Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tập lớn tìm hiểu về sợi polyester
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SẢN XUẤT SỢI HĨA HỌC Mã mơn học: 605005 – Nhóm: MS Nhóm: ĐỀ TÀI 4: SỢI POLYESTER GVHD: TS NGUYỄN THỊ LÊ THANH Ngành: Vật liệu hữu Năm học 2017 – 2018 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TP.HCM, ngày tháng năm 2017 Cán hướng dẫn.LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô Trường Đại học Tôn Đức Thắng – Khoa Khoa học ứng dụng truyền đạt cho chúng em kiến thức quý báu suốt năm học tập trường Đặc biệt môn học Kỹ thuật sợi hóa học, chúng em nhận giúp đỡ tận tình Cơ TS Nguyễn Thị Lê Thanh Những góp ý, hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình Cô giúp chúng em củng cố lại kiến thức kỹ Chúng em xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến Cô Do khoảng thời gian thực không nhiều khối lượng chương trình học nhiều nên tập lớn mơn học Kỹ thuật sợi hóa học khơng thể tránh khỏi thiếu xót định, chúng em mong nhận ý kiến đóng góp, hướng dẫn Quý Thầy, Cô để đề tài tập lớn mơn học hồn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Nhóm sinh viên thực DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1: Thông số đặc trưng PTA …………………………………………………….5 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật PTA ……………………………………………… Bảng 1.3: Điểm bắt lửa điểm cháy ………………………………………………………7 Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật khác ………………………………………………………….8 Bảng 3.1: Thông số máy đùn trục vít ………………………………………………………17 DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1: Quá trình trùng hợp tạo polyester……………………………………………….4 Hình 1.2: Hình dạng PTA sản xuất…………………………………………… .7 Hình 1.3 : Hình dạng PCDT dạng tinh thể……………………………………………… 10 Hình 1.4: Hình dạng PCDT dạng hạt…………………………………………………… 10 Hình 2.1: Quy trình cơng nghệ sản xuất sợi filament xơ………………………… .11 Hình 2.2: Tổng hợp polyester phản ứng trao đổi theo phương pháp gián đoạn……14 Hình 2.3 Giai đoạn kéo sợi……………………………………………………………….15 Hình 3.1: Thiết bị đùn ……………………………………………………… ………… 17 Hình 3.2: Gương sen …………………………………………………………………… 18 Hình 3.3: Máy kéo sợi RC ………………………………………………………… .19 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CTA: axit terephthalic thô DMT: Dimethyl terephthalate PCDT: poly-1,4-cyclohexylene-dimethylene terephthalate PET: polyethylene terephthalate PTA: Terephthalic Acid PSF: produce short fibre, sản xuất xơ ngắn 4-CBA: 4-carboxy benzaldehyde MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại nay, với khoa học đại, cơng nghệ hóa học khơng ngừng phát triển chiếm vị trí quan trọng nhiều lĩnh vực đời sống, sản xuất khoa học kỹ thuật Công nghệ nghiên cứu để gia công sản xuất từ hợp chất cao phân tử cơng nghệ điển hình, có tốt độ phát triển nhanh phạm vi sử dụng ngày rộng rãi Tuy đời có muộn ngành khác ứng dụng quan trọng Hầu hết, vật liệu kỹ thuật đời sống thay nhiều loại vật liệu chế tạo từ hợp chất cao phân tử Trong đó, sợi tổng hợp sản phẩm có sản lượng lớn giá trị Ngành sợi tổng hợp Việt Nam thực chất ngành kinh tế kỹ thuật gia công chất dẻo, chưa có khả sản xuất nguyên vật liệu nhựa, gần toàn nguyên vật liệu sản xuất sản phẩm nhựa phải nhập từ nước hay tái chế từ chai nhựa Ngành sợi tổng hợp có ưu điểm cơng nghệ cập nhật đại, tốt độ tạo sản phẩm nhanh, sử dụng lao động kỹ thuật chính, sản phẩm đa dạng, phục vụ nhiều đối tượng xã hội Bài tập lớn giúp sinh viên hiểu sâu rộng tính chất, quy trình tổng hợp sợi Polyester Mơn học giúp sinh viên giải cụ thể về: yêu cầu công nghệ, thiết bị sản xuất hóa chất quy trình cơng nghệ để tổng hợp sợi Polymer Bài tập lớn Kỹ thuật sợi hóa học sợi Polyester gồm nhiệm vụ: - Tìm hiểu nguyên liệu sản xuất sợi Phương trình phản ứng tổng hợp Sơ đồ khối Qui trình cơng nghệ Thuyết minh Qui trình cơng nghệ : thơng số, mục đích làm, thiết bị Video minh hoạ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI POLYESTER 1.1 Lịch sử phát triển của sợi hóa học Từ cuối kỷ 19 đến đầu kỷ 20 với việc ứng dụng thành tựu hóa học khí, số sản phẩm xơ sợi nhân tạo hình thành phát triển thị trường như: viscose, acetate, casein … Vào năm 1926, Công ty EI du Pont de Nemours - Mỹ bắt đầu nghiên cứu cao phân tử sợi tổng hợp Những nghiên cứu ban đầu W.H Carothers tập trung vào hình thành nylon, loại sợi tổng hợp Ngay sau đó, năm 1939-1941, số nhà hóa học Anh ý đến nghiên cứu du Pont tiến hành nghiên cứu riêng họ phòng thí nghiệm Hiệp hội nhà in ấn Calico, Ltd Việc dẫn đến đời sợi polyester biết đến Anh Terylene Năm 1939 xuất loại xơ xợi tổng hợp khác : polyester, polyacrylonitrile … Năm 1946, du Pont mua quyền để sản xuất sợi polyester Mỹ Tiếp theo, Công ty tiến hành phát triển xa nữa, năm 1951 Công ty bắt đầu thị trường hoá sợi tên Dacron Trong năm sau đó, số cơng ty quan tâm đến sợi polyester tự sản xuất dạng sản phẩm cho ứng dụng khác Ngày nay, có hai dạng polyester PET (polyethylene terephthalate) PCDT (poly-1, 4-cyclohexylene-dimethylene terephthalate) PET loại phổ biến hơn, hữu dụng, đa dạng ứng dụng Nó bền vững PCDT, PCDT dẻo đàn hồi PCDT phù hợp để làm rèm cửa lớp bọc đồ nội thất, PET sử dụng độc lập phối trộn với loại vải khác để làm cho quần áo khỏi nhăn chống bụi bẩn không co dãn Hiện nay, thị trường có 100 sản phẩm sợi nhân tạo khác với tính chất đặc thù riêng chúng Trong thực tế loại xơ sợi nhân tạo thuộc nhóm cellulose ( viscose, acetate), nhóm tổng hợp ( polyamide, polyester, polyacrylic, polyolefine) sản xuất sử dụng với số lượng lớn loại xơ nhân tạo khác Hơn năm gần việc nghiên cứu nhằm nâng cao tính chất sản phẩm khả ứng dụng loại sợi kim loại ngày rộng rãi công nghiệp thương mại 1.2 Khái niệm sợi Polyester Polyester loại sợi tổng hợp có nguồn gốc từ than đá, khơng khí, nước dầu mỏ Được phát triển phòng thí nghiệm từ kỷ 20, sợi polyester hình thành từ phản ứng hóa học acid hai chức rượu hai chức Trong phản ứng này, hai nhiều phân tử kết hợp với để tạo phân tử lớn có cấu trúc lặp lặp lại suốt chiều dài Ưu điểm : - Sợi Polyester có nhiều ưu so sánh với loại vải truyền thống bơng Nó 1.2.1 khơng hút ẩm, hấp thụ dầu Chính đặc tính làm cho Polyester trở thành loại vải hoàn hảo ứng dụng chống nước, chống bụi chống cháy - Khả hấp thụ thấp Polyester giúp tự chống lại vết bẩn cách tự nhiên Vải Polyester không bị co giặt, chống nhăn chống kéo dãn Nó dễ dàng nhuộm màu không bị hủy hoại nấm mốc Vải Polyester vật liệu cách nhiệt hiệu quả, dung để sản xuất gối, chăn, áo khốc ngồi túi ngủ 1.2.2 Nhược điểm : − Độ hút ẩm (0,5%), không biến dạng nước − Trơ với tác nhân ánh sáng, trơ với chất tẩy rửa − Khơng thấm mồ hơi, gây cảm giác nóng 1.2.3 Ứng dụng: − Polyester ứng dụng nhiều ngành công nghiệp dệt may quần áo − Đồ nội thất gia dụng như: dệt thảm, rèm cửa, vải cơng nghiệp − Máy tính băng ghi âm, vật liệu cách điện − Trong công nghiệp: chất độn vỏ xe, băng tải, nhựa composite… 1.3 Nguyên liệu thơ Polyester thuật ngữ hóa học mà Poly có nghĩa nhiều este hợp chất hóa học hữu Thành phần cấu tạo đặc trưng sử dụng sản xuất polyester ethylene có nguồn gốc từ dầu mỏ Q trình hóa học tạo polyester hồn chỉnh gọi trình trùng hợp Hình 1.1: Quá trình trùng hợp tạo polyester Từ trước đây, Dimethyl terephthalate (DMT) sử dụng để sản xuất polyester bao gồm: polyethylene terephthalate polytrimethylene terephthalate DMT hình thành từ phản ứng terephthalic acid methanol, ưu điểm dễ oxi hố dạng axit ngưng tụ chân không để tạo sản phẩm tinh khiết 1.3.1 Sự xuất của PTA ( Terephthalic Acid) Vào năm 1960, Amoco giới thiệu phương pháp sử dụng PTA định giá chiến lược cho sản phẩm nhằm mục đích thay cho DMT nhằm thúc đẩy phát triển sản xuất polyester Cho đến năm 1980, nắm bắt công nghệ, số nhà sản xuất lớn chi phối ngành công nghiệp sản xuất PTA Amoco (nay BP) nhà sản xuất hàng đầu, với đối tác nhượng quyền Mitsui, Mitsubishi ICI (nay Du Pont), nhà sản xuất thương mại hàng đầu Amoco, với đối tác công nghệ Mitsui, lựa chọn việc nhượng quyền họ để không ảnh hưởng vào hoạt động kinh doanh Tại Mĩ sau châu Âu, Amoco xây dựng giá sản xuất thực tế PTA với giá trị thặng dư cố định nhằm đáp ứng tiêu lợi nhuận, kích thích tăng trưởng thị trường đủ sức cạnh tranh với nhà sản xuất khác Tuy nhiên, Amoco thành 10 1.4.1 PET Polyester Đối với sản xuất PET Polyester, nguyên liệu ethylene có nguồn gốc từ dầu mỏ Nó bị oxy hóa để sản xuất rượu dihydric glycol kết hợp thêm với monomer khác axit terephthalic nhiệt độ cao chân không Trùng hợp, q trình hóa học sản xuất polyester hồn thành, thực với hỗ trợ chất xúc tác Các polyester nóng chảy khơng màu sau chảy từ khe cắm bình bánh xe đúc có hình dạng băng nguội đến độ cứng Các polymer sản xuất sau cắt thành chip nhỏ, sấy khô để loại bỏ tất độ ẩm pha trộn để làm cho thống cho việc sẵn sàng để quay thành sợi 1.4.2 PCDT Polyester Sự thay đổi polyester làm cách ngưng tụ axit terephthalic với 1,4-cyclohexane-dimethano để tạo poly-1,4-cyclohexylene-dimethylene terephthalate PCDT Polyester Đối với PET Polyester, PCDT xử lý để kéo sợi chảy Hình 1.4: Hình dạng PCDT dạng hạt 17 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT 2.1 Nguyên liệu sản xuất Polyester sản xuất nhiều phương pháp khác Phương pháp áp dụng phụ thuộc vào dạng (loại) polyester sản xuất Có bốn dạng sợi polyester sợi filament, xơ, sợi thơ, fiberfill • Với filament, sợi đơn lẻ tham gia cấu tạo sợi polyester dài liên tục, dạng sợi • dùng để sản xuất loại vải có bề mặt nhẵn Với xơ, sợi filament cắt ngắn với độ dài định trước dễ dàng để pha trộn với loại sợi khác • Sợi thơ dạng mà sợi filament liên tiếp kéo lỏng với • Fiberfill dạng sợi lớn sử dụng sản xuất chăn, gối, áo khốc ngồi Hai dạng sử dụng thường xuyên sợi filament xơ 18 2.2 Quy trình cơng nghệ Hình 2.1: Quy trình cơng nghệ sản xuất sợi filament xơ Sơ Đồ Khối Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Sợi Polyester Nguyên liệu thô Sản xuất sợi Filament Trùng hợp 150 – 200 oC Làm khô Kéo sợi 19 260 – 270 oC Sơ ngắn PSF Kéo căng Tạo nếp Định hình 100 - 150oC Cuốn sợi Quy trình cắt Sợi Polyester 20 2.1.1 Phương trình phản ứng : • Tởng hợp ethylene Glycol từ ethylene Xúc tác sử dụng bạc 350oC (1) : Tổng hợp Dimethyl Terephthalate (2) : Phản ứng trùng ngưng tổng hợp Polyethylene Terephthalate 21 Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp polyester phản ứng trao đổi theo phương pháp gián đoạn 2.3 Sản xuất sợi Filament a) Trùng ngưng: * Để hình thành polyester, dimethy terephthalate phản ứng với ethylene glycol với có mặt chất xúc tác nhiệt độ 150 – 210oC * Kết hoá học monomer tạo thành (đơn, phân tử khơng lặp lại), kết hợp với acid terephthalic tăng nhiệt độ tới 280 oC Polyester nóng chảy tạo thành ép đùn qua khe thành dải dài b) Làm khô * Sau polyester hình thành từ trình trùng hợp, dải nóng chảy dài làm mát chúng trở nên giòn Nguyên liệu cắt thành hạt chip nhỏ làm khô để ngăn ngừa bất bền vững c) Kéo sợi * Những hạt polymer nấu chảy 260-270°C để tạo thành dung dịch giống xi-rô Dung dịch đặt thùng kim loại gọi ổ phun sợi đùn ép qua lỗ nhỏ nó, thường tròn ngũ giác hình dạng 22 để sản xuất sợi đặc biệt Số lượng lỗ ổ phun xác định kích cỡ sợi, sợi tuôn xoắn lại với để tạo thành sợi đơn * Ở giai đoạn kéo sợi, hóa chất khác thêm vào dung dịch để làm vật liệu chống cháy, chống tích điện, dễ dàng nhuộm Hình 2.3 Giai đoạn kéo sợi d) Kéo căng - Khi polyester hình thành từ ổ phun, mềm dễ dàng kéo dài tới năm lần chiều dài ban đầu Tác động kéo căng cưỡng phân tử polyester ngẫu nhiên xếp thẳng hàng Điều làm tăng thêm độ bền, độ dai, khả đàn hồi sợi Trong thời gian này, sợi filament khô, sợi trở nên bền vững dai thay dễ gãy - Các sợi kéo căng thay đổi nhiều đường kính độ dài, tùy thuộc vào đặc tính mong muốn thành phẩm Ngoài ra, giống trình kéo căng, Sợi liên kết xoắn để tạo loại vải mềm vải thô e) Cuốn sợi - Sau sợi polyester kéo căng, vào ống sợi lớn đóng thùng sẵn sàng để dệt thành vải nguyên liệu 23 2.4 Sản xuất xơ ngắn PSF Trong làm xơ ngắn polyester, trình trùng hợp, sấy khô, tuôn sợi (bước 1-4 trên) giống với trình sản xuất sợi filament Tuy nhiên, q trình tn sợi, thùng trộn có nhiều lỗ sản phẩm xơ ngắn Các bó sợi polyester hình thành gọi sợi thơ a) Kéo căng - Sợi hình thành nhanh chóng làm lạnh thùng chứa sợi dày Sợi có độ dài khác tập trung kéo căng lăn gia nhiệt đến ba bốn lần chiều dài ban đầu b) Tạo nếp - Sợi kéo sau đưa vào hộp nén để tạo nếp gấp với tỷ lệ 9-15 nếp inch (3-6 nếp cm) Quá trình giúp sợi liên kết chặt với giai đoạn sản xuất sau c) Định hình - Sau sợi gấp nếp, gia nhiệt đến 100 - 150 oC để làm khơ hồn tồn sợi giữ nếp gấp Một số nếp gấp không giữ rút khỏi sợi trình d) Quá trình cắt - Tiếp theo gia nhiệt định hình, sợi cắt ngắn Polyester pha trộn với cắt thành đoạn 3,2 - 3,8 cm; hỗn hợp xơ nhân tạo cắt với chiều dài cm Đối với loại vải nặng hơn, chẳng hạn thảm, sợi filament tổng hợp cắt thành 15 cm 2.5 Sợi Polyester tương lai Sau giới thiệu Mỹ năm 1951, polyester nhanh chóng trở thành loại sợi phát triển nhanh nước Mỹ, phổ biến năm 1960 Tuy nhiên, polyester phải trải qua "vấn đề quan niệm" từ thời đó, quần áo làm từ sợi tổng hợp thường bị giá chí tẩy chay Một số dạng sợi tổng hợp giới thiệu vào đầu năm 1990 giúp khơi phục hình ảnh polyester Dạng sợi polyester gọi sợi siêu nhỏ giới thiệu đến công chúng vào năm 1991 Sang trọng linh hoạt polyester truyền thống, loại vải sợi microfiber tương tự 24 vải lụa Các nhà thiết kế Mary McFadden tạo dòng quần áo cách sử dụng hình thức polyester Các nhà nghiên cứu dệt may Đại học Bắc Carolina phát triển hình thức polyester bền vững Kevlar, loại vật liệu superfiber sử dụng để làm áo khoác chống đạn Loại polyester sử dụng vật liệu composite cho xe ô tô máy bay 25 CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ TẠO SỢI POLYMER 3.1 Thiết bị đùn Hình 3.1: Thiết bị đùn Nguyên lý chung: Nguyên liệu thô qua bulong thêm chất xúc tác vào trộn Tiếp theo, nguyên liệu đưa xuống máy đùn ( máy đùn cài nhiệt độ tăng dần từ vùng nạp liệu – nhựa hóa gia cơng để nhựa nóng chảy hồn tồn) Bên máy đùn thiết kế có dạng ống xoắn để tăng áp lực nhựa chảy qua lưới lọc ( lưới lọc giữ lại số tạp chất có lẫn nhựa ), phần nhựa chảy hoàn toàn qua lưới lên khung có thiết kế khe xoay theo hình xoắn lên đầu đai Bảng 3.1: Thơng số máy đùn trục vít 26 TEM-26SS TEM-37SS TEM41SS TEM48SS Mục Đơn vị Đường kính trục vít mm 26 37 41 48 Mơ-men xoắn vít phép N·m 279 784 1019 1630 Tốc độ trục vít -1 760 670 600 600 ĐỘng dẫn động vít phép kW 22 55 64 103 Chiều cao trung tâm máy mm 1050 1060 830 830 Chiều rộng D mm 870 760 820 955 Chiều cao H mm 1200 1300 990 1025 Chiều dài L mm 1865 3870 4195 4760 Khối thô kiloga m Built-in phẳng 900 Với việc tích hợp động 1600 2000 2700 3.2 Kéo sợi Kéo sợi : q trình kéo đẩy polymer thơng qua thiết bị có lỗ nhỏ gọi spinnerets ( gương sen) Dòng khối polymer lỏng có khả làm rắn, đặc lại sau qua gương sen dòng chảy liên tục Spinnerets tạo filament liên tục thường có số lỗ đục với số filament tạo sợi Hình 3.2: Gương sen 27 3.3 Máy kéo sợi RC Loại máy dùng để kéo sợi bơng sợi hóa học - Chiều dài xơ sử dụng Chiều dài xơ hóa học sử dụng Bước cọc Bội kéo dài kiểu suốt, vòng đai Vòng đai ngắn vòng đai dài Bội số kéo dài Đường kính puly chân cọc Độ săn 22 - 45 mm 45 - 60 mm 70 mm, 75 mm, 90 mm - 45 23mm, 25mm, 8mm 138 - 2069 vòng/m Các từ hình vẽ Polymer chips: Hạt polime Feed hopper: Phễu đựng tiếp vật liệu vào máy nén Melter/ extruder: Gia nhiệt Spinneret: Thiết bị tạo sợi Cold air: Khơng khí lạnh Melt Spinning: phận căng Bobbin: Con suốt Stretching: Sự vuốt dài, chuốt Twisting and winding: Cuộn xốy trơn ốc Giải thích: 28 Các hạt polyme (nhựa PVC, PP, PE,…) đổ vào phễu đựng máy gia nhiệt Nhờ hệ thống trục vít vận chuyển hạt tới khu vực gia nhiệt, hạt nhựa bị chảy quện với Do có lực ép lớn, nhựa di chuyển tới phận tạo sợi polyme Khi gặp khơng khí lạnh thổi vào, nhựa co lại lực kéo suốt (như se chỉ) sợi nhỏ lại Đi tới phận tiếp theo, sợi vuốt dài thêm đường kính sợi nhỏ quấn thành cuộn KẾT LUẬN Bài tập lớn chủ đề tìm hiểu sợi Polyester giúp nhóm hiểu về: - Nguồn gốc nguyên liệu ưu – nhược điểm, ứng dụng polyester 29 - Quy trình cơng nghệ sản xuất sợi Filament xơ ngắn PSF Phương trình phản ứng tổng hợp Thiết bị thống số máy đùn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Công nghệ sản xuất chất dẻo, TS.Nguyễn Quang Khuyến, lưu hành nội bộ, năm 2009 [2] Kỹ thuật gia công polymer, TS.Nguyễn Quang Khuyến, lưu hành nội bộ, năm 2011 [3] Bài giảng Kỹ thuật sản xuất sợi hóa học, ThS.Đỗ Tường Hạ, lưu hành nội bộ, năm 2008 30 [4] Máy toshiba-machine, tài liệu kỹ thuật sản xuất sợi, năm 2007 [5] Cơng nghệ gia cơng sợi hóa học, Huỳnh Văn Trí, NXB ĐH QGTPHCM, năm 2006 31 ... thành cuộn KẾT LUẬN Bài tập lớn chủ đề tìm hiểu sợi Polyester giúp nhóm hiểu về: - Nguồn gốc nguyên liệu ưu – nhược điểm, ứng dụng polyester 29 - Quy trình cơng nghệ sản xuất sợi Filament xơ ngắn... tổng hợp sợi Polyester Môn học giúp sinh viên giải cụ thể về: yêu cầu công nghệ, thiết bị sản xuất hóa chất quy trình cơng nghệ để tổng hợp sợi Polymer Bài tập lớn Kỹ thuật sợi hóa học sợi Polyester. .. vào dạng (loại) polyester sản xuất Có bốn dạng sợi polyester sợi filament, xơ, sợi thô, fiberfill • Với filament, sợi đơn lẻ tham gia cấu tạo sợi polyester dài liên tục, dạng sợi • dùng để sản