bài giảng gia công hóa sợi

03/01/2017 CÁC CƠNG ĐOẠN TẠO SỢI -Q trình tạo sợi bao gồm công đoạn: + Chuẩn bị polyme + Kéo sợi + Kéo căng - hồn tất * Có thể phối hợp q trình hố học vật lý (đối với sợi nhân tạo); trình vật lý đơn (đối với đa số sợi tổng hợp) CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI 1/ Chuẩn bị polymer - Thường nguyên liệu ban đầu dạng hạt rắn  lỏng nhớt ??? - Có cách: + Hòa tan dung mơi thích hợp  u cầu dung môi ??? + Đưa polymer đến trạng thái nóng chảy, dạng lỏng nhớt - Trước kéo sợi phải lọc để tách tạp chất, polyme chưa hòa tan, khử bọt khí 03/01/2017 CÁC CƠNG ĐOẠN TẠO SỢI 2/ Kéo sợi - Có loại spinneret: spinneret phẳng spinneret hình mũ * spinneret phẳng: bề mặt có đục lỗ nhỏ (tròn, hình chữ nhật, hình sao, hình kim…), thành lỗ có độ bóng cao, số lỗ từ  1500, r ≥ 0,1 mm * spinneret hình mũ (mũ phun sợi): mỏng nhiều so với spinneret phẳng, bán kính lỗ nhỏ hơn, từ 0,04 mm trở lên - Spinneret kim loại phẳng thường có chiều dày - 10 mm, mặt cắt ngang lỗ spinneret thay đổi để đạt yêu cầu ngoại quan tính mềm mại Figure 66 Spinnerets made of high-grade steel used for melt spinning of staple fibers 03/01/2017 Figure 67 Cross sections of spinneret capillaries 03/01/2017 CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI - Việc chế tạo mũ phun kỳ công - Do platin dễ dát mỏng, mật độ đục lỗ cao: 20.800 lỗ/d= 47 mm - Hình lỗ đa dạng, độc thu sợi tiết diện khác sợi rỗng -Độ mảnh sợi lỗ phun lớn hay nhỏ  Yếu tố định độ mảnh sợi ??? CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI Các phương pháp kéo sợi *Phương pháp kéo ướt: - Dùng cho polymer hòa tan với nồng độ  25% - Dung dịch sau hồ tan qua phận lọc, tách khí, bơm qua lỗ spinneret (tơ liên tục), cho qua bể đông tụ (dung môi tách ra, polyme rắn lại thành sợi) - Thành phần dung dịch bể phụ thuộc vào loại polymer (muối vô clorua, sunfat…hay chất phụ gia khác) - Một lý phát triển phương pháp để thu sản phẩm có cấu trúc đặc biệt từ việc điều chỉnh bể đông tụ 03/01/2017 CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI - Độ nhớt dung dịch polymer 3,5 - 10 Pa.s cao so với sợi viscose nhân tạo - Sản xuất: sợi nhân tạo (viscose) vài loại sợi tổng hợp sợi PAN, sợi polivinylclorua (clorophip) 03/01/2017 CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI Các phương pháp kéo sợi *Phương pháp kéo khô - Giống với phương pháp dòng polymer khỏi spinneret hóa rắn điều kiện: khí nóng áp suất thấp - Luồng khí mang theo dung mơi qua thiết bị làm lạnh, ngưng tụ, tách đem dùng lại sau tinh chế - Dùng để sản xuất sợi tổng hợp như: axêtat xenlulo, sợi PVC clo hoá, sợi acrylic… Figure 77 Dry-spinning unit for production of staple fibers a) Pump; b) Spin pump; c) Spinneret; d) Spin shaft; e) Finish applicator; f) Redirecting godet, g) Take-off unit; h) Spin can 03/01/2017 CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI Các phương pháp kéo sợi *Phương pháp kéo từ khối nóng chảy - Chủ yếu dùng cho sợi tổng hợp (polymer dạng hạt nhỏ) - Ở nhiệt độ cao polymer thường xảy số phản ứng phụ  làm giảm trọng lượng phân tử  giảm tính chất sợi - Trước quấn vào ống sợi thường tẩm chất HĐBM để chống tượng tĩnh điện bề mặt sợi thuận lợi cho q trình gia cơng sau CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI - Sự khác Tm Ts phụ thuộc vào độ nhớt trạng thái chảy polymer Thường Ts > Tm khoảng 30 K, nhiên độ nhớt cao phải tăng nhiệt độ tiếp tục ( Tm(PP) = 170 oC Ts = 260 oC) - Chỉ số chảy độ nhớt đặc trưng cho tính chất chảy polymer - Polymer phải ổn định nhiệt, có khả bền với oxi hóa nhiệt mà Ts > Tm khoảng 30 K (PA-6, PA-66 PET) 03/01/2017 Figure 39 Schematic of melt spinning a) Chips silo b) Extruder c) Melt filter d) Melt distribution line e) Spin beam f) Spin pump g) Vapor-heated jacket h) Spin pack i) Quenching duct j) Conditioner k) Finish applicator l) Godets m) Traversing guide n) Spin bobbin o) Blow air 03/01/2017 CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI 3/ Kéo căng - hoàn tất - Sợi từ công đoạn gọi sợi chưa kéo căng thường không bền, dễ biến dạng, gặp lực tác dụng theo chiều dọc bị dãn, gặp nóng bị quăn (khơng đàn hồi)  kéo căng sợi - Kéo căng ? - Đặc điểm sợi sau kéo căng ? - Quá trình kéo căng ? (Tỷ tốc bánh xe tỷ số căng sợi, để đại phân tử polymer xếp cách trật tự  bố trí nhiều bánh xe với tốc độ tăng dần, lúc tỷ số căng tỷ số tốc độ bánh xe đầu cuối) CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI - Tkc > Tg - Gia nhiệt: cho sợi tiếp xúc với “bàn là” có nhiệt kế tự điều chỉnh nhiệt độ, qua bể nước nóng buồng kín bão hòa nước nhiệt - Ổn định nhiệt: quan trọng sợi tổng hợp + Nâng nhiệt lưu + Mục đích: giải phóng sức căng nội, sợi xếp vị trí thuận lợi mặt lượng  sợi bền hình dạng, giữ nếp là, khơng bị co giặt nước nóng 03/01/2017 Figure 81 Drawing unit Courtesy of Fleissner, Egelsbach, Germany 10 Các kỹ thuật Melt Spinning a Kéo sợi - lưới gia nhiệt (Grid spinning) - Flake tự rơi vào vùng nóng chảy - Gia nhiệt: ống xoắn ruột gà, điện trở hay vỏ bọc (diphenyl) - Ổn định nhiệt độ polymer nước nhiệt - Công suất bơm phải nhỏ khả chảy tối đa polymer - Tắt lưới gia nhiệt dừng tạm thời - Công suất làm nóng chảy lưới kéo sợi: với d = 160 - 200 mm 30 - 60 g/min - Một lưới cung cấp cho đầu spinneret a Kéo sợi - lưới gia nhiệt (Grid spinning)  The chips of nylon polymer are fed through a hopper A, into a spinning vessel B, on an electrically heated grid ( perforated plate) C The perforations are so small that the chips not pass through, but when melted, the liquid can pass The molten nylon collects as a pool D, at the bottom of the vessel This liquid should not come into contact with oxygen or air and hence nitrogen is introduced into the vessel The molten polymer is kept at a temperature of about 288 deg C and sucked by a pump F, into a spinnerette E The molten polymer solidifies as soon as it emerges out of the spinnerette The filament thus formed pass through a colloing zone, in which cold air G circulates directed towards the filaments The filaments are then passed through a steam chamber H, to wet them before winding on the bobbin L Drawing Nylon filaments as obtained are not very strong They have to tbe drawn 4-7 times their original length This is done by cold drawing The yarn in pulled off from bobbin L through guides M and N, between a pair of rollers O The speed of rotation of these rollers determines the initial speed The yarn then goes over a deflector P, and two to three times around roller Q, running at five times the speed than that of O The yarn subsequently courses through another guide R, and wound on another bobbin which rotates at very high speed, to impart twist in the yarn before being wound 15 Các kỹ thuật Melt Spinning b Kéo sợi- q trình đùn (extrusion spinning) - Áp lực đẩy khơng đổi Có vỏ áo gia nhiệt máy đùn cung cấp 30 - 40 đầu spinneret - Có nhiều ưu điểm ? - Cơng suất làm nóng chảy lớn: 1500 kg/ngày với dtrv = 150 mm - Trục vít có l/d = 20 -30 thích hợp Các kỹ thuật Melt Spinning c Kéo sợi trực tiếp (direct spinning) - Ưu điểm: kinh tế chất lượng - Dễ thực với nylon 66 (vì nguyên liệu chứa lượng nhỏ amide vòng có M thấp) - Đối với nylon cần phải loại bỏ caprolactam amide vòng có M cao * Ngun liệu nóng chảy từ thiết bị trùng hợp (t = 270 oC) phân bố rãnh vành khuyên vào thành cylin dạng màng nóng chảy Khi từ xuống thành phần dễ bay màng tách (caprolactam nước) áp suất 10 Pa Ở đáy nylon nóng chảy khuấy trộn đồng chuyển sang máy nén trục vít cung cấp cho máy kéo sợi 16 Sợi hóa học PHAN THẾ ANH Sợi Polyurethane - Giới thiệu - Được khám phá vào năm 1937 từ trình trùng hợp diisocyanate O Bayer cộng - Sợi PUR cứng khám phá lần để cạnh tranh với sợi nylon 66 - Sợi tổng hợp high-polymer chứa 85% đoạn mạch polyurethane gọi elasthane - Sợi spandex đặc trưng khả đàn hồi độ giãn dài cao, sợi cao su (sợi elastodiene) chúng thuộc loại sợi đàn hồi (elastomeric) Sợi Polyurethane - Giới thiệu - Spandex (sợi liên tục) sử dụng chủ yếu để sản xuất sợi dệt đàn hồi luôn sử dụng kết hợp với sợi khác - Mặc dù spandex xem có lợi mặt kỹ thuật quan trọng mặt kinh tế (23 000 t/1985) chiếm số lượng nhỏ so với sợi dệt khác - Sản phẩn tồn thị trường phụ thuộc nguồn nguyên liệu, cấu trúc hóa học, q trình sản xuất kéo sợi, phân tích cuối tính chất sản phẩm Sợi Polyurethane - Tính chất - Sợi spandex có mức độ duỗi thẳng cao có lực tác dụng từ bên tháo tải sợi nhanh chóng trở vị trí ban đầu - Kết cấu trúc hai pha (đoạn cứng đoạn mềm) Đoạn mềm có độ linh động cao nhiệt độ sử dụng cuộn rối trạng thái tháo tải - Đoạn mạch cứng kết tinh với nhóm urea thơm đối xứng hình thành cấu trúc mạng lưới, tồn liên kết hydro làm ổn định hình dạng Sợi Polyurethane - Tính Chất Sợi Polyurethane - Tính chất - Dưới Tg đoạn mạch mềm, spandex tính chất đàn hồi Các sản phẩm thương mại nhiệt độ khoảng 210 - 250 K - So với sợi cao su, spandex bền với hóa chất q trình dệt sử dụng sau Sợi Polyurethane - Tính chất - Spandex polyether ảnh hưởng nhiều trình oxi hóa, spandex polyester ảnh hưởng q trình thủy phân - Độ ổn định spandex phụ thuộc vào việc sử lý hóa học khác - Nhạy cảm với q trình oxi hóa ánh sáng acid béo dầu làm bóng Sợi Polyurethane - Nguyên liệu - Polyurethane, nguyên liệu cho sản xuất sợi spandex, gồm hợp chất dihydroxy mạch dài (macrodiols), diisocyanate thơm diamino hay dihydroxy mạch ngắn - Do độ linh động mạch nên mạch diol dài (soft segment) chịu trách nhiệm cho trình duỗi thẳng mạch - Các nhóm urethane urea hình thành diisocyanate mạch diol ngắn (hard segment) đóng vai trò tạo liên kết ngang vật lý chịu lực kéo cho sợi Sợi Polyurethane - Nguyên liệu - Macrodiol: thuận lợi cho việc sản xuất spandex có khối lượng phân tử 1-3kg/mol Tm < 50oC - Chỉ có diol polyether polyester quan trọng -Diols polyether thường sử dụng poly(tetramethylene ether glycol) tổng hợp từ q trình trùng hợp mở vòng tetrahydrofuran Sợi Polyurethane - Nguyên liệu Polyester diol Polyether diol Sợi Polyurethane - Nguyên liệu Sợi Polyurethane - Nguyên liệu - Sợi spandex từ đoạn mềm polyether có độ bền cao với q trình thủy phân kiềm, có tính chất tuyệt vời nhiệt độ thấp - Tuy nhiên chúng nhạy cảm với ánh sáng, oxi khơng khí nước có chứa clo Sợi Polyurethane - Nguyên liệu - Các diol polyester thường sử dụng polyesters acid adipic, ngược lại diol polycaprolactone không sử dụng - Sợi spandex polyester bền với nước có chứa clo so với sợi spandex polyether không nhạy cảm với oxi hóa - Nó nhạy cảm với trình thủy phân giảm cách sử dụng diol có số nguyên tử carbon lớn Sợi Polyurethane - Nguyên liệu - Diisocyanate: sợi spandex thương mại loại thường tổng hợp từ 4,4-methylenebis(phenyl isocyanate) (MDI) - Toluene diisocyanate (TDI) sản phẩm xuất năm ngày sử dụng chúng - Aliphatic diisocyanates làm tăng độ bền với ánh sáng nhiên chúng sử dụng q trình kéo sợi khó khăn Sợi Polyurethane - Nguyên liệu dicarbamoyl chloride (1) diamine dihydrochloride (2) diisocyanate (3) Sợi Polyurethane - Nguyên liệu 4-isocyanatobenzoyl chloride (8) trimethylsiloxy-substituted isocyanate (9) diisocyanate benzoates (10) Sợi Polyurethane - Nguyên liệu Sợi Polyurethane - Nguyên liệu - Dung môi: Sợi spandex sở polyurethane – polyurea bị phân hủy suốt q trình kéo sợi nóng chảy - Chỉ sử dụng dung môi lưỡng cực dimethylacetamide dimethylformamide 10 Sợi Polyurethane - Tổng hợp - Gồm giai đoạn: + Tiền trùng ngưng isocyanate + Trùng ngưng Phản ứng trạng thái nóng chảy hay dung môi phân cực mạnh (dimethylacetamide ) t = 50 - 80 oC với trình liên tục gián đoạn - Có thể điều chỉnh thơng qua trọng lượng phân tử macrodiol tỉ lệ mol NCO : OH - - Dung dịch spandex chứa hàm lượng chất rắn khoảng 20 - 35 % độ nhớt khoảng 50 - 300 Pa.s (25 oC) Sợi Polyurethane - Kéo sợi - Spandex kéo sợi theo phương pháp thông thường biết - spandex khâu mạch có tạp chất (các diamine), nên trình kéo từ dung dịch thường sử dụng cho - Q trình kéo sợi phương pháp kéo khô quan trọng việc sản xuất sợi - Tốc độ đánh ống 2000 - 8000 m/min Figure 16 Dorlastan fiber cross sections, 160 dtex (12 individual capillaries) ∗ ∗ ca 50 μm 11 Figure 15 Dry-spinning process for spandex filament yarns a) Metering pump; b) Spinning solution; c) Hot spinning air; d) Spinneret; e) Heated spinning cell wall; f) Twisting point; g) Cell length, ca 4–8m; h) Spinning gas exhaust; i) Fresh gas; j) False-twisting device; k) Godet roll; l) Finish; m) Traverse; n) Windup device - Quá trình kéo ướt: dung dịch elastomer kéo bể đông tụ, polyurethane đông tụ nước dung môi tách nước - Sau sợi đưa qua bể rửa đến tủ sấy khô đem đánh ống Figure 17 Schematic of a spandex wet- or reaction-spinning machine a) Spinning solution or prepolymer; b) Spinning pump; c) Filter d) Precipitating or reaction spin bath; e) Spinneret; f) Wash or subsequent reaction bath; g) Finish; h) Windup 12 Sợi Polyurethane - Kéo sợi Quá trình kéo sợi từ hỗn hợp phản ứng - Trong suốt trình kéo sợi từ prepolymer bể đơng tụ có hình thành lớp màng rắn tức bề mặt bên ngồi sợi, cung cấp độ bền cần thiết cho trình đánh ống sợi - Q trình đóng rắn hồn tồn xảy giai đoạn hình thành liên kết ngang hóa học với việc sử dụng nguyên liệu có nhóm chức Sợi Polyurethane - Kéo sợi Kéo sợi nóng chảy - Chỉ sợi đàn sở polyurethane (polyester) tinh khiết tạo q trình kéo sợi nóng chảy suất cao - Những sợi khơng có tính chất sợi spandex thương mại sở polyurea – polyurethane có ý nghĩa mặt kỹ thuật 13 ... CỦA SỢI HĨA HỌC - Khả ổn định nhiệt, hóa quang hóa sợi polymer điều khiển cấu trúc hóa học - Khả biến tính hóa học sợi xác định khả phản ứng độ phân cực đoạn mạch cấu trúc - Loại liên kết hóa. .. 03/01/2017 CÁC CƠNG ĐOẠN TẠO SỢI - Độ nhớt dung dịch polymer 3,5 - 10 Pa.s cao so với sợi viscose nhân tạo - Sản xuất: sợi nhân tạo (viscose) vài loại sợi tổng hợp sợi PAN, sợi polivinylclorua (clorophip)... 03/01/2017 CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI - Việc chế tạo mũ phun kỳ công - Do platin dễ dát mỏng, mật độ đục lỗ cao: 20.800 lỗ/d= 47 mm - Hình lỗ đa dạng, độc thu sợi tiết diện khác sợi rỗng -Độ mảnh sợi lỗ phun