Giáo trình môn Công nghệ sợi hoá học

65 trang vanle 2900

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Công nghệ sợi hoá học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mon_cong_nghe_soi_hoa_hoc.pdf

Nội dung text: Giáo trình môn Công nghệ sợi hoá học

 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 đồng- amoniac, 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 - CH2- Ngoµi 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-O- HoÆc 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-A- B»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
Ph−¬ng ph¸p nµy dïng ®Ó t¹o h×nh nh÷ng polyme hßa tan trong dung m«i nhÊt ®Þnh víi nång ®é ≤ 25%. Dung dÞch sau khi hoµ tan ®−îc qua c¸c bé phËn läc, t¸ch khÝ, råi b¬m qua nh÷ng lç cña philie (d−íi d¹ng t¬ liªn tôc), sau ®ã cho qua mét bÓ ®«ng tô. Dung m«i ®−îc t¸ch ra vµ polyme r¾n l¹i thµnh sîi. Thµnh phÇn cña dung dÞch trong bÓ phô thuéc vµo lo¹i polyme, th−êng lµ n−íc cã hßa tan mét sè muèi v« c¬ nh− clorua, sunfat hay c¸c chÊt phô gia kh¸c. Do sîi chuyÓn ®éng d−íi t¸c dông cña lùc cuèn vµo èng, nªn chóng ®−îc ®Þnh h−íng s¬ bé c¸c ®¹i ph©n tö däc theo trôc cña sîi gióp cho nh÷ng c«ng ®o¹n tiÕp theo (nh− kÐo c¨ng) thùc hiÖn dÔ dµng. Ph−¬ng ph¸p nµy chñ yÕu ®Ó s¶n xuÊt lo¹i sîi nh©n t¹o (nh− vitxco) vµ mét vµi lo¹i sîi tæng hîp nh− acrylic, sîi polivinylclorua (clorophip). 4.3.2. Ph−¬ng ph¸p kÐo −ít Ph−¬ng ph¸p nµy gièng víi ph−¬ng ph¸p kÐo −ít ë chç hßa tan polyme vµo dung m«i, nh−ng dßng dung dÞch polyme tõ lç phun ®i ra gÆp nh÷ng ®iÒu kiÖn lµm ®ãng r¾n polyme nh− thæi luång khÝ nãng hoÆc ¸p suÊt thÊp ®Ó t¸ch dung m«i, polyme ho¸ r¾n thµnh sîi vµ ®−îc cuèn vµo èng. Luång khÝ mang theo dung m«i ®i qua thiÕt bÞ lµm l¹nh, t¹i ®©y h¬i dung m«i ®−îc ng−ng tô, sau ®ã cho qua hÖ thèng thiÕt bÞ tinh chÕ ®Ó sö dông l¹i. Ph−¬ng ph¸p nµy dïng ®Ó s¶n xuÊt sîi tæng hîp nh− axªtat xenluloza; sîi PVC clo ho¸; sîi acrylic 4.3.3. Ph−¬ng ph¸p kÐo sîi tõ khèi nãng ch¶y Ph−¬ng ph¸p nµy dïng chñ yÕu cho sîi tæng hîp. Polyme dïng kÐo sîi th−êng s¶n xuÊt ra ë d¹ng h¹t nhá. §Ó chuyÓn polyme sang tr¹ng th¸i ch¶y nhít ë ®©y ng−êi ta dïng nhiÖt. Khi ë nhiÖt ®é cao ®Ó lµm nãng ch¶y polyme th−êng cã t¸c dông phô nh− thóc ®Èy mét sè ph¶n øng ho¸ häc, trong ®ã cã c¶ nh÷ng ph¶n øng kh«ng cã lîi nh− ph¶n øng thñy ph©n, ph©n hñy oxy ho¸ polyme nhÊt lµ khi cã lÉn t¹p chÊt sÏ lµm gi¶m träng l−îng ph©n tö cña polyme vµ lµm suy gi¶m tÝnh chÊt cña sîi sau nµy. Do ®ã cÇn ph¶i lo¹i bá c¸c 21
t¸c nh©n g©y ra nh− ®é Èm, kh«ng khÝ, t¹p chÊt b»ng c¸ch sÊy kh« polyme, tiÕn hµnh lµm nãng ch¶y polyme trong m«i tr−êng khÝ tr¬ nh− khÝ CO2, N2 Dßng polyme ®i ra khái lç philie, tiÕp xóc víi kh«ng khÝ l¹nh sÏ r¾n l¹i thµnh sîi vµ tr−íc khi quÊn vµo èng sîi th−êng ®−îc tÈm chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt ®Ó chèng t¹o ra hiÖn t−îng tÜnh ®iÖn trªn bÒ mÆt sîi vµ thuËn lîi cho c¸c qu¸ tr×nh gia c«ng sau nµy. 4.4. C«ng ®o¹n kÐo c¨ng - hoµn tÊt Sîi thu trùc tiÕp tõ c¸c c«ng ®o¹n trªn ®−îc gäi lµ sîi ch−a kÐo c¨ng. Sîi nµy th−êng kh«ng bÒn, dÔ biÕn d¹ng, gÆp lùc t¸c dông theo chiÒu däc th× sîi bÞ d·n, gÆp nãng th× bÞ qu¨n tøc lµ kh«ng cã tÝnh ®µn håi, kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt kÐm nghÜa lµ ch−a cã nh÷ng tÝnh chÊt cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh sö dông. Lóc nµy nh÷ng ®¹i ph©n tö polyme trong sîi s¾p xÕp hçn lo¹n mÊt trËt tù. §Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm nµy ng−êi ta tiÕn hµnh qu¸ tr×nh kÐo c¨ng sîi. KÐo c¨ng lµ mét qu¸ tr×nh vËt lý, dïng ngo¹i lùc t¸c dông lªn sîi ch−a c¨ng theo chiÒu dµi cña sîi, cho tíi khi sîi cã chiÒu dµi t¨ng tõ 1,5 ÷ 7 lÇn so víi chiÒu dµi ban ®Çu. Khi kÐo c¨ng sÏ lµm biÕn ®æi cÊu tróc s¾p xÕp cña m¹ch ®¹i ph©n tö, ®Þnh h−íng l¹i c¸c ®¹i ph©n tö polyme s¾p xÕp trËt tù däc theo trôc cña sîi. Do ®ã ®é kÕt tinh cña sîi t¨ng lªn, lµm t¨ng ®é bÒn cho sîi vµ ®¸p øng ®−îc nh÷ng yªu cÇu cña kü thuËt dÖt vµ thuËn lîi khi sö dông. Tuy nhiªn sù ®Þnh h−íng cña ®¹i ph©n tö sau khi kÐo c¨ng còng cã ¶nh h−ëng kh«ng mong muèn ®Õn tÝnh chÊt kh¸c cña sîi, nh− sîi khã nhuém h¬n, tÝnh hót Èm gi¶m. Qu¸ tr×nh kÐo c¨ng ®−îc tiÕn hµnh trªn thiÕt bÞ kÐo c¨ng, trong ®ã sîi ®−îc cuèn trªn nh÷ng b¸nh xe cã tèc ®é quay kh¸c nhau. Tû tèc cña nh÷ng b¸nh xe nµy chÝnh lµ tû sè c¨ng cña sîi. Trong nhiÒu tr−êng hîp ®Ó t¹o ®iÒu kiÖn cho nh÷ng ®¹i ph©n tö polyme trong sîi s¾p xÕp mét c¸ch trËt tù h¬n, ng−êi ta bè trÝ hµnh lo¹t b¸nh xe cuèn sîi víi tèc ®é t¨ng dÇn vµ lóc ®ã tû sè c¨ng chÝnh lµ tû sè gi÷a tèc ®é cña b¸nh xe ®Çu vµ cuèi. Qu¸ tr×nh kÐo c¨ng th−êng thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao h¬n nhiÖt ®é ho¸ thñy tinh cña polyme, tøc lµ nhiÖt ®é mµ t¹i ®ã tÝnh chÊt cña polyme thay ®æi 22
®ét ngét (thÓ tÝch riªng, nhiÖt dung riªng, ®é dÉn nhiÖt, tÝnh c¸ch ®iÖn, chØ sè khóc x¹, mo®un ®µn håi ) Th−êng gia nhiÖt b»ng c¸ch cho sîi tiÕp xóc víi mét “bµn lµ” cã trang bÞ nhiÖt kÕ tù ®iÒu chØnh nhiÖt ®é, hoÆc ®i qua bÓ n−íc nãng, hoÆc buång kÝn b·o hßa h¬i n−íc qu¸ nhiÖt, ®Æt gi÷a 2 b¸nh xe. Qu¸ tr×nh tiÕp theo ®Æc biÖt ®èi víi sîi tæng hîp, lµ æn ®Þnh nhiÖt : ®−a sîi lªn nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh trong kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh. Qu¸ tr×nh nµy cã t¸c dông gi¶i phãng nh÷ng søc c¨ng néi cña c¸c ®¹i ph©n tö trong sîi bÞ kÐo dµi ra mét c¸ch c−ìng bøc, cho phÐp nh÷ng ®¹i ph©n tö bÞ xo¾n tiÕp nhËn mét n¨ng l−îng ®Ó tù do trë vÒ nh÷ng vÞ trÝ thuËn tiÖn h¬n vÒ mÆt n¨ng l−îng. Sau khi ®· æn ®Þnh nhiÖt sîi bÒn h×nh d¹ng, gi÷ nÕp lµ, kh«ng bÞ co khi giÆt b»ng n−íc nãng. Ch−¬ng 5 S¶n xuÊt sîi nh©n t¹o Sîi nh©n t¹o hay cßn gäi lµ sîi b¸n tæng hîp v× nguyªn liÖu ban ®Çu lµ nh÷ng polyme cã s½n trong thiªn nhiªn, ®−îc ph©n thµnh hai nhãm chÝnh: xenluloza vµ protein cña ®éng thùc vËt. 5.1. Sîi trªn c¬ së xenluloza Nhãm sîi trªn c¬ së xenluloza phong phó vÒ s¶n l−îng, ®a d¹ng vÒ chñng lo¹i dùa trªn mét nguån nguyªn liÖu t¸i sinh kh«ng bao giê c¹n nÕu trªn Tr¸i ®Êt cßn n−íc, kh«ng khÝ vµ ¸nh s¸ng. Theo sè liÖu thèng kª Xenluloza thu ®−îc chñ yÕu lµ tõ thÕ giíi thùc vËt hïng hËu vµ phong phó. Xenluloza thùc chÊt lµ mét lo¹i polyme thiªn nhiªn thuéc hä hi®ratcacbon bao gåm c¸c m¾t xÝch c¬ b¶n C6H10O5. Trõ mét sè tr−êng hîp ®Æc biÖt, nã tån t¹i d−íi d¹ng tinh khiÕt nh− b«ng, ®ay, gai Xenluloza chØ lµ mét trong nhiÒu thµnh phÇn cña tÕ bµo thùc vËt víi c¸c tû lÖ kh¸c nhau. Sè l−îng m¾t xÝch c¬ b¶n lµm cho träng l−îng ph©n tö trung b×nh cña xenluloza trong tõng lo¹i c©y dao ®éng kh¸ réng. VÝ dô ®èi víi gç th× ®é trïng hîp trung b×nh kho¶ng 3000, cña b«ng lµ 11.000, cña lanh lµ 36.000 t−¬ng øng víi M ph©n tö lµ 450.000, 1.750.000 vµ 5.900.000 ®¬n vÞ «xi. 23
Xenluloza hßa tan trong mét sè dung m«i rÊt h¹n chÕ. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i lo¹i xenluloza cña tÊt c¶ c¸c lo¹i thùc vËt ®Òu t¹o ®−îc sîi c¶, v× vËy viÖc nghiªn cøu ®Ó lùa chän lo¹i thùc vËt cho c«ng nghiÖp sîi kh«ng ph¶i lµ ®¬n gi¶n vµ rÊt quan träng. Lo¹i thùc vËt ®ã ph¶i tháa m·n c¸c ®iÒu kiÖn nh− sau: - Mäc nhanh, dÔ trång - Hµm l−îng xenluloza cao - DÔ khai th¸c - Gi¸ thµnh rÎ C¸c lo¹i c©y th−êng ®−îc sö dông s¶n xuÊt sîi gåm: th«ng, b¹ch ®µn, phi lao, bå ®Ò, tre nøa ngoµi ra cßn cã thÓ sö dông b· mÝa, lau, sËy, r¬m r¹ Mét sè ph−¬ng ph¸p t¸ch xenluloza: 1/ Ph−¬ng ph¸p acid Th©n c©y ®−îc rãc s¹ch vá, b¨m nhá víi kÝch thøoc nhÊt ®Þnh råi cho vµo nåi b»ng thÐp chÞu ¸p. TiÕp theo lµ cho dung dÞch canxi bisunfit o Ca(HSO3)2 chøa anhy®rit sunfur¬ tù do, gia nhiÖt ®Õn 140-145 C trong thêi gian kho¶ng 10-15 giê. Môc ®Ých lµ t¸ch t¹p chÊt chÝnh trong gç lµ licnin d−íi d¹ng axit licninsunfonic. C¸c t¹p chÊt kh¸c nh− pectin, hªmixenluloza còng bÞ hoµ tan vµo n−íc th¶i. 2/ Ph−¬ng ph¸p kiÒm Nh÷ng m¶nh gç ®· ®−îc b¨m nhá cho vµo nåi nÊu víi dung dÞch xót NaOH 5%, ®«i khi bæ sung thªm natrisunfua, gia nhiÖt ®Õn 150-180 oC, ¸p suÊt lµ 6-10 at, thêi gian nÊu kho¶ng 6 - 8 giê. C«ng ®o¹n tiÕp theo lµ läc xenluloza khái chÊt th¶i hßa tan, råi röa l¹i kü b»ng n−íc mÒm, ®ång thêi ®¸nh t¬i thµnh bét nh·o vµ mang ®i tÊy mµu b»ng clo, sau ®ã tÈy b»ng natri hypoclorit (NaOCl) hoÆc clorua v«i (CaOCl2). Qu¸ tr×nh tÈy tr¾ng nh»m hai môc ®Ých lµ lo¹i bá hÕt c¸c t¹p chÊt lignin lµm vµng sîi vµ oxy ho¸ mét phÇn xenluloza, bÎ g·y m¹ch ph©n tö xenluloza ®Ó lµm t¨ng ho¹t tÝnh cho xenluloza nh»m phôc vô cho ý ®å c«ng nghÖ sau nµy. 24
Cuèi cïng röa s¹ch l¹i b»ng n−íc, Ðp vµ sÊy kh«. §©y lµ giai ®o¹n t¹o nguyªn liÖu ®Çu ®Ó s¶n xuÊt sîi. Xenluloza thu ®−îc lµ mét chÊt r¾n mµu tr¾ng, xèp, d¹ng x¬ cã c«ng thøc cÊu t¹o: ChØ sè quan träng nhÊt ®Æc tr−ng cho chÊt l−îng xenluloza lµ hµm l−îng cña α-xenluloza. Hµm l−îng nµy cµng cao th× chÊt l−îng sîi cµng tèt, α-xenluloza lµ m¹ch xenluloza cã ®é trïng hîp tõ 200 trë lªn, kh«ng tan trong dung dÞch NaOH 18%, ë 20 oC trong 1 giê. Th«ng th−êng ®Ó s¶n xuÊt sîi th× hµm l−îng α-xenluloza tõ 96 ®Õn 97%. Trong ®ã c¸c lo¹i sîi ®i tõ xenluloza ®· ®−îc s¶n xuÊt gåm: sîi vitxco (chiÕm sè l−îng lín), sîi ®ång-amoniac, sîi nitro xenluloza, sîi axetat 5.1.1. sîi nitroxenluloza Vµo n¨m 1832, lÇn ®Çu tiªn Brªc¬n cho xenluloza t¸c dông víi axit nitric trong m«i tr−êng H2SO4 vµ nitrat xenluloza ®−îc h×nh thµnh tuy nhiªn trong thêi gian dµi vÉn ch−a t×m ra ®−îc óng dông cña nã. M·i ®Õn n¨m 1880 nhµ ho¸ häc Ph¸p lµ Sac®«nª ®· hoµ tan nã trong r−îu vµ ªte, sau ®ã ®em dung dÞch ®ã ®i Ðp vµ t¹o sîi t¬ mÞn, bãng bÈy gièng t¬ thiªn nhiªn. Sau ®ã «ng nghiªn cøu ®Ó c¶i tiÕn lo¹i sîi nµy vµ cuèi cïng «ng còng dÖt ra ®−îc tÊm v¶i tõ xenluloza ®Çu tiªn vµ còng më ®Çu cho c«ng nghÖ s¶n xuÊt sîi. Tuy nhiªn lo¹i sîi nµy cã mét nh−îc ®iÓm lµ ë trong chõng mùc nµo ®ã nã gièng nh− thuèc næ, khi gÆp tµn löa thuèc l¸ hoÆc ®«i khi chØ cÇn va ch¹m m¹nh nã còng cã thÓ bïng ch¸y. nguyªn nh©n lµ do sù cã mÆt cña nh÷ng nhãm nitrat, Sac®«nª ®· t×m c¸ch kh¾c phôc b»ng c¸ch thñy ph©n sîi ®Ó lo¹i trõ nh÷ng nhãm nitrat vµ kÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh thñy ph©n lµ xenluloza t¸i sinh. C¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n cña xenluloza nµy kh«ng thay ®æi bao nhiªu. HiÖn t−îng ch¸y næ cña sîi bÞ lo¹i bá. Sau ®ã mét sè lo¹i sîi míi ®−îc t×m ra nh−: sîi ®ång - amoniac, sîi vitxco. C¸c lo¹i sîi nµy cã nh÷ng dÆc tÝnh −u viÖt h¬n 25
do ®ã dÇn dÇn ®Èy lïi lo¹i sîi nitroxenluloza nµy vµ ngµy nay th× hÇu nh− kh«ng cßn sö dông n÷a. 5.1.2. sîi ®ång-amoniac Vµo n¨m 1857 nhµ ho¸ häc Sv©yze ®· ph¸t hiÖn ra mét lo¹i thuèc thö næi tiÕng mang tªn m×nh, ®−îc dïng nhiÒu trong ngµnh ph©n tÝch ho¸ häc b»ng c¸ch cho t−¬ng t¸c hy®roxit ®ång víi amoniac: Cu(OH)2 + 4NH3 → Cu(NH3)4(OH)3 Dung dÞch Sv©yze ®ång thêi l¹i cã mét tÝnh chÊt ®Æc biÖt lµ hßa tan ®−îc xenluloza rÊt khã tan. Tõ ®ã lo¹i sîi ®ång-amoniac ®−îc t¹o ra b»ng ph−¬ng ph¸p hßa tan xenluloza trong n−íc Sv©yze: Ph¶n øng nµy t¹o ra NH3, do ®ã tr−íc khi kÐo thµnh sîi th× cÇn hót NH3 ra khái b×nh ph¶n øng. Tuy nhiªn sîi t¹o ra cã ®é bÒn rÊt thÊp ®Æc biÖt lµ ®é bÒn ®øt m·i ®Õn khi ph−¬ng ph¸p kÐo c¨ng ra ®êi th× lo¹i sîi nµy míi thùc sù ®¸p øng ®−îc yªu cÇu dÖt. Sîi ®−îc s¶n xuÊt theo ph−¬ng ph¸p −ít: Sîi sau khi ®i ra khái ®Çu philie th× cho qua 2 bÓ lín gåm bÓ thø nhÊt chøa n−íc hoÆc dung dÞch kiÒm lo·ng vµ bÓ thø hai chøa axit sunfuaric. Môc ®Ých cña bÓ thø nhÊt lµ lµm cho qu¸ tr×nh kÐo c¨ng ®−îc thùc hiÖn dÔ dµng, bÓ thø hai nh»m thñy ph©n sîi xenluloza ®ång ®Ó t¹o sîi xenluloza t¸i sinh. Lo¹i sîi nµy rÊt ®Ñp, cã thÓ kÐo thµnh sîi cùc kú m¶nh nh− t¬ nhÖn, th−êng dïng ®Ó dÖt c¸c mÆt hµng cao cÊp do vÎ ®Ñp ®éc d¸o cña nã. Tuy lo¹i sîi nµy cã tÝnh n¨ng c¬ lý t−¬ng tù c¸c lo¹i sîi xenloluza t¸i sinh kh¸c, kü thuËt s¶n xuÊt ®¬n gi¶n, hoµn toµn kh«ng ®éc h¹i, nh−ng nã l¹i rÊt ®¾t vµ khã thu håi ho¸ chÊt. 5.1.3. sîi vitxco I. Më ®Çu 26
Trong hä sîi nh©n t¹o th× lo¹i sîi vitxco chiÕm −u thÕ h¬n c¶ vµ ®ãng vai trß quan träng trong ngµnh c«ng nghiÖp sîi. Tuy nã xuÊt hiÖn sau 2 lo¹i trªn nh−ng nã ®· nhanh chãng chiÕm −u thÕ lµ v× yÕu tè kinh tÕ. Kü thuËt s¶n xuÊt sîi vitxco kh«ng phøc t¹p, ho¸ chÊt dÔ kiÕm, rÎ tiÒn, do ®ã mµ nã lµ lo¹i sîi b×nh d©n nhÊt vµ rÎ tiÒn nhÊt. Lo¹i sîi nµy ®−îc t×m ra vµo n¨m 1893 do c¸c nhµ ho¸ häc Anh G¬rotxo, B¬van, Bi®¬n nã ®−îc ®Æt tªn lµ vitxco (cã nghÜa lµ “nhít”) qua sù h×nh thµnh xantogenat. Thêi kim hoµng cña lo¹i sîi nµy lµ vµo nh÷ng n¨m 30 cña thÕ kû XX. II. C«ng nghÖ s¶n xuÊt sîi vitxco Gåm c¸c c«ng ®o¹n chÝnh sau: *ChuÈn bÞ nguyÖn liÖu kÐo sîi: §Çu tiªn c¸c tÊm xelulo ®−îc chuyÓn ®Õn bé phËn trén ®Ó lµm ®Òu c¸c khèi nguyªn liÖu víi nhau, sau ®ã chuyÓn sang bé phËn chuÈn bÞ dung dÞch kÐo sîi. ChuyÓn nh÷ng tÊm xenluloza tr¾ng xèp cho ng©m vµo dung dÞch NaOH 18%, trong thêi gian kho¶ng tõ 45-60 phót môc ®Ých lµ nh»m lo¹i bá c¸c t¹p chÊt kh«ng mong muèn vµ nh÷ng dÊu vÕt cßn l¹i cña hªmixenluloza, ®ång thêi xenluloza t−¬ng t¸c víi NaOH ®Ó t¹o thµnh hîp chÊt míi gäi lµ xenluloza kiÒm: [C6H9O4(OH)]n + nNaOH → [C6H9O4ONa]n + nH2O [C6H9O4(OH)]n + nNaOH → [C6H9O4ONaOH]n Sau ®ã ®em xenluloza kiÒm ®i Ðp t¸ch dung dÞch kiÒm d−, n−íc läc ®−îc ®−a ®Õn bé phËn thu håi xót. TiÕp tôc ®em ®i nghiÒn nhá, råi ñ lÇn thø nhÊt (cßn gäi lµ lµm chÝn s¬ bé) trong thêi gian kho¶ng 2 ngµy ®ªm ë nhiÖt ®é 20-22 oC ®Ó dung dÞch chÝn. Theo c¸c nhµ nghiªn cøu th× giai ®o¹n nµy lµ giai ®o¹n ph©n hñy oxy ho¸ xenluloza nªn c¸c m¹ch ph©n tö bÞ c¾t ng¾n, hÖ sè trïng hîp cña c¸c ®¹i ph©n tö cã thÓ gi¶m xuèng 2 lÇn. §ång thêi mèi liªn kÕt gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö còng bÞ ph¸ vì, xenluloza d· bÞ tr−¬ng në vµ cã bÒ mÆt ho¹t ®éng lín ®−îc ®em ®i xantogªnat ho¸. §Ó thóc ®Èy ph¶n øng ph©n hñy 27
oxi ho¸ ng−êi ta th−êng cho thªm c¸c chÊt xóc t¸c nh− MnCl2, CuCl2, MnSO4 “ñ chÝn” lµ giai ®o¹n rÊt cÇn thiÕt ®Ó ®iÒu chØnh ®é nhít cña dung dÞch kÐo sîi. Sau khi ®· ®¹t ®−îc ®é nhít cÇn thiÕt, xenluloza kiÒm ®−îc ®em ®i xö lý víi sunfuacacbon CS2 vµ s¶n phÈm thu ®−îc gäi lµ xantogenat xenluloza, qu¸ tr×nh nµy gäi lµ qu¸ tr×nh xantogenat ho¸ (gäi t¾t lµ xantat ho¸). Xantogenat xenluloza lµ mét chÊt qu¸nh, nhít, mµu da cam ®Ëm, cã thÓ hßa tan trong n−íc vµ ®é hßa tan t¨ng lªn khi cho vµo nuíc mét Ýt kiÒm, khèi láng nhít qu¸nh ®ã ®−îc gäi lµ vitxc« (vicious). Tõ ®ã ng−êi ta thu ®−îc dung dÞch kÐo sîi b»ng c¸ch cho hßa tan xantogenat xenluloza vµo dung dÞch kiÒm nång ®é kho¶ng 6 ®Õn 9%. Qu¸ tr×nh xantogªnat ho¸ thùc hiÖn ë nhiÖt ®é lµ 20-30 oC trong thêi gian 2 giê. Dung dÞch cho vµo thïng cã c¸nh khuÊy vµ cã vá bäc b»ng kim lo¹i ®Ó cho n−íc lµm l¹nh ®i qua, qu¸ tr×nh hoµ tan trong kiÒm lo·ng kÐo dµi trong 5 - 6 giê ë nhiÖt ®é lµ 5-10 oC, råi ®em ®i läc t¹p chÊt vµ t¸ch khÝ liªn tôc. L¹i tiÕp tôc ñ chÝn trong 4 - 5 ngµy ®ªm ë nhiÖt ®é 10 - 18 oC ®Ó t¹o ®iÒu kiÖn cho c¸c biÕn ®æi ho¸ häc vµ ho¸ lý phøc t¹p tiÕp tôc x¶y ra. Qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ “lµm chÝn kü”, trong giai ®o¹n nµy cho thªm TiO2 víi hµm l−îng tõ 0,5 - 1% ®Ó lµm mê sîi hoÆc thªm c¸c chÊt nhuém, mét sè chÊt biÕn tÝnh ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ph©n hñy xantogenat sau nµy. Qu¸ tr×nh nµy lµ mét qu¸ tr×nh rÊt quan träng trong viÖc chuÈn bÞ nguyªn liÖu kÐo sîi v× nÕu khèi vitxc« chÝn kh«ng ®Òu sîi t¹o ra sÏ kÐm chÊt l−îng, nªn tr−íc khi kÐo sîi ph¶I tiÕn hµnh x¸c ®Þnh c¸c cØ tiªu vÒ ®é chÝn cña khèi vitxc«. Sau khi ñ chÝn hoµn toµn tiÕn hµnh läc Ðp d−íi ¸p suÊt 5-6 atm, ®Ó khö hÕt kh«ng khÝ hoµ tan vµo khèi vitxco, ng−êi ta dïng ch©n kh«ng ®Ó t¸ch trong vßng 10-12 giê. KÕt thóc giai ®o¹n kÐo sîi. * Qu¸ tr×nh kÐo sîi: 28
Dung dÞch kÐo sîi ng−êi ta gäi lµ dung dÞch vitxco®−îc mét b¬m ®Þnh l−îng nÐn víi ¸p suÊt tõ 3 ®Õn 5 atm qua mµng läc råi vµo èng ®Þnh h×nh cã g¾n ®Çu philie h×nh mò, nhóng ch×m trong mét bÓ lín chøa hçn hîp c¸c dung dÞch axit sunfuaric 10%, sunfat natri 18%, sunfat kÏm 1% vµ mét vµi chÊt h÷u c¬ kh¸c. T¹i ®©y xenluloza ®−îc t¸i sinh theo ph¶n øng sau: Xenluloza t¸i sinh d−íi d¹ng hi®rat xenluloza h¬i kh¸c víi polyme ban ®Çu vÒ cÊu t¹o ho¸ häc. Giai ®o¹n nµy sîi ®−îc ®«ng tô vµ chuyÓn ho¸ thµnh hi®rrat xenluloza tõ tõ, tõ ngoµi vµo trong. NÕu qu¸ tr×nh x¶y ra nhanh sîi sÏ bÞ tr−¬ng m¹nh vµ sau khi kh« th−êng bÞ gißn. Do ®ã sù cã mÆt cña mét sè muèi ®Ó gi¶m bít sù ph©n ly cña axit lµ cÇn thiÕt ®Ó lµm chËm qu¸ tr×nh t¸i sinh trªn. Nh÷ng tÝnh chÊt c¬ lý cña sîi vitxco phô thuéc kh¸ nhiÒu vµo nh÷ng ®iÒu kiÖn kÐo sîi nh− nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn cña dung dÞch t¸i sinh, tèc ®é ®«ng tô, tèc ®é cuèn sîi, qu·ng ®−êng ®i cña sîi trong bÓ Do ®ã qu¸ tr×nh kÐo c¨ng sîi lµ rÊt quan träng ®Ó t¹o cho sîi cã sù ®Þnh h−íng cña c¸c ®¹i ph©n tö däc theo trôc sîi vµ cho sîi cã ®é bÒn cao. Qu¸ tr×nh kÐo c¨ng cã thÓ tiÕn hµnh ngay trong bÓ hoÆc cã thÓ kÐo c¨ng ë giai ®o¹n sau khi ra khái bÓ. C«ng ®o¹n kÐo sîi th−êng t¸ch ra nhiÒu chÊt cã mïi khã chÞu vµ ®éc h¹i nh− CS2, H2S, SO2 Do ®ã cÇn ph¶i cã hÖ thèng th«ng giã thËt tèt ®Ó d¶m b¶o an toµn cho ng−êi trùc tiÕp s¶n xuÊt vµ ®©y còng lµ nh−îc ®iÓm cña sîi vitxco. Sîi ®−îc röa s¹ch b»ng n−íc ®Ó lo¹i c¸c vÕt axit vµ muèi b»ng dung o dÞch kiÒm lo·ng ë 50 - 55 C hoÆc dung dÞch Na2S, nh»m lo¹i bá hoµn toµn hîp chÊt cña l−u huúnh g©y ¶nh h−ëng xÊu ®Õn tÝnh chÊt cña sîi. §Ó lµm tr¾ng sîi ng−êi ta tiÕn hµnh tÊy b»ng n−íc javen (NaOCl) ë nhiÖt ®é th−êng. Cuèi cïng röa b»ng n−íc mÒm ë 30-35 oC, sau ®ã xö lý sîi b»ng dÇu thÝch hîp hoÆc chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt phï hîp ®Ó gióp cho qu¸ tr×nh gia c«ng tiÕp theo thuËn tiÖn. Sîi thµnh phÈm cã thÓ thu ®−îc d−íi hai d¹ng lµ: t¬ vµ x¬ c¾t ng¾n. 29
* D¹ng t¬ s¶n xuÊt nh− trªn chØ kh¸c lµ mò phun lín h¬n, cã tíi 2400- 20000 lç. T¬ t¹o ra cã chiÒu dµi lín (hµng chôc cho ®Õn hµng tr¨m kil«met). §−îc gäi lµ t¬ liªn tôc th−êng sö dông trùc tiÕp ®Ó xe dón, xe bÖn, dïng trong dÖt thoi, dÖt kim, dÖt ®¨ng ten. T¬ liªn tôc cã thÓ c¾t ng¾n hä¨c lµm ®øt theo nh÷ng ®é dµi nhá (vµi cm) ®Ó t¹o thµnh d¹ng x¬ c¾t ng¾n. T¬ ®i ra tõ 1 lç cña ®Çu phun ®−îc gäi lµ t¬ ®¬n: cã ®Çy ®ñ tÝnh chÊt vÒ ®é bÒn ®Ó cã thÓ gia c«ng dÔ dµng theo kü thuËt dÖt. TËp hîp c¸c t¬ ®i ra c¸c lç ®−îc chËp l¹i t¹o thµnh t¬ phøc. III. TÝnh chÊt vµ øng dông cña sîi vitxco Sîi vitxco cã nhiÒu tÝnh chÊt t−¬ng ®èi tèt: mÒm m¹i, bãng vµ cã bÒ mÆt ®Ñp, chÞu ®−îc nhiÖt ®é 100 - 120 oC trong thêi gian kh¸ l©u mµ kh«ng thay ®æi tÝnh chÊt, ®Õn nhiÖt ®é 150oC trong thêi gian dµi th× ®é bÒn cña sîi vitxco gi¶m ®i nhiÒu. Sîi vitxco rÊt ¨n mµu do ®ã dÔ nhuém, bÒn víi t¸c dông cña nhiÒu ho¸ chÊt nh− x¨ng, dÇu, c¸c dung m«i h÷u c¬, c¸c hîp chÊt tÈy giÆt, xµ phßng, n−íc s«i tuy nhiªn kÐm bÒn víi axit vµ kiÒm m¹nh. Do sîi vitxco cã cÊu tróc kÕt bã rçng (xèp) nªn ®é bÒn c¬ häc cña sîi kh«ng cao l¾m. Hµm l−îng alpha-xenluloza trong sîi chiÕm 87-90%, khèi l−îng riªng kh«ng kh¸c víi xenluloza ban ®Çu lµ mÊy vµ b»ng 1,49-1,52 g/cm3. Tuy nhiªn tÝnh hót Èm tèt nªn v¶i lµm tõ sîi vitxco dÔ nhuém, dÔ giÆt, hót må h«i t¹o c¶m gi¸c dÔ chÞu th«ng tho¸ng phï hîp ®Ó s¶n xuÊt ¸o quÇn trong vµ ¸o quÇn mïa hÌ Do tÝnh hót Èm cña sîi nªn ®é Èm cña sîi thay ®æi theo ®iÒu kiÖn khÝ hËu cña m«i tr−êng. Khi ë tr¹ng th¸i −ít sîi bÞ gi¶m 40- 50% ®é bÒn c¬ häc so víi tr¹ng th¸i kh«. §é Èm cña sîi ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt ®µn håi, tÝnh dÎo vµ ®é bÒn cña nã. Do ®ã c¸c x−ëng gia c«ng sîi cÇn ®−îc ®iÒu hßa kh«ng khÝ ë ®é Èm t−¬ng ®èi x¸c ®Þnh vµ kh«ng thay ®æi, phï hîp víi ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho viÖc gia c«ng. §é Èm c©n b»ng cña sîi trong m«i tr−êng kh«ng khÝ ®−îc gäi lµ “håi Èm”. §é Èm quy ®Þnh ®èi víi sîi nh©n t¹o nãi chung lµ 13%. 30
X¬ vitxco dÔ pha trén víi c¸c lo¹i x¬ thiªn nhiªn vµ x¬ ho¸ häc kh¸c ®Ó thu lo¹i sîi cã tÊt c¶ c¸c −u ®iÓm cña c¸c lo¹i sîi. T¬ vitxco dïng ®Ó dÖt lôa, sa tanh, ta t¨ng, gÊm vµ c¸c hµng dÖt kim kh¸c. Ngoµi ra sîi vitxco còng cã thÓ thay thÕ sîi tæng hîp dïng trong kü thuËt nh− lµm v¶i mµnh cho lèp xe, lµm v¶i b¹t, bäc c¸p, lµm chÊt ®én trong gia c«ng vËt liÖu composit Sîi vitxco lµ lo¹i sîi rÎ tiÒn nhÊt trong c¸c lo¹i sîi ho¸ häc, lo¹i sîi nµy ®Æc biÖt ®−îc −a chuéng ë c¸c n−íc vïng nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn sîi vitxco l¹i cã nh÷ng nh−îc ®iÓm : ®é bÒn kÐm xa so víi sîi tæng hîp vµ cßn thÊp h¬n c¶ sîi cña b«ng tù nhiªn nh− lanh, b«ng v× do møc ®é kÕt tinh vµ nh÷ng vïng kÕt tinh nhá h¬n so víi sîi lanh, b«ng. V¶i tõ sîi vitxco Ýt bÒn h×nh d¹ng, dÔ co sau khi giÆt, dÔ bÞ ch¶y xÖ sau thêi gian sö dông vµ kh«ng gi÷ nÕp lµ. §Ó h¹n chÕ nh−îc ®iÓm nµy ng−êi ta th−¬ng hå v¶i b»ng mét lo¹i nhùa tû lÖ 1 - 2%. 5.2. Sîi trªn c¬ së protªin Protein theo tiÕng Hy L¹p cã nghÜa lµ c¸c “chÊt ®Çu tiªn”, b¶n chÊt cña nã lµ hîp chÊt cao ph©n tö cã trong c¬ thÓ ®éng vËt, ®ãng vai trß chñ yÕu trong c¸c ho¹t ®éng sèng. Protein chiÕm 45% träng l−îng c¬ thÓ con ng−êi ë tr¹ng th¸i kh«, trong nhiÒu lo¹i thùc vËt luîng protein còng rÊt phong phó nh− lóa m× (25%), ®Ëu nµnh (45%) VÒ thµnh phÇn ho¸ häc protein lµ mét chïm kÕt hîp gi÷a axit amin, nh÷ng hîp chÊt chøa ®ång thêi nhãm amin(-NH2) vµ nhãm cacboxyl (- COOH), chóng liªn kÕt víi nhau b»ng nh÷ng liªn kÕt peptit nghÜa lµ liªn kÕt gi÷a nhãm amin cña axit nµy víi nhãm cacboxyl cña axit kia. Nguyªn lý s¶n xuÊt sîi protein còng t−¬ng tù nh− ®èi víi sîi xenluloza còng ®Òu gåm c¸c b−íc: t¸ch protein d−íi d¹ng tinh khiÕt, råi t¹o dung dÞch kÐo sîi vµ cuèi cïng lµ kÐo thµnh sîi. 31
5.2.1. Sîi tõ s÷a - sîi cazein Khi ph©n tÝch thµnh phÇn ho¸ häc cña len vµ protein trong s÷a (gäi lµ cazein) ng−êi ta nhËn thÊy chóng gièng nhau. V× vËy ng−êi ta ®· sö dông s÷a ®Ó s¶n xuÊt len nh©n t¹o. Sîi cazein ®−îc ra ®êi ë Italia víi tªn th−¬ng m¹i lµ Lanital, sau ®ã ph¸t triÓn m¹nh ë Mü. Tuy nhiªn sau ®ã lo¹i sîi nµy bÞ ®¸nh b¹i bëi mét ®Þch thñ cïng lo¹i ®i tõ ng«. * Quy tr×nh s¶n xuÊt sîi cazein: + Qu¸ tr×nh t¹o nguyªn liÖu ®Çu: S÷a ®−îc t¸ch hÕt kem trªn m¸y ly t©m, råi sau ®ã ®un nãng lªn 40 oC vµ ®ång thêi thªm dÇn axit ®Ó ®«ng tô protein. Protein ®«ng tô sÏ l¾ng xuèng d−íi d¹ng phomat t−¬i. Sau ®ã t¸ch pho m¸t khái nuíc s÷a trong, råi röa s¹ch axit vµ muèi, Ðp råi sÊy kh«. Pho m¸t chÝnh lµ cazein, thu ®−îc víi l−îng 3 ®Õn 3,5 gam tõ 100 gam s÷a vµ sau nµy còng sÏ thu ®−îc l−îng sîi gÇn t−¬ng ®−¬ng. Sau ®ã ®em cazein ®ã nghiÒn nhá , chuyÓn vµo trèng quay ®Ó hßa tan trong dung dÞch kiÒm ®Ó t¹o thµnh mét dung dÞch láng nhít dïng cho qu¸ tr×nh kÐo sîi. + Qu¸ tr×nh kÐo sîi: theo ph−¬ng ph¸p −ít: Dung dÞch kÐo sîi dïng cho qua ®Çu philie trong mét bÓ chøa 2 phÇn axit sunfuaric, 5 phÇn formalddehyt vµ 20 phÇn gluco. Giai ®o¹n nµy nh»m lµm s¹ch sîi vµ ®Ó lµm r¾n sîi nh»m t¨ng ®é bÒn ®Æc biÖt lµ ®é bÒn víi n−íc cho sîi. Trong ®ã formalddehyt lµ t¸c nh©n kh©u m¹ch vµ khãa m¹ch ë nhãm amin theo ph¶n øng: RNH2 + OCH2 → RN = CH2 + H2O Tuy nhiªn sîi cazein vÉn cã mïi b¬ do ®ã ®Ó kh¾c phôc th× thay thÕ formalddehyt b»ng axetaldehyt. Len nh©n t¹o kh¸ tèt, gi÷ nhiÖt, Êm, mÒm, ®Ñp cã träng l−îng riªng xÊp xØ len thiªn nhiªn. Tuy nhiªn ®é hót Èm kh¸ cao, dÔ bÞ vµng vµ ®é bÒn ®øt kh«ng cao l¾m. V× vËy ng−êi ta th−êng pha trén víi len thiªn nhiªn hoÆc c¸c 32
lo¹i sîi kh¸c. So víi len thiªn nhiªn th× gi¸ thµnh len nh©n t¹o rÎ, kü thËt s¶n xuÊt kh«ng phøc t¹p l¾m. 5.2.2. Sîi tõ l¹c, ng« vµ ®Ëu nµnh Protein thùc vËt cã thµnh phÇn ho¸ häc kh«ng kh¸c nhau l¾m so víi protein tõ s÷a, nh−ng l¹i kh¸c vÒ h×nh d¹ng: ph©n tö cña chóng xo¾n l¹i h×nh cÇu. C¸c thùc vËt cã hµm l−îng protein cao ®−îc sö dông s¶n xuÊt sîi lµ ng«, l¹c vµ ®Ëu nµnh. Qu¸ tr×nh s¶n xuÊt sîi lo¹i nµy còng t−¬ng tù nh− ®èi víi sîi cazein chØ kh¸c ë giai ®o¹n t¸ch protein nguyªn chÊt tõ thùc vËt. * Víi l¹c: sö dông phÇn kh« dÇu ®Ó t¸ch b»ng c¸ch hoµ tan vµo dung dÞch kiÒm lo·ng, råi läc cÆn b· sau ®ã ®em ®i axit ho¸. Protein sÏ kÕt tña t¹o thµnh d¹ng bét mµu tr¾ng ngµ gåm hai lo¹i chÝnh lµ arachin vµ conarachin. * Víi ®Ëu nµnh: nghiÒn nhá h¹t ®Ëu nµnh råi ng©m trong axit lo·ng ®Ó bét tr−¬ng lªn. Röa s¹ch thªm dung dÞch kiÒm lo·ng vµ Êm, ng©m trong 8 - 10 giê, råi ®em läc ®Ó khö x¬ (xenluloza) vµ tinh bét, sau ®ã dïng axit axetic ®Ó kÕt tña protein. Sau khi lo¹i hoµn toµn chÊt bÐo, protein rÊt tr¾ng vµ gièng cazein trong s÷a. Cø 100 kg ®Ëu nµnh th× cho 24 kg protein vµ còng thu ®−îc 24 kg len. * Víi ng«: t−¬ng tù nh− ®Ëu nµnh, protein gäi lµ zªin, cã träng l−îng ph©n tö kho¶ng 40.000. Pr«tein kh«ng cã cÇu l−u huúnh nh− trong pr«tein ®éng vËt nªn cã ®é biÕn d¹ng thuËn nghÞch kÐm do ®ã dÔ bÞ nhµu. ChÊt láng kÐo sîi thu ®−îc b»ng c¸ch hßa protein trong kiÒm lo·ng thµnh dung dÞch láng nhít 20%, sau ®ã tiÕn hµnh läc nhiÒu lÇn d−íi ¸p suÊt vµ ñ mét thêi gian. Qu¸ tr×nh ñ cã t¸c dông kÐo th¼ng nh÷ng ph©n tö pr«tein h×nh cÇu, ®Ó chóng kh«ng bÞ cuèn vµo nhau, ®ång thêi chÊt kiÒm ph¸ bá nh÷ng liªn kÕt kiÓu muèi gi÷a nhãm amin cña ®¹i ph©n tö nµy víi nhãm cacboxyl cña ®¹i ph©n tö kh¸c. Qu¸ tr×nh ñ sao cho dung dÞch ®¹t ®−îc ®é nhít cÇn thiÕt th× b¾t ®Çu cho qua c«ng ®o¹n kÐo sîi t−¬ng tù nh− ®èi víi sîi cazein. Chó ý qu¸ tr×nh kÐo c¨ng th× ph¶i chän tû sè c¨ng phï hîp ®Ó c¸c ®¹i ph©n tö d·n dµi ra 33
t¹o thµnh nh÷ng bã chÆt chÏ, cã kh¶ n¨ng h×nh thµnh liªn kÕt gi÷a chóng. Nh−ng nÕu tû sè c¨ng qu¸ lín th× lµm cho sîi mÊt tÝnh ®µn håi. Sîi trªn c¬ së protein thùc vËt nãi chung cã ®é bÒn ®øt kh«ng cao l¾m, nh−ng rÊt ®Ñp, gi÷ nhiÖt tèt, mÆc Êm, mÒm m¹i, dÔ nhuém, khã b¾t ch¸y h¬n len tù nhiªn, dÔ gi¹t, kh«ng bÞ co vµ gi÷ ®−îc vÎ ®Ñp trong thêi gian dµi. Th«ng th−êng ®Ó t¹o ra s¶n phÈm cã nh÷ng −u ®iÓm nhÊt ®Þnh ng−êi ta pha c¸c lo¹i sîi protein thùc vËt c¸c lo¹i sîi kh¸c nh− vitxco, sîi tæng hîp Ch−¬ng 6 sîi tæng hîp 6.1. më ®Çu Sîi tæng hîp ®−îc t¹o ra tõ c¸c nguyªn liÖu ban ®Çu lµ nh÷ng hîp chÊt polyme lµ nguån nguyªn liÖu v« tËn vµ qu¸ tr×nh kÐo sîi cã thÓ thùc hiÖn b»ng 3 ph−¬ng ph¸p ®· nªu trªn. §a sè sîi tæng hîp lµ vËt liÖu kÞ n−íc, tÝnh chÊt nµy võa cã lîi võa cã h¹i. Do ®é hót Èm kÐm nªn sîi bÒn khi giÆt, kh«ng bÞ nhµu vµ gi÷ nÕp lµ, mau kh«, tÝnh chÊt c¬ lý kh«ng bÞ thay ®æi theo thêi tiÕt, khÝ hËu vµ khi tiÕp xóc víi n−íc. Tuy nhiªn v¶i tõ sîi tæng hîp th−êng kh«ng hót må h«i do ®ã kÐm ®é tho¸ng m¸t ®Æc biÖt lµ trong nh÷ng ngµy nãng bøc. §Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm nµy ng−êi ta th−êng biÕn tÝnh ho¸ häc vµ vËt lý. TÝnh kþ n−íc l¹i thÝch hîp cho c¸c s¶n phÈm dïng trong kü thuËt nh− lµm v¶i bäc, d©y c¸p, v¶i mµnh, l−íi ®¸nh c¸ ®Æc biÖt lµ trong lÜnh vùc ®iÖn tö vµ vËt liÖu c¸ch ®iÖn. Sîi tæng hîp cã nh−îc ®iÓm n÷a lµ khã nhuém, dÔ ph¸t sinh ®iÖn tÝch, ®Ó kh¾c phôc th× th−êng ng−êi ta ®−a vµo sîi nh÷ng nhãm b¾t mµu nh− nhãm sunfonic, cacboxyl, hoÆc t×m ph−¬ng ph¸p nhuém thÝch hîp, thuèc nhuém phï hîp, thªm mét sè phô gia nh− chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt ®Ó c¶i thiÖn bÒ mÆt nh»m t¨ng tÝnh thÊm −ít cho vËt liÖu. Do cÊu t¹o vµ sù s¾p xÕp c¸c ®¹i ph©n tö chÆt chÏ vµ ®é ®Þnh h−íng cao cña polyme t¹o sîi mµ lµm cho sîi cã ®é bÒn ®øt cao, ®é bÒn víi nhiÒu lo¹i ho¸ chÊt. Mét ®Æc ®iÓm kh¸c víi c¸c lo¹i sîi thiªn nhiªn, nh©n t¹o n÷a lµ kh«ng bÞ c«n trïng vµ vi sinh vËt ph©n hñy do ®ã dÔ dµng b¶o qu¶n. 34
6.2. sîi poliamit 6-6 6.2.I. Më ®Çu Poliamit lµ nh÷ng ®¹i ph©n tö m¹ch th¼ng cÊu t¹o bëi c¸c m¾t xÝch - CO-NH- nèi c¸c m¾t xÝch c¬ b¶n. Poliamit ®−îc t¹o ra b»ng sù ®a tô cña mét diamin vµ mét diaxit hoÆc cña mét lactam vßng sau khi ®· më m¹ch hoÆc cña mét aminoaxit. Tr−êng hîp 1 : tªn gäi ®Æc tr−ng bëi 2 ch÷ sè Tr−êng hîp 2: tªn gäi dÆc tr−ng bëi 1 ch÷ sè. VÝ dô: Poliamit 6-6 ®−îc ®a tô tõ hexametylendamin vµ axit adipic Poliamit 6 ®−îc t¹o ra tõ caprolactam 6.2.II. Nguyªn liÖu t¹o sîi 6.2.II.1. Lý thuyÕt vÒ poliamit Phô thuéc vµo nguyªn liÖu ban ®Çu mµ nhãm amit trong poliamit cã thÓ ®Þnh h−íng theo c¸c chiÒu kh¸c nhau: Lo¹i (1) lµ ®èi víi poliamit lµ aminoaxit hoÆc lactam cña nã. Lo¹i (2) t¹o ra khi damin t¸c dông víi axit h÷u c¬ hai gèc. §iÒu chÕ poiamit b»ng ph−¬ng ph¸p ng−ng tô c¸c cÊu tö hai chøc: nhãm chøc amin (-NH2) vµ nhãm cacboxyl (-COOH). Phô thuéc vµo nguyªn liÖu ban ®Çu mµ thu ®−îc s¶n phÈm m¹ch vßng hay m¹ch th¼ng. Trong c¸c aminoaxit th× α vµ β -aminoaxit t¹o ra vßng 5 vµ 6 c¹nh-lactam bÒn, do ®ã lo¹i lactam nµy kh«ng t¹o ra polyme ®−îc mµ chØ cã lo¹i ε -aminoaxit vµ ω - aminoaxit míi t¹o ra polyme ®−îc. Trong c«ng nghiÖp sö dông ε -amino capronic axit (hoÆc lactam cña nã) Qu¸ tr×nh t¹o ra poliamit tõ c¸c aminoaxit cã thÓ biÓu diÔn: 35
Khi dïng diaxit vµ diamin ®Ó ®iÒu chÕ poliamit, phô thuéc vµo cÊu t¹o cña nã mµ cã thÓ t¹o ra c¸c s¶n phÈm vßng (5 vµ 6 c¹nh). VÝ dô: Khi ®un nãng axit oxalic vµ etilen diamin t¹o ra oxalactam vßng: HoÆc axit maleic t¸c dông víi amin t¹o ra s¶n phÈm vßng bÒn imit: Qua c¸c thÝ dô trªn ta thÊp râ rµng r»ng muèn nhËn ®−îc poliamit th× cã thÓ dïng c¸c axit hai gèc nh−ng víi ®iÒu kiÖn lµ sè nhãm metylen trong ph©n tö kh«ng d−íi 4, cã nghÜa lµ dïng axit adipic vµ c¸c ®ång ®¼ng cao h¬n nã. Lo¹i ®ång ®¼ng cao h¬n phæ biÕn nhÊt lµ hexametylendiamin. Qu¸ tr×nh t¹o ra poliamit do ®a tô axit adipic hoÆc víi axit xebaxic víi hexametylendiamin cã thÓ biÓu diÔn: 6.2.II.2. §iÒu kiÖn ®a tô Qu¸ tr×nh t¹o poliamit tõ c¸c aminoaxit còng nh− tõ c¸c axit hai gèc vµ diamin ®Òu cã n−íc t¸ch ra. C¸c ph¶n øng ®a tô cã ®Æc tÝnh thuËn nghÞch vµ c©n b»ng chuyÓn vÒ phÝa t¹o polyme. Do ®ã ®Ó ph¶n øng dÞch chuyÓn vÒ phÝa t¹o polyme th× cÇn t¸ch n−íc ra khái m«i tr−êng ph¶n øng, cßn nÕu kh«ng ph¶n øng trë nªn c©n b»ng vµ qu¸ tr×nh ®a tô ngõng. Trong ®iÒu kiÖn th−êng, møc ®é ®a tô tr−íc hÕt phô thuéc vµo tÝnh chÊt ho¸ häc cña c¸c cÊu tö ph¶n øng. Poliamit ph©n tö cao ®−îc t¹o ra dÔ h¬n, vÝ dô nh− ®èi víi poliete v× ph¶n øng kh«ng ®ßi hái t¸ch c¸c s¶n phÈm phô. Poliamit ph©n tö cao ®−îc t¹o ra kh«ng ph¶i do ph¶n øng ®ång thêi cña tÊt c¶ c¸c ph©n tö mµ x¶y ra theo tõng bËc, do ®ã tèc ®é ph¶n øng chËm vµ 36
nhiÖt ph¶n øng to¶ ra rÊt Ýt. Tèc ®é ph¶n øng phô thuéc chñ yÕu vµo nhiÖt ®é. NhiÖt ®é t¨ng th× tèc ®é ph¶n øng t¨ng. Sau ®©y lµ ®å thÞ biÓu diÔn sù ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè nhiÖt ®é vµ thêi gian ®Õn l−îng policaprolactam t¹o ra vµ ®é nhít cña dung dÞch polyme. Hµm l−îng phÇn ph©n tö thÊp phô thuéc vµo nhiÖt ®é mµ ë ®Êy c©n b»ng ®−îc thiÕt lËp. Dùa vµo Hb ta thÊy r»ng ë 260 oC chØ qua 2 giê axit aminocapronic ®· chuyÓn thµnh polyme cã ®é nhít t−¬ng ®èi cña dung dÞch lµ 22 cã nghÜa lµ ®¹t yªu cÇu. Mét yÕu tè còng ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn tèc ®é ph¶n øng vµ träng l−îng ph©n tö polyme lµ tû lÖ c¸c cÊu tö: NÕu thõa mét trong c¸c t¸c nh©n ph¶n øng th× cã kh¶ n¨ng t¹o ra m¹ch polyme mµ ë ®Çu m¹ch cã chøa nhãm cña t¸c nh©n thõa ®ã vµ do ®ã lµm ngõng ph¶n øng ph¸t triÓn m¹ch: Nh− vËy muèn thu ®−îc polyme cã träng l−îng ph©n cao th× ph¶i cã tû lÖ c¸c cÊu tö ph¶n øng ph¶i chÝnh x¸c. 6.2.II.3. Vai trß cña chÊt æn ®Þnh ®é nhít Thõa mét trong c¸c t¸c nh©n trong hçn hîp ph¶n øng sÏ lµm h¹n chÕ träng l−îng ph©n tö. HiÖn t−îng nµy kh«ng x¶y ra nÕu ta thªm vµo hçn hîp ph¶n øng mét chÊt cã ®−¬ng l−îng ph©n tö chÝnh x¸c, c¸c hîp chÊt mét chøc cã kh¶ n¨ng ph¶n øng víi c¸c nhãm cuèi cña poliamit vµ t¹o ra c¸c s¶n phÈm bÒn nhiÖt. 37
Phô thuéc vµo l−îng chÊt mét chøc cho vµo gäi lµ chÊt æn ®Þnh hay lµ chÊt ®iÒu chØnh mµ cã thÓ thu ®−îc poliamit cã møc ®é ®a tô x¸c ®Þnh do lµm ngõng ph¸t triÓn m¹ch. Møc ®é ®a tô x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh: Pn = M1/M2 + 1 Trong ®ã: M1 - sè mol cña hîp chÊt mét chøc M2 - sè mol cña hîp chÊt 2 chøc. Cã thÓ dïng c¸c axit, r−îu vµ amin nh−ng thùc tÕ th−êng dïng axit axetic lµm chÊt æn ®Þnh. Tõ h×nh vÏ ta thÊy chÊt æn ®Þnh cho vµo hçn hîp ph¶n øng cµng nhiÒu th× møc ®é ®a tô poliamit cµng thÊp vµ cµng nhanh ®Õn tr¹ng th¸i ngõng ph¸t triÓn m¹ch. ChÊt æn ®Þnh kh«ng nh÷ng h¹n chÕ träng l−îng ph©n tö cña polyme mµ cßn gióp cho nhËn ®−îc c¸c s¶n phÈm cã ®é nhít x¸c ®Þnh vµ kh«ng ®æi ngay c¶ khi lµm nãng ch¶y l¹i lÇn thø hai. 6.2.II.4. §a tô nhùa poliamit Ngoµi poliamit thu ®−îc do ®a tô c¸c aminoaxit hoÆc hai hîp chÊt hai chøc cã kh¶ n¨ng ph¶n øng: diamin vµ diaxit ra, cßn cã thÓ nhËn ®−îc do ®ång ®a tô. VÝ dô poliamit tõ hçn hîp caprolactam, axit adipic vµ hexametylendiamin hoÆc tõ hçn hîp axit adipic vµ xebaxic vµ hexametylendiamin. Khi ®a tô hçn hîp polyme chøa nhiÒu m¾t xÝch hçn hîp, do ®ã ®é ®ång ®Òu cña cÊu t¹o poliamit bÞ ph¸ vì. §iÒu ®ã liªn quan ®Õn c¸c tÝnh chÊt c¬ lý cña polyme, gi¶m møc ®é kÕt tinh, nhiÖt ®é nãng ch¶y gi¶m, ®é hßa tan trong c¸c dung m«i cã cùc t¨ng. NÕu chän c¸c chÊt ph¶n øng vµ tû lÖ c¸c t¸c nh©n thÝch hîp th× cã thÓ thay ®æi rÊt nhiÒu tÝnh chÊt cña poliamit. Trong c«ng nghiÖp th−êng dïng ph−¬ng ph¸p nµy ®Ó biÕn tÝnh capron vµ nilon. Ph−¬ng ph¸p th«ng th−êng ®Ó tæng hîp poliamit lµ ®a tô ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao trong hçn hîp nãng ch¶y hoÆc trong dung dÞch. Ph−¬ng ph¸p ®a tô gi÷a hai pha cã nhiÒu −u ®iÓm c¬ b¶n sau: - §−¬ng l−îng ph©n tö cña c¸c cÊu tö kh«ng cÇn thËt chÝnh x¸c. 38
- Nguyªn liÖu kh«ng cÇn tinh khiÕt - Cã thÓ ®a tô víi tèc ®é cao ë nhiÖt ®é th−êng. - S¶n phÈm cã träng l−îng ph©n tö lín h¬n rÊt nhiÒu so víi polyme thu ®−îc ë trong dung dÞch hoÆc trong hçn hîp nãng ch¶y. Ph¶n øng t¹o poliamit x¶y ra nh− sau: nH2N - R - NH2 + nCl - CO - R’ - CO - Cl → {HN - R - NH - CO - R’ - CO]n + 2nHCl dicloanhy®ric cña axit 2 gèc NÕu thõa mét trong c¸c cÊu tö th× ph¶n øng sÏ x¶y ra nh− sau: H2N - R - NH2 + Cl - CO - R’ - CO - Cl → HN - R - NH - CO - R’ - COCl + HCl HN - R - NH - CO - R’ - COCl + H2N - R - NH2 → H2N - R - NHCO - R’ - CONH - NH2 + HCl KÕt qu¶ t¹o ra polyme ph©n tö l−îng cao, ë giíi h¹n ph©n chia pha polyme ®−îc t¹o ra theo d¹ng mµng hoÆc sîi. NÕu mµng vµ sîi ®ã kh«ng t¸ch ra ®−îc th× nã sÏ ng¨n c¶n m¹ch polyme ph¸t triÓn. §Ó gi¶i phãng giíi h¹n ph©n chia pha ta dïng ph−¬ng ph¸p lÊy polyme ra liªn tôc hoÆc trén thµnh hçn hîp ®ång nhÊt. Chó ý kh«ng trén m¹nh qu¸ v× nh− vËy th× kh«ng nh÷ng t¨ng qu¸ tr×nh thñy ph©n dicloanhy®ric mµ cßn lµm t¨ng qu¸ tr×nh ®øt m¹ch polyme. Cã thÓ thªm vµo pha n−íc mét vµi lo¹i muèi cã kh¶ n¨ng lµm gi¶m tèc ®é thñy ph©n dicloanhy®ric vµ ®Èy diamin vµo pha h÷u c¬ hoÆc thªm 0,1 - 0,5% chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt. §Ó ®iÒu chÕ poliamit vÝ dô nilon th× rãt dicloanhy®ric cña axit adipic hßa tan trong benzen vµo dung dÞch n−íc hexametylendiamin. Tèc ®é ph¶n øng sÏ x¶y ra rÊt nhanh. Ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ poliamit ë giíi h¹n ph©n chia pha ®−îc dïng trong c«ng nghiÖp do dÔ chÕ t¹o vµ t¸ch polyme ra v× vËy cã kh¶ n¨ng lµm cho polyme cã nhiÒu tÝnh chÊt c¬ lý kh¸c nhau, phô thuéc vµo cÊu t¹o cña c¸c cÊu tö ph¶n øng. Cã thÓ kÐo sîi poliamit tõ giíi h¹n ph©n chia pha. 6.2.II.5. Trïng hîp lactam ®Ó t¹o policaprolactam 39
Qu¸ tr×nh tæng hîp poliamit tõ lactam theo ph−¬ng ph¸p trïng hîp anion. Monome trïng hîp lµ ε - caprolactam, qu¸ tr×nh trïng hîp khi ®un nãng víi sù cã mÆt xóc t¸c kiÒm, NaCO3 khan n−íc. X¶y ra qua 3 giai ®o¹n gåm: + Giai ®o¹n t¹o trung t©m ho¹t ®éng ë ®©y t¹o thµnh anion amit: C¸c anion nµy lµ t¸c nh©n kÝch ®éng cho qu¸ tr×nh ph¸t triÓn m¹ch Nh− vËy theo s¬ ®å ph¶n øng trªn th× nhãm cuèi kh«ng ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh trong viÖc ph¸t triÓn m¹ch. §iÓm ®Æc biÖt cña poli ε - caprolactam t¹o ra lµ ë cuèi m¹ch kh«ng ph¶i nhãm cacbonyl mµ lµ nhãm amin. Trïng hîp ε - caprolactam cã xóc t¸c kiÒm vµ ®ång trïng hîp xóc t¸c cã thÓ tiÕn hµnh trùc tiÕp trong khu«n ë nhiÖt ®é thÊp h¬n nhiÖt ®é nãng ch¶y cña polyme ë ¸p suÊt th−êng. Ph−¬ng ph¸p nµy thu ®−îc s¶n phÈm cã khèi l−îng ph©n tö rÊt lín vµ cã tÝnh chÊt c¬ lý tèt h¬n policaproamit th−êng. 6.2.II.6. D©y chuyÒn s¶n xuÊt poliamit 6-6 Nguyªn liÖu bao gåm axit adipic r¾n vµ dung dÞch hexametylendiamin 60 - 80% ®−îc cho vµo nåi ph¶n øng chÞu ¸p suÊt. Qu¸ tr×nh s¶n xu¸t poliamit 6-6 còng nh− c¸c poliamit kh¸c thùc hiÖn theo ph−¬ng ph¸p gi¸n ®o¹n. 40
Ngoµi dung dÞch muèi ta cßn cho thªm chÊt æn ®Þnh vµo nåi ®Ó æn ®Þnh ®é nhít lµ axit axetic (1/150 mol trªn 1 mol muèi). §un nãng dÇn dÇn dung dÞch trong «t«clav¬ lóc ®Çu ®Õn 220 oC, lóc ®ã ¸p suÊt t¨ng lªn ®Õn 17,6 at trong 1 - 2 giê th× nhiÖt ®é sÏ ®¹t ®Õn 270 - 280 oC. Duy tr× nhiÖt ®é nµy trong 1 - 1,5 giê ®ång thêi liªn tôc x¶ h¬i ra. Sau ®ã gi¶m ¸p suÊt xuèng ®Õn ¸p suÊt th−êng. Dïng khÝ nit¬ nÐn poliamit nãng ch¸y xuèng nåi hÊp vµ cho thªm TiO2 vµo ®Ó t¹o mµu cho poliamit. Sau ®ã còng dïng khÝ nÐn ®Èy poliamit ch¶y xuèng thµnh d¶i cuén trªn thiÕt bÞ h×nh trèng. ë ®©y cã t−íi n−íc vµo ®ång thêi thæi kh«ng khÝ ®Ó t¸ch n−íc thõa ë b¨ng ra. Sau ®ã cho d¶i polyme qua bé nghiÒn (5) c¾t polyme thµnh thanh hoÆc h¹t nhá råi ®−a sang bé sµng (6) cuèi cïng ®−a vµo thïng chøa. 6.2.III. C«ng nghÖ s¶n xuÊt sîi poliamit 6-6 Polyme tæng hîp ®−îc cho vµo thïng chøa cã hÖ thèng gia nhiÖt. T¹i ®©y polyme ®−îc gia nhiÖt b»ng ®iÖn trë cho nãng ch¶y sau ®ã b¬m nÐn khÝ ®Ó thæi khÝ tr¬ vµo (th−êng lµ khÝ nit¬ hay CO2) ®Ó t¨ng ¸p lùc ®−a nhùa nãng ch¶y sang èng ®Þnh h×nh råi ®Õn ®Çu phun (mò philie). Tr−íc khÝ sang èng ®Þnh h×nh nhùa nãng ch¶y ®−îc cho qua mét l−íi läc nh»m t¸ch c¸c t¹p chÊt vµ phÇn nhùa ch−a nãng ch¶y. Tr−íc ®Çu phun ng−êi ta cã ®Æt mét b¬m r¨ng khÝa ®Ó chuÈn ®é, b¬m nµy cã t¸c dông ®iÒu chØnh sîi khi ra khái ®Çu phun. C¸c philam¨mg t¹o ra nhanh chãng ho¸ cøng nhê ph−¬ng ph¸p lµm nguéi b»ng bé ®IÒu hoµ. KÐo sîi ë tr¹ng th¸i láng cho phÐp ®¹t vËn tèc rÊt cao trªn 1000 m/phót. TiÕp theo lµ giai ®o¹n kÐo gi·n: C¸c philam¨ng ®−îc kÐo gi·n ®Ó ®¹t nh÷ng tÝnh chÊt tèt nhÊt. KÐo gi·n ®−îc thùc hiÖn ë tr¹ng th¸i nguéi hoÆc nãng, ®ång thêi philam¨ng ®−îc tÈm chÊt chèng tÜnh ®iÖn. Sau khi kÐo gi·n c¸c bã x¬ ®−îc t¹o qu¨n vµ c¾t ng¾n. 6.3. sîi poliamit6 41
6.3.I. Nguyªn liÖu t¹o sîi 6.3.I.1. Lý thuyÕt vÒ poliamit Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt ra lo¹i poliamit-6 nµy lµ phenol hay benzen. Sau qu¸ tr×nh biÕn ®æi trung gian chóng ®−îc chuyÓn thµnh xyclohexanon- oxim vµ sau ®ã chuyÓn nhãm cho néi ph©n tö ®Ó thµnh caprolactam nh− sau: Caprolactam cã thÓ xem nh− lactam cña acid aminocaproic HN- o (CH2)5-CO lµ nh÷ng tinh thÓ tr¾ng nãng ch¶y ë 68 - 70 C, kh«ng bÒn nhiÖt ë nhiÖt ®é cã kh¶ n¨ng trïng hîp thµnh nhùa policaprolactam. Qu¸ tr×nh trïng hîp caprolactam thµnh policaprolactam ®−îc tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é 256 ± 3oC trong 10-12 giê, khi cã mÆt n−íc lµm chÊt ho¹t ho¸. Tû lÖ n−íc lÊy tõ 3,5 - 4 % so víi khèi l−îng caprolactam. Qu¸ tr×nh trïng hîp x¶y ra nh− sau: C¬ chÕ cña ph¶n øng nµy cã thÓ nh− sau: Tho¹t tiªn caprolactam t¸c dông víi mét ph©n tö n−íc ®Ó thµnh acid amino-caproic: Sau ®ã acid amino - aproic míi t¹o thµnh l¹i t¸c dông víi caprolactam ®Ó thµnh di, tri, tetrapeptit vµ cho ®Õn khi thu ®−îc polyme víi ®é trïng hîp mong muèn, còng cã ý kiÕn cho r»ng tho¹t tiªn caprolactam hîp víi n−íc t¹o thµnh acid amino-caproic, sau ®ã 2 ph©n tö nµy trïng ng−ng thµnh mét ®ime, cßn c¸c giai ®o¹n sau th× gièng nh− c¬ chÕ nãi trªn. 42
Policaprolactam muèn ®−îc sö dông ®Ó kÐo sîi cÇn cã hÖ sè trïng hîp trong kho¶ng 150-200, t−¬ng øng víi khèi l−îng ph©n tö trong kho¶ng 16.000 - 22.000. S¶n phÈm nh− vËy cã nhiÖt ®é nãng ch¶y vµo kho¶ng 250 - 260oC. Nhùa cÇn ph¶i ®ång nhÊt, kh«ng chøa c¸c ®¬n ph©n tö (monome, di vµ trime). 6.3.I.2. Qui tr×nh c«ng nghÖ s¶n xuÊt poliamit6 Trong c«ng nghiÖp qu¸ tr×nh s¶n xuÊt policaprolactam theo 2 ph−¬ng ph¸p: gi¸n ®o¹n ë ¸p suÊt cao vµ liªn tôc ë ¸p suÊt th−êng. a. Ph−¬ng ph¸p gi¸n ®o¹n Caprolactam dïng ®Ó trïng hîp ®−îc lµm nãng ch¶y s¬ bé trong nh÷ng thiÕt bÞ ph¶n øng ®Æc biÖt víi sù cã mÆt cña chÊt ho¹t ho¸ lµ H2O. Ngoµi ra cßn cho thªm chÊt æn ®Þnh lµ acid acetic hay c¸c acid h÷u c¬ kh¸c nh»m ®IÒu chØnh ®é pH cña m«i tr−êng ph¶n øng. Khèi monome nãng ch¶y ®−îc läc cÈn thËn råi ®−a lªn nhiÖt ®é o kho¶ng 250 - 260 C d−íi bÇu khÝ tr¬ lµ nit¬ hay CO2. Khi ph¶n øng trïng hîp kÕt thóc, polyme ®−îc ®ïn ra khái thiÕt bÞ ph¶n øng thµnh mét b¨ng d¶i. Dïng n−íc l¹nh ®Ó lµm l¹nh s¶n phÈm. Dïng khÝ nit¬ ®Ó ®uæi oxy ra khái m«i tr−êng ph¶n øng tr¸nh hiÖn t−îng oxy ho¸ m¹ch ®¹i ph©n tö polyme t¹o ra vµ c¸c t¹p chÊt kh¸c trong m«i tr−êng ph¶n øng còng ®−îc lo¹i ra. §ång thêi cßn cã t¸c dông t¹o ¸p lùc ®Ó ®Èy polyme t¹o ra qua van (4) ®· ®−îc ®èt nãng t¹o thµnh b¨ng d¶i. Polyme t¹o ra ®−îc cuén trªn thiÕt bÞ h×nh trèng (5), ë ®©y trèng ®−îc cÊp n−íc vµo (6) ®ång thêi dïng luång kh«ng khÝ (7) ®Ó t¸ch n−íc thõa ë b¨ng d¶i polyme ra. Sau ®ã d¶i polyme ®−îc cho qua m¸y dËp c¾t polyme thµnh thanh hay d¹ng côc nhá. TiÕp theo cho qua thiÕt bÞ sµng vµ sÊy b»ng kh«ng khÝ nãng hay thïng sÊy ch©n kh«ng cho tíi khi hµm Èm ®¹t d−íi 0,1%. Th«ng th−êng policaprolactam t¹o ra vÉn cßn mét l−¬ng monome kh¸ lín lµm gi¶m chÊt l−îng cña sîi kÐo ra , do ®ã tr−íc khi ®em sÊy ng−êi ta th−êng röa polyme b»ng n−íc nãng ®Ó hoµ tan monome cã trong nhùa. b. Ph−¬ng ph¸p liªn tôc §Ó d¬n gi¶n ho¸ qu¸ tr×nh ng−êi ta dïng ph−¬ng ph¸p liªn tôc theo nguyªn t¾c sau: 43
- Cung cÊp ®Òu ®Æn caprolactam vµo 1 èng dµi cã gia nhiÖt ®Õn 260- 280 oC vµ khuÊy ®Òu b»ng c¸nh khuÊy. Råi cho axit axetic vµ 1 Ýt n−íc lµm chÊt ho¹t ho¸ qu¸ tr×nh ph¶n øng trïng hîp. - Ph¶n øng trïng hîp x¶y ra trong èng cã g¾n ®Çu philie ë cuèi èng vµ nh− vËy nhùa sau khi t¹o ra liÒn ®−îc ®ïn ra d−íi ¸p lùc cña khÝ nit¬ n¹p vµo trong èng t¹o thµnh dßng sîi liªn tôc. - Dßng sîi ®i ra l¹i cho sang c¸c c«ng ®o¹n tiÕp theo nh− kÐo c¨ng, hoµn tÊt èng th−êng ®−îc lµm b»ng thÐp cr«m-Niken cã dung tÝch tõ 1-6 m3, chiÒu cao èng cã thÓ 1,25 - 7,5 m. NhiÖt ®é ®−îc cung cÊp bëi hÖ thèng ®iÖn trë. Ph¶n øng trïng hîp poliamit lµ ph¶n øng trïng hîp bËc vµ do ®ã khèi l−îng ph©n tö polyme t¨ng theo tõng bËc, chËm vµ nhiÖt ph¶n øng to¶ ra bÐ. Tèc ®é ph¶n øng phô thuéc chñ yÕu vµo nhiÖt ®é, nhiÖt ®é t¨ng th× tèc ®é ph¶n øng t¨ng. * −u nh−îc ®iÓm cña 2 ph−¬ng ph¸p liªn tôc vµ gi¸n ®o¹n: + Ph−¬ng ph¸p liªn tôc: - Cã thÓ thu ®−îc caprolactam chøa Ýt t¹p chÊt, kh«ng cÇn ph¶i röa l¹i. - Bá qua ®−îc nhiÒu c«ng ®o¹n nh− t¹o h¹t, t¸ch monome d−, sÊy kh« nªn rót ng¾n ®−îc kh¸ nhiÒu thêi gian. - Kh«ng cÇn diÖn tÝch s¶n xuÊt lín, tiÕt kiÖm ®−îc nh©n c«ng, gãp phÇn lµm gi¶m gi¸ thµnh s¶n phÈm. + Ph−¬ng ph¸p gi¸n ®o¹n: - Polyme t¹o ra kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i ®−îc kÐo sîi ngay mµ cã thÓ ®−îc dù tr÷ vµ kÐo sîi vµo thêi ®IÓm nµo cÇn thiÕt. - MÆc dï qua nhiÒu thiÕt bÞ nh−ng dÔ ®IÒu chØnh qu¸ tr×nh. ThiÕt bÞ rêi nhau nªn dÔ l¾p r¸p, s÷a ch÷a, thay thÕ. Trong c«ng nghiÖp hiÖn nay ng−êi ta th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p liªn tôc. 6.3.II. S¶n xuÊt sîi poliamit-6 Polyme ®−îc cho vµo thiÕt bÞ gia nhiÖt ®Ó lµm nãng ch¶y sau ®ã cho qua läc b»ng líp c¸t th¹ch anh mÞn råi chuyÓn sang èng ®Þnh h×nh cã g¾n mò 44
philie. Sîi t¹o ra cho qua mét buång dµi, hÑp cã kh«ng khÝ l¹nh thæi vµo ®Ó ®ãng r¾n sîi. Sau ®ã sîi ®−îc cho qua bé phËn tÈm dÇu b«i tr¬n, tiÕp theo ®ã ®−îc cuèn vµo c¸c èng sîi víi tèc ®é 500, 1000, 1200 m/phót hoÆc cã thÓ nhanh h¬n. C¸c èng sîi ®−îc ®em ®i kÐo c¨ng víi tû sè kÐo c¨ng 4 - 5. Sîi tiÕp tôc cho qua mét ‘bµn lµ’ æn ®Þnh nhiÖt trong thêi gian nhÊt ®Þnh ë tr¹ng th¸i kÐo c¨ng. DËp sãng cho sîi b»ng c¸ch cho bã sîi ®i qua nh÷ng trôc c¸n cã r¨ng c−a ¨n khíp víi nhau vµ sau ®ã cho qua m¸y c¾t ng¾n tuú theo yªu cÇu. 6.3.III. §¬n vÞ vµ d¹ng bao gãi 1. §¬n vÞ X¬ d¹ng c¾t ng¾n cã ®é m¶nh phæ biÕn lµ 3,3 - 6,7 - 17 dtex. + Theo ph−¬ng ph¸p S: D¹ng x¬ 11 ktex dïng trong kÐo ®øt ngÉu nhiªn + Theo ph−¬ng ph¸p L: D¹ng x¬ 22 ktex dïng ®Ó c¾t ng¾n trªn m¸y complext¬. D¹ng c¾t ng¾n cã ®é dµi 60, 80, 90, 100, 120, 180 dïng ®Ó gia c«ng trªn hÖ thèng thiÕt bÞ kÐo sîi len (cã thÓ qu¨n hay kh«ng). + Theo ph−¬ng ph¸p C: Cung cÊp d−íi d¹ng x¬ c¾t ng¾n cã ®é dµI 40 mm, 60 mm dïng ®Ó gia c«ng trªn thiÕt bÞ kÐo sîi b«ng. Ngoµi ra cßn cã nh÷ng d¹ng ®Æc biÖt dïng cho c«ng nghÖ phun x¬ dïng trong c«ng nghiÖp giÊy vµ s¶n xuÊt v¶i kh«ng dÖt. 2. D¹ng bao gãi Sîi poliamit s¶n xuÊt ra ë d¹ng bãng, mê hay nöa mê. C¸c kiÖn x¬ ®−îc vËn chuyÓn b»ng c¸c m¸y n©ng thÝch hîp. Khi thao t¸c c¸c kiÖn x¬ ph¶i cÈn thËn ®Ó kh«ng lµm h− h¹i ®Õn chóng. Bã x¬ ®ùng trong thïng giÊy cøng hay ®ãng thµnh kiÖn. C¸c hép hay c¸c kiÖn bã x¬ ph¶i ®−îc vËn chuyÓn cÈn thËn v× nÕu kiÖn x¬ bÞ vì sÏ g©y tæn thÊt x¬ kh¸ lín. Kh«ng ®−îc phÐp l¨n, vÇn c¸c hép hay kiÖn bã x¬ hay xÕp ®Æt kh«ng ®óng qui ®Þnh chiÒu ®øng trªn vµ d−íi cña thïng hay kiÖn. 45
Bã x¬ xÕp trong kiÖn trßn th× kh«ng ®−îc l¨n theo c¹nh cña nã v× dÔ lµm rèi sîi vµ kh«ng ®−îc dïng mãc, ph¶i s¾p xÕp theo ®óng qui ®Þnh. 6.3.IV. TÝnh chÊt chung cña sîi poliamit (polyamit6-6, polyamit6) Nhùa poliamit ®−îc dïng ®Ó s¶n xuÊt sîi ph¶i cã khèi l−îng ph©n tö trong kho¶ng 15.000 ®Õn 22.000. 1. TÝnh chÊt c¬ lý Sîi poliamit cã ®é bÒn c¬ häc cao, so víi sîi vitxco th× cao h¬n 2 - 2,5 lÇn. ë tr¹ng th¸i −ít ®é bÒn cña nã chØ gi¶m 10%. §Æc biÖt lµ ®é bÒn víi ma s¸t th× nã cao h¬n h¼n tÊt c¶ c¸c sîi ho¸ häc kh¸c. Khèi l−îng riªng cña sîi poliamit thÊp h¬n nhiÒu so víi tÊt c¶ c¸c sîi kh¸c b»ng 1,14 g/cm3. Sîi poliamit sau khi kÐo d·n c¸c d©y ph©n tö cã liªn kÕt bã chÆt chÏ nªn lùc t¸c dông t−¬ng hç gi÷a c¸c ph©n tö t¨ng do ®ã sîi cã ®é bÒn c¬ häc cao. Tuy nhiªn l¹i lµm cho sîi khã nhuém mµu. Sîi poliamit lµ lo¹i sîi cã tÝnh co gi·n cao h¬n c¶ vµ cã kh¶ n¨ng gi÷ nÕp cao nªn nã ®−îc sö dông ®Ó dÖt tÊt, g¨ng tay, v¶i dÖt kim vµ c¸c lo¹i v¶i may kh¸c nhau. V× trong ph©n tö poliamit cã chøa nhãm amin vµ nhãm cacboxyl ë hai ®Çu m¹ch nªn poliamit cã hµm Èm thÊp (kho¶ng 4%), tuy nã khã b¾t bôi, b¾t Èm nh−ng v¶i dÖt tõ sîi poliamit Ýt tho¸ng khÝ, kh«ng hót må h«i do ®ã lµm tÝnh chÊt sö dông gi¶m. V× hµm Èm thÊp nªn x¬ poliamit cã kh¶ n¨ng sinh tÜnh ®iÖn g©y khã kh¨n cho qu¸ tr×nh dÖt, ®Ó h¹n chÕ hiÖn t−îng nµy ng−êi ta dïng chÊt b«i tr¬n. 2. Kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt Poliamit lµ nhùa nhiÖt dÎo, nªn sîi poliamit bÞ biÕn d¹ng ë nhiÖt cao: nylon-6 bÞ mÒm ë 170 oC vµ ch¶y ë 215 oC, nylon 6-6 bÞ mÒm ë 235 oC vµ ch¶y ë 265 oC . V× vËy khi lµ quÇn ¸o b»ng lo¹i sîi nµy nªn chó ý tr¸nh qu¸ nhiÖt. Do khi kÐo c¨ng sîi cßn nhiÒu ph©n tö ch−a triÖt tiªu néi n¨ng nªn khi cã ®iÒu kiÖn nã sÏ cã xu h−íng gi¶i phãng néi n¨ng ®ã vµ lµm cho sîi bÞ co l¹i. V× vËy ®Ó h¹n chÕ hiÖn t−îng nµy cÇn tiÕn hµnh qu¸ tr×nh æn ®Þnh nhiÖt 46
sau khi kÐo c¨ng vµ nhiÖt ®é æn ®Þnh nhiÖt ph¶i cao h¬n nhiÖt ®é mµ s¶n phÈm ph¶i chÞu trong c¸c qu¸ tr×nh gia c«ng, sö dông sau nµy. 3. §é bÒn víi c¸c t¸c nh©n ho¸ häc Sîi poliamit t−¬ng ®èi bÒn víi kiÒm, thÝ dô khi ng©m nylon-6 trong xót 40% trong thêi gian lµ 1 giê th× tÝnh chÊt c¬ lý vÉn ch−a thay ®æi bao nhiªu. Sîi poliamit kÐm bÒn víi axit nhÊt lµ axit kho¸ng vµ ë nhiÖt ®é cao. VÝ dô: Sîi poliamit cã ®é bÒn kh«ng thay ®æi khi ng©m trong dung dÞch axit focmic 3% hoÆc axit axetic 3% ë 100 oC trong 3 giê, nh−ng sÏ bÞ hoµ tan trong axit focmic 80%, bÞ tr−¬ng në m¹nh trong dung dÞch axit focmic 20%. Sîi poliamit rÊt nh¹y c¶m víi t¸c dông cña c¸c chÊt oxy ho¸ v× thÕ nh÷ng chÊt oxy ho¸ m¹nh vÉn th−êng dïng trong c«ng nghiÖp dÖt nh− natrihipoclorit (NaClO), hi®roperoxit (H2O2) kh«ng ®−îc sö dông ®Ó tÈy tr¾ng v¶i poliamit. C¸c chÊt khö, dung dÞch ®ång - amoniac vµ c¸c muèi trung tÝnh thùc tÕ kh«ng ¶nh h−ëng g× ®Õn tÝnh chÊt cña sîi. Dung dÞch trªn 60% cña phenol vµ m-crezol lµ c¸c dung m«i tèt cña nylon6 vµ nylon66. Khi tiÕp xóc víi ngän löa tho¹t tiªn sîi poliamit bÞ ch¶y mÒm thµnh h¹t tr¾ng, sau dã ch¸y chËm, khi lÊy ra khái ngän löa th× sîi kh«ng tiÕp tôc ch¸y n÷a. TÝnh chÊt ho¸ häc cña sîi poliamit do c¸c nhãm chøc amin vµ cacboxyl ë hai ®Çu vµ nhãm imin ë gi÷a m¹ch quyÕt ®Þnh. Nh− vËy sîi poliamit cã tÝnh chÊt l−ìng tÝnh, nghÜa lµ d−íi t¸c dông cña axit vµ baz¬ nosex t¹o thµnh muèi nh− sau: - + H2N-R-COOH + HCl Cl . H3N -R-COOH H2N-R-COOH + NaOH H2N-R-COONa + H2O Sîi poliamit cã miÒn ®¼ng ®iÖn trong kho¶ng pH = 4 - 5. C¸c nhãm imin cña m¹ch chÝnh ë ®iÒu kiÖn th−êng kh«ng thÓ hiÖn tÝnh baz¬ vµ kh«ng kÕt hîp víi c¸c axit yÕu hay thuèc nhuém axit. Khi pH < 3 th× c¸c nhãm sÏ bÞ ion hãa vµ cã thÓ liªn kÕt víi axit theo s¬ ®å sau: 47
Sîi poliamit kÐm ®ång nhÊt vÒ thµnh phÇn ho¸ häc (m¹ch ph©n tö kh«ng ®Òu) do ®ã sÏ ¶nh h−ëng kh«ng tèt ®Õn ®é ®Òu mµu cña sîi khi nhuém. §Ó h¹n chÕ hiÖn t−îng nµy ng−êi ta th−êng tiÕn hµnh æn ®Þnh nhiÖt tr−íc khi nhuém. 6.3.V. øng dông cña poliamit6 Sö dông lµm l−íi ®¸nh c¸, dïng trong c¸c xÝ nghiÖp ho¸ chÊt ®Ó bao bäc c¸c chi tiÕt m¸y mãc Dïng trong may mÆc: c¸c lo¹i v¶i ¸o quÇn, v¶i trang trÝ, th¶m, v¶i dï, d©y dï, v¶i l«ng thó nh©n t¹o, bÝt tÊt, v¶i dïng trong kü thuËt, d©y thõng, v¶i lãt lèp «t« chÞu mµi mßn cao, lµm d©y cu-roa, b¨ng chuyÒn, b¨ng t¶i 6.4. Sîi polieste 6.4.I. Më ®Çu Polieste lµ tªn chung cña nhãm polyme thu ®−îc khi trïng ng−ng axit ®a chøc vµ r−îu ®a chøc. Nhãm chøc este ®−îc h×nh thµnh do qu¸ tr×nh t−¬ng gi÷a c¸c nhãm chøc axit vµ r−îu nèi c¸c phÇn cßn l¹i cña c¸c ph©n tö ph¶n øng. Polieste ®−îc sö dông ®Çu tiªn ®Ó s¶n xuÊt sîi lµ polieste ®i tõ axit ®icacboxylic vµ ®ialcol, tuy nhiªn lo¹i sîi nµy cã ®é bÒn c¬ lý kh«ng cao, ®iÓm ch¶y qu¸ thÊp vµ kÐm bÒn trong m«i tr−êng axit vµ baz¬ do ®ã lo¹i sîi nµy kh«ng ®−îc chÊp nhËn. Cho ®Õn khi hai nhµ b¸c häc ng−êi Anh lµ Uynfin vµ §ichx¬n ®· ph¸t minh lo¹i polieste ®i tõ axit ®icacboxylic chøa nh©n th¬m th× sîi polieste b¾t ®Çu ®−îc chó ý vµ ®ãng vai trß ®¸ng kÓ trong sù ph¸t triÓn sîi tæng hîp. Lo¹i polyme nµy tá ra −u viÖt h¬n nhiÒu so víi lo¹i polyme ban ®Çu: cã ®iÓm ch¶y cao, ®é kÕt tinh tèt, ®é bÒn c¬ lý cao, bÒn víi nhiÒu lo¹i axit. 48
6.4.II. Nguyªn liÖu t¹o sîi polieste Cã nhiÒu lo¹i polieste ®i tõ c¸c lo¹i monome kh¸c nhau, trong ®ã lo¹i polieste dïng ®Ó s¶n xuÊt sîi lµ lo¹i polieste ®i tõ axit terephtalic vµ etylenglycol (EG) vµ polyme t−¬ng øng gäi lµ poliªtylenterephtalat. 6.4.II.1. Nguyªn liÖu t¹o nhùa polieste + Axit terephtalic: thuéc hä axit phenyl®icacboxylic, cã 2 ®ång ph©n kh¸c lµ axit phtalic vµ izophtalic: C¶ 3 ®ång ph©n nµy ®Òu cã kh¶ n¨ng trïng ng−ng víi EG ®Ó t¹o c¸c polieste t−¬ng øng, nh−ng trong ®ã chØ cã axit terephtalic míi t¹o ra lo¹i nhùa ®¸p øng c¸c yªu cÇu ®Ó t¹o sîi: c¸c ®¹i ph©n tö s¾p xÕp chÆt chÏ vµ cã kh¶ n¨ng kÕt tinh cao. §−îc s¶n xuÊt tõ p-xilen nhê ph¶n øng oxy ho¸ ë pha láng, tuy nhiªn nguån nguyªn liÖu nµy chiÕm tû lÖ kh«ng nhiÒu trong chÕ biÕn dÇu má vµ do ®ã h¹n chÕ viÖc s¶n xuÊt sîi polieste. §Ó më réng nguån nguyªn liÖu cã thÓ sö dông mét sè ph−¬ng ph¸p trong quy m« c«ng nghiÖp nh− dÞ ho¸ muèi kali cña axit benzoic: hoÆc chuyÓn vÞ c¸c nhãm - COOH cña c¸c ®ång cña axit terephtalic: + §imetylterephtalat (DMT) lµ dÉn xuÊt cña axit terephtalic ®−îc sö dông réng r·i trong s¶n xuÊt polieste t¹o sîi hiÖn nay v× cã nhiÒu −u ®iÓm vÒ mÆt kü thuËt h¬n. Cã thÓ ®iÒu chÕ b»ng c¸ch oxy ho¸ p-xylen 2 giai ®o¹n víi oxy kh«ng khÝ vµ xóc t¸c lµ naphtenat Coban. + Etylenglycol: ®−îc s¶n xuÊt tõ etylen lµ mét s¶n phÈm phæ biÕn cña qu¸ tr×nh cr¾cking dÇu má: 49
6.4.II.2. §a tô polieste Ph¶n øng ®a tô: Qu¸ tr×nh x¶y ra ë nhiÖt ®é cao (250 oC - 270oC) d−íi ch©n kh«ng, xóc t¸c th−êng lµ amin bËc bèn. Qu¸ tr×nh ph¶n øng cã kÌm theo sù t¸ch s¶n phÈm phô lµ n−íc, ®Ó thu ph¶n øng ®¹t c©n b»ng nhanh vµ polyme thu ®−îc cã träng l−îng ph©n tö lín ng−êi ta tiÕn hµnh t¸ch n−íc trong qu¸ tr×nh ph¶n øng b»ng ch©n kh«ng. §Ó polyme thu ®−îc cã ®é tinh khiÕt cao th× trong qu¸ tr×nh ph¶n ph¶i tiÕn hµnh t¸ch EG d−. Khèi polyme t¹o ra ®−îc qua ®Çu ®ïn lµm l¹nh b»ng n−íc vµ t¹o h¹t trªn thiÕt bÞ nghiÒn, c¾t, sau ®ã cho qua sÊy vµ sµng. Cuèi cïng polyme ®−îc ®ãng gãi b¶o qu¶n ®Ó sö dông cho qu¸ tr×nh t¹o sîi tiÕp theo. 6.4.III. S¶n xuÊt sîi polieste Qu¸ tr×nh s¶n xuÊt sîi polieste còng cã thÓ tiÕn hµnh gi¸n ®o¹n hay liªn tôc nh− ®èi víi sîi poliamit. 1. Ph−¬ng ph¸p gi¸n ®o¹n Sö dông polyme d¹ng h¹t tr−íc khi ®em ®i kÐo sîi cÇn ®−îc sÊy kh« trong ch©n kh«ng. Qu¸ tr×nh kÐo sîi thùc hiÖn theo ph−¬ng ph¸p nãng ch¶y. H¹t polyme ®−îc cho vµo buång gia nhiÖt cho ®Õn nãng ch¶y ë nhiÖt ®é kho¶ng 280 - 290 oC. Nhùa nãng ch¶y ®−îc Ðp qua mµng läc tiÕp ®Õn cho vµo èng ®Þnh h×nh cã g¾n mò philie d−íi ¸p lùc Ðp trong m«i tr−êng khÝ tr¬ (N2). Tèc ®é kÐo sîi tïy theo tõng lo¹i thùc hiÖn kh¸c nhau, vÝ dô: lo¹i sîi nh½n - 1,2-1,8 ngh×n m/phót; víi lo¹i sîi kü thuËt ®ßi hái ®é bÒn cao, ®Ó kÕt hîp qu¸ tr×nh kÐo c¨ng vµ textua th× tèc ®é kÐo sîi ph¶i ®¹t 3,5-4 ngh×n m/phót; cßn ®èi víi d¹ng bã sîi th× tèc ®é lµ 1,1 ngh×n m/phót Dßng sîi ra khái ®Çu philie cho qua buång lµm l¹nh b»ng khÝ l¹nh, råi sau ®ã quÊn sîi vµo èng h×nh trô (®èi víi bã sîi th× ®Æt vµo thïng h×nh trô), ®Ó tiÕp tôc qua c¸c c«ng ®o¹n 50
kÐo c¨ng, tÈm chÊt b«i tr¬n chèng hiÖn t−îng tÜnh ®iÖn, æn ®Þnh nhiÖt vµ cã thÓ t¹o qu¨n, dËp sãng ®Ó c¶i thiÖn ®é xèp, tÝnh ®µn håi cho sîi nÕu cÇn. Tû sè kÐo c¨ng kh¸c nhau víi c¸c lo¹i sîi kh¸c nhau, víi sîi th«ng th−êng lµ 4 - 5, víi lo¹i sîi ®Æc biÖt th× tû sè kÐo c¨ng cao h¬n. Do lùc t¸c dông t−¬ng hç gi÷a c¸c m¹ch ®¹i ph©n tö polyme lín nªn viÖc kÐo c¨ng tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é cao tõ 180-200oC. Sau khi kÐo c¨ng, sîi ®−îc æn ®Þnh nhiÖt ë nhiÖt ®é 120-125oC trong kho¶ng 30-40 phót trong m«i tr−êng kh«ng khÝ hoÆc m«i tr−êng cã h¬i n−íc b·o hßa. Cuèi cïng tiÕn hµnh ®¸nh èng hoÆc cuén thµnh bóp hoÆc bã sîi. §èi víi sîi mµnh dïng trong kü thuËt (chÕ t¹o lèp xe) th−êng ®−îc tÈm chÊt t¨ng dÝnh víi cao su tr−íc khi quÊn èng. Víi sîi textua, th× ng−êi ta th−êng kÕt hîp qu¸ tr×nh kÐo c¨ng víi qu¸ tr×nh textua (biÕn ®æi cÊu t¹o sîi: t¹o qu¨n, dËp sãng nh»m t¨ng ®é xèp, tÝnh ®µn håi cho sîi), nh− vËy sÏ kinh tÕ h¬n. Qu¸ tr×nh t¹o qu¨n, dËp sãng tiÕn hµnh trªn thiÕt bÞ gåm nhiÒu cÆp trôc cã r·nh, quay ng−îc chiÒu nhau, sau ®ã cho qua æn ®Þnh nhiÖt vµ cuèi cïng cho qua thiÕt bÞ c¾t thµnh x¬ c¾t ng¾n theo kÝch th−íc ®Þnh tr−íc. §èi víi x¬ c¾t ng¾n th−êng ®ãng thµnh kiÖn trong c¸c thïng cac- t«ng hoÆc thïng gç. Sîi cã thÓ s¶n xuÊt d−íi d¹ng t¬ hay x¬ tuú theo yªu cÇu. 6.4.IV. TÝnh chÊt cña sîi polieste 1. §é bÒn c¬ lý vµ ngo¹i quan Sîi polieste lµ lo¹i sîi cã ®é bÒn c¬ häc cao. §é bÒn ®øt t−¬ng ®−¬ng víi sîi poliamit còng nh− ®èi víi c¸c lo¹i sîi tæng hîp kh¸c phô thuéc nhiÒu vµo träng l−îng ph©n tö cña polyme, ®iÒu kiÖn t¹o sîi vµ kÐo c¨ng. Do cÊu t¹o cña polyme cã h×nh ziczac gièng nh− cña cao su nªn sîi polieste cã kh¶ n¨ng ®µn håi lín vµ m«®un ®µn håi cao. Do tÝnh chÊt ®µn håi cao nªn c¸c s¶n phÈm dÖt tõ sîi polieste gi÷ ®−îc h×nh d¹ng bÒ mÆt, Ýt bÞ nhµu khi giÆt, gi÷ nÕp khi lµ. V× ®Æc ®iÓm nµy nªn ng−êi ta th−êng hay pha sîi polieste víi c¸c lo¹i sîi dÔ bÞ nhµu nh− sîi b«ng, sîi vitxco ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng chèng biÕn d¹ng cña s¶n phÈm. VÒ vÎ ngoµi cña sîi polieste rÊt gièng len, v¶i ®i tõ polieste rÊt bÒn, ®Ñp, kh«ng bÞ nhµu . So víi poliamit th× sîi polieste cã cÊu tróc chÆt chÏ h¬n, 51
tû lÖ phÇn vi kÕt tinh cao nªn nã kÐm bÒn víi ma s¸t h¬n, tuy nhiªn chØ sau rÊt Ýt vµ lín h¬n nhiÒu so víi c¸c lo¹i sîi kh¸c. CÇn chó ý r»ng khi sîi polyeste cã ®é bÒn ®øt cµng cao th× ®é mµi mßn cµng thÊp. Lo¹i sîi cã ®é bÒn ®øt trung b×nh chÞu mµi mßn tèt h¬n lo¹i cã ®é bÒn cao tíi 20-25 lÇn. 2. §é bÒn víi t¸c dông cña nhiÖt vµ ¸nh s¸ng Do trong ph©n tö cña polieste cã chøa nh©n th¬m nªn kh¶ n¨ng bÒn nhiÖt v−ît xa c¸c lo¹i sîi kh¸c. Khi gia nhiÖt ë 150 oC trong 1000 giê liÒn ®é bÒn sîi chØ gi¶m 50%, trong khi ®ã ë nhiÖt ®é nµy chØ trong 200 - 300 giê ®èi víi c¸c lo¹i sîi ho¸ häc kh¸c ®· bÞ ph¸ hñy hoµn toµn. §Õn nhiÖt ®é 235 oC sîi polieste mÊt ®é ®Þnh h−íng c¸c ®¹i ph©n tö, ®Õn nhiÖt ®é 265 oC sîi bÞ nãng ch¶y vµ ®Õn 275 oC sîi b¾t ®Çu bÞ ph¸ hñy, v× c¸c v¶i tõ sîi polieste chØ ®−îc phÐp lµ ë nhiÖt ®é < 235 oC. D−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng sîi polieste còng bÞ suy gi¶m ®é bÒn nhÊt lµ khi chÞu tia s¸ng cã b−íc sãng ng¾n 300 - 330 micromet. Tuy nhiªn trõ sîi poliacrylonitryl, sîi polieste cã ®é bÒn ¸nh s¸ng lín h¬n c¶. 3. §é bÒn ho¸ häc vµ vi sinh vËt T−¬ng ®èi bÒn víi t¸c dông cña axit, hÇu hÕt c¸c axit v« c¬ vµ h÷u c¬ ë nång ®é kh«ng cao l¾m ë nhiÖt ®é th−êng ®Òu kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn ®é bÒn cña sîi polieste. Víi c¸c chÊt oxy ho¸ sîi polieste t−¬ng ®èi bÒn. BÒn víi t¸c dông cña dung m«i h÷u c¬ nh−: axeton, benzen, tetraclorua cacbon, toluen, r−îu , bÞ hßa tan trong dung m«i m-crezol, o-clophenol khi ®un s«i. KÐm bÒn víi t¸c dông cña kiÒm, khi ®un s«i l©u trong dung dÞch xót 1% sîi bÞ thñy ph©n. Cßn trong dung dÞch xót 40% ë nhiÖt ®é th−êng sîi bÞ ph¸ hñy m¹nh, v× trong m¹ch cña polyeste cã chøa nhãm este dÔ bÞ thñy ph©n ®Æc biÖt trong m«i tr−êng kiÒm. 4. C¸c tÝnh chÊt kh¸c Sîi polyeste cã khèi l−îng riªng b»ng 1,33g/cm3 (lín h¬n sîi polyamit). Do chøa Ýt nhãm −a n−íc, l¹i cã cÊu tróc chÆt chÏ nªn sîi polyeste cã hµm Èm thÊp, ë ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn hµm Èm cña nã lµ 0,4%. V× vËy sîi polyeste cã kh¶ n¨ng c¸ch ®iÖn cao vµ dÔ g©y hiÖn t−îng tÝch ®iÖn nªn khã 52
kh¨n cho qu¸ tr×nh dÖt. Còng v× vËy mµ sîi polyeste khã nhuém mµu, chØ nhuém ®−îc b»ng thuèc nhuém thÝch hîp (thuèc nhuém ph©n t¸n, thuèc nhuém cã tÝnh chÊt t−¬ng tù ë nhiÖt ®é cao hay khi cã mÆt chÊt t¶i (chÊt g©y tr−¬ng) ). §Ó biÕn tÝnh sîi polyeste ng−êi ta ®· t×m c¸ch thay ®æi thµnh phÇn hãa häc cña polyeste vÝ dô cã thÓ thay thÕ mét phÇn nguyªn liÖu ban ®Çu lµ terrrephtalic axit b»ng axit izophtalic, nh»m ph¸ vì sù s¾p xÕp trËt tù, ®Òu ®Æn c¸c m¾t xÝch trong m¹ch ®¹i ph©n tö, tõ ®ã ph¸ vì tÝnh chÆt chÏ vÒ cÊu tróc ph©n tö, gi¶m kh¶ n¨ng ®Þnh h−íng vµ kÕt tinh cña chóng. Do ®ã lµm cho sîi mÒm m¹i h¬n, dÔ gËp uèn h¬n, kh¶ n¨ng nhuém mµu t¨ng h¬n, ®é xèp t¨ng vµ ®é co cao h¬n lµm cho v¶i trë nªn dµy, xèp, Êm vµ cã vÎ ®Ñp ®éc ®¸o. 6.4.V. øng dông cña sîi polyeste Sîi polyeste ®−îc s¶n xuÊt d−íi hai lo¹i: lo¹i cã ®é bÒn b×nh th−êng dïng trong sinh ho¹t vµ lo¹i cã ®é bÒn cao dïng trong kü thuËt. Lo¹i dïng trong sinh ho¹t chñ yÕu sö dông trong may mÆc nh− quÇn ¸o lãt, ¸o mÆc Êm, ¸o quÇn mïa hÌ v× sîi polyeste tuy ®é hót Èm kÐm, nh−ng nhê tÝnh mao dÉn sîi vÉn hót må h«i vµ ph©n t¸n ra m«i tr−êng ngoµi. Nhê tÝnh c¸ch nhiÖt cao, sîi polyeste ®−îc dïng ®Ó nhåi vµo gèi, ch¨n b«ng vµ ¸o b«ng, võa Êm võa dÔ giÆt s¹ch. §Æc biÖt lo¹i sîi nµy cã thÓ pha trén víi bÊt cø lo¹i sîi nµo: sîi thiªn nhiªn (sîi b«ng, sîi lanh ), sîi nh©n t¹o, sîi tæng hîp (polyamit, PAN ) ®Ó t¹o ra c¸c lo¹i v¶i víi nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc tr−ng nh− v¶i p«p¬lin, phin, kaki, simili §èi víi vi sinh vËt sîi polyeste còng kh¸ bÒn nªn ®−îc sö dông nhiÒu trong c«ng nghiÖp nh− dïng lµm b¨ng chuyÒn trong s¶n xuÊt giÊy, b¨ng t¶i trong d©y chuyÒn tr¸ng cao su , lµm v¶i läc ®Ó tinh chÕ n−íc s«ng, n−íc th¶i lµm s¹ch b»ng ph−¬ng ph¸p sinh hãa, dïng lµm l−íi ®¸nh c¸, d©y neo tµu, d©y thõng, ch·o, d©y rî do tÝnh chÞu nhiÖt, ¸nh s¸ng, hãa häc vµ vi sinh vËt. Do tÝnh c¸ch ®iÖn cao mµ lo¹i sîi nµy ®−îc sö dông lµm c¸c lo¹i v¶i c¸ch ®iÖn cho c¸c ®éng c¬ ®iÖn c«ng suÊt ®Õn 50 m· lùc, ®Æc biÖt kh¶ n¨ng c¸ch ®iÖn ë nhiÖt ®é cao. 53
Nhê tÝnh chÞu hãa chÊt, sîi polyeste ®−îc dïng ®Ó dÖt thµnh v¶i may ¸o quÇn b¶o hé lao ®éng trong c¸c nhµ m¸y hãa chÊt, lµm vá bäc anèt trong b×nh ®iÖn ph©n ®Ó m¹ thiÕc-niken v× trong thµnh phÇn cña dung dÞch m¹ cã chøa HF ph¸ hñy nhanh chãng tÊt c¶ mäi lo¹i sîi. Víi nh÷ng tÝnh n¨ng −u viÖt, nguyªn liÖu dåi dµo, gi¸ thµnh h¹ nªn lÜnh vùc sö dông cña sîi polyeste ngµy cµng ®−îc më réng, tèc ®é ph¸t triÓn lo¹i sîi nµy t¨ng mét c¸ch phi th−êng, nhanh chãng chiÕm lÜnh −u thÕ trong thÕ giíi sîi hãa häc. 6.5. Sîi acrylonitryl 6.5.I. Më ®Çu X¬ ®i tõ nhùa acrylonitryl lµ sîi acrylic. PAN ®· ®−îc nhµ ho¸ häc Ph¸p Mure vµo n¨m 1893, nh−ng nã kh«ng cã gi¸ trÞ sö dông trong c«ng nghiÖp v× tÝnh khã hoµ tan trong dung m«i th«ng th−êng. Cho ®Õn n¨m 1942 khi dimetylformamit ®−îc ph¸t hiÖn lµ dung m«i cho PAN th× sîi ®i tõ nã còng ®−îc më ra vµ ®Õn n¨m 1948 th× s¶n xuÊt trªn qui m« c«ng nghiÖp. 6.5.II. Nguyªn liÖu t¹o sîi acrylonitryl 6.5.II.1. Lý thuyÕt chung vÒ PAN C«ng thøc ph©n tö: -(-CH2-CH-)n- Ph¸p lµ Mure tæng hîp ®−îc tõ n¨m 1893. Nh−ng së dÜ nã kh«ng cã mÊy h÷u dông trong ®êi sèng vµ kü thuËt v× nhùa t¹o ra tõ acrilonitryl cã mét sè nh−îc ®iÓm sau: + Khã hßa tan trong c¸c dung m«i th«ng th−êng. + NhiÖt ®é ph©n hñy bÐ h¬n nhiÖt ®é ch¶y mÒm. Nguyªn nh©n lµ sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö polyme qu¸ chÆt chÏ do sù cã mÆt cña nhãm - CN t¹o liªn kÕt N H. Qua mét thêi gian dµi nghiªn cøu ®Ó t×m ra dung m«i cã thÓ hßa tan nã vµ cho ®Õn n¨m 1942, cïng mét lóc ë Mü vµ §øc ®· ph¸t hiÖn mét lo¹i dung m«i cho PAN ®ã lµ dimetylformamit cã c«ng thøc: 54
H - C Ngµy nay dimetylformamit (viÕt t¾t lµ DMF) ®· trë thµnh dung m«i v¹n n¨ng, rÊt quan träng dïng trong nhiÒu ngµnh kh¸c nhau cña c«ng nghiÖp hãa chÊt, chø kh«ng chØ riªng cho sîi PAN. Dung m«i nµy ®−îc s¶n xuÊt tõ r−îu mªtylic, oxyt cacbon vµ amoniac. Cho tíi nay ng−êi ta ph¸t hiÖn mét sè rÊt lín dung m«i h÷u c¬ vµ v« c¬ hßa tan ®−îc PAN, nh×n chung chóng lµ nh÷ng chÊt ph©n cùc rÊt m¹nh cã kh¶ n¨ng lµm gi¶m n¨ng l−îng liªn kÕt gi÷a c¸c m¹ch ®¹i ph©n tö trong polyme vÝ dô: etylencacbonnat, ®imetylaxetamit, ®imetylsunfon, dung dÞch canxiclorua vµ kÏm clorua trong n−íc ®Æc biÖt lµ ®imetylformamit. ViÖc t×m ra dimetylformamit ®−îc xem lµ b−íc ngoÆc trong c«ng nghiÖp sîi polyarylonitryl. Hµng lo¹t c¸c nhµ m¸y s¶n xuÊt sîi PAN ra ®êi ë c¸c n−íc nh− Mü, Liªn X«, CHDC §øc, CHLB §øc, Thôy SÜ, BØ, NhËt B¶n Sîi PAN cã c¸c tªn th−¬ng m¹i kh¸c nhau nh− nitron (Liªn X«), orion, chemtral (Mü), redon, dralon, pan (CHLB §øc), tacryl (Thôy SÜ) Träng l−îng ph©n tö tõ 20.000-30.000 ®vc tïy thuéc vµo ®iÒu kiÖn trïng hîp. Träng l−îng ph©n tö trung b×nh ®−îc x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh: [ m ] = 1,75 . 10-3 . M0,66 * §é mÒm: Do cã nhãm -CN ph©n cùc lín nªn PAN kh¸ cøng ngay c¶ khi ®un nãng vµ còng kh«ng qua tr¹ng th¸i mÒm cao. * Sù biÕn ®æi mµu khi ®un nãng: Khi ®un nãng PAN bÞ thay ®æi mµu s¾c do t¹o ra cÇu nèi azometin gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö gÇn nhau vµ do ®ã cã lùc kÐo m¹nh gi÷a c¸c nguyªn tö N vµ nguyªn tö H linh ®éng ë vÞ trÝ α: * Kh¶ n¨ng xµ phßng ho¸: 55
- ë nhiÖt ®é th−êng, dung dÞch kiÒm kh«ng t¸c dông lªn PAN. Nh−ng tïy theo pH vµ nhiÖt ®é dung dÞch t¨ng lªn mµ nhãm nitrtyl b¾t ®Çu bÞ xµ phßng ho¸: - VÒ t¸c nh©n xµ phßng ho¸, kh¶ n¨ng t¸c dông ®−îc s¾p xÕp t¨ng dÇn nh− sau: NaOH 1%, HCl, HCOOH, Na2CO3, H2SO4, H3PO4 * NhiÖt ®é ho¸ thñy tinh: - Khã x¸c ®Þnh nhiÖt ®« ho¸ thñy tinh cña PAN v× nã lín h¬n nhiÖt ®é mµ ë ®ã b¾t ®Çu cã sù chuyÓn ho¸ nhiÖt cña polyme. - Nhê më réng giíi h¹n Tc cña polyme b»ng c¸ch tiÕn hµnh ho¸ dÎo polyme b»ng ®imetylformamit vµ do ®ã x¸c ®Þnh ®−îc Tc = 130 oC. 6.5.II.2. Nguyªn liÖu s¶n xuÊt PAN Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt PAN ®i tõ acrilonitryl cã CTCT: CH2 = CH2 - CN, ®−îc s¶n xuÊt theo qui m« c«ng nghiÖp ë rÊt nhiÒu n−íc, phôc vô cho c«ng nghiÖp sîi cao su, chÊt dÎo vµ tæng hîp h÷u c¬. 1. TÝnh chÊt vËt lý cña AN - AN lµ chÊt láng kh«ng mµu, tho¶ng mïi tái, kh¸ ®éc. - Ph©n tö l−îng : 53 - NhiÖt ®é s«i: Ts = 77 oC - AN dÔ tan trong c¸c dung m«i ph©n cùc. 2. Ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt trong c«ng nghiÖp Cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®Ó tæng hîp nh−ng trong c«ng nghiÖp chØ dïng mét sè ph−¬ng ph¸p sau: a/ §i tõ axetylen vµ axit xianhy®ric: CH ≡ CH + HCN → CH2 = CHCN Cã thÓ thay thÕ axetylen b»ng oxitetylen: 56
HoÆc hiÖu qu¶ h¬n lµ axetaldehyt: Tuy nhiªn ph−¬ng ph¸p nµy cã nh−îc ®IÓm rÊt lín lµ ph¶i dïng axit xianhydric lµ mét ho¸ chÊt rÊt nguy hiÓm nªn ph¶i lu«n lu«n b¶o ®¶m c«ng t¸c an toµn lao ®éng. b/ Ph−¬ng ph¸p oxy ho¸ propylen vµ amoniac Ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc t×m ra vµo n¨m 1960 thay thÕ cho ph−¬ng ph¸p thø nhÊt v× tÝnh an toµn vµ kinh tÕ cña nã. Ph¶n øng tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é cao (400-500 oC) vµ dïng c¸c chÊt xóc t¸c kh¸c nhau: 2. Trïng hîp PAN a. C¬ chÕ ph¶n øng trïng hîp AN trïng hîp theo c¬ chÕ gèc, gåm 3 giai ®o¹n: * Giai ®o¹n kh¬i mµo t¹o c¸c trung t©m ho¹t ®éng: §Ó t¹o ra c¸c trung t©m ho¹t ®éng th× cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p vµ mçi c¸ch th× cã nh÷ng −u, nh−îc ®iÓm riªng: + Dïng nhiÖt ®é: ° CH2 = CHCN → CH-CHCN §Æc ®iÓm: Cã nhiÒu s¶n phÈm phô, t¹o s¶n phÈm kh«ng ®ång nhÊt, polyme dÔ bÞ ph©n hñy, träng l−îng ph©n tö polyme thÊp, ®ßi hái nhiÖt ®é cao do ®ã cÇn cung cÊp n¨ng l−îng lín. + Dïng ¸nh s¸ng: 57
§Æc ®iÓm: Trïng hîp ë nhiÖt ®é thÊp, s¶n phÈm ®ång nhÊt, cã M cao. Tuy nhiªn gi¸ thµnh cao. + Dïng tia bøc x¹: Dïng c¸c bøc x¹ cã n¨ng l−îng cao nh− tia X, c¸c h¹t ®iÖn tö cã tÇn sè cao C¸ch kÝch ®éng nµy tèt nhÊt nh−ng gi¸ thµnh còng rÊt cao. + Dïng chÊt kh¬i mµo: Phæ biÕn trong c«ng nghiÖp v× nhiÖt ®é trïng hîp võa ph¶i, thu ®−îc polyme ®ång nhÊt, träng l−îng ph©n tö cao, chÊt khëi ®Çu th−êng lµ nh÷ng chÊt dÔ kiÕm, rÎ tiÒn, l−îng dïng Ýt. C¸c chÊt kh¬i mµo dïng ®Ó trïng hîp AN theo c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau th× kh¸c nhau: - Trïng hîp khèi: dïng peroxit benzoic, l−îng dïng ≤ 0,1% hoÆc dïng diazoamin benzen (t¸c dông yÕu h¬n). - Trïng hîp dung m«i: - Trïng hîp nhò t−¬ng: Dïng hy®roperoxyt (H2O2), pesulfat am«n. Khi dïng pesunfat am«n th× sè tù do sinh ra khi ph©n hñy pesulphat vµ kÝch ®éng ph¶n øng trïng hîp hÇu nh− kh«ng ®æi trong c¶ 2 qu¸ tr×nh. NÕu thªm vµo hÖ thèng mét Ýt AgNO3 hoÆc dïng hÖ oxy ho¸ khö th× vËn tèc trïng hîp t¨ng. * Giai ®o¹n ph¸t triÓn m¹ch: Lµ qu¸ tr×nh c¸c gèc ho¹t ®éng t−¬ng t¸c víi c¸c ph©n tö AN ®Ó chuyÓn gèc t¹o thµnh gèc monome t−¬ng øng, c¸c gèc nµy l¹i tiÕp tôc chuyÓn ®iÖn tö däc theo m¹ch khi t−¬ng t¸c víi monome kh¸c ®Ó t¹o thµnh gèc míi lín h¬n vµ cø nh− vËy m¹ch polyme ®−îc t¨ng lªn dÇn theo thêi gian ph¶n øng cho ®Õn khi ®ñ ®iÒu kiÖn ®Ó ng¾t m¹ch ph¶n øng. Ph¶n øng ph¸t triÓn m¹ch kÌm theo qu¸ tr×nh to¶ nhiÖt rÊt lín * Giai ®o¹n ng¾t m¹ch: Qu¸ tr×nh ng¾t m¹ch chñ yÕu theo 2 h−íng: t¸i hîp gèc vµ bÊt tû ph©n. + T¸i hîp gèc: lµ qu¸ tr×nh kÕt hîp 2 gèc víi nhau t¹o thµnh m¹ch ®¹i ph©n tö cña polyme: 58
+ BÊt tû ph©n: lµ qu¸ tr×nh khi 2 gèc t¸c dông víi nhau t¹o thµnh 2 m¹ch cao ph©n tö cã sù chuyÓn dÞch nguyªn tö hi®ro. b. C¸c ph−¬ng ph¸p trïng hîp acrylonitryl b.1. Trïng hîp khèi Thµnh phÇn hçn hîp ph¶n øng: - AN tinh khiÕt. - ChÊt khëi ®Çu peroxit benzoil (nång ®é < 0,1 %) Qu¸ tr×nh trïng hîp khèi, AN ë d¹ng láng, chÊt khëi ®Çu tan trong monome AN, polyme t¹o ë d¹ng bét cøng kh«ng tan trong monome nh−ng tan trong nhiÒu chÊt h÷u c¬ vµ dung dÞch muèi. Ph¶n øng rÊt m·nh liÖt sau giai ®o¹n c¶m øng ng¾n. Khi nhiÖt ®é c¶m øng t¨ng h× giai ®o¹n c¶m øng gi¶m vµ x¶y ra trïng hîp nhanh, cã khi x¶y ra hiÖn t−îng næ nÕu chÊt kÝch ®éng v−ît 0,1%. ChÊt kh¬i mµo peroxit bÞ ph©n hñy rÊt nhanh t¹o thµnh gèc tù do. * Nh−îc ®iÓm: Polyme thu ®−îc ë d¹ng khèi cøng cã h×nh d¹ng cña thiÕt bÞ ph¶n øng nªn khã th¸o s¶n phÈm vµ khã kh¨n cho qu¸ tr×nh gia c«ng tiÕp theo. Qu¸ tr×nh ph¶n øng khã ®iÒu chØnh ®−îc nhiÖt ®é v× p¬h¶n øng táa nhiÖt nhiÒu mµ m«I tr−êng tho¸t nhiÖt kÐm nªn dÔ g©y ra hiÖn t−îng nhiÖt côc bé, lµm polyme t¹o ra dÔ bÞ ph©n hñy vµ cã mµu. b.2/ Trïng hîp trong dung m«i Thµnh phÇn hçn hîp ph¶n øng: - AN tinh khiÕt - ChÊt khëi ®Çu - ChÊt æn ®Þnh - Dung m«i Dung m«i cã thÓ lµ CH3COOH, CH3CHO Khi cã mÆt dung m«i th× qu¸ tr×nh trïng hîp bÞ chËm l¹i vµ hoµn toµn ngõng khi cã trans- ®ibenzoiletilen chÊt nµy ®ãng vai trß nh− mét chÊt øc chÕ hay chÊt h·m. Ph−¬ng ph¸p nµy th× qu¸ tr×nh ®iÒu chØnh nhiÖt ®é t−¬ng ®èi dÔ v× dung m«i lµ m«i tr−êng t¶n nhiÖt tèt. Trong s¶n xuÊt sîi th× cã thÓ sö dông ngay s¶n phÈm trïng hîp dung m«i ®Ó cho qua hÖ thèng kÐo sîi theo ph−¬ng ph¸p kh«. 59