1.6.1. Tính chất cơ lý [1]
Tính chất cơ lý của xơ Polyeste (PET) có ảnh hƣởng rất lớn đến việc sử dụng vải PET trong may mặc. Vì vây, việc nghiên cứu các tính chất này là cơ sở để thực hiện việc cải thiện các nhƣợc điểm, phát huy ƣu điểm của xơ, nhằm tối ƣu hóa mục đích sử dụng.
PET là một loại sợi tổng hợp với thành phần cấu tạo đặc trƣng là eth- ylene (nguồn gốc từ dầu mỏ). PET đƣợc ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp để sản xuất các loại sản phẩm nhƣ quần áo, đồ nội thất gia dụng, vải công nghiệp, vật liệu cách điện…
Polyeste là xơ nhiệt dẻo, hình thành sợi bằng phƣơng pháp nóng chảy nên tiết diện xơ rất đều, thông thƣờng, chúng có biên dạng tròn, cấu trúc xơ đồng nhất từ ngoài vào trong, mặt ngoài dọc theo xơ trơn và bóng. Để giảm độ bóng của xơ, khi kéo sợi ngƣời ta pha thêm TiO2 vào. Khi đó, xơ sẽ đục mờ.
Xơ PET có nhiều ƣu thế hơn khi so sánh với các loại xơ truyền thống là không hút ẩm (hàm ẩm thấp: W ≤ 0,5% ), nhƣng có khả năng hấp thụ dầu. PET không bị ảnh hƣởng nhiều khi ngâm trong nƣớc. Tuy nhiên, nƣớc sôi sẽ làm sợi co rút, gây thủy phân và làm giảm độ bền của sợi, hiện tƣợng này rõ ràng hơn trong môi trƣờng hơi nƣớc và tăng nhanh với sự có mặt của một lƣợng nhỏ amin, đặc biệt là cyclohexylamin. Trong môi trƣờng hoàn toàn khô, xơ PET cũng kháng nhiệt khá tốt, lên tới 1800
C. Xơ PET nóng chảy ở 2500C. Chính những đặc tính này làm cho PET trở thành một loại vải hoàn hảo đối với những ứng dụng chống nƣớc, chống bụi và chống cháy. Khả năng hấp thụ thấp của PET giúp nó tự chống lại các vết bẩn một cách tự nhiên. PET không bị co khi giặt, có khả năng chống nhăn và chống kéo giãn.
PET có độ cứng cao, độ bền, độ dẻo dai tốt ngay cả ở nhiệt độ thấp, khả năng chống rão tốt. So với xơ bông thì xơ PET có độ bền hơn hai lần nên chúng đƣợc ƣa chuộng làm chỉ may cũng nhƣ dệt các loại vải chịu lực cao.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Xơ PET có modul đàn hồi tƣơng đối lớn so với các loại xơ hóa học thông thƣờng. Độ cứng uốn của xơ lớn hơn nylon nhiều lần nên chúng thích hợp cho mặc lót.
Xơ PET có khối lƣợng riêng thay đổi theo trạng thái nóng chảy, vô định hình hoặc kết tinh. Trong điều kiện thƣờng, xơ có độ kết tinh nhất định nên khối lƣợng riêng trung bình khoảng 1,38g/cm3.
Xơ PET dễ dàng đƣợc nhuộm màu và không bị hủy hoại bởi nấm mốc hay vi sinh vật.
Ở trạng thái tự do, xơ PET co do nhiệt. Đây là kết quả của quá trình làm mất sự định hƣớng trong xơ, xảy ra chủ yếu ở những vùng xơ có định hƣớng trong cấu trúc nhƣng chƣa đƣợc tinh thể hóa. Những xơ có độ định hƣớng cao nhƣng mật độ tinh thể thấp sẽ có độ co lớn và ngƣợc lại. Trong thực tế, hiếm khi xơ có mức định hƣớng cao mà ở trạng thái vô định hình. Do đó, độ co lớn nhất thuộc về xơ không đƣợc ổn định nhiệt.
Bảng 1.1: Tính chất cơ lý của xơ polyeste [12]
Tính chất ( đơn vị ) Giá trị
Đƣờng kính xơ (m) 10 - 50
Độ bền đứt (MPa)
- Xơ dùng trong dệt may - Xơ dùng trong kỹ thuật
450 – 750 850 - 1050
Độ giãn đứt (%) 10 - 50
Modul đàn hồi ban đầu (MPa) - Xơ dùng trong dệt may - Xơ dùng trong kỹ thuật
< 6000 < 14500 Độ co ở 1600
C
- Xơ dùng trong dệt may - Xơ dùng trong kỹ thuật
5 -15 2 - 5
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Khối lƣợng riêng (g/cm3 ) - Ở trạng thái nóng chảy - Ở trạng thái vô định hình - Ở trạng thái kết tinh 1,21 1,33 1,44 Nhiệt độ chuyển thủy tinh thể (0
C) - Ở trạng thái vô định hình
- Ở trạng thái kết tinh hoặc định hƣớng
67 125 Nhiệt độ tinh thể nóng chảy (0
C) 265 - 275
Nhiệt dung riêng (J/kg/0
K) - Ở 25oC - Ở 200oC 63 105 Nhiệt nóng chảy (KJ/kg) 120 - 140 Độ dẫn nhiệt (W/m/0 C) 0,14 Độ hồi ẩm ở 65% RH (%) 0,4 Độ thấm hút nƣớc (%) 0,6 1.6.2. Tính chất hóa học [1]
Polyeste (PET) chịu đƣợc phần lớn các dung dịch axit, kiềm hay dung môi hữu cơ thông thƣờng ở nồng độ thấp. Tuy nhiên, H2SO4 đậm đặc có thể hòa tan PET và phân hủy nó.
PET hòa tan tốt trong các dung môi có tính axit nhƣ: phenol lỏng, axit dicloronactic ở nhiệt độ phòng. Một số dung môi có chứa halogen nhƣ hex- afloroisopropanol cũng hòa tan tốt vào PET ở điều kiện thƣờng. Quá trình hòa tan xảy ra nhanh chóng ở những vùng vô định hình, còn các vùng tinh thể thì cần đun nóng mới có thể hòa tan.
Một số dung môi là dẫn xuất halogen của các hydrocacbon no có thể hòa tan PET ở nhiệt độ dƣới 00C, tuy nhiên, dung dịch không bền. Các dung
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
môi này bao gồm: Chloroform, Chloride methylen, tetrachloroethane. Tuy nhiên, chỉ vùng vô định hình mới bị hòa tan ở điều kiện này. Để hòa tan phần tinh thể cần phải cấp nhiệt. PET bị thủy phân và hòa tan chậm trong dung dịch kiềm nóng.
Bảng 1.2: Tính chất hóa học của polyeste
Tính chất hóa học Đánh giá
Bền axit Tốt với hầu hết axit thƣờng
Bền rƣợu, xeton, halogen, dẫu mỡ Tốt
Bền kiềm Đặc biệt kém bền kiềm ở nhiệt độ cao
Bền hydrocacbon aromatic Khá tốt
1.7. Phƣơng pháp xử lý alkali vải Polyeste 1.7.1. Mục đích 1.7.1. Mục đích
Xơ Polyeste (PET) cũng nhƣ nhiều loại xơ tổng hợp khác đƣợc ứng dụng rộng rãi trong may mặc nhờ đáp ứng đƣợc một loạt các đặc tính sử dụng quý báu nhƣ: độ bền cao, chịu đƣợc các tác động hóa học... Tuy nhiên, nó vẫn có những nhƣợc điểm nhất định. Để khắc phục những nhƣợc điểm này, ngƣời ta đã tìm cách biến tính PET thông thƣờng. Nguyên tắc chung là biến đổi cấu trúc hoặc thành phần hóa học của xơ.
Việc biến đổi thành phần hóa học của xơ là việc thay đổi thành phần, tỷ lệ cấu tử tham gia vào quá trình tổng hợp, hình thành nên polyme nguyên liệu, hoặc đƣa thêm các chất phụ gia vào trong công đoạn sản xuất xơ. Biến đổi cấu trúc xơ đƣợc thực hiện trong công đoạn tạo sợi hoặc ngay sau quá trình tạo sợi. Biến đổi tính năng sử dụng của PET đƣợc thực hiện ở công đoạn xử lý hoàn tất sản phẩm bằng cách: ngâm tẩm, giảm trọng, xử lý hóa chất vải.
Trong giới hạn của luận văn, tác giả sẽ đi sâu vào việc biến đổi tính năng vải bằng cách xử lý hóa học, cụ thể là xử lý vải bằng alkali (kiềm) (NaOH) trên vải mộc PET.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1.9: Xơ polyeste gốc (phóng đại 1500 lần) [4]
Hình 1.10: Xơ polyeste sau khi được xử lý alkali (phóng đại 1500 lần) [4]
1.7.2. Quá trình hóa học khi xử lý
Việc xử lý alkali (kiềm) trên vải polyeste nhằm biến đổi tính năng sử dụng của vải và đƣợc áp dụng trong giai đoạn hoàn tất. Quá trình này nhằm mục đích cải thiện những nhƣợc điểm của polyeste thông thƣờng hoặc tạo cho vải những tính chất quý báu nhƣ: độ hút ẩm, độ bền xé rách... Những tính chất này của vải thƣờng không bền trong quá trình sử dụng và có thể bị mất đi sau một khoảng thời gian với một số lần giặt nhất định. Phƣơng pháp này có ƣu
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
điểm lớn là: Dễ áp dụng, không đòi hỏi thiết bị đắt tiền, chi phí đầu tƣ không cao.
Mặt khác, nồng độ alkali cao không phải là yếu tố quan trọng duy nhất để xem xét khi kiểm tra thiệt hại cho vải. Các tính chất khác của vải nhƣ: Nhiệt độ xử lý, nồng độ chất xử lý, thời gian xử lý, các tác động cơ học, công thức giặt ủi, và hàm lƣợng chất xơ cũng cần đƣợc xem xét. Tùy thuộc vào loại polyeste mà tác dụng của alkali có thể thay đổi.
Ví dụ: Khi tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng cũng nhƣ làm hiệu ứng hóa học đƣợc tăng lên, làm cho các chất hóa học hòa tan nhanh hơn trên bề mặt ngoài của sợi. Giặt không đủ có thể dẫn đến sự tích tụ của alkali còn sót lại trên vải, có thể gây thủy phân vải.
1.7.3. Sự thay đổi các tính chất cơ lý vải polyeste sau khi xử lý bằng alkali
S.E. SHALABY, N.G. AL-BALAKOCY và S.M. ABO EL-OLA [5] đã nghiên tác động của việc xử lý alkali (NaOH): Polyethylene glycol (R-PET) và polyethylene terephthalate (PEG-M-PET) tới sự thay đổi các tính chất cơ học của vải.
Trong công trình nghiên cứu này, các tác giả báo cáo về kết quả xử lý alkali vải Polyethylene terephthalate (PEG-M-PET) và polyethylene glycol (R-PET) bằng cách sử dụng dung dịch NaOH.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Ảnh hƣởng của các thông số phản ứng nhƣ: thời gian xử lý, nồng độ alkali, nhiệt độ và mức độ thủy phân có ảnh hƣởng trực tiếp tới sự thay đổi cơ học của vải.
Xử lý alkali polyethylene terephthalate (PEG-M-PET) có thể cải thiện đƣợc một số đặc trƣng cơ, lý của vải nhƣ: tính kháng mài mòn. Theo CGG
Nambour cho rằng: xử lý Polyeste bằng alkali (NaOH) với nồng độ khác nhau
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hơn nữa, ở nhiệt độ không đổi, sự giảm khối lƣợng tỷ lệ thuận với thời gian thủy phân. Quan sát này là phù hợp với một trong những nghiên cứu đƣợc đƣa ra bởi E.Waters. Kelly Et. Ông cũng chỉ ra rằng: bán kính của sợi giảm khi nồng độ của dung dịch NaOH tăng lên.
Việc xử lý alkali vải polyeste đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt độ cao trong phòng thí nghiệm cao áp. Alkali (kiềm) đƣợc đặt trong lọ bằng thép không gỉ, các mẫu vải đƣợc ngâm trong dung dịch, và các lọ đƣợc quay trong một bình khép kín có chứa Ethylene glycol ở nhiệt độ mong muốn, dung tỷ (L:G) là 50:1. Nhiệt độ sấy ở mức 20C/phút. Sau khoảng thời gian định trƣớc, các mẫu đƣợc lấy ra, rửa nhiều lần với nƣớc cất, trung hòa bằng dung dịch 1% axit hydrochloric và rửa sạch. Các mẫu sau đó sấy khô ở 1000C, làm lạnh trong bình hút ẩm và tiến hành cân khối lƣợng.
Sự thay đổi khối lƣợng theo % (WL) đƣợc thể hiện theo phƣơng trình: (1.1)
Trong đó:
W1 là khối lƣợng của mẫu trƣớc khi xử lý alkali (g). W2 là khối lƣợng của mẫu sau khi xử lý alkali (g).
Qua quan sát hình thái, đặc tính cơ học và đặc tính nhiệt của các loại vải đƣợc xử lý, các tác giả đƣa ra kết luận sau: xử lý alkali PEG-M-PET và PET-R dẫn đến sự giảm khối lƣợng của các loại vải.
Quá trình thủy phân đã đƣợc tiến hành (R-PET = 1,8%, PEG-M-PET = 2,2% sau thời gian 10 phút, ở 1000C) khi vải đã đƣợc xử lý bằng dung dịch NaOH có nồng độ thấp (0,25 %). Độ giảm khối lƣợng này tăng theo nồng độ NaOH trong vải và nhiệt độ xử lý.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Theo quan điểm hiện tại, quá trình thủy phân Polyethylene tereph- thalate bằng kim loại kiềm hydroxit, các ion hydroxide sẽ tấn công các elec- tron – nguyên tử cacbon thiếu hụt trong liên kết, kết quả tạo ra các nhóm hy- droxyl và carboxyl ở bề mặt sợi. Một đoạn phân tử thấp của chuỗi đƣợc lấy ra, kết quả dẫn tới sự giảm trọng và giảm đƣờng kính sợi của vải.
Phương trình phản ứng:
Bƣớc 1:
Bƣớc 2: Phản ứng tiếp theo giữa ion -OH và –C phá vỡ các chuỗi phân tử tạo COOH và -O-CH2-CH2-, sản phẩm cuối cùng là -CORONa trong dung dịch kiềm.
Nhiệt độ xử lý [5]
Dƣới đây là hình minh họa sự giảm khối lƣợng của vải PEG-M-PET và R-PET khi đƣợc xử lý bằng [NaOH]: 2,0 mol/l trong các phƣơng án: 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút, 60 phút với nhiệt độ xử lý khác nhau: 700C, 800C, 900C, 1000C.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1.11: Sự phụ thuộc của việc giảm khối lượng PEG-M-PET (a) và R-PET (b) theo nhiệt độ xử lý
Thời gian xử lý: 10 phút Thời gian xử lý: 20 phút Thời gian xử lý: 30 phút Thời gian xử lý: 40 phút Thời gian xử lý: 50 phút Thời gian xử lý: 60 phút
Nhìn vào biểu đồ cho thấy: Khi nhiệt độ càng tăng, độ giảm khối lƣợng của vải càng có xu hƣớng tăng lên.
Nồng độ xử lý [5]
Các thí nghiệm nghiên cứu độ giảm khối lƣợng của vải PEG-M-PET và R-PET khi đƣợc xử lý bằng NaOH trong thời gian: 10, 20, 30, 40, 50, 60 (phút) ở 1000C, với nồng độ NaOH thay đổi là: 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 (mol/l).
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Bảng 1.3: Quan giữa độ giảm khối lượng (%) và nồng độ xử lý (mol/l)
Vải Nồng độ dung dịch NaOH (mol/l)
0,25 0,5 1,0 2,0
PEG-M-PET 0,054 0,122 0,282 0,576
R-PET 0,046 0,108 0,277 0,368
Hình 1.12: Sự phụ thuộc của việc giảm khối lượng PEG-M-PET (a) và R-PET (b) theo nồng độ của dung dịch NaOH
Thời gian xử lý: 10 phút Thời gian xử lý: 20 phút Thời gian xử lý: 30 phút Thời gian xử lý:40 phút Thời gian xử lý: 50 phút Thời gian xử lý: 60 phút
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Từ biểu đồ có thể thấy rằng: tại thời điểm xử lý liên tục và nhiệt độ cao, độ giảm khối lƣợng tăng lên, phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch NaOH, không phân biệt các loại vải đƣợc xử lý. Tuy nhiên, việc giảm khối lƣợng xảy ra mạnh hơn trong trƣờng hợp của vải PEG-M-PET đặc biệt là ở nồng độ cao của dung dịch NaOH.
Thời gian xử lý [5]
Dƣới đây là hình minh họa sự thay đổi khối lƣợng của vải PEG-M-PET và R-PET khi đƣợc xử lý bằng [NaOH]: 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 (mol/l) ở 1000C trong các khoảng thời gian: 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút, 60 phút.
Hình 1.13: Sự phụ thuộc của việc giảm khối lượng PEG-M-PET (a) và R-PET (b) theo thời gian xử lý
NaOH: 0,25 mol/l
NaOH: 0,5 mol/l
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Nhìn vào đồ thị cho thấy: Khi thời gian xử lý tăng lên, độ giảm khối lƣợng của vải cũng tăng lên, không phân biệt các loại vải xử lý.
Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng: Độ bền kéo đứt và độ giãn đứt của vải liên tục giảm khi độ giảm khối lƣợng tăng lên, không phân biệt loại vải đƣợc xử lý. Số liệu đƣợc trình bày dƣới bảng 1.4
Bảng 1.4: Ảnh hưởng của xử lý kiềm tới độ bền kéo đứt và độ giãn đứt vải PEG-MPET và R-PET.
Vải Độ giảm khối lƣợng (%) Độ bền kéo đứt (N) Độ giãn đứt (%) PEG-M-PET 0 54,0 43,0 6,80 48,1 35,0 24,0 35,5 30,0 35,0 30,0 25,0 50,0 21,0 22,0 R-PET 0 59,0 38,0 5,20 46,0 28,5 9,20 42,0 24,0 21,6 37,6 35,5 18,0
Nhƣ vậy: Khi vải đƣợc xử lý kiềm, khối lƣợng của vải giảm, các tính chất cơ học của vải nhƣ: Độ bền kéo đứt, độ giãn đứt cũng thay đổi theo.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình thái bề mặt xơ trƣớc và sau khi xử lý alkali (kiềm)
(a) PEG - M-PET
(b) PEG - M-PET (WL = 5,2%) (c) PEG - M-PET (WL = 31,5%) (d) PEG - M-PET (WL = 50,0%) (e) R-PET (f) R-PET (WL = 8,7%) (g) R-PET (WL = 17,2%) (h) R-PET (WL = 40,0% Hình 1.14: Hình thái bề mặt xơ PEG-M-PET và R-PET khi không được xử lý alkali và khi được xử lý alkali [5]
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Nhìn qua kính hiển vi điện tử quét cho thấy: Trƣớc khi xử lý alkali (kiềm), xơ dày, tròn, và mịn màng. Khi quá trình xử lý diễn ra, trên bề mặt xơ