Sợi Polypropylene (PP): Tính chất, công dụng và quy trình sản xuất

Sợi Polypropylene (PP) là gì?​

Sợi polypropylene (PP) thường được coi là "loại sợi đa năng" trong các loại sợi tổng hợp, đặc biệt là trong sử dụng công nghiệp quy mô lớn. Mặc dù giá thành thấp, nó có độ bền cao, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn hóa học tốt, giúp nó trở nên đáng tin cậy trong các điều kiện khắc nghiệt. Do đó, nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ bao tải và túi công nghiệp lớn đến các sản phẩm y tế cần vật liệu sạch và bền. Một nhược điểm lớn là sợi PP, giống như tất cả các loại sợi polyolefin, không thể nhuộm màu trừ khi được biến tính bằng các chất phụ gia thích hợp, vì vậy sự lựa chọn màu sắc bị hạn chế nếu không qua xử lý.

Việc sử dụng sợi PP trong thương mại tăng mạnh vào những năm 1960, khi nó bắt đầu thay thế sợi đay trong lớp lót thảm và sợi vỏ cây trong sản xuất dây thừng, chủ yếu vì nó rẻ hơn và ổn định hơn. Ước tính gần đây cho thấy sản lượng sợi polypropylene (PP) hàng năm trên thế giới dùng cho ngành dệt may đạt khoảng 5 triệu tấn. Polyester vẫn được sản xuất với số lượng cao hơn nhiều, lên đến hơn 60 triệu tấn mỗi năm, trong khi sợi polyamide cũng được sản xuất với quy mô hàng triệu tấn, cho thấy vị thế vững chắc của PP trên thị trường. PP chiếm hơn 90% sản lượng sợi polyolefin, vì vậy nó rõ ràng thống trị nhóm sợi này.

Quy trình sản xuất Polypropylene​

PP được sản xuất bằng cách trùng hợp propene, còn gọi là propylene, một sản phẩm phụ của quá trình cracking dầu mỏ và phân đoạn khí tự nhiên, cả hai đều là nguồn hóa dầu phổ biến. Khí tự nhiên là hỗn hợp của nhiều loại khí khác nhau, và phân đoạn có nghĩa là tách và thu gom chúng để sử dụng trong công nghiệp. Propene thường được trùng hợp bằng một quy trình do Giulio Natta phát triển vào năm 1954, sau khi Karl Ziegler phát minh ra một quy trình tương tự để sản xuất polyethylene vào năm trước đó. Quy trình này sử dụng các chất xúc tác đặc biệt gọi là chất xúc tác Ziegler-Natta, chứa titan clorua, hoặc đôi khi là vanadi clorua, và một hợp chất hữu cơ kim loại của nhôm và hydrocarbon. Chúng giúp các chuỗi hình thành một cách có kiểm soát. Gần đây hơn, các chất xúc tác thay thế gọi là metallocene đã được phát triển, mang đến cho các nhà sản xuất một con đường khác để sản xuất PP. Các chất xúc tác này, thường dựa trên zirconium, hoạt động mạnh hơn và có tính chọn lọc cao hơn so với chất xúc tác Ziegler-Natta, và chúng cho phép kiểm soát tốt hơn cấu trúc của các chuỗi PP được tạo ra, điều này rất quan trọng đối với hiệu suất của sợi. Do đó, các sợi làm từ PP metallocene có tính chất cơ học tốt hơn, chẳng hạn như độ bền và độ dẻo dai. Tuy nhiên, chất xúc tác metallocene đắt hơn nhiều so với chất xúc tác Ziegler–Natta, điều này hạn chế việc sử dụng rộng rãi hơn.

Quy trình sản xuất sợi PP​

Sợi polypropylene được sản xuất bằng phương pháp ép đùn nóng chảy từ hạt PP, trong đó polyme được nung chảy và đẩy qua các lỗ nhỏ. Có nhiều quy trình ép đùn nóng chảy khác nhau được sử dụng, tùy thuộc vào thiết kế nhà máy và nhu cầu sản phẩm. Việc lựa chọn quy trình phụ thuộc vào loại sợi cần thiết và mục đích sử dụng cuối cùng. Các quy trình khác nhau được sử dụng để sản xuất sợi đa filament, sợi đơn filament, sợi xơ ngắn, băng và vải không dệt, mỗi loại phù hợp với một sản phẩm cuối cùng khác nhau. Chúng được mô tả ngắn gọn dưới đây.

Sợi đa filament PP được sản xuất dưới nhiều dạng: sợi định hướng một phần (POY), sợi định hướng hoàn toàn (FOY) và sợi filament liên tục được làm phồng (BCF), phục vụ các nhu cầu xử lý khác nhau.

• Quy trình POY có chi phí thấp, do đó rất phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.
• Điều này cũng cho phép linh hoạt hơn trong các công đoạn xử lý sau này, chẳng hạn như kéo sợi, xoắn và tạo cấu trúc, vì sợi chưa được hoàn thiện hoàn toàn ở giai đoạn này.
• Sợi POY thường được sản xuất với mật độ tuyến tính từ 40–200 dtex, trong khi mỗi sợi filament thường có mật độ tuyến tính từ 0,5–4,0 dtex.
• Một đặc điểm quan trọng của quy trình POY là bộ phận làm mát dài mà các sợi filament đi qua sau khi được ép đùn từ đầu phun, để chúng có thể đông cứng đúng cách.
• Bộ phận làm mát có thể dài tới 10 m để, ở tốc độ sản xuất cao, các sợi filament đủ nguội trước khi được cuộn lại với nhau thành sợi đa filament. Điều này giúp ngăn ngừa hiện tượng dính và biến dạng.
• Tốc độ cuộn thường là 2000–3000 m/phút.
• Sau đó, các sợi POY được xử lý thêm bằng cách kéo giãn và, trong một số trường hợp, xoắn và tạo cấu trúc, để phát triển các đặc tính cuối cùng của chúng.
• Trong sản xuất sợi FOY, công đoạn kéo sợi và dựng sợi là các bước liên tiếp trong một quy trình liên tục, giúp giảm thiểu thao tác thủ công.
• Quy trình FOY rất linh hoạt, và tùy thuộc vào các thiết lập điều khiển và loại PP, nó có thể tạo ra các sợi có nhiều đặc tính cơ học khác nhau, từ loại tiêu chuẩn đến loại hiệu suất cao.
• Tốc độ cuộn cuối cùng có thể đạt tới 5000 m/phút.
• Quy trình FOY có thể sản xuất cả sợi cường độ cao, với mật độ tuyến tính từ 5–10 dtex trên mỗi sợi filament, dùng cho các loại vải kỹ thuật, và sợi tiêu chuẩn, với mật độ tuyến tính từ 1–2 dtex trên mỗi sợi filament, dùng cho các mục đích truyền thống hơn.
• Sợi FOY thường bền hơn sợi được sản xuất bằng quy trình POY, ngay cả sau khi sợi POY đã được kéo giãn, bởi vì sự định hướng được phát triển đầy đủ hơn trong quá trình sản xuất.
• Quy trình BCF, hay quy trình sản xuất sợi liên tục khối lượng lớn, kết hợp kéo sợi, tạo hình và tạo cấu trúc sợi trong một quy trình duy nhất, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.
• Tốc độ sản xuất sợi filament dao động từ 1500 đến 4000 m/phút, tùy thuộc vào sản phẩm đang được sản xuất.
• Quy trình này tương tự như quy trình FOY, ngoại trừ việc các sợi tơ được tạo vân sau khi kéo để tạo độ dày và độ mềm mại hơn.

Các loại sợi PP​

Sợi đơn​

Sợi đơn PP có mật độ tuyến tính trên 100 dtex và thô hơn nhiều so với sợi đa, do đó chúng hoạt động như những sợi đơn dày hơn. Sợi đơn được sản xuất bằng các phương pháp tương tự như sợi đa có xu hướng bị xoắn và do đó không phù hợp với nhiều ứng dụng, đặc biệt là những nơi cần độ thẳng. Thay vào đó, sợi đơn PP thường được tạo hình ở tốc độ thấp hơn và được ép đùn vào nước để làm mát hiệu quả hơn, giúp kiểm soát hình dạng của chúng. Sau khi rời khỏi đầu phun, sợi đơn đi qua chưa đến 5 cm không khí trước khi vào bể nước, do đó quá trình làm mát bắt đầu gần như ngay lập tức. Quá trình kéo sợi sau đó có thể bao gồm tới ba giai đoạn ở nhiệt độ cao, thường là 80–90 °C, để cải thiện độ bền và hướng chuỗi. Sợi đơn PP được sản xuất cho các ứng dụng có độ bền cao như dây đai, dây thừng và dây neo dùng để neo đậu và kéo tàu, nơi độ bền dưới tải trọng là điều cần thiết.

Sợi ngắn​

Sợi xơ ngắn có thể được sản xuất bằng hai phương pháp: quy trình gián đoạn hai giai đoạn hoặc quy trình liên tục một giai đoạn, tùy thuộc vào chất lượng sợi và nhu cầu sản lượng. Quy trình hai giai đoạn được sử dụng cho sợi xơ ngắn chất lượng cao, rất mịn, khoảng 0,5 dtex/sợi, và tốc độ kéo sợi thường khoảng 2000 m/phút. Các sợi tơ kéo ra từ giai đoạn đầu tiên được chuyển sang giai đoạn thứ hai, bao gồm kéo giãn, uốn xoắn và cắt chúng thành sợi xơ ngắn có chiều dài yêu cầu, để chúng có thể được xử lý như sợi xơ ngắn tự nhiên. Một phương pháp thay thế cho việc cắt là chuyển đổi, trong đó một dải sợi song song được hình thành, sẵn sàng cho việc kéo sợi tiếp theo. Những sợi này sau đó được sử dụng để kéo sợi worsted, một phương pháp được sử dụng để tạo ra các sợi mịn và đều. Một nhược điểm của quy trình hai giai đoạn là cần nhiều không gian cho thiết bị, điều này có thể làm tăng chi phí nhà máy. Đặc biệt, vùng làm mát rất dài vì các sợi tơ phải được làm mát đều. Tuy nhiên, mỗi giai đoạn có thể được vận hành độc lập trong điều kiện tối ưu riêng, cho phép kiểm soát quy trình tốt hơn.

Quy trình nhỏ gọn một giai đoạn kết hợp tất cả các giai đoạn sản xuất và hiện được coi là tiết kiệm hơn đối với số lượng nhỏ sợi xơ ngắn, đặc biệt là khi cần thiết bị nhỏ gọn. Mặc dù tốc độ kéo sợi thấp, ở mức 100–300 m/phút, năng suất được tăng lên bằng cách sử dụng các đầu kéo sợi có tới 100.000 lỗ được bố trí theo dạng lưới, do đó nhiều sợi nhỏ được hình thành cùng một lúc. Các sợi nhỏ được sản xuất trong giai đoạn kéo sợi được kết hợp thành một bó sợi, được đưa liên tục vào bộ phận kéo giãn. Các sợi được sản xuất có mật độ tuyến tính tối thiểu là 1–3 dtex và được sử dụng cho sợi thảm và các sản phẩm không dệt, nơi các sợi có độ mịn trung bình là phù hợp.

Vải không dệt và băng keo​

Vải không dệt​

Vải không dệt PP có thể được sản xuất bằng quy trình nhiều giai đoạn, bao gồm cả việc sản xuất sợi xơ ngắn nếu cần vải không dệt làm từ sợi xơ ngắn. Thông thường hơn, người ta sử dụng quy trình một giai đoạn kết hợp sản xuất sợi filament với việc tạo thành vải không dệt, giúp tiết kiệm thời gian và công sức. Màng vải thường được liên kết với nhau bằng phương pháp liên kết nhiệt vì sợi PP có điểm nóng chảy thấp (160–165 °C), cho phép liên kết nhiệt hiệu quả. Vải không dệt liên kết nhiệt được làm từ các sợi chứa vật liệu nhạy nhiệt, chẳng hạn như PP, được liên kết bằng nhiệt mà không cần dệt hoặc đan truyền thống.

Có hai dạng quan trọng của quy trình sản xuất không dệt một giai đoạn: quy trình kéo sợi liên kết (spun-bond) và quy trình thổi nóng chảy (melt-blown), cả hai đều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Trong quy trình kéo sợi liên kết, vải không dệt bao gồm một mạng lưới các sợi nhỏ được phân bố ngẫu nhiên và liên kết nhiệt, tạo thành một tấm chắc chắn và ổn định. Màng PP kéo sợi liên kết nổi tiếng về độ bền, rất hữu ích trong các sản phẩm dùng một lần có độ bền cao. Trong quy trình thổi nóng chảy, PP được ép đùn qua nhiều lỗ phun nhỏ đặt sát nhau để tạo thành các dòng rất mịn. Ngay bên dưới các lỗ phun, dòng polymer nóng chảy được giữ lại trong một luồng khí nóng tốc độ cao và bị phá vỡ thành một mạng lưới các sợi rất mịn đan xen vào nhau, làm tăng đáng kể diện tích bề mặt. Các sợi này ngay lập tức được lắng đọng trên băng tải đang di chuyển, nơi màng vải được hình thành. Mặc dù vải không dệt thổi nóng chảy yếu hơn vải không dệt kéo sợi liên kết, nhưng kết cấu của chúng làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng cần lọc hoặc hấp thụ, chẳng hạn như các sản phẩm vệ sinh và lọc.

Các dây chuyền sản xuất kết hợp cả hai quy trình được sử dụng để tạo ra vải nhiều lớp SMS, nghĩa là vải không dệt liên kết sợi, vải thổi nóng chảy liên kết sợi, kết hợp các đặc tính hữu ích của cả hai vật liệu trong một cấu trúc nhiều lớp. Các lớp không dệt liên kết sợi bên ngoài cung cấp các đặc tính cơ học tốt, trong khi lớp vải thổi nóng chảy bên trong cung cấp khả năng lọc và thấm hút tốt. Vải SMS được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm vệ sinh và y tế dùng một lần, nơi mà sự sạch sẽ và khả năng chắn khí là yếu tố quan trọng.

Băng cassette​

Nhựa PP thường được gia công thành dạng băng vì loại polymer này dễ dàng cắt hoặc tạo hình. Các loại băng này chủ yếu được sử dụng trong các sản phẩm gia dụng như thảm và trong các sản phẩm dệt kỹ thuật như bao tải, túi công nghiệp và bạt, nơi trọng lượng nhẹ và độ bền cao là những yếu tố cần thiết. Băng PP cũng được sử dụng trong mũ chống nắng, túi xách và giày đi biển, cho thấy tính đa dụng của chúng trong hàng tiêu dùng.


Có hai phương pháp chính để sản xuất băng keo, mỗi phương pháp phù hợp với các nhu cầu về chi phí và chất lượng khác nhau. Trong phương pháp phổ biến hơn, màng PP được ép đùn và sau đó làm nguội trong bể nước hoặc trên con lăn để định hình. Sau đó, màng được kéo giãn theo một hướng đến khoảng 10 lần chiều dài ban đầu và được cắt bằng dao thành băng keo, điều này làm tăng độ định hướng và độ bền. Ngoài ra, nếu được kéo giãn đủ, màng sẽ tự bắt đầu tách ra, giảm nhu cầu cắt.

Trong phương pháp khác, mỗi dải băng được ép đùn nóng chảy riêng biệt qua một lỗ hình khe riêng, cho phép kiểm soát hình dạng băng tốt hơn. Quá trình này tốn kém hơn nhiều và thường chỉ giới hạn ở các loại băng dùng cho mục đích chuyên biệt, chẳng hạn như ứng dụng y tế, nơi yêu cầu độ chính xác cao hơn.

Hoàn thiện bằng phương pháp quay ly tâm trên sợi PP​

Giống như các loại sợi tổng hợp khác , sợi PP được xử lý bằng phương pháp kéo sợi để bảo vệ bề mặt và giảm tĩnh điện trong quá trình gia công, giúp sợi hoạt động ổn định trên máy móc. Tĩnh điện có thể gây phồng sợi đa filament và cũng có thể làm biến dạng hoặc đứt sợi trong quá trình gia công, đặc biệt là ở tốc độ cao. Nó cũng có thể gây giật điện khi chạm vào thiết bị gia công, tạo ra vấn đề về an toàn và thoải mái. Tĩnh điện cũng có thể tích tụ trên quần áo thành phẩm và khiến quần áo bám vào cơ thể hoặc quần áo khác, làm giảm sự thoải mái cho người mặc. Nó có thể phóng điện khi người mặc chạm vào vật liệu dẫn điện, thường là kim loại, tạo ra tia lửa nhỏ. Kết quả là, người mặc có thể cảm thấy khó chịu, ngay cả khi hiệu ứng chỉ diễn ra trong thời gian ngắn.

Một chức năng khác của quá trình hoàn thiện sợi là giảm ma sát trong quá trình xử lý sợi, điều này càng trở nên quan trọng hơn khi tốc độ tăng lên. Nhiệt lượng sinh ra do ma sát có thể làm cho sợi mềm đi hoặc thậm chí tan chảy, làm giảm chất lượng sản phẩm. Quá trình hoàn thiện sợi có thể chứa chất kháng khuẩn để tiêu diệt hoặc ngăn chặn vi sinh vật, mặc dù bản thân sợi polypropylene khá kháng khuẩn.

Sợi PP có tính kỵ nước cao, nghĩa là chúng đẩy nước rất hiệu quả, hiệu quả hơn nhiều loại sợi dệt thông thường. Để tận dụng đặc tính này, các chất làm ướt đặc biệt cũng phải được thêm vào công thức chất phủ, để chất phủ có thể trải đều trên sợi. Ngoài ra, một số thành phần của chất phủ kéo sợi thường được sử dụng cho các loại sợi tổng hợp khác không thể sử dụng trên sợi PP vì chúng thấm vào sợi và gây trương nở, có thể làm thay đổi hiệu suất của sợi. Chất phủ kéo sợi chứa một hỗn hợp phức tạp các thành phần hóa học và thường được sử dụng dưới dạng nhũ tương, để tạo độ phủ bề mặt đồng đều.

Các chất phụ gia được sử dụng trong sợi PP​

Các chất phụ gia được sử dụng để hỗ trợ quá trình xử lý sợi PP và đạt được các đặc tính sợi cần thiết, cả trong quá trình sản xuất và sử dụng. Chúng có thể có mặt trong hạt PP được cung cấp cho nhà sản xuất sợi hoặc được thêm vào PP nóng chảy trước khi ép đùn, tùy thuộc vào quy trình sản xuất.

Các chất phụ gia có nhiều vai trò, và mỗi vai trò đều ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng. Một số chất hoạt động như chất ổn định nhiệt để ngăn ngừa sự phân hủy nhiệt của các chuỗi polymer trong quá trình xử lý sợi, khi vật liệu tiếp xúc với nhiệt độ cao. Một số khác hoạt động như chất ổn định chống lại ánh sáng, đặc biệt là bức xạ tia cực tím, trong quá trình sử dụng cuối cùng, hoặc như chất chống cháy để ngăn sợi bắt lửa, giúp cải thiện an toàn khi sử dụng. Các chất phụ gia chống tĩnh điện cũng có thể có mặt để giảm sự tích tụ điện tích.

Nguồn: www.textileblog.com