Sợi nhân tạo: Quy trình, kéo sợi và phụ gia

Quy trình sản xuất sợi nhân tạo​

Sợi tổng hợp đã cách mạng hóa ngành công nghiệp dệt may bằng cách mang lại tính linh hoạt, độ bền và hiệu quả chi phí vượt trội so với sợi tự nhiên. Từ polyester trong quần áo thể thao đến rayon trong váy mùa hè, sợi tổng hợp có mặt ở khắp mọi nơi. Sợi tổng hợp đóng vai trò trung tâm trong ngành dệt may hiện đại, cung cấp các đặc tính được kiểm soát mà sợi tự nhiên không phải lúc nào cũng có thể cung cấp. Về cơ bản, việc sử dụng nhiệt hoặc dung môi để tạo ra dạng lỏng của chất polymer là nền tảng của quá trình sản xuất sợi. Chất lỏng này có thể được ép qua một thiết bị dạng vòi sen gọi là đầu phun, và các dòng chất lỏng nhỏ sau đó đông đặc lại thành các sợi dài, mỏng. Các bước cơ bản trong sản xuất sợi tổng hợp được thể hiện trong hình dưới đây.

Hình: Sơ đồ quy trình sản xuất sợi nhân tạo

Các chất phụ gia được sử dụng trong sản xuất sợi​

Dù ở dạng dung dịch hay dạng nóng chảy, dạng lỏng của polyme luôn là cơ hội tuyệt vời để thêm các chất nhằm cải thiện đặc tính của sợi được kéo sợi.

Chất làm mờ và chất làm trắng quang học​

Nhiều loại sợi nhân tạo vốn dĩ đã sáng bóng. Nếu không cần độ sáng cao và muốn tăng độ mờ đục của sợi, người ta có thể thêm chất làm giảm độ bóng vào polyme lỏng để tán xạ tia sáng. Titan dioxit hầu như luôn được sử dụng làm chất làm giảm độ bóng, và hầu hết các loại sợi nhân tạo đều chứa một lượng chất này. Khi quan sát dưới kính hiển vi, nó xuất hiện dưới dạng các chấm nhỏ, tối màu bên trong sợi, và việc nhìn thấy chúng là bằng chứng cho thấy đó là sợi nhân tạo. Thêm một lượng nhỏ chất làm giảm độ bóng sẽ tạo ra sợi hơi mờ, trong khi thêm nhiều hơn sẽ tạo ra sợi mờ. Sợi không có chất làm giảm độ bóng được gọi là sợi sáng. Độ trắng cũng có thể được tăng cường bằng cách thêm chất làm sáng huỳnh quang, còn được gọi là chất làm trắng quang học.

Tạo màu cho sợi vải​

Màu sắc, dưới dạng thuốc nhuộm và chất màu , cũng có thể được thêm vào chất lỏng polymer. Việc thêm màu vào chất lỏng đã được gọi bằng nhiều tên khác nhau, nhưng thuật ngữ hiện nay là nhuộm dung dịch (mặc dù nó có thể không phải là dung dịch, và nó không thực sự là "nhuộm"). Do đó, polyester "nhuộm dung dịch" đề cập đến polyester được nhuộm màu trong quá trình sản xuất sợi. Bởi vì chất lỏng dùng để kéo sợi axetat ban đầu được gọi là "dope", nên nhuộm dope là một tên gọi khác. Nhuộm màu hàng loạt và tạo màu hàng loạt cũng đã được sử dụng. Ưu điểm và nhược điểm của việc nhuộm màu theo cách này rất quan trọng, nhưng phương pháp này rất hữu ích cho các loại sợi, đặc biệt là olefin, khó nhuộm.

Phụ gia chống cháy​

Tính chất dễ cháy của sợi có thể được giảm thiểu bằng cách thêm các chất phụ gia chống cháy vào dung dịch hoặc chất nóng chảy trước khi kéo sợi. Phương pháp này thường bền hơn so với việc sử dụng hóa chất sau khi sợi đã được kéo và dệt thành vải. Polyester và rayon có lẽ là hai loại sợi được xử lý theo cách này nhiều nhất.

Chất ổn định tia UV​

Một số loại sợi dễ bị ảnh hưởng bởi tia cực tím hoặc sự phong hóa của khí quyển. Khi được sử dụng trong các ứng dụng ngoài trời (ví dụ như thảm trải sàn hoặc mái hiên chịu được mọi thời tiết), chúng có thể nhanh chóng bị xuống cấp. Có thể thêm chất hấp thụ tia cực tím và chất chống oxy hóa vào hỗn hợp nóng chảy hoặc dung dịch để tạo ra loại sợi bền hơn trong các ứng dụng như vậy.

Phụ gia kháng khuẩn​

Các loại sợi kháng khuẩn được tạo ra bằng cách thêm các chất sẽ từ từ rò rỉ ra ngoài trong suốt vòng đời của sợi.

Các phương pháp kéo sợi​

Sau khi lọc kỹ để loại bỏ các chất có thể làm tắc nghẽn lỗ phun, polyme lỏng nóng chảy hoặc dung dịch sau đó được ép đùn qua đầu phun để tạo ra các sợi. Mỗi đầu phun có một số lỗ, và mỗi lỗ tạo ra một sợi filament. Khi ra khỏi đầu phun, các sợi được làm cứng lại. Phương pháp làm cứng này tạo thành cơ sở của kéo sợi nóng chảy, kéo sợi khô và kéo sợi ướt, là ba quy trình kéo sợi chính được thảo luận bên dưới.

Các sợi đông cứng thoát ra từ một đầu phun có thể trực tiếp tạo thành sợi filament. Số lượng lỗ trên đầu phun sẽ quyết định số lượng sợi filament trong sợi. Khi các sợi được ép đùn nhằm mục đích chuyển đổi thành sợi xơ ngắn, người ta sử dụng các đầu phun có nhiều lỗ hơn (hoặc các sợi filament từ nhiều đầu phun được thu gom lại với nhau) để tạo ra bó sợi filament, sau đó được cắt thành các đoạn ngắn. Trong cả hai trường hợp, các lỗ trên đầu phun được bố trí cách nhau để các sợi filament có thể được ép đùn mà không chạm vào nhau. Kim loại được sử dụng trong tấm phải có khả năng chịu được nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc dung dịch kéo sợi ăn mòn. Hệ thống kéo sợi cũng kiểm soát kích thước và hình dạng của các sợi được tạo ra.

Quy trình kéo sợi nóng chảy​

Các mảnh polymer rắn có kích thước bằng hạt gạo được thả từ phễu vào thiết bị nấu chảy, nơi nhiệt độ chuyển hóa polymer rắn thành chất lỏng nhớt. Chất lỏng tạo thành một "bể nóng chảy" được bơm đến đầu phun với tốc độ dòng chảy được kiểm soát cẩn thận. Vì không tốn kém chi phí dung môi và việc thu hồi chúng, kéo sợi nóng chảy đơn giản và rẻ hơn các phương pháp kéo sợi khác và được sử dụng bất cứ khi nào có thể. Nylon là sợi kéo nóng chảy đầu tiên. Polyester và olefin cũng được kéo sợi nóng chảy. Khi polymer nóng chảy thoát ra từ lỗ đầu phun, một luồng khí lạnh được thổi qua sợi, làm cho nó cứng lại.

Hình: Sơ đồ quá trình kéo sợi nóng chảy.
Giống như nhiều quy trình dệt khác, kéo sợi nóng chảy đã trở nên nhanh hơn và hiệu quả hơn. Tốc độ xử lý đã tăng lên đáng kể, và ngày nay kéo sợi tốc độ cao có hiệu quả về chi phí và, đến một mức độ nhất định, làm tăng sự định hướng của các polyme trong sợi. Tuy nhiên, vượt quá một tốc độ nhất định, lợi thế này biến mất vì không đủ thời gian để các polyme kết tinh và sợi có thể bị đứt.

Quy trình kéo sợi khô​

Các polyme không thể kéo sợi nóng chảy được hòa tan trong dung môi để tạo thành sợi. Dung môi được lựa chọn không chỉ dựa trên khả năng hòa tan polyme mà còn dựa trên độ an toàn khi sử dụng và khả năng thu hồi, tái sử dụng. Dung môi phải được loại bỏ để làm cứng sợi, và nếu nó tương đối dễ bay hơi, phương pháp đơn giản nhất để làm điều đó là bằng cách bay hơi. Đây là cơ sở của phương pháp kéo sợi khô.


Polyme và dung môi được ép đùn qua một đầu phun vào dòng khí nóng tuần hoàn trong một buồng gọi là buồng kéo sợi. Dung môi bay hơi khỏi polyme và làm cho sợi cứng lại. Dung môi được loại bỏ và thu hồi từ dòng khí để tái chế. Sợi kéo khô thường có tiết diện không đều. Vì dung môi bay hơi trước từ bên ngoài sợi, nên một lớp vỏ cứng bằng polyme rắn được hình thành. Khi dung môi bay hơi từ phần bên trong của sợi, lớp vỏ này "sụp đổ" hoặc gấp lại tạo ra hình dạng không đều. Nếu tốc độ bay hơi chậm lại, tiết diện của sợi sẽ gần tròn hơn.

Hình: Sơ đồ quy trình kéo sợi khô
Sợi axetat là loại sợi đầu tiên được kéo sợi khô. Sợi meta-aramid, hầu hết sợi spandex và một số sợi acrylic cũng được kéo sợi khô.

Quy trình kéo sợi ướt​

Giống như polyme kéo sợi khô, polyme kéo sợi ướt được chuyển đổi thành dạng lỏng bằng cách hòa tan chúng trong một dung môi thích hợp. Dung dịch polyme được ép đùn qua một vòi phun vào một bể chất lỏng. Bể chất lỏng sẽ rửa trôi dung môi và gây ra hiện tượng đông tụ và kết tủa sợi. Giống như các sợi được sản xuất bằng phương pháp kéo sợi khô, các sợi này có xu hướng có mặt cắt ngang không đều do sự hình thành ban đầu của một "lớp vỏ" sau đó bị sụp đổ. Dung môi thường được thu hồi từ bể chất lỏng và được tái chế. Sợi rayon visco và một số loại acrylic được kéo sợi ướt.

Hình: Sơ đồ quy trình kéo sợi ướt
Thành phần hóa học của dung dịch ngâm có thể được thay đổi để tạo ra những thay đổi về các đặc tính chi tiết của sợi. Điều này được thực hiện trong quá trình sản xuất một số loại sợi rayon, chẳng hạn.

Quay khô bằng tia nước ướt​

Một biến thể của phương pháp kéo sợi ướt, được gọi là kéo sợi ướt khô-phun, đã được phát triển để sản xuất một số loại sợi mới hơn như lyocell và para-aramid. Thay vì đầu phun được nhúng hoàn toàn vào bể kéo sợi, nó được đặt hơi cao hơn bể để tạo ra một khoảng không khí nhỏ, thường nhỏ hơn 2,5 cm. Các sợi thoát ra từ đầu phun có thể được kéo giãn để định hướng các phân tử trước khi chúng đi vào bể để đông cứng. Quá trình này tạo ra độ định hướng và độ kết tinh cao chỉ trong một bước, thay vì phải kéo giãn trong một bước riêng biệt.

Các phương pháp kéo sợi chuyên biệt​

Mặc dù các kỹ thuật kéo sợi nóng chảy, kéo sợi khô và kéo sợi ướt được sử dụng để tạo ra phần lớn các loại sợi nhân tạo, nhưng một số kỹ thuật kéo sợi khác đã được phát triển cho các trường hợp chuyên biệt. Các polyme có trọng lượng phân tử cao, chẳng hạn như trong polyetylen Spectra, được tạo ra bằng phương pháp kéo sợi dung dịch hoặc kéo sợi gel. Cũng như trong kéo sợi ướt và kéo sợi khô, polyme được hòa tan trong dung môi. Polyme và dung môi cùng nhau tạo thành một chất gel nhớt có thể được xử lý trên thiết bị kéo sợi nóng chảy thông thường để tạo thành sợi dạng gel. Sau đó trong quá trình xử lý, dung môi được chiết xuất và các sợi được kéo giãn.

Các sợi được làm từ polyme có điểm nóng chảy cực cao và không tan trong nước gây ra những khó khăn rõ rệt trong quá trình kéo sợi. Những vật liệu như vậy có thể được kéo sợi bằng một quy trình phức tạp gọi là kéo sợi nhũ tương, trong đó các polyme dạng sợi nhỏ được tạo thành nhũ tương, được sắp xếp thẳng hàng bằng cách cho nhũ tương đi qua một mao quản, sau đó được nung chảy hoặc thiêu kết (kết hợp bằng cách xử lý nhiệt mà không làm tan chảy), đưa qua đầu kéo sợi vào bể đông tụ, và sau đó được kéo giãn.

Phần kết luận​

Sợi nhân tạo có thể được điều chỉnh ở giai đoạn polymer và sau đó được tạo hình thông qua phương pháp kéo sợi phù hợp nhất với sản phẩm cuối cùng. Tính linh hoạt này là một trong những lý do khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt may hiện đại.


Nguồn: www.textileblog.com