Sợi nylon
_Nylon, sợi tổng hợp đầu tiên, nó khởi đầu ở nước Mỹ như là chất liệu thay thế cho tơ, vào thời điểm thiếu thốn trong Thế Chiến thứ hai.
Việc sử dụng vớ dài cho phụ nữ đã làm lu mờ những ứng dụng thực tiễn quan trọng hơn, chẳng hạn như việc thay thế lụa trong sản xuất vải dù và các ứng dụng quân sự khác.
Nylon là tên gọi chung cho nhóm polymer tổng hợp, chủ yếu là polyamides, được phát minh lần đầu vào ngày 28 tháng 2 năm 1935 bởi Wallace Carothers tại DuPont Đây là một trong những polymer được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
Sản phẩm thương mại đầu tiên của Nylon ra mắt tại Mỹ vào năm 1939, được phát triển bởi tập đoàn E I du Pont de Nemours Nylon hiện là sợi nhân tạo phổ biến thứ hai tại Mỹ, chỉ sau polyester.
Sợi polyester
_Những nhà hóa học Anh,
John Rex Whinfield và James
Tennant Dickson, nhân viên của Calico Printer's
Association of Manchester, được cấp bằng sáng chế
(đươc gọi là PET lẫn PETE ) vào năm 1941, sau khi tiếp nối nghiên cứu của Wallace
Carothers' research did not focus on the polyesters formed from ethylene glycol and terephthalic acid Polyethylene terephthalate serves as the foundation for synthetic fibers such as polyester, Dacron, and Terylene The first polyester fibers were developed by Whinfield and Dickson, along with inventors W.K Birtwhistle and C.G Ritchie.
Terylene vào năm 1941 (được sản xuất đầu tiên bởi Imperial Chemical
Industries hoặc ICI) Sợi polyester thứ hai là Dacron của Dupont
_Polyester – sản phẩm thương mại đầu tiên xuất hiện ở Mỹ năm 1953, là loại sợi nhân tạo được dùng nhiều nhất ở Mỹ.
_Polyesters được làm chủ yếu từ dầu mỏ và được sản xuất trong sợi, phim ảnh, và nhựa.
Sợi polyethylene
Polyethylene, một loại polymer quan trọng, được tổng hợp lần đầu tiên bởi nhà hóa học Đức Hans von Pechmann vào năm 1898 trong quá trình đốt nóng diazomethane Các đồng nghiệp của ông, Eugen Bamberger và Tschirner Friedrich, đã mô tả chất này như một chất màu trắng, giống sáp, và nhận thấy nó chứa mạch dài -CH2-, từ đó gọi nó là polymethylene.
Phản ứng ban đầu bị ảnh hưởng bởi tạp chất oxy trong thiết bị, khiến thí nghiệm khó tái sản xuất Đến năm 1935, nhà hóa học Michael Perrin từ ICI đã phát triển quy trình tổng hợp áp suất cao cho polyethylene, mở đường cho ngành công nghiệp sản xuất LDPE từ năm 1939 Bước ngoặt tiếp theo trong tổng hợp polyethylene là sự phát triển của nhiều loại chất xúc tác, giúp thúc đẩy quá trình trùng hợp ethylene ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn, bắt đầu với chất xúc tác chromium trioxide được Robert Banks khám phá vào năm 1951.
Vào năm 1953, nhà hóa học Karl Ziegler đã phát triển một hệ thống xúc tác mới tại mỏ dầu Phillips, sử dụng titanium halides và hỗn hợp organoaluminium, cho phép hoạt động hiệu quả hơn ở điều kiện thấp hơn so với chất xúc tác Phillips trước đó.
_Vào cuối những năm 1950, Cả hai loại chất xúc tác Phillips và Ziegler đều được dùng cho sự sản xuất HDPE
Vào năm 1976, Walter Kaminsky và Hansjörg Sinn đã phát hiện ra một hệ thống chất xúc tác thứ ba dựa trên metallocenes tại Đức Chất xúc tác Ziegler và nhóm metallocene này đã chứng minh tính linh hoạt vượt trội trong việc đồng trùng hợp ethylene với các olefin khác Phát hiện này đã mở ra cơ hội cho việc phát triển nhiều loại nhựa polyethylene giá trị, bao gồm polyethylene có tỷ trọng rất thấp (LDPE) và polyethylene tỷ trọng thấp tuyến tính (LLDPE).
Sợi polypropylene
Vào giữa những năm 1930, propylen lần đầu tiên được trùng hợp, tạo ra một chất rắn có độ tan thấp, nhưng không có giá trị so với các loại nhựa từ sợi tổng hợp đã được phát triển trước đó.
Vào năm 1950, nghiên cứu đã phát hiện ra một phương pháp mới để điều chế polypropylene, trong đó hầu hết các nhóm methyl gắn vào vị trí bình thường trên trục chính của polymer.
Sợi polypropylene (PP) phát triển nhanh chóng sau các sợi tổng hợp khác, với sản xuất thương mại bắt đầu từ năm 1959 Sản phẩm dệt chủ yếu của polypropylen là gáy thảm, thường làm từ sợi chỉ ruy băng Đến năm 1995, sản lượng sợi polypropylene đã vượt qua aliphatic polyamides (PA) và polyacrylonitrile (PAN), mặc dù vẫn chưa đạt đến mức của PET.
_Poly propylen được sản xuất thương mại ở Mỹ vào năm 1961 do tập đoàn Hercules.
Sợi polyacrylic
Acrylic fibers are a significant synthetic fiber developed alongside polyester, with modacrylic being a copolymer containing approximately 35-85% acrylonitrile In contrast, acrylic fibers consist of at least 85% acrylonitrile Notably, Orlon, a type of acrylic fiber, was introduced by DuPont in 1949, while Dynel, a modacrylic fiber, was developed by Union Carbide in 1951.
Vải acrylic, được phát triển lần đầu bởi Dupont vào năm 1944 và sản xuất thương mại từ năm 1950, ban đầu được ứng dụng cho các mục đích ngoài trời Tuy nhiên, nhờ vào những tiến bộ công nghệ, acrylic đã trở thành một vật liệu phổ biến trong ngành may mặc và sản xuất thảm ngày nay.
II - Quy trình sản xuất:
1.Quy trình sản xuất từ dầu mỏ đến polymer:
Polyamit là một loại polyme có cấu trúc mạch cacbon dị nguyên tố, đặc trưng bởi nhóm chức [-CO-NH-] trong phân tử Nhiều loại polyamit, như Nilon-3, Nilon-6,6, Nilon-6, Nilon-6,10, Nilon-6,12, Nilon-11 và Nilon-12, được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.
Nylon 6 là sản phẩm của quá trình polyme hóa caprolactam Đầu tiên monomer được trộn với nước , mở vòng lactam và cho w-amino acid:
Sự hình thành acid amin bằng cách phản ứng với chính nó hay với caprolactam ở nhiệt độ gần 250–280°C để tạo thành polyme :
Kiểm soát nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng khử trùng hợp, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tỉ lệ giữa nhiệt độ phản ứng và hàm lượng nước Việc duy trì nhiệt độ thích hợp giúp tối ưu hóa quá trình này.
Ngoài ra có thể tổng hợp Nilon- 6 bằng cách trùng ngưng amino axit: ε – aminocaproic
Sơ đồ công nghệ sản xuất Nilon-6:
* Nylon 6,6 : Ở nhiệt độ thường Nilon 6,6 tồn tại ở trạng thái kết tinh một phần, song sự kết tinh chỉ có khi kéo giãn.
Thực hiện phản ứng trùng ngưng axit adipic với hexametylendiamin:
Sơ đồ công nghệ sản xuất Nilon-6,6 bao gồm phản ứng giữa clorua axit và hexametylen điamin Để tăng cường khả năng phản ứng, cần bổ sung một lượng nhỏ axit làm xúc tác Quá trình này không chỉ tạo ra Nilon-6,6 mà còn sinh ra HCl, đóng vai trò là xúc tác cho phản ứng tiếp theo.
PET là sản phẩm được tạo ra từ quá trình trùng ngưng giữa acid terephthalic và ethylene glycol Độ tinh khiết của các monomer và mức độ ẩm trong bình phản ứng đóng vai trò quyết định đến sự thành công của quá trình này.
Bước đột phá kỹ thuật trong quá trình polymer hóa hiệu quả là sự phát triển của axit terephthalic (TA) tinh khiết và chi phí thấp từ hỗn hợp xylene, được thực hiện bởi công ty Amoco vào giữa thế kỷ 20 Trước khi có TA giá rẻ, dimethyl terephthalate (DMT) là lựa chọn phổ biến.
Ester hóa trực tiếp TA là phương pháp phổ biến để tổng hợp PET, trong khi phương pháp trao đổi ester giữa DMT và ethylene glycol vẫn được sử dụng tại một số cơ sở sản xuất địa phương DMT là sản phẩm polyester tái chế từ quá trình tổng hợp methanol và glycol, góp phần vào sự linh hoạt trong quy trình sản xuất.
Monomer thứ hai, ethylene glycol, được sản xuất qua quá trình oxy hóa ethylene, trong đó nối đôi bị cắt đứt bởi nước Việc sản xuất với tỉ lệ lớn các monomer PET giúp giảm chi phí polymer, từ đó tăng tính cạnh tranh so với các loại sợi khác.
Giai đọan đầu tiên của polimer hóa PET, về bản chất là sự sinh ra bishydroxy ethyl terephthalate (BHET) Ester hóa trực tiếp TA:
HOOC-C6H4-COOH + 2HOCH2CH2OH → HOCH2CH2OCO-C6H4COOCH2CH2OH +2 H2O
Sản phẩm của phản ứng bao gồm hỗn hợp BHET với lượng thấp và các oligomer PET đa dạng Quá trình tách nước đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành sản phẩm cuối cùng có khối lượng phân tử cao Giai đoạn đầu của quá trình trao đổi ester cũng diễn ra tương tự.
CH3OCOC6H4-COOCH3 + 2HOCH2CH2OH → HOCH2CH2OCOC6H4COOCH2CH2OH +2CH3OH
Polyme hóa ethylene là một phản ứng tỏa nhiệt lớn Cho mỗi gam ethylene bị đốt cháy, giải phóng khoảng 3,5 kJ (850 cal).
Khi ethylene được polyme hóa , nhiệt độ phản ứng nên được kiểm soát tốt để tránh quá trình phân hủy của ethylene thành cacbon, methan, và hydro:
Polyethylene terephthalate (PET) là sản phẩm của quá trình ester hóa giữa axit terephthalic (TPA) và ethylene glycol, hoặc thông qua quá trình chuyển hóa este dimethyl terephthalate với ethylene glycol Phương pháp này thường được ưa chuộng vì axit tự do không hòa tan trong nhiều dung môi hữu cơ Phản ứng ester hóa diễn ra qua hai giai đoạn, trong đó methanol được giải phóng ở giai đoạn thứ nhất.
Quá trình sản xuất bis (2-hydroxyethyl) terephthalate diễn ra ở nhiệt độ gần 200 °C Ở giai đoạn thứ hai, quá trình trùng ngưng xảy ra, trong đó ethylene glycol thừa được xử lý ở 280 °C dưới áp suất thấp khoảng 0.01 atm.
Việc sử dụng ethylene glycol thừa là phổ biến trong thực tế, vì nó giúp dịch chuyển cân bằng về phía sản phẩm và trung hòa các nhóm acid Kết quả này được ứng dụng trong quá trình polyme hóa.
Trong giai đoạn cuối của quá trình OH, khi acid tự do được sử dụng cho phản ứng ester hóa, phản ứng này diễn ra theo cơ chế tự xúc tác Tuy nhiên, để bù đắp cho sự giảm nồng độ acid terephthalic khi phản ứng gần kết thúc, xúc tác acid được thêm vào Dưới điều kiện xúc tác, các chất phụ gia được bổ sung nhằm tăng cường màu sắc và độ mờ đục của sản phẩm Chẳng hạn, titanium dioxide được sử dụng để làm mất độ bóng của PET.
Quy trình Inventa AG để sản xuất polyethylene-terephthalate.
Xúc tác là nhôm – titan alkyl. Đối với phản ứng pha hơi, nhiệt độ là 70 o C và 35 at.
Quá trình pha khí để sản xuất polypropylen của Union Carbide
Thiết bị phản ứng là một phần quan trọng trong quy trình sản xuất, bao gồm máy nén ly tâm và máy nén để tối ưu hóa hiệu suất Thiết bị trao đổi nhiệt giúp điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình phản ứng, trong khi bồn tháo sản phẩm và bồn tháo liệu (copolyme tách khỏi khí đã phản ứng) đảm bảo việc thu hồi và xử lý sản phẩm hiệu quả Những thiết bị này đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao chất lượng và năng suất của quy trình công nghiệp.
Quy trình sản xuất từ polymer đến sợi
Quá trình sản xuất sợi polymer bắt đầu bằng việc bơm polyme nấu chảy qua bộ lọc để loại bỏ các hạt nhỏ có thể gây tắc nghẽn Sau đó, polyme được đẩy qua các lỗ nhỏ để tạo thành những sợi polymer liên tục Dòng khí lạnh được sử dụng để làm giảm nhiệt độ của các sợi, giúp chúng đặc lại và điều chỉnh tốc độ kéo sợi Tiếp theo, sợi trải qua giai đoạn đốt nóng và duỗi ra để kết hợp với các phụ gia Cuối cùng, sợi được quấn vào ống chỉ với tốc độ không đổi, nhờ vào thiết bị điều khiển căng sợi đặc biệt để duy trì nhịp độ quay.
Sợi tổng hợp: -sợi carbon
-Kevlar -Vải thun -Polyester -Nylon -Acrylic -Tơ nhân tạo -Nomex
Sản xuất sợi: -kéo sợi lỏng.
-kéo sợi khô-kéo sợi ướt
Danh sách sợi tổng hợp này bao gồm nhiều loại sợi quen thuộc, chủ yếu được sản xuất từ các polymer ngưng tụ Tuy nhiên, sợi acrylic không chỉ đơn thuần là acrylic, trong khi sợi carbon được tạo ra bằng cách thêm các polymer thông qua quá trình nhiệt phân để tách nguyên tử hydro.
Trong phần này, chỉ giới thiệu hai thiết bị chính sử dụng để bơm chất lỏng: máy bơm ly tâm và bơm bánh răng
-Các máy bơm ly tâm, mục đích chung là thiết bị được sử dụng để di chuyển chất lỏng có độ nhớt thấp vòng quanh trong một quá trình
Bơm bánh răng là thiết bị lý tưởng để bơm chất lỏng có độ nhớt cao với chế độ chảy kiểm soát, đặc biệt trong quy trình sản xuất sợi tổng hợp Chất lỏng nhớt được bơm qua thiết bị lọc và lỗ se sợi nhỏ, tạo ra những giọt áp suất cao, giúp duy trì dòng chảy ổn định Việc kiểm soát tốc độ chảy với dung sai hẹp là cần thiết để sản xuất sợi có đường kính đồng đều Mặc dù bơm bánh răng cũng có khả năng tăng áp suất cao để đẩy vật liệu qua thiết bị lọc, nhưng chúng thường được sử dụng kết hợp với máy ép để đạt hiệu quả tối ưu.
Bắt đầu dây chuyền kéo sợi là một quy trình phức tạp, và việc tối thiểu hóa quy trình là rất quan trọng Sự hiện diện của tạp chất, polyme thoái hóa nhiệt và mảnh vụn kim loại có thể gây ra các khuyết điểm trong sợi, dẫn đến nguy cơ gãy sợi Những thành phần này có thể bị giữ lại ở các lỗ se sợi nhỏ, làm giảm lưu lượng và ảnh hưởng đến đường kính của sợi thành phẩm, gây ra sự không đồng nhất trong vải khi nhuộm Tắc nghẽn cục bộ, nếu nghiêm trọng, có thể dẫn đến phá vỡ sợi, mặc dù ban đầu có thể chỉ là vấn đề nhỏ Khi polyme thấm qua các lỗ bị tắc, nó có thể lan sang các lỗ lân cận, ảnh hưởng đến chất lượng của các sợi khác Giải pháp duy nhất cho vấn đề này là tắt dây chuyền, tháo dỡ và làm sạch các đĩa kéo sợi.
Khi một đĩa kéo sợi có thể chứa tới 1000 lỗ, quá trình lọc cần được thực hiện chính xác theo tiêu chuẩn để đảm bảo hiệu quả Người sử dụng mong muốn vận hành máy lâu dài giữa các lần ngừng, do đó, việc sử dụng bộ lọc trung bình là cần thiết, giúp giữ lại nhiều chất bẩn mà không gây sụt áp hay bít lỗ lọc Đây là bước đầu tiên trong quá trình lọc, quyết định giữa việc sử dụng màn chắn và thiết bị bẫy các hạt nhỏ.
Sợi được hình thành bằng cách phun polyme tan chảy hoặc kéo sợi qua các lỗ nhỏ trong tấm se sợi, với mỗi tấm có thể chứa hơn 1000 lỗ Đường kính của các lỗ này thường rất nhỏ, chỉ khoảng vài mil, đảm bảo quá trình dệt sợi diễn ra ổn định.
Ngành công nghiệp sợi sử dụng thuật ngữ Denier và Denier trên một sợi (dpf) để xác định kích thước sợi, trong đó 1 dpf tương ứng với khối lượng 1g trên chiều dài 9000m Nếu polymer có khối lượng riêng là 1g/cm³, đường kính sợi sẽ khoảng 1,2 x 10^-3 cm, tương đương với nửa mil Thông thường, sợi dệt có kích thước dao động từ 3 đến 15 dpf Cần lưu ý rằng 1g tương đương với khoảng 1/30 Aoxơ.
Trong quá trình kéo sợi chảy, các sợi bình thường sẽ được kéo và duỗi ra qua các lỗ se sợi, với mức độ căng từ 2 đến 3 lần Điều này cho phép các lỗ se sợi có đường kính lớn hơn từ 50% đến 70% so với đường kính sợi khi sợi được làm nguội lần đầu Hơn nữa, việc bổ sung sau khi hình thành cũng có thể được áp dụng để đạt được đường kính cuối cùng của sợi bằng một nửa hoặc ít hơn so với đường kính của các lỗ kéo sợi.
Các lỗ kéo sợi thường dài hơn chiều rộng để giảm áp lực lên tấm, nhưng vẫn cần đủ mạnh để chống lại áp lực dòng ngược Do đó, phần tan chảy đi qua khu vực hình nón trước khi đến lỗ se cuối cùng, cho phép các tấm có độ dày tương đối Việc tính toán sự giảm áp suất trong khu vực hội tụ này rất khó khăn do sự mở rộng của dòng polymer và sự căng thẳng mà polymer trải qua Do đó, chúng ta chỉ tập trung vào các lỗ kéo sợi.
Để bắt đầu quy trình kéo sợi, các bó sợi cần được kéo căng dọc theo chiều dài quy trình Giai đoạn đầu là kéo dọc xuống, với trọng lực kéo dòng sợi xuống Dòng sợi được giữ lại bởi một ống hút chân không lớn, trong khi dòng dưới ống được cắt bằng kéo Dòng sợi sau đó được hút vào ống, hoạt động giống như máy hút bụi, và được giữ căng ra Tiếp theo, dòng sợi được băng qua các cặp trục truyền động và có thể trải qua các bước duỗi/định hướng Cuối cùng, sợi được cuốn lên các ống quấn, với tốc độ quay của ống phải giảm khi sợi được quấn lên và đường kính tăng lên Việc giảm tốc độ này được kiểm soát thông qua việc duy trì sự căng của dòng sợi, được định hướng bởi bánh xe định hướng giữa trục cuối và máy quấn, giúp ổn định căng dòng sợi trong suốt quá trình quấn.
Các trục truyền động luôn được lắp đặt trên các trục không song song, giúp dòng sợi đi vào theo phương dọc trục Các trục thường có độ bóng láng cao, ngăn chặn sự trượt trên bề mặt nhờ vào tấm chăn kép trên mỗi cặp trục và sự căng của dòng sợi.
Các trục truyền động giúp kiểm soát tốc độ của từng cặp trục, cho phép cặp trục thứ hai di chuyển nhanh hơn cặp thứ nhất, từ đó điều chỉnh mức độ căng của các sợi giữa hai cặp cuộn.
Việc kéo căng sợi có thể đạt từ 20% đến 30%, ảnh hưởng đến định hướng của các phân tử và tính chất cơ học của bó sợi Đôi khi, cần đốt nóng bó sợi lên trên nhiệt độ Tg, nhưng dưới nhiệt độ nóng chảy, để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kéo căng mà không gây kéo quá mức Quá trình này thường làm tăng hệ số căng, độ cứng dọc trục và độ bền, cũng như lực phá vỡ của sợi trên đơn vị diện tích.
III - Ứng dụng, đặc điểm các loại sợi:
Mỗi loại sợi có rất nhiều ứng dụng, nhưng ứng dụng quan trọng nhất của nó là làm vải để dệt.
_Vải nylon là một polyamide làm từ dầu mỏ Nylon đang được sử dụng rộng rãi như may, đồ đạc nội thất, công nghiệp dệt may trong gia đình.
Vào năm 1942, nylon đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như dù nhảy, áo cho phi công và đồng phục chiến đấu trong quân đội Hiện nay, nylon trở thành một trong những chất liệu phổ biến trên toàn cầu, bên cạnh bông và polyester.
Nylon là một loại vải phổ biến trong ngành công nghiệp thời trang, đặc biệt là quần áo và đồ lót nữ, nhờ vào tính năng co giãn tuyệt vời Ngoài ra, nylon còn được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm thể thao, áo khoác và trang phục khác Bên cạnh đó, nylon cũng được sử dụng trong các vật liệu nội thất như thảm trải sàn, rèm cửa, màn rũ và khăn trải giường, mang lại sự bền bỉ và thẩm mỹ cho không gian sống.