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 bắt đầu xuất hiện một vài hố, các hố này ƣơm mầm cho sự hình thành các rãnh nứt. Tiếp tục xử lý kiềm, các hố tăng nhanh về số lƣợng và chiều sâu với việc tăng giảm khối lƣợng, không phân biệt các loại vải đƣợc xử lý. Tuy nhiên, các rãnh trên bề mặt và các hố khác nhau cho hai loại mẫu vải. Các hố trên bề mặt của sợi R-PET dƣờng nhƣ phẳng hơn và ít sâu. Ngƣợc lại, khi xử lý alkali vải PEG-M-PET, các rãnh sâu đƣợc hình thành và chạy song song với trục sợi.
Trong một nghiên cứu khác về cấu trúc của xơ polyeste khi xử lý nhiệt độ và độ bền thủy phân tới sự giảm khối lƣợng vải, tác giả M. Dhinakaran, B.S. Dasaradan & V. Subramaniam [5] đã chỉ ra rằng: Việc giảm khối lƣợng vải polyeste thể hiện rất rõ nét qua các lần xử lý.
Nhiệt độ xử lý kiềm [6]
Nhiệt độ xử lý vải có ảnh hƣởng trực tiếp đến độ giảm khối lƣợng vải. Nhiệt độ xử lý càng tăng, độ giảm khối lƣợng càng lớn.
Một vài nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng: Thủy phân làm tăng số lƣợng các nhóm chức năng trên bề mặt sợi [10].
Bảng 1.5: Tác dụng của nhiệt độ tới sự giảm khối lượng của polyeste
STT Nhiệt độ xử lý Độ thay đổi khối lƣợng (%)
1 750C 0,9 2 800C 1,9 3 850C 2,5 4 900C 2,9 5 950C 4,2 6 1000C 4,3
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý tới việc giảm khối lượng polyeste
Kiềm xử lý trong dung môi hữu cơ
Xử lý vải polyeste đƣợc thực hiện với một hỗn hợp của 0,3% NaOH trong ethanol, vắt khô đến 50% và đƣợc lƣu trữ lại sau khi bao phủ nó bằng túi nylon ở nhiệt độ phòng trong vòng 24 giờ. Kết quả: Khối lƣợng vải đƣợc xử lý giảm tới 21% .
Vải polyeste đƣợc xử lý bằng một hỗn hợp chứa 60 g/l ethanol kiềm khoảng 5%, sau đó vải đƣợc bảo quản ở nhiệt độ phòng, kiểm tra kết quả xử lý: vải bị giảm khối lƣợng 21%.
Namboodiri và Haith [14] thực hiện một nghiên cứu so sánh bằng cách xử lý các xơ polyeste với kiềm và alkoxides khác nhau (ví dụ, sodium hy- droxide trong nƣớc, natri metoxit trong methanol, natri ethoxide trong etha- nol, natri isopropoxide trong isopropanol, và kali butoxit) ở 600C và ở nồng độ khác nhau. Họ đã chỉ ra rằng: độ giảm khối lƣợng của xơ polyeste giảm dần trong: hydroxide natri <butoxit <propoxide <metoxit và ethoxide.
Bendak [7] nghiên cứu sự phân hủy quang hóa của sợi polyeste trong giải pháp xử lý bằng sodium hydroxide methanol. Kết quả là mẫu đƣợc xử lý đã mất khoảng 5% - 8% khối lƣợng ban đầu của nó.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Xử lý kiềm nóng
Các tác động của alkali làm suy giảm các xơ polyeste đƣợc thực hiện với giải pháp: 4% sodium hydroxide ở 1000C đƣợc xử lý kéo dài trong 2h, làm giảm 30% khối lƣợng.
Co Sohk Won [13] đã báo cáo rằng việc xử lý vải polyeste với dung dịch natri hydroxit làm giảm khối lƣợng một cách đáng kể, phá vỡ khả năng liên kết và đƣợc cải thiện hơn khi xử lý tăng nồng độ xút, thời gian xử lý và nhiệt độ. Khối lƣợng phân tử của chất xơ giảm, nhƣng độ kết tinh không bị ảnh hƣởng bởi các quá trình xử lý alkali.
Bukosek và đồng nghiệp [9] đã báo cáo rằng việc xử lý nhiệt và xử lý alkali có ảnh hƣởng khác nhau tới đƣờng kính, độ bền kéo, mức độ định hƣớng và sự hấp phụ thuốc nhuộm của xơ polyeste. Việc giảm khối lƣợng của các xơ polyeste tăng tuyến tính theo thời gian ngày càng tăng của việc xử lý xơ (với giải pháp 30% sodium hydroxide), khối lƣợng phân tử polyeste không thay đổi khi đƣợc đun nóng trong nƣớc trong 1h, làm nóng ở nhiệt độ 2000
C bằng kiềm. Nhƣng khả năng hấp phụ của thuốc nhuộm giảm đi.
Shenai và Lokre [16] đã nghiên cứu tác động của dung dịch natri hy- droxit trên các xơ polyeste ở nồng độ alkali khác nhau, thời gian và nhiệt độ xử lý khác nhau về sự giảm khối lƣợng của vải. Họ đã báo cáo rằng: độ giảm khối lƣợng tăng tuyến tính với sự gia tăng của các điều kiện phản ứng.
Hollows [15] đã quan sát trên các sợi polyeste sau khi thủy phân, ông chỉ ra rằng: quá trình thủy phân không xảy ra đồng đều trên bề mặt xơ. Thủy phân làm cải thiện sự mềm mại của vải và giảm phí điện từ ma sát.
Ellison [11] quan sát thấy rằng: xơ polyeste không đƣợc xử lý có bề mặt tƣơng đối trơn nhẵn, trong khi xử lý bằng NaOH gây hiện tƣợng rỗ bề mặt xơ. Các nốt rỗ tăng lên cả về số lƣợng và chiều sâu khi thời gian thủy phân đƣợc kéo dài.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Đinh Hồng Khang [2] và Đào Duy Thái [3] nghiên cứu tính chất cơ lý của vải PET sau khi giảm trọng chỉ ra rằng: Trong điều kiện không thay đổi về dung tỷ, nhiệt độ và thời gian, tỷ lệ giảm trọng của vải phụ thuộc vào nồng độ dung dịch NaOH sử dụng khi xử lý. Khi tăng dần nồng độ NaOH, mức độ giảm trọng tăng theo. Sau khi xử lý hóa học các tính chất cơ lý của vải cũng thay đổi theo.
Hình 1.16: Độ bền kéo đứt vải polyeste theo phương dọc – ngang
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1.16 và 1.17 trong công trình nghiên cứu của tác giả Đào Duy Thái đã chỉ ra rằng: khi xử lý kiềm (thay đổi nồng độ kiềm trong phƣơng án xử lý) thì khối lƣợng vải giảm và các tính chất cơ học của vải đều thay đổi. Cụ thể là khi độ giảm khối lƣợng tăng lên, độ bền kéo đứt và độ giãn đứt theo