nhiên không phải loại xenluloza của tất cả các loại thực vật đều tạo

được sợi cả, vì vậy việc nghiên cứu để lựa chọn loại thực vật cho công nghiệp sợi không phải là đơn giản và rất quan trọng Loại thực vật đó phải thỏa mãn các điều kiện như sau:

bị hoà tan vào nước thải

2/ Phương pháp kiềm

Những mảnh gỗ đã được băm nhỏ cho vào nồi nấu với dung dịch xút

suất là 6-10 at, thời gian nấu khoảng 6 - 8 giờ Công đoạn tiếp theo là lọc xenluloza khỏi chất thải hòa tan, rồi rửa lại kỹ bằng nước mềm, đồng thời

đánh tơi thành bột nhão và mang đi tấy màu bằng clo, sau đó tẩy bằng natri hypoclorit (NaOCl) hoặc clorua vôi (CaOCl2)

Quá trình tẩy trắng nhằm hai mục đích là loại bỏ hết các tạp chất lignin làm vàng sợi và oxy hoá một phần xenluloza, bẻ gãy mạch phân tử xenluloza

để làm tăng hoạt tính cho xenluloza nhằm phục vụ cho ý đồ công nghệ sau này

Cuối cùng rửa sạch lại bằng nước, ép và sấy khô Đây là giai đoạn tạo nguyên liệu đầu để sản xuất sợi

Xenluloza thu được là một chất rắn màu trắng, xốp, dạng xơ có công thức cấu tạo:

Chỉ số quan trọng nhất đặc trưng cho chất lượng xenluloza là hàm lượng của α-xenluloza Hàm lượng này càng cao thì chất lượng sợi càng tốt, α-xenluloza là mạch xenluloza có độ trùng hợp từ 200 trở lên, không tan trong

ông nghiên cứu để cải tiến loại sợi này và cuối cùng ông cũng dệt ra được tấm vải từ xenluloza đầu tiên và cũng mở đầu cho công nghệ sản xuất sợi

Tuy nhiên loại sợi này có một nhược điểm là ở trong chừng mực nào đó

nó giống như thuốc nổ, khi gặp tàn lửa thuốc lá hoặc đôi khi chỉ cần va chạm mạnh nó cũng có thể bùng cháy nguyên nhân là do sự có mặt của những nhóm nitrat, Sacđônê đã tìm cách khắc phục bằng cách thủy phân sợi để loại trừ những nhóm nitrat và kết quả của quá trình thủy phân là xenluloza tái sinh

Các tính chất cơ bản của xenluloza này không thay đổi bao nhiêu Hiện tượng cháy nổ của sợi bị loại bỏ Sau đó một số loại sợi mới được tìm ra như: sợi đồng - amoniac, sợi vitxco Các loại sợi này có những dặc tính ưu việt hơn

do đó dần dần đẩy lùi loại sợi nitroxenluloza này và ngày nay thì hầu như không còn sử dụng nữa

5.1.2 sợi đồng-amoniac

Vào năm 1857 nhà hoá học Svâyze đã phát hiện ra một loại thuốc thử nổi tiếng mang tên mình, được dùng nhiều trong ngành phân tích hoá học bằng cách cho tương tác hyđroxit đồng với amoniac:

Dung dịch Svâyze đồng thời lại có một tính chất đặc biệt là hòa tan

được xenluloza rất khó tan Từ đó loại sợi đồng-amoniac được tạo ra bằng phương pháp hòa tan xenluloza trong nước Svâyze:

Phản ứng này tạo ra NH3, do đó trước khi kéo thành sợi thì cần hút NH3

ra khỏi bình phản ứng Tuy nhiên sợi tạo ra có độ bền rất thấp đặc biệt là độ bền đứt mãi đến khi phương pháp kéo căng ra đời thì loại sợi này mới thực sự

đáp ứng được yêu cầu dệt

Sợi được sản xuất theo phương pháp ướt: Sợi sau khi đi ra khỏi đầu philie thì cho qua 2 bể lớn gồm bể thứ nhất chứa nước hoặc dung dịch kiềm loãng và bể thứ hai chứa axit sunfuaric Mục đích của bể thứ nhất là làm cho quá trình kéo căng được thực hiện dễ dàng, bể thứ hai nhằm thủy phân sợi xenluloza đồng để tạo sợi xenluloza tái sinh

Loại sợi này rất đẹp, có thể kéo thành sợi cực kỳ mảnh như tơ nhện, thường dùng để dệt các mặt hàng cao cấp do vẻ đẹp độc dáo của nó

sinh khác, kỹ thuật sản xuất đơn giản, hoàn toàn không độc hại, nhưng nó lại rất đắt và khó thu hồi hoá chất

5.1.3 sợi vitxco

I Mở đầu

Trong họ sợi nhân tạo thì loại sợi vitxco chiếm ưu thế hơn cả và đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp sợi Tuy nó xuất hiện sau 2 loại trên nhưng nó đã nhanh chóng chiếm ưu thế là vì yếu tố kinh tế

Kỹ thuật sản xuất sợi vitxco không phức tạp, hoá chất dễ kiếm, rẻ tiền,

do đó mà nó là loại sợi bình dân nhất và rẻ tiền nhất Loại sợi này được tìm ra vào năm 1893 do các nhà hoá học Anh Gơrotxo, Bơvan, Biđơn nó được đặt tên là vitxco (có nghĩa là “nhớt”) qua sự hình thành xantogenat Thời kim hoàng của loại sợi này là vào những năm 30 của thế kỷ XX

II Công nghệ sản xuất sợi vitxco

Gồm các công đoạn chính sau:

*Chuẩn bị nguyện liệu kéo sợi:

Đầu tiên các tấm xelulo được chuyển đến bộ phận trộn để làm đều các khối nguyên liệu với nhau, sau đó chuyển sang bộ phận chuẩn bị dung dịch kéo sợi

Chuyển những tấm xenluloza trắng xốp cho ngâm vào dung dịch NaOH 18%, trong thời gian khoảng từ 45-60 phút mục đích là nhằm loại bỏ các tạp chất không mong muốn và những dấu vết còn lại của hêmixenluloza,

đồng thời xenluloza tương tác với NaOH để tạo thành hợp chất mới gọi là xenluloza kiềm:

[C6H9O4(OH)]n + nNaOH → [C6H9O4ONa]n + nH2O

[C6H9O4(OH)]n + nNaOH → [C6H9O4ONaOH]n

Sau đó đem xenluloza kiềm đi ép tách dung dịch kiềm dư, nước lọc

được đưa đến bộ phận thu hồi xút Tiếp tục đem đi nghiền nhỏ, rồi ủ lần thứ nhất (còn gọi là làm chín sơ bộ) trong thời gian khoảng 2 ngày đêm ở nhiệt độ 20-22 oC để dung dịch chín Theo các nhà nghiên cứu thì giai đoạn này là giai

đoạn phân hủy oxy hoá xenluloza nên các mạch phân tử bị cắt ngắn, hệ số trùng hợp của các đại phân tử có thể giảm xuống 2 lần Đồng thời mối liên kết giữa các đại phân tử cũng bị phá vỡ, xenluloza dã bị trương nở và có bề mặt hoạt động lớn được đem đi xantogênat hoá Để thúc đẩy phản ứng phân hủy

oxi hoá người ta thường cho thêm các chất xúc tác như MnCl2, CuCl2, MnSO4

“ủ chín” là giai đoạn rất cần thiết để điều chỉnh độ nhớt của dung dịch kéo sợi Sau khi đã đạt được độ nhớt cần thiết, xenluloza kiềm được đem đi xử

quá trình này gọi là quá trình xantogenat hoá (gọi tắt là xantat hoá)

Xantogenat xenluloza là một chất quánh, nhớt, màu da cam đậm, có thể hòa tan trong nước và độ hòa tan tăng lên khi cho vào nuớc một ít kiềm, khối lỏng nhớt quánh đó được gọi là vitxcô (vicious) Từ đó người ta thu được dung dịch kéo sợi bằng cách cho hòa tan xantogenat xenluloza vào dung dịch kiềm nồng độ khoảng 6 đến 9% Quá trình xantogênat hoá thực hiện ở nhiệt

độ là 20-30 oC trong thời gian 2 giờ

Dung dịch cho vào thùng có cánh khuấy và có vỏ bọc bằng kim loại để cho nước làm lạnh đi qua, quá trình hoà tan trong kiềm loãng kéo dài trong 5 -

6 giờ ở nhiệt độ là 5-10 oC, rồi đem đi lọc tạp chất và tách khí liên tục Lại tiếp tục ủ chín trong 4 - 5 ngày đêm ở nhiệt độ 10 - 18 oC để tạo điều kiện cho các biến đổi hoá học và hoá lý phức tạp tiếp tục xảy ra Quá trình này được

- 1% để làm mờ sợi hoặc thêm các chất nhuộm, một số chất biến tính để điều chỉnh tốc độ phân hủy xantogenat sau này Quá trình này là một quá trình rất quan trọng trong việc chuẩn bị nguyên liệu kéo sợi vì nếu khối vitxcô chín không đều sợi tạo ra sẽ kém chất lượng, nên trước khi kéo sợi phảI tiến hành xác định các cỉ tiêu về độ chín của khối vitxcô

Sau khi ủ chín hoàn toàn tiến hành lọc ép dưới áp suất 5-6 atm, để khử hết không khí hoà tan vào khối vitxco, người ta dùng chân không để tách trong vòng 10-12 giờ Kết thúc giai đoạn kéo sợi

* Quá trình kéo sợi:

Dung dịch kéo sợi người ta gọi là dung dịch vitxcođược một bơm định lượng nén với áp suất từ 3 đến 5 atm qua màng lọc rồi vào ống định hình có gắn đầu philie hình mũ, nhúng chìm trong một bể lớn chứa hỗn hợp các dung dịch axit sunfuaric 10%, sunfat natri 18%, sunfat kẽm 1% và một vài chất hữu cơ khác Tại đây xenluloza được tái sinh theo phản ứng sau:

Xenluloza tái sinh dưới dạng hiđrat xenluloza hơi khác với polyme ban

đầu về cấu tạo hoá học Giai đoạn này sợi được đông tụ và chuyển hoá thành hiđrrat xenluloza từ từ, từ ngoài vào trong Nếu quá trình xảy ra nhanh sợi sẽ

bị trương mạnh và sau khi khô thường bị giòn Do đó sự có mặt của một số muối để giảm bớt sự phân ly của axit là cần thiết để làm chậm quá trình tái sinh trên

Những tính chất cơ lý của sợi vitxco phụ thuộc khá nhiều vào những

điều kiện kéo sợi như nhiệt độ và thành phần của dung dịch tái sinh, tốc độ

đông tụ, tốc độ cuốn sợi, quãng đường đi của sợi trong bể Do đó quá trình kéo căng sợi là rất quan trọng để tạo cho sợi có sự định hướng của các đại phân tử dọc theo trục sợi và cho sợi có độ bền cao Quá trình kéo căng có thể tiến hành ngay trong bể hoặc có thể kéo căng ở giai đoạn sau khi ra khỏi bể

Công đoạn kéo sợi thường tách ra nhiều chất có mùi khó chịu và độc hại như CS2, H2S, SO2 Do đó cần phải có hệ thống thông gió thật tốt để dảm bảo an toàn cho người trực tiếp sản xuất và đây cũng là nhược điểm của sợi vitxco Sợi được rửa sạch bằng nước để loại các vết axit và muối bằng dung

hợp chất của lưu huỳnh gây ảnh hưởng xấu đến tính chất của sợi

Để làm trắng sợi người ta tiến hành tấy bằng nước javen (NaOCl) ở

bằng dầu thích hợp hoặc chất hoạt động bề mặt phù hợp để giúp cho quá trình gia công tiếp theo thuận tiện

Sợi thành phẩm có thể thu được dưới hai dạng là: tơ và xơ cắt ngắn

* Dạng tơ sản xuất như trên chỉ khác là mũ phun lớn hơn, có tới

2400-20000 lỗ Tơ tạo ra có chiều dài lớn (hàng chục cho đến hàng trăm kilômet)

Được gọi là tơ liên tục thường sử dụng trực tiếp để xe dún, xe bện, dùng trong dệt thoi, dệt kim, dệt đăng ten

Tơ liên tục có thể cắt ngắn họăc làm đứt theo những độ dài nhỏ (vài cm) để tạo thành dạng xơ cắt ngắn Tơ đi ra từ 1 lỗ của đầu phun được gọi là tơ đơn: có đầy đủ tính chất về độ bền để có thể gia công dễ dàng theo kỹ thuật dệt Tập hợp các tơ đi ra các lỗ được chập lại tạo thành tơ phức

III Tính chất và ứng dụng của sợi vitxco

Sợi vitxco có nhiều tính chất tương đối tốt: mềm mại, bóng và có bề

thay đổi tính chất, đến nhiệt độ 150oC trong thời gian dài thì độ bền của sợi vitxco giảm đi nhiều

Sợi vitxco rất ăn màu do đó dễ nhuộm, bền với tác dụng của nhiều hoá chất như xăng, dầu, các dung môi hữu cơ, các hợp chất tẩy giặt, xà phòng, nước sôi tuy nhiên kém bền với axit và kiềm mạnh

Do sợi vitxco có cấu trúc kết bó rỗng (xốp) nên độ bền cơ học của sợi không cao lắm Hàm lượng alpha-xenluloza trong sợi chiếm 87-90%, khối lượng riêng không khác với xenluloza ban đầu là mấy và bằng 1,49-1,52 g/cm3

Tuy nhiên tính hút ẩm tốt nên vải làm từ sợi vitxco dễ nhuộm, dễ giặt, hút mồ hôi tạo cảm giác dễ chịu thông thoáng phù hợp để sản xuất áo quần trong và áo quần mùa hè Do tính hút ẩm của sợi nên độ ẩm của sợi thay đổi theo điều kiện khí hậu của môi trường Khi ở trạng thái ướt sợi bị giảm 40-50% độ bền cơ học so với trạng thái khô

Độ ẩm của sợi ảnh hưởng đến tính chất đàn hồi, tính dẻo và độ bền của

nó Do đó các xưởng gia công sợi cần được điều hòa không khí ở độ ẩm tương

đối xác định và không thay đổi, phù hợp với điều kiện thuận lợi cho việc gia công Độ ẩm cân bằng của sợi trong môi trường không khí được gọi là “hồi ẩm” Độ ẩm quy định đối với sợi nhân tạo nói chung là 13%

Xơ vitxco dễ pha trộn với các loại xơ thiên nhiên và xơ hoá học khác

để thu loại sợi có tất cả các ưu điểm của các loại sợi

Tơ vitxco dùng để dệt lụa, sa tanh, ta tăng, gấm và các hàng dệt kim khác

Ngoài ra sợi vitxco cũng có thể thay thế sợi tổng hợp dùng trong kỹ thuật như làm vải mành cho lốp xe, làm vải bạt, bọc cáp, làm chất độn trong gia công vật liệu composit

Sợi vitxco là loại sợi rẻ tiền nhất trong các loại sợi hoá học, loại sợi này

đặc biệt được ưa chuộng ở các nước vùng nhiệt đới

Tuy nhiên sợi vitxco lại có những nhược điểm : độ bền kém xa so với sợi tổng hợp và còn thấp hơn cả sợi của bông tự nhiên như lanh, bông vì do mức độ kết tinh và những vùng kết tinh nhỏ hơn so với sợi lanh, bông Vải từ sợi vitxco ít bền hình dạng, dễ co sau khi giặt, dễ bị chảy xệ sau thời gian sử dụng và không giữ nếp là Để hạn chế nhược điểm này người ta thương hồ vải bằng một loại nhựa tỷ lệ 1 - 2%

5.2 Sợi trên cơ sở protêin

Protein theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là các “chất đầu tiên”, bản chất của

nó là hợp chất cao phân tử có trong cơ thể động vật, đóng vai trò chủ yếu trong các hoạt động sống Protein chiếm 45% trọng lượng cơ thể con người ở trạng thái khô, trong nhiều loại thực vật luợng protein cũng rất phong phú như lúa mì (25%), đậu nành (45%)

Về thành phần hoá học protein là một chùm kết hợp giữa axit amin,

(-COOH), chúng liên kết với nhau bằng những liên kết peptit nghĩa là liên kết giữa nhóm amin của axit này với nhóm cacboxyl của axit kia

Nguyên lý sản xuất sợi protein cũng tương tự như đối với sợi xenluloza cũng đều gồm các bước: tách protein dưới dạng tinh khiết, rồi tạo dung dịch kéo sợi và cuối cùng là kéo thành sợi