Tài liệu Giáo trình môn công nghệ sợi hoá học

Giáo trình môn công nghệ sợi hoá học MỤC ĐÍCH MÔN HỌC: Nghiên cứu những lý thuyết về: Đặc điểm, tính chất của nguyên liệu tạo sợi; các đặc trưng cơ bản của sợi hóa học; các phương pháp tạo sợi. Lý thuyết về đặc điểm, tính chất và công nghệ sản xuất các loại sợi hóa học điển hình như : sợi vitxco, sợi axetat, sợi polyamit6, sợi polyamit66, sợi polyeste, sợi clorophip, sợi acrylonitryl. Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1. Lịch sử phát triển của sợi hóa học Từ thời thượng cổ, con người đã biết dùng vỏ cây, da thú... để che thân. Cùng với sự phát triển về trí tuệ của con người, xã hội cũng dần văn minh hơn thì vấn đề mặc của con người ngày càng được chú trọng. Lúc này con người đã phát hiện các loại cây có sợi, để từ đó đã khai thác chế tạo thành vải sợi, tuy còn thô sơ nhưng hồi đó đã thỏa mãn được nhu cầu mặc không cao lắm của họ. Do vậy, mà từ chỗ chỉ mọc hoang dại trong thiên nhiên các loại cây có sợi đã được thuần hóa và trồng trọt có tổ chức như đay, gai, dứa dại... và cuối cùng là bông. Chúng đã trở thành những nguyên liệu quan trọng để đáp ứng nhu cầu mặc được xếp là quan trọng thứ hai sau nhu cầu ăn của con người. Tiến lên một bước nữa con người đã biết nuôi cừu, lạc đà, thỏ... để cắt lông làm len, biết nuôi tằm để lấy kén kéo sợi dệt thành những tấm vải lụa mềm mại, bóng mượt. Như vậy, trong một thời gian rất dài thiên nhiên là nguồn nguyên liệu duy nhất giải quyết nhu cầu mặc cho con người. Thế nhưng, nếu chỉ dựa vào nguồn nguyên liệu này thì không thể đáp ứng và theo kịp sự phát triển của xã hội cả về số lượng và chất lượng. Đồng thời nguồn nguyên liệu này lại phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố khách quan: thời tiết, khí hậu, đất đai, thổ nhưỡng, giống... nên rất bị động và không đáp ứng cho tất cả các vùng miền, địa phương. Một bất lợi nữa của nguồn nguyên liệu thiên nhiên là tiêu tốn quá nhiều nguyên liệu để sản xuất ra vải, ví dụ để sản xuất 1000 bộ quần áo bằng vải bông cần toàn bộ số bông thu hoạch trên 1 hecta; 1000 chiếc áo len từ lông cừu cần số lông của một đàn khoảng trên 50 con thu hoạch trong 1 năm... Do vậy để đáp ứng về số lượng cho cả thế giới ngày càng tăng đến nay đã hơn 6 tỷ dân thì phải trồng bao nhiêu bông, nuôi bao cừu thì đủ đây? Bên 1 cạnh đó với mức sống tăng không ngừng của xã hội, dẫn đến nhu cầu mặc còn đòi hỏi cao hơn, phức tạp hơn: bền, đẹp, duyên dáng, tiện dụng (dễ giặt, mau khô, không nhàu khi giặt gấp...). Tất cả những nguyên nhân đó đã thôi thúc các nhà khoa học phải nghiên cứu, tìm kiếm những loại nguyên liệu mới khắc phục được các khuyết điểm của nguyên liệu thiên nhiên và đáp ứng được các yêu cầu của con người. Cũng từ đó lần lượt các loại sợi hóa học ra đời với sự tiến triển và thăng trầm theo từng thời kỳ. Có thể nói rằng sự xuất hiện của sợi hóa học là loại sợi tạo ra từ các hợp chất cao phân tử thiên nhiên (xenlulozaza, protein) và các hợp chất cao phân tử tổng hợp (polyamit 6, polyamit66, polyeste, polyacrylonitryl... đã đánh dấu một giai đoạn mới mẻ và cực kỳ quan trọng, đóng góp ngày càng to lớn và hiệu quả, phát huy tác dụng một cách kịp thời khi xã hội loài người đang lâm vào một cuộc khủng hoảng trầm trọng trong việc giải quyết vấn đề ăn mặc. Từ chỗ chỉ để bổ sung vào lượng thiếu hụt của sợi thiên nhiên, sợi hóa học ngày càng trở thành loại vật liệu "không thể thay thế được" trong may mặc cũng như trong các ngành kỹ thuật khác. Chính vì vậy mà công nghiệp sản xuất sợi hóa học là một ngành công nghiệp nằm trong cơ cấu của nền công nghiệp bất cứ nước nào, một ngành có vai trò to lớn và đang được phát triển mạnh mẽ. 1.2. Phân loại sợi dệt Nguồn nguyên liệu của công nghiệp dệt hiện nay rất phong phú, bao gồm không chỉ sợi có sẵn trong thiên nhiên có trong thành phần của một số bộ phận của thực vật (lá, thân cây...) mà còn gồm các loại sợi được con người chế tạo từ các loại nguyên liệu tổng hợp như polyme thiên nhiên (xenlulozaza, protein...), polyme tổng hợp (polyamit, polyeste, PVC...). Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu ban đầu để sản xuất sợi người ta chia sợi dệt ra làm 2 nhóm chính là sợi thiên nhiên và sợi hóa học. Sợi hóa học lại chia thành 2 nhóm chính: sợi nhân tạo và sợi tổng hợp. 1.2.1. Sợi thiên nhiên Sợi thiên nhiên là sợi mà loài người biết từ lâu, chúng có thể đã có sẵn ở dạng xơ, sợi như: xơ bông, len, tơ tằm... hoặc nằm lẫn với các tạp chất khác trong vỏ cây, 2 thân cây, lá cây như sợi, lanh, sợi đay, gai, dứa dại... Theo thành phần hóa học sợi thiên nhiên được chia làm 2 nhóm: + Sợi thực vật + Sợi động vật Sợi thực vật được cấu tạo chủ yếu từ xenluloza. Trong đó bao gồm bông là loại xơ đầu tiên mà loài người biết đến và sử dụng nó vào công nghiệp dệt, cho đến nay nó vẫn chiếm tỷ lệ khá lớn (52-60%) so với tổng số các loại xơ sợi dùng trong công nghiệp dệt. Sau bông là sợi libe (hay còn gọi là sợi cứng) được tách ra từ một số bộ phận của cây như vỏ, thân (đau, gai, lanh...), lá cây (dứa, dứa dại...). Loại sợi này nằm dưới dạng xen kẽ với các tạp chất thực vật khác như lignin, pectin, tecpin, protein..., vì vậy để tách riêng chúng ra người ta phải dùng kết hợp quá trình gia công cơ học, sinh học, hóa học... Sợi động vật thiên nhiên gồm có len, tơ tằm. Len thu được chủ yếu từ lông cừu, một phần từ lông dê, lông lạc đà, lông vịt. Hiện nay len vẫn chiếm 6-9% so với tổng số các loại xơ sợi dùng trong công nghiệp dệt thế giới. Tơ tằm tuy vẫn còn được duy trì ở một vài nước, trong đó có nước ta, nhưng giá thành sản xuất cao, nên hiện nay nó chỉ chiếm khoảng 0,2% tổng số các loại xơ sợi dùng trong công nghiệp dệt thế giới. 1.2.2. Sợi hóa học Sợi hóa học là loại sợi không có sẵn trong thiên nhiên và do con người chế tạo bằng các quá trình vật lý, cơ học và hóa học. Dựa vào nguồn gốc của nguyên liệu chế tạo sợi mà chúng được chia làm 2 nhóm: sợi nhân tạo và sợi tổng hợp. Sợi nhân tạo là loại sợi được sản xuất từ các hợp chất cao phân tử sẵn có trong thiên nhiên, được tách ra khỏi hỗn hợp nguyên liệu thô ban đầu bằng các quá trình vật lý, hóa học, chuyển dạng rồi tái sinh lại dạng ban đầu hoặc được biến tính thích hợp để gia công dễ dàng hoặc để tạo ra một số tính chất mới cho sản phẩm. Các hợp chất cao phân tử thiên nhiên sử dụng để chế tạo sợi chủ yếu là: xenluloza (gỗ, tre, nứa...) và protein động thực vật (sữa, ngô, lạc, đậu nành...). Trong số các sợi nhân tạo đi từ xenluloza có các loại: sợi vitxco, sợi polino, sợi axetat, sợi triaxetat, sợi đồngamoniac, sợi nitratxenluloza... còn sợi đi từ protein có các loại:sợi cazein (đi từ sữa), 3 sợi acdin (lạc), sợi zein (ngô)... Song vì nguyên liệu để sản xuất sợi nhân tạo từ protein là các thực phẩm quý nên hiện nay hầu như không sản xuất nữa. Sợi tổng hợp là loại sợi được sản xuất từ các hợp chất cao phân tử tổng hợp. Nguyên liệu ban đầu để tổng hợp chúng là những đơn phân tử (monome) thu được trong công nghiệp luyện than cốc, chế biến dầu mỏ, khí thiên nhiên. Theo cấu tạo hóa học của nguyên liệu tạo sợi, sợi tổng hợp cũng được chia làm 2 nhóm: sợi mạch dị thể và sợi mạch cacbon. Sợi mạch dị thể là loại sợi trong mạch chính của mạch đại phân tử của nó ngoài nguyên tử cacbon ra còn chứa các nguyên tố khác như oxy, nitơ... Nhóm này gồm các loại như: sợi polyamit6, polyamit66, sợi polyeste. Sợi mạch cacbon là loại sợi trong mạch chính mạch đại phân tử chỉ có nguyên tử cacbon. Tiêu biểu của nhóm này là sợi nitron, vinilon, oclon, clorin-teflon, sợi polypropylen, polyetylen... Có thể biểu diễn phân loại sợi dệt trên sơ đồ 1.1. Chương 2 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA SỢI HÓA HỌC 2.1. Tính ưu việt của sợi hóa học so với sợi thiên nhiên Mặc dù, ra đời trong một thời gian không lâu, nhưng sợi hóa học đã nhanh chóng thu hút sự chú ý của tất cả mọi người và có những bước đột phá trong quá trình phát triển cả về số lượng và chất lượng. Để có được sự chinh phục đối với con người, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe và phức tạp trong vấn đề mặc của con người ngày càng cao trước tiên sợi hóa học đã bộc lộ các tính chất quý báu ưu việt hơn sợi thiên nhiên. - VÒ ngo¹i quan: sîi hãa häc ®Ñp, ãng m−ît, mÞn mµng, bãng, l¸ng... Cã thÓ t¹o ra lo¹i v¶i víi vÎ ®Ñp phong phó, ®a d¹ng ®¸p øng nhu cÇu mÆc ®Ñp, thêi trang gãp phÇn lµm phong phó vÎ ®Ñp cho x· héi. - TÝnh tiÖn dông: Ýt thÊm dÇu mì, må h«i, nªn dÔ giÆt, s¹ch l©u, Ýt hót Èm nªn mau kh«. §Æc biÖt lµ tÝnh bÒn h×nh d¹ng, nhÊt lµ sîi tæng hîp nªn kh«ng bÞ co khi giÆt, kh«ng nhµu n¸t, gi÷ nÕp tèt nªn kh«ng cÇn lµ ñi. 4 - §é bÒn: So víi sîi thiªn nhiªn th× ®é bÒn cña sîi hãa häc cao h¬n nhiÒu, so víi sîi thiªn nhiªn th× sîi hãa häc dai h¬n, l©u r¸ch h¬n, thêi gian sö dông lín h¬n gÊp 2 - 3 lÇn. C¸c tÝnh n¨ng kü thuËt nh− ®é bÒn ®øt, ®é bÒn mµi mßn vµ ®é chÞu uèn gÊp lín. Cã thÓ thay ®æi tÝnh chÊt cña sîi hãa häc trong ph¹m vi kh¸ réng b»ng c¸ch ®iÒu chØnh thµnh phÇn vµ cÊu t¹o hãa häc cña sîi hoÆc thay ®æi c¸c ®iÒu kiÖn kü thuËt. HiÖn nay ng−êi ta ®· chÕ t¹o ®−îc c¸c lo¹i sîi hãa häc tuyÖt ®èi vÒ mÆt hãa häc, chÞu ®−îc ¸nh s¸ng vµ nhiÖt ®é, bÒn víi t¸c dông cña n−íc, c«n trïng, vi sinh vËt...lµ nh÷ng tÝnh chÊt kh«ng cã ®−îc ë sîi thiªn nhiªn. Do vËy mµ sîi hãa häc ®−îc sö dông nhiÒu trong lÜnh vùc kü thuËt, ®¸p øng ®−îc c¸c yªu cÇu vèn kh¾t khe cña kü thuËt vµ ®ãng gãp tÝch cùc vµo viÖc thóc ®Èy nh÷ng tiÕn bé cña cuéc c¸ch m¹ng khoa häc kü thuËt ®ang diÔn ra s«i ®éng trong thêi ®¹i chóng ta. - TiÒm n¨ng vµ s¶n l−îng: N¨ng suÊt s¶n xuÊt sîi hãa häc so víi sîi thiªn nhiªn rÊt cao. Kh¸c víi sîi thiªn nhiªn lµ s¶n phÈm cña n«ng nghiÖp, cßn sîi hãa häc lµ con ®Î cña c«ng nghiÖp nªn chóng mang nh÷ng thÕ m¹nh cña ngµnh s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. NÕu nh− ®Ó cã 1 tÊn b«ng trong ®iÒu kiÖn th©m canh vµ c¬ khÝ hãa s¶n xuÊt vÉn cÇn tíi 150 ngµy c«ng, ®Ó cã 1 tÊn len cÇn 1000 ngµy c«ng, hoÆc 1 tÊn t¬ t»m th× cÇn tíi 6000 ngµy c«ng. Trong lóc ®ã ®Ó s¶n xuÊt 1 tÊn sîi vitxco (sîi nh©n t¹o) chØ cÇn 30 - 50 ngµy c«ng, 1 tÊn sîi nylon hoÆc 1 tÊn sîi polyeste chØ cÇn kho¶ng 30 - 40 ngµy, thËm chÝ cã thÓ thÊp h¬n nhiÒu tïy thuéc vµo møc ®é hiÖn ®¹i cña quy tr×nh c«ng nghÖ. Cã thÓ ¸p dông nh÷ng thµnh tùu míi nhÊt cña khoa häc kü thuËt ®Ó c¶i tiÕn quy tr×nh c«ng nghÖ nh»m n©ng cao n¨ng suÊt s¶n xuÊt, c¶i thiÖn tÝnh chÊt cña s¶n phÈm ®¸p øng c¸c yªu cÇu thÞ hiÕu cña ng−êi sö dông, gi¶m nh©n c«ng lao ®éng, h¹ gi¸ thµnh s¶n phÈm. Do cã ®é bÒn cao, ®é bÒn ®øt lín nªn ng−êi ta cã thÓ ®−a c«ng suÊt m¸y tíi tèi ®a. Trªn cïng mét m¸y dÖt, n¨ng suÊt dÖt v¶i hãa häc cã thÓ cao h¬n n¨ng suÊt dÖt sîi b«ng tõ 1,4 - 1,6 lÇn. Nguån nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt sîi hãa häc, ®Æc biÖt lµ sîi tæng hîp bao gåm: dÇu má, than ®¸, khÝ thiªn nhiªn vµ c¸c kho¸ng s¶n kh¸c lµ v« tËn. 5 So víi nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt sîi thiªn nhiªn th× rÊt h¹n chÕ, kh«ng ®¸p øng ®−îc nhu cÇu sö dông ngµy cµng t¨ng cña con ng−êi. Do vËy viÖc s¶n xuÊt sîi hãa häc hoµn toµn chñ ®éng, kh«ng phô thuéc vµo thêi tiÕt, khÝ hËu, thæ nh−ìng, hay vïng ®Þa lý nh− ®èi víi sîi thiªn nhiªn. - HiÖu suÊt sö dông nguyªn liÖu: So víi sîi thiªn nhiªn th× hiÖu suÊt sö dông nguyªn liÖu trong s¶n xuÊt sîi hãa häc rÊt cao. Tõ 1m3 gç cã thÓ chÕ t¹o ®−îc 160 kg t¬ ®Ó gia c«ng 1500 m lôho t−¬ng ®−¬ng 75 v¹n kÐn t»m, 30 con cõu hay 0,75 ha c©y lanh, 0,35 ha c©y b«ng. Trong khi ®ã tõ 1 tÊn dÇu má cã thÓ s¶n xuÊt ®−îc 1500 m v¶i tõ sîi tæng hîp. Mét nhµ m¸y sîi n¨ng suÊt 40000 tÊn/n¨m cã thÓ thay thÕ 50000 hecta ®Êt tèt t¹i vïng khÝ hËu thuËn lîi ®Ó chuyªn canh b«ng hoÆc trªn 10 v¹n hecta c©y lanh. Do tû träng cña sîi hãa häc thÊp cho nªn cïng mét khèi l−îng sîi th× chiÒu dµi tÊm v¶i dÖt tõ sîi hãa häc lu«n lu«n lín h¬n dÖt tõ sîi thiªn nhiªn. - Gi¸ thµnh: Gi¸ thµnh v¶i dÖt tõ sîi hãa häc thÊp h¬n nhiÒu so víi sîi thiªn nhiªn. - LÜnh vùc øng dông: Sîi hãa häc cã nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc biÖt ®−îc øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc ®êi sèng vµ kü thuËt nh− may mÆc, y tÕ, ch÷a bÖnh, chèng ch¸y, chèng chÊt phãng x¹... Sợi hóa học được xem như là một tặng phẩm vô giá mà khoa học kỹ thuật đã mang lại cho con người. 2.2. Các dạng của sợi Sîi ®−îc s¶n xuÊt ra d−íi hai d¹ng chÝnh: x¬ vµ t¬ - X¬ cßn gäi lµ sîi c¾t ng¾n hay còn gọi là xơ xtapen, có chiều dài từ 30-150 mm tïy theo môc ®Ých sö dông mµ cã ®é dµi vµ ®é m¶nh kh¸c nhau, cã h×nh d¹ng gièng nh− x¬ b«ng, x¬ len... §Ó t¹o x¬ th× sîi t¹o ra sau khi qua c¸c qu¸ tr×nh xö lý cho qua qua thiÕt bÞ ®Ó c¾t ng¾n sîi theo ®é dµi ®Þnh tr−íc. Xơ xtapen được dùng để kéo sợi dạng nguyên chất hoặc để pha với với các loại xơ sợi khác (thiên nhiên...). - T¬ hay cßn gäi lµ sîi v« tËn - cã ®é dµi kh«ng h¹n chÕ. T¬ gåm cã 2 d¹ng: t¬ ®¬n vµ t¬ phøc. 6 T¬ ®¬n (filament): ®−îc s¶n xuÊt ë d¹ng sîi dµi v« t©n, chØ gåm mét x¬ c¬ b¶n. T¬ phøc: gåm nhiÒu t¬ ®¬n chËp l¹i víi nhau, t¬ phøc dïng cho c«ng nghiÖp dÖt th−êng cã sè t¬ ®¬n tõ vµi chôc ®Õn vµi chôc v¹n. Víi h×nh d¹ng kh¸c nhau nh− vËy nªn c¸ch s¶n xuÊt ra chóng còng kh¸c nhau. §èi víi d¹ng x¬ c¾t ng¾n th× ph¶i xe thµnh chØ tr−íc khi dÖt thµnh v¶i, ®Ó thuËn tiÖn trong qu¸ tr×nh gia c«ng x¬ ph¶i ®−îc t¹o qu¨n, dËp sãng b»ng c¸ch cho qua c«ng ®o¹n ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh textua. §èi víi t¬ th× kh«ng cÇn dËp sãng nh− x¬. Nh−ng ®Ó dÔ thao t¸c trªn m¸y dÖt th× th−êng xo¾n t¬ vÒ phÝa ph¶i hay phÝa tr¸i (qu¸ tr×nh textua, qu¸ tr×nh kÐo c¨ng). 2.3. Các chỉ số đặc trưng của sợi §Ó ®¸nh gi¸ vµ so s¸nh c¸c lo¹i sîi, trªn c¬ së ®¸nh gi¸ ®ã ta cã thÓ lùa chän sîi cho thÝch hîp víi môc ®Ých sö dông th× ng−êi ta dùa trªn c¸c chØ sè ®Æc tr−ng cho sîi nh− sau: a/ §é m¶nh §é m¶nh cho ta biÕt sîi dµy máng ra sao. §¬n vÞ: §ennie (viÕt t¾t lµ ®en) ®−îc tÝnh b»ng träng l−îng sîi cã chiÒu dµi lµ 9000 m. + C¸ch x¸c ®Þnh: §o chÝnh x¸c 9 m sîi, c©n chÝnh x¸c trªn c©n ph©n tÝch råi nh©n lªn 1000 lÇn. Sau nµy ng−êi ta dïng hÖ ®¬n vÞ cã tÝnh quy chuÈn h¬n ®ã lµ tex ®−îc tÝnh b»ng 1/9 ®en; tøc lµ träng l−îng ®o b»ng gam cña 1000 m sîi. C¨n cø vµo ®é m¶nh ng−êi ta chia x¬ ho¸ häc thµnh 3 lo¹i: - Lo¹i m¶nh nhÊt: cã ®é m¶nh lµ 160 ÷ 190 mtex; ®é dµi t−¬ng øng cña x¬ lµ 38 - 40 mm, gäi lµ “hÖ b«ng” (dïng ®Ó pha trén víi b«ng vµ c¸c sîi cïng hÖ) - Lo¹i cã ®é m¶nh lµ 3,3 ÷ 6,6 dtex vµ ®é dµi lµ 65 ÷ 100 mm thuéc hÖ len. - Lo¹i th« h¬n vµ dµi h¬n thuéc hÖ gai. b/ §é bÒn ®øt 7 §é bÒn ®øt ph¶n ¸nh mét ®Æc tr−ng c¬ lý chñ yÕu cña sîi, ®o b»ng lùc lµm ®øt sîi. §é bÒn ®øt cµng cao th× sîi cµng dai, v¶i cµng bÒn vµ l©u r¸ch, thêi gian sö dông kÐo dµi. §¬n vÞ ®o: kg/mm2 hay g/tex; g/®en YÕu tè x¸c ®Þnh ®é bÒn ®øt, ngoµi b¶n chÊt ho¸ häc cña sîi lµ träng l−îng ph©n tö polyme, ®é ®Þnh h−íng còng nh− ®é kÕt tinh cña sîi. Ngoµi ®é bÒn cña sîi ®¬n, ng−êi ta cßn ®o ®é bÒn nót vµ ®é bÒn mãc cña sîi. §é bÒn®øt cña nhiÒu lo¹i sîi ë tr¹ng th¸i −ít vµ kh« th−êng kh¸c nhau, ®Æc biÖt ®èi víi sîi nh©n t¹o, lµ lo¹i sîi mµ nh÷ng ph©n tö n−íc dÔ dµng len lái vµo gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö polyme, lµm liªn kÕt gi÷a chóng yÕu ®i. c/ §é d·n dµi khi ®øt §é d·n dµi khi ®øt cho biÕt sîi cã thÓ c¨ng ra ®−îc bao nhiªu so víi chiÒu dµi ban ®Çu khi sîi ®øt, ®o b»ng phÇn tr¨m (%). §é d·n dµi cµng cao sîi cµng mÒm m¹i. §é d·n dµi thÝch hîp nhÊt ®Ó dÖt v¶i may mÆc n»m trong kho¶ng 10 ÷ 20%. §é bÒn ®øt vµ ®é d·n dµi ®øt cã mèi t−¬ng quan tû lÖ nghÞch víi nhau. C¸c biÖn ph¸p kü thuËt lµm t¨ng ®é bÒn th−êng lµm gi¶m ®é d·n. §Ó cã lo¹i sîi phï hîp víi yªu cÇu cña ng−êi tiªu dïng, ph¶i n¾m c¸c th«ng sè kü thuËt khi s¶n xuÊt sîi, sao cho tho¶ m·n ®−îc 2 chØ tiªu quan träng nµy nh»m thu ®−îc sîi võa cã ®é bÒn cao, võa cã ®é d·n dµi khi ®øt kh«ng qu¸ thÊp. d/ §−êng cong lµm viÖc §−êng cong lµm viÖc diÔn t¶ sù thay ®æi cña ngo¹i lùc t¸c dông lªn sîi (biÓu diÔn trªn trôc tung) vµ ®é d·n dµi t−¬ng øng (%) cña sîi (ghi trªn trôc hoµnh). Mçi lo¹i sîi ®Æc tr−ng bëi mét ®−êng cong, tõ ®ã c¸c nhµ chuyªn m«n ®¸nh gi¸ ®−îc gi¸ trÞ cña sîi. Ban ®Çu ®−êng biÓu diÔn th−êng lµ ®o¹n th¼ng → tÝnh chÊt sîi tu©n theo ®Þnh luËt Hóc. §o¹n th¼ng cµng dµi sîi cµng ®µn håi. Sau ®ã ®é d·n dµi t¨ng kh¸ nhanh → sîi b−íc vµo giai ®o¹n ch¶y dÎo, ®é 8 ®µn håi thùc sù ®· mÊt ®i. §iÓm uèn cña ®−êng biÓu diÔn lµ ®iÓm tíi h¹n cña sîi, th−êng xuÊt hiÖn rÊt sím ë ®a sè c¸c sîi. Sîi tèt nhÊt lµ sîi hÇu nh− kh«ng bÞ d·n trªn m¸y dÖt. e/ §é ®µn håi §é ®µn håi lµ kh¶ n¨ng håi phôc trë l¹i kÝch th−íc ban ®Çu sau khi kÐo c¨ng b»ng ngo¹i lùc. NÕu sau khi kÐo d·n 10% råi gi¶i phãng lùc t¸c dông, sîi hoµn toµn trë l¹i ®é dµi ban ®Çu, th× ®é ®µn håi cña sîi b»ng 100%. NÕu sîi bÞ d·n, chiÒu dµi sau khi håi phôc sÏ t¨ng lªn, gi¶ sö lµ 2% th× ®é ®µn håi lµ 80%. §é ®µn håi cµng nhá th× chÊt l−îng sîi cµng cao. f/ §é uèn gÊp §é uèn gÊp nh»m x¸c ®Þnh sè lÇn gÊp cho tíi khi sîi bÞ ®øt cã ý nghÜa ®Æc tr−ng cho tÝnh bÒn cña v¶i khi chÞu nh÷ng t¸c ®éng t−¬ng tù trong thùc tÕ nh− giÆt, vß... Trong ®ã sîi poliamit cã ®é bÒn uèn gÊp rÊt lín (> sîi vitxco 70 - 80 lÇn). g/ §é mµi mßn §é mµi mßn ®−îc x¸c ®Þnh trªn m¸y mµi mßn cã ®Üa mµi b»ng bét oxyt nh«m cho ta thÊy kh¶ n¨ng chÞu ®ùng cña sîi khi cã ma s¸t liªn tôc. h/ §é hót Èm §é hót Èm ®−îc x¸c ®Þnh b»ng l−îng n−íc (%) mµ sîi hÊp thô khi nhiÖt ®é cña kh«ng khÝ lµ 20 oC vµ ®é Èm lµ 60%. VÒ tÝnh chÊt nµy ng−êi ta chia sîi cã ho¸ häc ra lµm 3 nhãm: - Nhãm −a n−íc: lµ nh÷ng sîi cã cÊu t¹o ho¸ häc chøa nh÷ng nhãm ®Þnh chøc - OH, hót Èm rÊt tèt (> 20%) → sîi nh©n t¹o nh− vitxco, mo®an... - Nhãm trung b×nh: ®é hót Èm tõ 3 - 4% → sîi poliamit - Nhãm kÞ n−íc: ®é hót Èm ≤ 1% → phÇn lín sîi tæng hîp. §é hót Èm cµng cao sîi cµng tho¸ng m¸t, dÔ chÞu. §é hót Èm thÊp, sîi th−êng bÝ, g©y c¶m gi¸c nãng bøc khã chÞu nhÊt lµ ®èi víi quÇn ¸o mïa hÌ, quÇn ¸o lãt... i/ Träng l−îng riªng 9 Träng l−îng riªng ®−îc ®o b»ng ®¬n vÞ lµ g/cm3 gióp ta nhËn biÕt hiÖu suÊt gia c«ng sîi thµnh v¶i. Träng l−îng cµng nhá, sè l−îng mÐt v¶i thu ®−îc khi dÖt cµng lín tøc lµ hiÖu suÊt sö dông nguyªn liÖu lín. §iÓn h×nh lµ sîi hãa häc cã träng l−îng riªng nhá nªn hiÖu suÊt sö dông nguyªn liÖu khi dÖt v¶i lín h¬n nhiÒu so víi sîi thiªn nhiªn (®©y lµ mét −u ®iÓm tiªu biÓu cña sîi hãa häc). Sîi cã chøa flo cã d lín nhÊt (2,2 ÷ 2,3 g/cm3) vµ thÊp nhÊt lµ sîi PP (0,92 g/cm3). * Ngoµi ra cßn cã mét sè tÝnh chÊt cña sîi nh»m cho ta biÕt mét c¸ch toµn diÖn vÒ mét lo¹i sîi nµo ®ã nh−: nhiÖt ®é mÒm cao, nhiÖt ®é nãng ch¶y. Tõ ®ã x¸c ®Þnh chÕ ®é lµ ñi cho lo¹i v¶i ®ã. §é ®Þnh h−íng, ®é kÕt tinh, ®é nhuém mµu, ®é c¸ch nhiÖt nh»m lùa chän lo¹i sîi cã ®é Èm kh¸c nhau. §é bÒn víi khÝ quyÓn, ¸nh s¸ng, c¸c bøc x¹ hång ngo¹i vµ tö ngo¹i nh»m x¸c ®Þnh tÝnh chÞu l·o ho¸ cña sîi. §é bÒn víi vi sinh vËt, kh¶ n¨ng chÞu ho¸ chÊt ®Ó tõ ®ã t×m ph−¬ng ph¸p giÆt tÈy hoÆc x¸c ®Þnh ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña sîi. TÝnh nhiÔm ®iÖn th−êng g©y ra tiÕng næ l¸ch t¸ch, v¶i dÔ bÞ bÈn. * Tãm l¹i: Nh÷ng tÝnh chÊt c¬ lý cña sîi ho¸ häc nãi chung liªn quan mËt thiÕt víi nhau, g¾n bã víi nhau, mçi tÝnh chÊt ph¶n ¸nh nh»m gióp ta t×m hiÓu toµn diÖn mét lo¹i sîi tõ viÖc x¸c ®Þnh ®iÒu kiÖn gia c«ng tíi viÖc lùa chän thÝch hîp cho môc ®Ých sö dông nhÊt ®Þnh. Chương 3 NGUYÊN LIỆU CƠ BẢN CỦA SỢI HÓA HỌC 3.1. Mở đầu 3.2. Đặc trưng về thành phần, cấu tạo của nguyên liệu tạo sợi 3.2.1. CÊu t¹o hãa häc Trõ nhãm sîi v« c¬ hÇu hÕt sîi hãa häc ®Òu ®−îc cÊu t¹o bëi c¸c hîp chÊt cao ph©n tö hay cßn gäi lµ polyme. C¸c polyme nµy ®Òu ®−îc t¹o ra tõ c¸c ph©n tö ®¬n gi¶n gäi lµ monome, m¹ch ®¹i ph©n tö cña chóng ®−îc nèi 10 víi nhau b»ng nh÷ng liªn kÕt hãa häc tõ c¸c m¾t xÝch c¬ b¶n. C¸c polyme cã ®Æc ®iÓm lµ träng l−îng ph©n tö rÊt lín vµ h×nh d¹ng ®Æc biÖt: chiÒu dµi lín gÊp nhiÒu lÇn so víi chiÒu réng, do ®ã mµ t¹o ra tÝnh chÊt ®Æc biÖt cho polyme lµ kh¶ n¨ng t¹o sîi. C¸c tÝnh chÊt cña sîi ®−îc x¸c ®Þnh tr−íc hÕt do cÊu t¹o vµ tÝnh chÊt cña polyme t¹o sîi, tiÕp ®Õn lµ c¸c th«ng sè kü thuËt, tÝnh chÊt c«ng nghÖ gia c«ng sîi. CÊu t¹o hãa häc cña polyme lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh ®Ó lùa chän ph−¬ng ph¸p gia c«ng vµ tÝnh chÊt c¬ lý cña sîi thµnh phÈm. ChÝnh c¸c nhãm nguyªn tö trong polyme g©y ra hµng lo¹t c¸c tÝnh chÊt c¬, lý, hãa cho sîi hãa häc: c¸c nhãm ph©n cùc nh− - OH; - NH2; - COOH... lµm cho sîi hãa häc cã tÝnh hót Èm, må h«i tèt vµ dÔ nhuém mµu, tuy nhiªn chóng l¹i kÐm bÒn vÒ mÆt hãa häc. Vµ ng−îc l¹i. Trong ®¹i ph©n tö polyme t¹o sîi cã chøa nhãm thÕ (- CN; - OCOCH3) th× liªn kÕt gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö kÐm chÆt chÏ → sîi rÊt c¾n mµu, xèp, dÔ tan trong c¸c dung m«i h÷u c¬. NÕu trong ®¹i ph©n tö cã chøa nh©n th¬m sÏ lµm t¨ng ®é cøng cña polyme → t¨ng lùc t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ph©n tö trong khèi polyme → sîi cã tÝnh chÞu nhiÖt cao, tuy nhiªn cã nh−îc ®iÓm lµ khã gia c«ng. 3.2.2. CÊu tróc m¹ch ®¹i ph©n tö Polyme t¹o sîi tr−íc hÕt lµ nh÷ng polyme cã cÊu tróc m¹ch th¼ng, h¹n chÕ tèi ®a sù cã mÆt cña m¹ch nh¸nh hay nh÷ng nhãm thÕ cång kÒnh. §©y lµ tÝnh chÊt tuyÕn tÝnh cña polyme t¹o sîi. Polyme t¹o sîi tån t¹i 2 tr¹ng th¸i pha kh¸c nhau: kÕt tinh vµ v« ®Þnh h×nh, x¸c ®Þnh do b¶n chÊt hãa häc, ®iÒu kiÖn tæng hîp hoÆc tèc ®é lµm l¹nh. Polyme trong s¶n xuÊt sîi th× tèc ®é kÕt tinh t¨ng, nh÷ng tinh thÓ t¹o thµnh do t¸c dông ngo¹i lùc sÏ s¾p xÕp theo kiÓu bÊt ®¼ng h−íng, nghÜa lµ nh÷ng tÝnh chÊt cña nã (tÝnh chÊt quang häc, c¬ häc, ®iÖn häc...) theo nh÷ng h−íng kh¸c nhau sÏ kh¸c nhau. §é kÕt tinh cña polyme cao b¶o ®¶m cho sîi bÒn h×nh d¹ng, nhÊt lµ kh«ng bÞ co ngãt khi sö dông. 3.3. Các phương pháp cơ bản tổng hợp polyme 11 C¸c polyme dïng t¹o sîi ®Òu ®−îc tæng hîp tõ monome. C¸c monome nµy th−êng kh«ng cã s½n trong thiªn nhiªn, mµ nã ®−îc t¹o ra b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p hãa häc tõ c¸c nguyªn liÖu c¬ b¶n. Th−êng c¸c monome ®−îc chÕ biÕn tõ c¸c nguyªn liÖu cã trong tù nhiªn nh− dÇu má, than ®¸, khÝ thiªn nhiªn, ®¸ v«i ...C¸c c¬ së chÕ biÕn dÇu má, khÝ thiªn nhiªn, s¶n ®Êt ®Ìn, ho¸ chÊt c¬ b¶n vµ c¸c ngµnh c«ng nghiÖp hãa chÊt ®¶m nhËn nhiÖm vô nµy. C¸c ph−¬ng ph¸p tæng hîp polyme gåm: + Trïng hîp m¹ch + Trïng hîp bËc + Trïng ng−ng + ChuyÓn hãa vßng thµnh polyme m¹ch th¼ng. 1/ Trïng hîp m¹ch Trïng hîp m¹ch lµ ph¶n øng kÕt hîp mét sè lín ph©n tö mµ kh«ng t¸ch c¸c s¶n phÈm phô. Nh− vËy ph¶n øng x¶y ra kh«ng cã sù biÕn ®æi nµo vÒ thµnh phÇn nguyªn tè cña chÊt tham gia ph¶n øng. D¹ng tæng qu¸t cña ph¶n øng trïng hîp cã thÓ biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh: nA → (A)n C¸c hîp chÊt cã kh¶ n¨ng trïng hîp lµ c¸c hîp chÊt cã liªn kÕt béi, sè l−îng vµ tÝnh chÊt cña nh÷ng liªn kÕt ®ã trong ph©n tö monome th−êng kh¸c nhau. VÝ dô: Qu¸ tr×nh trïng hîp olefin vµ c¸c dÉn xuÊt cña chóng, x¶y ra do sù më liªn kÕt ®«i cña chóng: nCH2 = CHX → - CH2 - CHX - CH2 - CHX - CH2 - CHX Qu¸ tr×nh trïng hîp nãi chung lu«n kÌm theo sù gi¶m ®é kh«ng no cña chÊt tham gia ph¶n øng, gi¶m sè ph©n tö chung trong hÖ vµ t¨ng träng l−îng ph©n tö trung b×nh cña ph©n tö. C¸c hîp chÊt cao ph©n tö thu ®−îc khi trïng hîp c¸c hîp chÊt cã mét nèi ®«i nãi chung sÏ trë thµnh polyme no. Khi trïng hîp c¸c hîp chÊt cã chøa 2 nèi ®«i trë lªn th× th−êng thu ®−îc polyme cã sè nèi ®«i thÊp h¬n hîp chÊt ban ®Çu. 12 VÝ dô: nCH2 = CH-CH = CH2 → -CH2 - CH = CH - CH2 - CH2 - CH = CH CH2Ngoµi monome cã liªn kÕt béi gi÷a c¸c nguyªn tö cacbon, cßn cã monome cã liªn kÕt béi gi÷a cacbon vµ c¸c nguyªn tè kh¸c nµo ®ã nh− oxy, nit¬, l−u huúnh... còng cã thÓ trïng hîp m¹ch vµ t¹o ra polyme gäi lµ polyme dÞ m¹ch. VÝ dô: nCH = NOH → - CH2 - N - CH2 - N - CH2 - N⎜ ⎜ ⎜ OH OH OH - Còng cã thÓ trïng hîp ®−îc c¸c hîp chÊt no cã cÊu t¹o vßng chøa dÞ nguyªn tè trong vßng. Trong tr−êng hîp nµy x¶y ra sù më vßng khi trïng hîp vµ t¹o thµnh polyme th¼ng dÞ m¹ch. VÝ dô: nCH2-CH2 → -O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-OHoÆc nhiÒu vßng m¾t xÝch h¬n nh− caprolactam: → gäi lµ trïng hîp bËc * C¬ chÕ cña ph¶n øng trïng hîp m¹ch Ng−êi ta ®· chøng minh ph¶n øng trïng hîp x¶y ra theo c¬ chÕ d©y chuyÒn gåm 3 giai ®o¹n: + Giai ®o¹n kh¬i mµo: t¹o ra c¸c trung t©m ho¹t ®éng (gèc tù do, c¸c ion ho¹t tÝnh) + Giai ®o¹n ph¸t triÓn m¹ch + Giai ®o¹n ng¾t m¹ch S¬ ®å chung cña c¸c giai ®o¹n nh− sau: Ax → Ax° (giai ®o¹n kh¬i mµo) Ax + Ax° → Ay° 13 Ay° + Ax → Az° (giai ®o¹n ph¸t triÓn m¹ch) Ax + Az° → At° A° → An (giai ®o¹n ng¾t m¹ch) Trong tr−êng hîp ph¶n øng trïng hîp diÔn biÕn ®¬n gi¶n nhÊt, ®é dµi cña ®¹i ph©n tö sÏ t−¬ng øng víi ®é dµi cña m¹ch ph¶n øng tøc lµ t−¬ng øng víi giai ®o¹n ph¸t triÓn m¹ch kÕ tiÕp nhau. §Æc tr−ng cña ph¶n øng trïng hîp m¹ch (t−¬ng tù víi ph¶n øng d©y chuyÒn th«ng th−êng): * Giai ®o¹n t¹o thµnh c¸c trung t©m ho¹t ®éng lu«n lu«n ®ßi hái ph¶i tiªu tèn mét n¨ng l−îng lín vµ tiÕn triÓn chËm. * Giai ®o¹n ph¸t triÓn m¹ch cã n¨ng l−îng ho¹t hãa nhá vµ tèc ®é ph¶n øng rÊt lín. HiÖu øng nhiÖt cña ph¶n øng ph¸t triÓn m¹ch lu«n d−¬ng. * Giai ®o¹n ng¾t m¹ch còng ®Æc tr−ng b»ng n¨ng l−îng ho¹t hãa nhá vµ x¶y ra víi tèc ®é t−¬ng ®èi cao. Râ rµng tèc ®é ph¸t triÓn m¹ch cµng cao so víi tèc ®é ng¾t m¹ch th× ®é dµi cña m¹ch ®¹i ph©n tö sÏ cµng lín vµ do ®ã träng l−îng ph©n tö polyme cµng lín. Nh− vËy ®é dµi cña m¹ch ®¹i ph©n tö vµ träng l−îng ph©n tö polyme phô thuéc vµo t−¬ng quan gi÷a tèc ®é cña c¸c giai ®o¹n c¬ b¶n trong qu¸ tr×nh trïng hîp m¹ch. C¸c trung t©m ho¹t ®éng ®−îc t¹o ra do qu¸ tr×nh ho¹t hãa ph©n tö ban ®Çu b»ng mét n¨ng l−îng võa ®ñ, cã thÓ lµ n¨ng l−îng ¸nh s¸ng, bøc x¹, n¨ng l−îng nhiÖt, hoÆc c¸c chÊt xóc t¸c, c¸c chÊt kh¬i mµo thuéc nhãm peroxit, azo, diazo... C¸c trung t©m ho¹t ®éng t¹o ra cã thÓ lµ gèc tù do, ion d−¬ng, ion ©m vµ t−¬ng øng víi nã mµ ph¶n øng ®−îc gäi lµ trïng hîp gèc hay trïng hîp ion. Ngoµi ra ng−êi ta cßn ph©n lo¹i ph¶n øng trïng hîp m¹ch theo t¸c nh©n kÝch thÝch qu¸ tr×nh kh¬i mµo: + Trïng hîp nhiÖt + Trïng hîp quang 14 + Trïng hîp bøc x¹ + Trïng hîp xóc t¸c + Trïng hîp kh¬i mµo HiÖn nay ng−êi ta x¸c ®Þnh ®−îc r»ng: trïng hîp nhiÖt, trïng hîp quang, trïng hîp kh¬i mµo b»ng c¸c hîp chÊt peroxyt, azo, diazo ®Òu t¹o ra trung t©m ho¹t ®éng lµ gèc tù do. Cßn trïng hîp xóc t¸c (AlCl3, BF3, SnCl4, c¸c hîp chÊt c¬ kim) th× t¹o ra trung t©m ho¹t ®éng lµ c¸c ion. Sè l−îng trung t©m ho¹t ®éng tuú thuéc vµo n¨ng l−îng mµ monome tiÕp nhËn ®−îc vµ møc n¨ng l−îng ho¹t hãa cho qu¸ tr×nh nµy. Liªn kÕt ®«i cã n¨ng l−îng lín h¬n liªn kÕt ®¬n. Khi liªn kÕt ®«i bÞ ®øt, n¨ng l−îng ®−îc gi¶i phãng d−íi d¹ng nhiÖt l¹i chÝnh lµ t¸c nh©n ®Ó ho¹t hãa c¸c ph©n tö kh¸c. C¸c trung t©m ho¹t ®éng nãi trªn lu«n lu«n cã khuynh h−íng trao ®æi n¨ng l−îng d− thõa cña m×nh cho ph©n tö kh¸c, lµm ®øt liªn kÕt béi cña ph©n tö nµo chóng gÆp råi kÕt hîp víi ph©n tö nµy thµnh mét ph©n tö míi (dµi h¬n) víi mét trung t©m ho¹t ®éng míi → ®©y chÝnh lµ giai ®o¹n ph¸t triÓn m¹ch. §Õn mét lóc nµo ®ã trong qu¸ tr×nh chuyÓn ®éng hçn lo¹n 2 trung t©m ho¹t ®éng gÆp nhau, hoÆc x¶y ra hiÖn t−îng lµ trong b¶n th©n mét trung t©m nµo ®ã c¸c hãa trÞ tù do ®−îc trung hßa, th× lóc ®ã qu¸ tr×nh ph¸t triÓn m¹ch bÞ t¾c l¹i. C¸c trung t©m ho¹t ®éng sÏ kÕt hîp víi nhau ®Ó t¹o thµnh ph©n tö trung hßa ®ã lµ ®¹i ph©n tö polyme → ®©y chÝnh lµ giai ®o¹n ng¾t m¹ch. KÕt luËn: Giai ®o¹n kh¬i mµo cã ¶nh h−ëng lín nhÊt tíi toµn bé qu¸ tr×nh ph¶n øng. Trung t©m ho¹t ®éng cµng Ýt th× sè c¸c ®¹i ph©n tö kh«ng nhiÒu, nh−ng ®é lín cña tõng ®¹i ph©n tö cao (tøc träng l−îng ph©n tö cña polyme lín), vµ ng−îc l¹i. 2/ §ång trïng hîp §ång trïng hîp lµ qu¸ tr×nh trïng hîp phèi hîp cña hai hoÆc nhiÒu lo¹i monome kh¸c nhau. Polyme thu ®−îc gäi lµ copolyme. Trong c«ng nghiÖp sîi ng−êi ta th−êng hay nh¾c ®Õn lo¹i sîi ®ång trïng hîp 2 lo¹i monome lµ vinylclorua vµ vinylaxetat (CH2=CHCOOCH3) 15 Thµnh phÇn cña m¹ch ph©n tö copolyme gåm c¸c m¾t xÝch kh¸c nhau t−¬ng øng víi sè monome ban ®Çu. Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng ®ång trïng hîp tæng qu¸t: nA + mB → -A-A-B-A-B-B-B-A-A-B-AB»ng c¸ch dïng c¸c cÊu tö ban ®Çu kh¸c nhau vµ thay ®æi tû lÖ cña chóng mµ ta cã thÓ thay ®æi thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt cña copolyme. §a sè copolyme cã cÊu t¹o kh«ng ®iÒu hßa: trong m¹ch ph©n tö cña chóng c¸c m¾t xÝch c¬ së kh¸c nhau s¾p xÕp mét c¸ch hçn ®én vµ kh«ng thÓ t¸ch rêi c¸c ®o¹n m¹ch lÆp ®i lÆp l¹i mét c¸ch tuÇn hoµn. §ång trïng hîp cã øng dông lín trong thùc tÕ v× nã cho phÐp lµm thay ®æi tÝnh chÊt c¸c hîp chÊt cao ph©n tö trong mét giíi h¹n réng. VÝ dô: copolyme cña acrylonitril vµ vinylclorua -CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH→ copolyme nµy tan tèt trong axeton trong khi ®ã c¶ polyacrylonitryl vµ PVC chØ tan trong c¸c dung m«i cã ®iÓm s«i cao vµ khã kiÕm. Sîi t¹o ra tõ poliacrylonitryl cã mét sè tÝnh chÊt gièng nh− len nh−ng rÊt khã nhuém mµu. Khi ®ång trïng hîp acrylonitryl víi c¸c amin ch¼ng h¹n víi vinylpiridin sÏ cho copolyme: cã ¸i lùc cao víi thuèc nhuém. Nh− vËy ®ång trïng hîp cßn gäi lµ qu¸ tr×nh biÕn tÝnh polyme nh»m thay ®æi mét sè tÝnh chÊt cho polyme ®¸p øng yªu cÇu sö dông còng nh− yªu cÇu vÒ c«ng nghÖ. 3/ Trïng ng−ng Trïng ng−ng lµ ph¶n øng tæng hîp polyme x¶y ra do sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c nhãm chøc cña c¸c chÊt tham gia ph¶n øng t¹o thµnh nhãm chøc míi liªn kÕt c¸c phÇn cßn l¹i cña ph©n tö ph¶n øng vµ ®ång thêi t¸ch ra c¸c chÊt ®¬n gi¶n thÊp ph©n tö nh− n−íc, r−îu, amoniac, cloruahydro... 16 Kh¸c víi s¶n phÈm trïng hîp s¶n phÈm trïng ng−ng cã thµnh phÇn hãa häc kh«ng gièng víi thµnh phÇn hãa häc cña c¸c chÊt ban ®Çu. Ph¶n øng trïng ng−ng ®Æc tr−ng cho c¸c hîp chÊt trong thµnh phÇn chøa c¸c nhãm chøc. Khi c¸c nhãm chøc nµy ph¶n øng víi nhau sÏ t¸ch ra ph©n tö ®¬n gi¶n vµ t¹o thµnh nhãm chøc míi liªn kÕt nh÷ng phÇn cßn l¹i cña ph©n tö ph¶n øng. Qu¸ tr×nh trïng ng−ng trong ®ã chØ cã c¸c ph©n tö cïng lo¹i tham gia gäi lµ qu¸ tr×nh trïng ng−ng ®ång lo¹i. D¹ng tæng qu¸t cña qu¸ tr×nh nµy cã thÓ tr×nh bµy b»ng ph−¬ng tr×nh sau: nX-R-Y → X- (R-Z)n-1-R-Y + (n-1)a Trong ®ã: X, Y lµ c¸c nhãm chøc cña chÊt ban ®Çu. Z lµ nhãm liªn kÕt phÇn cßn l¹I cña c¸c ph©n tö ph¶n øng. Qu¸ tr×nh trïng ng−ng trong ®ã c¸c ph©n tö kh¸c lo¹i tham gia ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh trïng ng−ng kh¸c lo¹i. D¹ng ph−¬ng tr×nh tæng qu¸t cã thÓ biÓu diÔn nh− sau: nX - R - X + nY - R’ - Y → X - (R - Z - R’ - Z)n - 1- R - Z - R’ - Y + (2n - 1)a VÝ dô: Sù trïng ng−ng cña acid adipic vµ hexametylendiamin t¹o thµnh polihexametylenadipamit (polyamit66 hay nylon66): NHOOC-(CH2)4-COOH + nNH2-(CH2)6-NH2 → HO-[-OC-(CH2)4 - CONH - (CH2)6 - NH-]n + (2n - 1)H2O → ®©y chÝnh lµ polyme ®Ó t¹o sîi cã tªn gäi lµ nilon66 hay polyamit66. NÕu cã tõ ba lo¹i monome kh¸c nhau tham gia ph¶n øng cïng mét lóc ®Ó cuèi cïng thu ®−îc 1 copolyme th× ph¶n øng ®−îc gäi lµ ®ång trïng ng−ng. Khi trong hçn hîp ph¶n øng cã mÆt mét hîp chÊt ®¬n chøc nµo ®ã th× chÊt nµy cã kh¶ n¨ng khãa 1 nhãm chøc ho¹t ®éng cña ph¶n øng, lµm qu¸ tr×nh ph¸t triÓn m¹ch t¾c nghÏn. Th−êng ®©y lµ mét hiÖn t−îng kh«ng mong muèn vµ x¶y ra trong tr−êng hîp monome kh«ng s¹ch. 17 Tuy nhiªn trong s¶n xuÊt ng−êi ta lîi dông nã ®Ó ®iÒu chØnh träng l−îng ph©n tö polyme theo ý muèn vµ lóc ®ã c¸c hîp chÊt nµy ®−îc gäi lµ chÊt æn ®Þnh träng l−îng ph©n tö. Ph¶n øng trïng ng−ng lµ mét tr−êng hîp cña lo¹i ph¶n øng phæ biÕn trong ho¸ häc h÷u c¬ lµ ph¶n øng ng−ng tô. Nã tu©n theo c¬ chÕ vµ nh÷ng ®Æc tr−ng cña lo¹i ph¶n øng nµy: ®ã lµ ph¶n øng thuËn nghÞch, cã thÓ dÞch chuyÓn ph¶n øng vÒ phÝa t¹o thµnh polyme, nh−ng l¹i cã kh¶ n¨ng x¶y ra sù ph©n hñy polyme, t¹o ra c¸c chÊt cã träng l−îng ph©n tö nhá h¬n. §Ó lµm cho ph¶n øng dÞch chuyÓn vÒ phÝa t¹o polyme ng−êi ta tiÕn hµnh lÊy ra c¸c ph©n tö thÊp ph©n tö trong qu¸ tr×nh ph¶n øng. V× c¸c chÊt t¸ch ra th−êng lµ nh÷ng hîp chÊt nh− n−íc, r−îu, amoniac... nªn dÔ dµng lÊy ra b»ng ch−ng cÊt ë nhiÖt ®é kh«ng cao l¾m, dïng ch©n kh«ng ®Ó t¸ch ra, dïng hçn hîp ®¼ng phÝ víi nh÷ng dung m«i dÔ bay h¬i, dÔ t¸ch... Còng nh− ph¶n øng trïng hîp, ph¶n øng trïng ng−ng cã thÓ thùc hiÖn trong khèi nãng ch¶y, trong dung dÞch, trong huyÒn phï, trong nhò t−¬ng, trïng ng−ng cßn cã thÓ tiÕn hµnh ë bÒ mÆt ph©n chia c¸c pha láng víi nhau. Nh÷ng polyme t¹o thµnh do nh÷ng ph−¬ng ph¸p nãi trªn th−êng lµ trong suèt, do vËy cuèi giai ®o¹n tæng hîp polyme ng−êi ta cho vµo c¸c chÊt lµm mê víi l−îng 0,1%, cã t¸c dông lµm sîi kh«ng trong suèt n÷a. ChÊt lµm mê th−êng lµ nh÷ng bét mµu v« c¬ mµu tr¾ng, rÊt mÞn mµng (kÝch th−íc h¹t tõ 1 ®Õn 3 µm) cã kh¶ n¨ng c¶n quang cao vµ ®−îc ph©n t¸n ®Òu trong polyme. Trong sè c¸c lo¹i th× oxyt titan (TiO2) lµ phæ biÕn nhÊt v× chÊt nµy cã kh¶ n¨ng lµm mê sîi rÊt cao, bÒn, chÞu ho¸ chÊt, l¹i t−¬ng ®èi rÎ tiÒn. Ngoµi ra ng−êi ta cßn bæ sung thªm mét l−îng rÊt nhá chÊt ho¹t ®éng quang häc, qu¸ tr×nh nµy ng−êi ta gäi lµ qu¸ tr×nh l¬ quang. Môc ®Ých lµ lµm cho mµu tr¾ng cña sîi trë nªn cã ¸nh xanh, hång hoÆc tÝm lµm t¨ng thªm s¾c tr¾ng cho v¶i. §èi víi c¸c lo¹i sîi kh«ng ¨n mµu nªn rÊt khã kh¨n khi nhuém mµu th× ng−êi ta cho thªm chÊt mµu vµo polyme khi ®ang ë d¹ng nãng ch¶y, vÝ dô ®èi víi sîi poliolªfin. 18 Chương 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO SỢI ë trªn ®· tr×nh bµy c¸c ph−¬ng ph¸p t¹o ra nguyªn liÖu ®Ó t¹o ra sîi thµnh phÈm, ®©y lµ b−íc ®Çu tiªn cña qu¸ tr×nh s¶n xuÊt sîi, b−íc tiÕp theo lµ qu¸ tr×nh t¹o thµnh sîi thµnh phÈm ®Ó tõ ®ã chuyÓn ®Õn nhµ m¸y sîi hoÆc c¸c c¬ së ®Ó gia c«ng. Qu¸ tr×nh t¹o sîi bao gåm 3 giai ®o¹n: + ChuÈn bÞ polyme + KÐo sîi + KÐo c¨ng - hoµn tÊt T¹o sîi lµ mét qu¸ tr×nh c¬ b¶n nhÊt cña c«ng nghiÖp s¶n xuÊt sîi ho¸ häc, cã thÓ phèi hîp c¶ qu¸ tr×nh ho¸ häc vµ vËt lý (®èi víi sîi nh©n t¹o); cã thÓ chØ lµ qu¸ tr×nh vËt lý ®¬n thuÇn (®èi víi ®a sè sîi tæng hîp). 4.1. C«ng ®o¹n chuÈn bÞ nguyªn vËt liÖu kÐo sîi Th«ng th−êng nguyªn liÖu ban ®Çu ®Ó s¶n xuÊt sîi (tæng hîp vµ nh©n t¹o) ®Òu ë d¹ng r¾n, d¹ng h¹t do ®ã ®Ó kÐo sîi th× ph¶i lµm cho polyme ban ®Çu trë nªn linh ®éng hay nãi c¸ch kh¸c lµ chuyÓn polyme sang tr¹ng th¸i láng nhít. Cã 2 c¸ch ®Ó lµm ®−îc ®iÒu nµy: - C¸ch thø nhÊt lµ hßa tan nguyªn liÖu trong dung m«i thÝch hîp nµo ®ã. §èi víi nh÷ng polyme khã hßa tan trong c¸c dung m«i th«ng th−êng th× ph¶i dïng c¸c t¸c nh©n ho¸ häc ®Ó chuyÓn polyme thµnh c¸c dÉn xuÊt trung gian dÔ hßa tan trong c¸c dung m«i th«ng th−êng. Dung m«i thÝch hîp ph¶i ®¸p øng ®ång thêi mét sè ®iÒu kiÖn: kh¶ n¨ng ph©n t¸n polyme lín, rÎ, dÔ kiÕm, kh«ng ®éc, kh«ng g©y næ, khã b¾t löa, dÔ thu håi... - C¸ch thø hai: ®−a polyme lªn mét nhiÖt ®é nµo ®ã, cho ®Õn khi polyme nãng ch¶y vµ chuyÓn sang tr¹ng th¸i láng nhít. Tr−íc khi sang c«ng ®o¹n Ðp kÐo sîi ng−êi ta cßn thùc hiÖn mét sè thao t¸c phô nh− läc ®Ó t¸ch c¸c t¹p chÊt, phÇn polyme ch−a hßa tan hoÆc khö c¸c bät khÝ b»ng ch©n kh«ng, v× chóng lµ nh÷ng nguyªn nh©n lµm ®øt dßng sîi phun ra liªn tôc. 19 4.2. C«ng ®o¹n kÐo sîi Polyme ®−îc t¹o thµnh sîi trªn thiÕt bÞ ®Æc biÖt lµ m¸y kÐo sîi. M¸y thùc hiÖn nh÷ng c«ng ®o¹n nh−: läc (nÕu cÇn); dïng b¬m ®Þnh l−îng Ðp chÊt láng qua “philie”, lµm l¹nh sîi vµ cuèn sîi vµo èng sîi. Bé phËn quan träng cña m¸y kÐo sîi lµ mò philie. Cã hai lo¹i mò philie chÝnh: philie b¶n ph¼ng vµ philie h×nh mò. - Philie b¶n ph¼ng th−êng ®−îc lµm b»ng thÐp cao cÊp, kh«ng gØ hoÆc b»ng hîp kim ®Æc biÖt, cã ®é dµu tïy tr−êng hîp, chÞu ®−îc ¸p suÊt tíi 100 kG/cm2, trªn bÒ mÆt cã ®ôc lç nhá cã h×nh d¹ng rÊt ®a d¹ng (trßn, h×nh ch÷ nhËt, h×nh sao, h×nh kim...), thµnh lç cã ®é bãng rÊt cao. H×nh d¹ng cña nã cã thÓ kh¸c nhau tïy thiÕt kÕ cña m¸y, cã thÓ lµ h×nh trßn, h×nh ch÷ nhËt... Sè lç trªn philie thay ®æi tõ 1 ÷ 1500; b¸n kÝnh tõ 0,1 m trë lªn. Tuy tr«ng cã vÎ ®¬n gi¶n nh− vËy nh−ng kü thuËt chÕ t¹o philie rÊt c«ng phu. - Philie h×nh mò (cßn gäi lµ mò phun sîi) ®−îc lµm b»ng thÐp kh«ng gØ, kim lo¹i quý, th«ng th−êng nhÊt lµ platin. Philie h×nh mò máng h¬n rÊt nhiÒu so víi philie b¶n ph¼ng, b¸n kÝnh lç còng nhá h¬n, tõ 0,04 mmm trë lªn. PhÇn trªn cã h×nh trô, phÇn d−íi h×nh phÔu lµm cho sîi rÊt m¶nh. ViÖc chÕ t¹o mò phun nµy rÊt kú c«ng: dïng khoan b»ng tia löa ®iÖn, ®¸nh bãng b»ng bét kim c−¬ng mÞn. Do platin dÔ d¸t máng nªn mËt ®é ®ôc lç rÊt cao: 20.800 lç trªn mét mò cã ®−êng kÝnh lµ 47 mm. H×nh d¹ng cña lç ®ôc rÊt ®a d¹ng, ®éc ®¸o ®Ó thu ®−îc sîi cã nh÷ng tiÕt diÖn kh¸c nhau hoÆc sîi rçng. CÇn chó ý r»ng ®é m¶nh cña sîi kh«ng ph¶i do lç phun lín hay nhá. YÕu tè quyÕt ®Þnh ®é m¶nh cña sîi l¹i lµ tû sè gi÷a tèc ®é ch¶y cña polyme khi ra khái lç phun vµ tèc ®é cuèn sîi vµo èng trªn m¸y kÐo sîi. 4.3. C¸c ph−¬ng ph¸p kÐo sîi Ng−êi ta ph©n biÖt ba ph−¬ng ph¸p kÐo sîi: + Ph−¬ng ph¸p kÐo −ít + Ph−¬ng ph¸p kÐo kh« + Ph−¬ng ph¸p kÐo tõ khèi nãng ch¶y 4.3.1. Ph−¬ng ph¸p kÐo −ít 20