Sợi nylon là gì? Tính chất, quy trình sản xuất, công dụng và cách bảo quản.

Sợi nylon là gì?​

Từ vớ mỏng đến dây leo núi, nylon đã được sử dụng ở bất cứ nơi nào cần sự kết hợp giữa độ bền, độ co giãn và khả năng phục hồi. Đây là loại sợi tổng hợp đầu tiên và là loại sợi đầu tiên được phát triển tại Hoa Kỳ. Năm 1928, Công ty DuPont bắt đầu một chương trình nghiên cứu cơ bản như một phần trong nỗ lực đa dạng hóa sản phẩm, và họ đã thuê Tiến sĩ Wallace H. Carothers, một chuyên gia về polyme cao cấp, để lãnh đạo nhóm nghiên cứu. Nhóm đã xây dựng các chuỗi phân tử dài và phát hiện ra rằng một dung dịch có thể được tạo thành một sợi rắn ổn định, điều này đã chuyển trọng tâm nghiên cứu của họ sang sợi dệt . Đến năm 1939, DuPont đã sản xuất sợi polyamide trong một nhà máy thí điểm, và nylon 6,6 đã được giới thiệu trong ngành sản xuất vớ nữ và ngay lập tức gặt hái thành công.

Sợi nylon sở hữu sự kết hợp các đặc tính độc đáo so với bất kỳ loại sợi nào khác được sử dụng vào những năm 1940. Nó bền hơn, chống mài mòn tốt hơn, có độ đàn hồi cao và có thể được định hình bằng nhiệt. Nhờ đó, các nếp gấp vĩnh viễn trở nên khả thi, và lần đầu tiên xuất hiện các loại vải mỏng, bền và có thể giặt máy. Đồng thời, nylon cũng có những nhược điểm như tích điện, cảm giác cầm nắm kém, sự thoải mái hạn chế đối với các loại vải tiếp xúc trực tiếp với da, và khả năng chống nắng thấp. Hai dạng thương mại chính của nó là nylon 66 và nylon 6, là các đồng phân và do đó khác nhau về cấu trúc và một số đặc tính của sợi.

Bối cảnh lịch sử​

Tên gọi chung nylon được đề xuất vào năm 1938 bởi DuPont, công ty sản xuất những sợi nylon thương mại đầu tiên trong năm đó. Trước khi quyết định chọn nylon, công ty đã cân nhắc Delawear, theo tên tiểu bang nơi đặt phòng thí nghiệm của DuPont. Họ cũng cân nhắc Duparooh, có nghĩa là "DuPont rút con thỏ ra khỏi mũ" (Meikle và Spivak 1988). Mặc dù quy trình sản xuất cả nylon 66 và nylon 6 đã được biết đến từ những thí nghiệm đầu tiên về nylon, DuPont, công ty tiên phong trong phát triển nylon tại Hoa Kỳ, đã chọn sử dụng quy trình sản xuất nylon 66.

Sản lượng nylon đã tăng lên trong vài thập kỷ qua, nhưng thị phần của nó trong thị trường sợi tổng hợp đã giảm khi polyester và olefin tăng trưởng đáng kể. Một số công ty hóa chất từng nổi bật trong việc phát triển nylon và các loại sợi tổng hợp khác hiện không còn sản xuất sợi nữa. Công ty hóa chất DuPont đã tách bộ phận sợi cơ bản của mình thành một công ty riêng, INVISTA. Honeywell, công ty đã mua lại nhà sản xuất nylon Allied Signal, đã bán mảng kinh doanh sợi tại Mỹ của mình cho Shaw Industries, một nhà sản xuất thảm, do đó tích hợp các thành phần sợi và vải của chuỗi cung ứng. Tuy nhiên, DuPont và Honeywell vẫn tiếp tục sản xuất các hóa chất được sử dụng để tạo ra các polyme nylon. Nylon từng là loại sợi tổng hợp được sử dụng rộng rãi thứ hai trong nhiều năm, nhưng hiện nay đã bị sợi olefin vượt qua.

Sản xuất nylon​

Phản ứng hóa học khá đơn giản, nhưng các bước xử lý lại rất quan trọng.

Nylon 66​

Nylon 66 được tổng hợp từ axit adipic và hexamethylene diamine. Mỗi phân tử axit adipic và mỗi phân tử hexamethylene diamine đều có sáu nguyên tử carbon. Vì lý do đó, sợi này được gọi là nylon 66, đôi khi được viết là nylon 6,6.

Bước đầu tiên trong sản xuất nylon 66 là chuẩn bị “muối” nylon, một hợp chất, nhưng không phải là polyme, gồm axit adipic và hexamethylenediamine. Muối được chuẩn bị trước để đảm bảo tỷ lệ axit và amin thích hợp trong bước trùng hợp tiếp theo. Quá trình trùng hợp ngưng tụ này diễn ra trong môi trường không có không khí. Nước tách ra trong quá trình trùng hợp được cho thoát ra khỏi bể phản ứng. Nếu nhà sản xuất muốn sản xuất nylon không bóng, có thể thêm titan dioxide trong bước này. Trong các quy trình trước đây, polyme nóng chảy hình thành được đùn ra khỏi bể dưới dạng dải rộng vài inch. Nó được làm nguội nhanh trong nước lạnh và sau đó được bẻ thành các mảnh nylon nhỏ hơn. Ngày nay, quy trình liên tục phổ biến hơn, trong đó nylon được tổng hợp và sau đó được đùn trực tiếp dưới dạng sợi.

Nylon 6
Nylon 6 được làm từ caprolactam. Vì caprolactam có sáu nguyên tử carbon, nên sợi này được gọi là nylon 6. Các biến thể của cấu trúc nylon 6, nylon 7 và nylon 11, được sản xuất ở Nga nhưng được sử dụng trong màng phim chứ không phải sợi.

Caprolactam được tổng hợp bằng một trong hai phương pháp. Trong phương pháp thứ nhất, nó được nung chảy, đun nóng và lọc dưới áp suất cao, trong đó quá trình trùng hợp ngưng tụ diễn ra. Trong phương pháp thứ hai, nước được thêm vào với lượng bằng 10% trọng lượng của caprolactam. Sau đó, nước và caprolactam được đun nóng đến nhiệt độ cao, hơi nước thoát ra và quá trình trùng hợp diễn ra.

Quay và vẽ
Cả nylon 66 và nylon 6 đều được kéo sợi nóng chảy. Polyme nóng chảy được đưa ra từ máy đùn hoặc trực tiếp từ máy trùng hợp và đi qua bộ lọc để loại bỏ tạp chất. Nó được đưa đến một bơm định lượng để cung cấp một lượng polyme được đo lường cho bộ phận kéo sợi, bao gồm một bộ lọc nhỏ và đầu kéo sợi. Khi ra khỏi đầu kéo sợi, các sợi nóng chảy đi vào một ống khói, nơi chúng được làm mát bằng không khí và đồng thời được kéo giãn để định hướng các phân tử. Chất hoàn thiện kéo sợi, một hỗn hợp phức tạp gồm chất bôi trơn dầu được nhũ hóa trong nước cùng với các vật liệu như chất làm ướt, chất chống tĩnh điện và chất kết dính, được phủ lên sợi. Chất hoàn thiện này bôi trơn các sợi để xử lý sau này và phân tán các điện tích tĩnh có thể gây cản trở quá trình tạo sợi. Cuối cùng, nó được giặt sạch khỏi vải.

Sau khi thêm lớp hoàn thiện, sợi được quấn vào một cuộn chỉ. Ở trạng thái này, nylon không đặc biệt bền hoặc bóng, vì vậy các sợi được kéo giãn đến 400 đến 600 phần trăm chiều dài ban đầu. Việc kéo giãn định hướng các phân tử, làm cho sợi trở nên kết tinh hơn, tăng độ bóng và cải thiện độ bền kéo. Vì nylon có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh thấp, nên cần rất ít nhiệt để định hướng các phân tử trong bước này, và các sợi nylon được gọi là sợi kéo nguội.

Cấu trúc phân tử sau khi vẽ
Các chuỗi polyamit trong nylon kéo giãn có cấu trúc tinh thể định hướng khá cao. Khi các phân tử được duỗi thẳng trong quá trình kéo giãn, chúng không có các nhóm bên cồng kềnh ngăn cản chúng xếp chặt chẽ với nhau. Các vùng tinh thể hình thành dễ dàng, và các liên kết hydro hình thành giữa các liên kết amit của các polyme liền kề. Các sợi có độ tinh thể từ 50 đến 80 phần trăm, tùy thuộc vào lượng kéo giãn. Trong các vùng vô định hình, các polyme được cuộn lại, cho phép sợi giãn ra và phục hồi. Nylon 66 và nylon 6 khác nhau về sự sắp xếp chuỗi do sự khác biệt về thứ tự các nhóm trong các liên kết amit.

Tính chất của Nylon
Tính chất vật lý
Vẻ bề ngoài
Sợi nylon thông thường, khi quan sát dưới kính hiển vi, trông giống như một hình trụ dài, nhẵn. Mặt cắt ngang của nó có hình tròn và có độ bóng tự nhiên trừ khi bị khử bóng. Hình dạng mặt cắt ngang của nylon 66 hoặc nylon 6 có thể được thay đổi để tạo ra các sợi có vẻ ngoài hoặc chất lượng hiệu suất đặc biệt mong muốn. Ví dụ, nylon 66 đôi khi được sản xuất ở dạng ba thùy hoặc nhiều thùy. Hình dạng ba thùy, tương tự như lụa, phản chiếu nhiều ánh sáng hơn, do đó làm tăng độ bóng, và mặt cắt ngang hiệu quả nhỏ hơn cho phép sợi uốn cong dễ dàng hơn, tạo độ rũ vải tốt hơn.

Tỷ trọng riêng
Nylon là một loại sợi có mật độ tương đối thấp, với tỷ trọng riêng là 1,14, thấp hơn so với hầu hết các loại sợi khác. Để so sánh, tỷ trọng riêng của rayon là 1,5 và của polyester là 1,38. Nylon có thể được dùng để sản xuất các loại vải rất nhẹ, mỏng và có độ bền tốt.

Tính chất cơ học
Sức mạnh
Sợi nylon có độ bền tuyệt vời và có thể được sản xuất với nhiều độ dai khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Độ dai thông thường của nylon 66 là từ 3 đến 6 g/d; của nylon 6 thông thường là từ 4 đến 7 g/d. Nylon 66 có độ dai cao hơn, được kéo giãn nhiều hơn trong quá trình kéo sợi, có thể dao động từ 6,0 đến 9,5 g/d. Độ bền vượt trội của nylon đã dẫn đến việc sử dụng nó trong nhiều mặt hàng công nghiệp, chẳng hạn như dây an toàn và hành lý mềm. Nó cũng chiếm ưu thế trong lĩnh vực tất chân nữ. Vì các sợi rất bền, chúng có thể được sản xuất với độ mảnh rất nhỏ (denier) cần thiết cho tất chân mỏng và đồ lót.

Môđun
Mặc dù nylon là một loại sợi bền chắc, nhưng nó có mô đun đàn hồi thấp, do đó dễ dàng giãn ra chỉ với một lực nhỏ. Điều này trái ngược với polyester, loại sợi có mô đun đàn hồi cao hơn. Mặc dù nylon nhìn chung bền chắc hơn so với nhiều loại sợi khác, nhưng việc sử dụng chúng trong một số sản phẩm công nghiệp như vải địa kỹ thuật và vải buồm bị hạn chế do mô đun đàn hồi thấp. Mặt khác, đây lại là một lợi thế đối với áo len, đồ bơi và quần áo thể thao, nơi khả năng chống giãn thấp mang lại sự thoải mái và vừa vặn.

Sự kéo dài và phục hồi
Nylon có độ giãn khá cao trước khi đứt, nhưng khi kéo giãn chưa đến điểm đứt, nó sẽ phục hồi tốt. Điều này giúp quần áo làm từ nylon, hoặc nylon pha trộn với các sợi đàn hồi như spandex, giữ được hình dạng và kích thước.

Nguồn: www.textileblog.com