Công nghệ sản xuất sợi polyme

Giới thiệu về công nghệ sản xuất sợi polyme Từ lâu, nền kinh tế tuần hoàn trong ngành thời trang đã hướng đến việc táichế nguyên liệu đầu vào.. Nguyên vật liệu thô rất đa dạng, từ bông,

Mục lụ

I MỞ ĐẦU 5

1.1 Giới thiệu về công nghệ sản xuất sợi polyme 5

1.2 Lịch sử các loại sợi polyme 7

1.3 Khái quát về công nghệ sản xuất sợi polyme 10

II. NỘI DUNG 11

2.1 Khái niệm polyme 11

2.2 Các loại sợi polyme và ứng dụng 11

2.2.1 Sợi bông – cotton 12

2.2.2 Sợi len – wool 13

2.2.3 Lụa – Tơ tằm 13

2.2.4 Polyester (PES) 14

2.2.5 Elastane (EL) – Spandex 14

2.2.6 Polyamide (PA) – Nylon 15

2.2.7 Polypropylen (PP) 15

2.2.8 Acetate (CA) 16

2.2.9 Polyetylen (PE) 16

2.2.10 Viscose (CV) – Rayon 16

2.2.11 Sợi CM / Sợi CD 17

2.2.12 Sợi TCM / Sợi TCD (Tetron cotton) 17

2.2.13 Sợi CVC (Chief Value of Cotton) 17

2.2.14 Sợi TR (Tetron Rayon) 17

2.2.15 Sợi Đặc Biệt 17

1

2.3 Công nghệ sản xuất sợi polyme 18 2.4 Tìm hiểu vật liệu cốt sợi polyme 22 III KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] "New Chemical Substance" The New York Times February 6, 1909 [2] 50 years of reinforced plastic boats, George Marsh, 8 October 2006 [3] Notable Progress – the use of plastics, Evening Post, Wellington, NewZealand, Volume CXXVIII, Issue 31, 5 August 1939, Page 28

[4] Car of the future in plastics, The Mercury (Hobart, Tasmania), Monday

27 May 1946, page 16

[5] "Post war automobile" Bradford Daily Record March 28, 1941

[6] History of Recent Science & Technology

[7] PAC, 1996, 68, 2287 (Glossary of basic terms in polymer science(IUPAC Recommendations 1996)) on page 2289

[8] PAC, 1996, 68, 2287 (Glossary of basic terms in polymer science(IUPAC Recommendations 1996)) on page 2289

[9] Jensen, William B (2008) “Ask the Historian: The origin of thepolymer concept”

[10] Allcock, Harry R.; Lampe, Frederick W.; Mark, James E (2003).Contemporary Polymer Chemistry (ấn bản 3)

3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Máy bay Fairchild F-46 8

Hình 2 Khải quát về công nghệ sản xuất sợi polyme 10

Hình 3 Một số loại sợi polyme 12

Hình 4 Công nghệ sản xuất sợi polyme 18

Hình 5 Giai đoạn tạo sợi 19

Hình 6 Giai đoạn dệt 20

Hình 7 Tráng màng vải 21

Hình 8 In ấn 21

Hình 9 Cắt và đóng gói sản phẩm 21

Hình 10 Mô hình nhà màng nuôi tôm sử dụng vật liệu cốt sợi Polyme 23

Hình 11 Sử dụng vật liệu cốt sợi Polyme cho tuổi thọ công trình cao, lại thân thiện với môi trường 2 Y DANH MỤC BẢNG BIỂU Biểu đồ 1 Tình hình công bố sáng chế về nghiên cứu và ứng dụng polyme sinh học trong công nghiệp thực phẩm theo thời gian 26

I MỞ ĐẦU

I.1 Giới thiệu về công nghệ sản xuất sợi polyme

Từ lâu, nền kinh tế tuần hoàn trong ngành thời trang đã hướng đến việc táichế nguyên liệu đầu vào Nguyên vật liệu thô rất đa dạng, từ bông, lông cừu đếnsợi polyester tổng hợp từ dầu hỏa, những vật liệu này được sản xuất từ nhiềunguồn khác nhau, từ quần áo cũ đến chai nhựa đã qua sử dụng Sợi polyester táichế chủ yếu từ chai nước đã qua sử dụng, được rửa sạch rồi cắt thành những miếngnhỏ để đưa vào quá trình nung nóng rồi kéo thành sợi

Ngày nay, sợi polyester chiếm đến 55% tổng lượng sợi sử dụng trong ngànhcông nghiệp thời trang, vì vậy không ngạc nhiên khi nhu cầu sợi tái chế sản xuất từhạt nhựa lại lớn trong thời đại mọi hành động đều hướng đến giảm phát thải carbon

và tái sử dụng tài nguyên

Ngành công nghiệp lọc hóa dầu phát triển đã tạo ra nhiều loại polymer vớinhững ứng dụng khác nhau trong đời sống, trong đó sợi polyester là một điển hìnhthành công khi đánh bại vị thế thống trị của sợi cotton vào những năm cuối thế kỷ

XX Năm 1990, sợi cotton chiếm hơn 60% sản lượng sợi toàn cầu trong khi sợipolyester chỉ chiếm khoảng 15% Chỉ 17 năm sau, tình thế này đảo ngược hoàntoàn khi sợi polyester chiếm tỉ trọng lớn nhất (hơn 50% tổng sản lượng) và đẩy lùi

tỉ lệ sử dụng sợi cotton xuống một nửa Textile Exchange cho biết trong năm 2017,sợi polyester tái chế chiếm khoảng 14% trong tổng tiêu thụ sợi polyester toàn cầu.Tuy nhiên, con số thực tế có thể thấp hơn, cho thấy tiềm năng còn lớn đối với sảnphẩm này

Để phục vụ cho xu hướng tiêu dùng xanh, các nhà thương hiệu thời tranglớn đang gia tăng tỉ trọng vật liệu tái chế trong sản phẩm của mình Trong khiDecathlon và Adidas kỳ vọng tăng tỉ trọng sợi tái chế lên 100% trong 2-5 năm tớitại một số thị trường, thì Puma và Nike cũng đang gia tăng tỉ lệ vật liệu bền vữngtrong sản phẩm của Công ty

5

“Quy trình sản xuất sợi tái chế cũng tương tự như sản xuất sợi nguyên sinh.Tuy nhiên, vì sử dụng nguyên liệu tái chế nên việc sản xuất khó hơn”, bà NguyễnPhương Chi, Giám đốc bộ phận phát triển chiến lược của Sợi Thế Kỷ, cho biết Từ

8 khách hàng ban đầu, số lượng khách hàng của Sợi Thế Kỷ đã tăng gấp 10 lần sau

3 năm, trong khi tỉ lệ doanh thu sợi tái chế của Công ty đã tăng từ 6% lên 32%

“Chúng tôi dự đoán tỉ lệ này sẽ tăng nhanh hơn trong những năm tới khi cácthương hiệu lớn đang tăng tỉ trọng sợi tái chế trong tổng lượng sợi sử dụng”, bàChi nhận định

“Ngành công nghiệp thời trang và dệt may có thể đóng vai trò dẫn đầu trongviệc đạt được các mục tiêu quốc tế hướng tới một hành tinh khỏe mạnh và thịnhvượng”, European Clothing Action Plan đặt nhiều hy vọng vào ngành công nghiệpđang sử dụng 60-75 triệu người trên khắp các châu lục

Có lẽ đã đến lúc các nhà sản xuất Việt Nam tiếp bước Sợi Thế Kỷ tham giavào việc tạo dựng chuỗi sản xuất tuần hoàn này Để cùng nỗ lực tiến xa của đấtnước nhóm chúng em đã nghiên cứu và học hỏi về quá trình sản xuất sợi polymer

để ứng dụng vào sản xuất sợi thân thiện với môi trường “Việt Nam là một đất nướcnông nghiệp rất nhiều rơm rạ, từ đó chúng em sẽ nghiên cứu sản xuất sợi polymer

từ nguồn nguyên liệu này Và các sợi sen, sợi tre, sợi cafe đang được nghiên cứu vàứng dụng”

I.2 Lịch sử các loại sợi polyme

Bakelite là sợi nhựa gia cố đầu tiên Leo Baekeland ban đầu đã tìm ra một

sự thay thế cho shellac (được tạo ra từ sự bài tiết của bọ cánh cứng) Các nhà hóahọc đã bắt đầu nhận ra rằng nhiều loại nhựa tự nhiên và sợi là polyme, vàBaekeland đã nghiên cứu phản ứng của phenol và formaldehyde Ông lần đầu tiênsản xuất một vỏ bọc phenol-formaldehyde hòa tan được gọi là “Novolak” màkhông bao giờ trở thành một thành công của thị trường, sau đó chuyển sang pháttriển một chất kết dính cho amiăng , tại thời điểm đó, được đúc bằng cao su Bằngcách kiểm soát áp suất và nhiệt độ được áp dụng cho phenol và formaldehyde ,ông đã tìm thấy vào năm 1905, ông có thể sản xuất vật liệu cứng có thể mơ ướccủa mình (đầu tiên trên thế giới) nhựa tổng hợp ): bakelite Ông đã công bố phátminh của mình tại một cuộc họp của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ vào ngày 5 tháng

2 năm 1909.[ CITATION New \l 1033 ]

Sự phát triển của sợi nhựa gia cố cho sử dụng thương mại đã được nghiêncứu rộng rãi trong những năm 1930 Ở Anh , nghiên cứu đáng kể được thực hiệnbởi những người tiên phong như Norman de Bruyne Nó đặc biệt quan tâm đếnngành hàng không [6]

Sản xuất hàng loạt sợi thủy tinh được phát hiện vào năm 1932 khi trò chơiSlayter , một nhà nghiên cứu tại Owens-Illinois vô tình chỉ đạo một luồng khí néntại một dòng thủy tinh nóng chảy và sản xuất sợi Bằng sáng chế cho phương phápsản xuất len thủy tinh này lần đầu tiên được áp dụng vào năm 1933 Owens thamgia với công ty Corning vào năm 1935 và phương pháp đã được Owens Corningđiều chỉnh để sản xuất “fibreglas” đã được cấp bằng sáng chế (năm 1936) Ban đầu,fibreglas là một sợi thủy tinh với các sợi hấp thụ rất nhiều khí, làm cho nó hữu íchnhư một chất cách điện, đặc biệt là ở nhiệt độ cao

Một loại nhựa phù hợp để kết hợp “fibreglas” với một loại nhựa để sản xuấtvật liệu composite, được phát triển vào năm 1936 bởi du Pont Tổ tiên đầu tiêncủa các loại nhựa polyester hiện đại là nhựa của Cyanamid năm 1942 Các hệthống xử lý Peroxide đã được sử dụng bởi sau đó [ CITATION 50y \l 1033 ] Với

sự kết hợp giữa fibreglas và nhựa, hàm lượng khí của vật liệu được thay thế bằng

7

Hình 1 Máy bay Fairchild F-46.

nhựa Điều này làm giảm tính chất cách nhiệt thành các giá trị điển hình của nhựa,nhưng bây giờ là lần đầu tiên hỗn hợp cho thấy sức mạnh lớn và hứa hẹn như làmột vật liệu kết cấu và xây dựng Một cách phức tạp, nhiều vật liệu tổng hợp sợithủy tinh tiếp tục được gọi là “ sợi thủy tinh ” (Như một tên chung) và tên cũng

được sử dụng cho sản phẩm len thủy tinh có mật độ thấp có chứa khí thay vì nhựa

Ray Greene của Owens Corning được cho là đã sản xuất chiếc thuyềncomposite đầu tiên vào năm 1937, nhưng không tiến xa hơn vào thời điểm đó dotính chất dẻo dai của nhựa được sử dụng Năm 1939, Nga được cho là đã chế tạomột chiếc thuyền chở khách bằng vật liệu nhựa, và Hoa Kỳ là thân máy bay vàcánh của một chiếc máy bay[ CITATION Not \l 1033 ] Chiếc xe đầu tiên có thânbằng sợi thủy tinh là chiếc Stout Scarab năm 1946 Chỉ một trong những mô hìnhnày được xây dựng [ CITATION Car \l 1033 ] Các nguyên mẫu Ford năm 1941

có thể là chiếc xe nhựa đầu tiên, nhưng có một số bất ổn xung quanh các vật liệu

sử dụng như nó đã bị phá hủy ngay sau đó [ CITATION Pos \l 1033 ]

Chiếc máy bay nhựa được gia cố bằng sợi quang đầu tiên là chiếc FairchildF-46 , được bay đầu tiên vào ngày 12 tháng 5 năm 1937, hoặc chiếc máy bay nhựaBennett được chế tạo tại California Một thân máy bay sợi thủy tinh được sử dụngtrên một chiếc Vultee BT-13A đã sửa đổi được chỉ định XBT-16 tại WrightField vào cuối năm 1942 Năm 1943, các thí nghiệm tiếp theo được thực hiện ,một chiếc Vultee BT-15 , với thân máy bay GFRP, được chỉ định là XBT-19, đượcbay vào năm 1944 Một sự phát triển đáng kể trong công cụ cho các thành phầnGFRP đã được thực hiện bởi Tổng công ty Hàng không Cộng hòa vào năm 1943 [CITATION His \l 1033 ]

Sản xuất sợi carbon bắt đầu vào cuối những năm 1950 và được sử dụng,mặc dù không rộng rãi, trong ngành công nghiệp Anh bắt đầu vào đầu những năm

1960 Sợi Aramid được sản xuất trong khoảng thời gian này, xuất hiện lần đầu tiêndưới thương hiệu Nomex của DuPont Ngày nay, mỗi loại sợi này được sử dụngrộng rãi trong công nghiệp cho bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu chất dẻo có cường độ

cụ thể hoặc chất lượng đàn hồi Sợi thủy tinh là phổ biến nhất trên tất cả các ngànhcông nghiệp, mặc dù vật liệu tổng hợp sợi carbon và sợi carbon-aramid được tìmthấy rộng rãi trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, ô tô và thể thao tốt Ba loạinày ( kính , cacbon và aramid ) tiếp tục là các loại sợi quan trọng được sử dụngtrong FRP

Sản xuất polymer toàn cầu trên quy mô hiện nay bắt đầu vào giữa thế kỷ 20,khi chi phí vật liệu và sản xuất thấp, công nghệ sản xuất mới và các loại sản phẩmmới kết hợp để sản xuất polymer kinh tế Ngành công nghiệp cuối cùng đã trưởngthành vào cuối những năm 1970 khi sản xuất polymer thế giới vượt qua sảnxuất thép , làm cho các loại polyme trở thành vật liệu phổ biến hiện nay Sợi nhựagia cố là một khía cạnh quan trọng của ngành công nghiệp này ngay từ đầu

9

I.3 Khái quát về công nghệ sản xuất sợi polyme

Hiện nay ta đang ứng dụng vá sản xuất rất nhiều các loại sợi polyme trongcông nghiệp ( VD: sợi thủy tinh, sợi Polyamide, sợi sen…… ) Các loại sợi được

sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp may mặc

Polymer chips: Hạt polime

Feed hopper: Phễu đựng và tiếp vật liệu vào máy nén

Melter/ extruder: Gia nhiệt

Spinneret: Thiết bị tạo sợi

Cold air: Không khí lạnh

Melt Spinning: Vừa quay vừa gia nhiệt

Bobbin: Con suốt

Stretching: Sự vuốt dài, chuốt

Twisting and winding: Cuộn xoáy trôn ốc

Hình 2 Khải quát về công nghệ sản xuất sợi

polyme.

II NỘI DUNG

II.1 Khái niệm polyme

Polyme (tiếng Anh: "polymer") là khái niệm được dùng cho các hợp chấtgiàu phân tử (hợp chất có khối lượng phân tử lớn và trong cấu trúc của chúng có sựlặp đi lặp lại nhiều lần những mắt xích cơ bản) Các phân tử tương tự nhưng cókhối lượng thấp hơn được gọi là các oligome

Tên gọi polyme xuất phát từ tiếng Hy Lạp, πoλvς, polus, 'nhiều' và μερος,meros, 'phần', nghĩa là các phân tử lớn được tạo thành từ sự lặp lại của nhiều phân

tử con.[ CITATION PAC \l 1033 ] Các đơn vị tạo ra polyme có nguồn gốc từ cácphân tử (thực hoặc ảo) có khối lượng phân tử tương đối thấp.[ CITATION PAC1 \l

1033 ] Thuật ngữ này được Jöns Jacob Berzelius đặt ra vào năm 1833, mặc dù ông

có một định nghĩa khác biệt với các định nghĩa IUPAC hiện đại.[ CITATION Jen \l

1033 ] Các khái niệm hiện đại của polyme như là cấu trúc phân tử đồng hóa trịngoại quan đã được Hermann Staudinger đề xuất vào năm 1920 Ông là người đãtrải qua thập kỷ tiếp theo tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm cho giả thuyết này.[ CITATION All \l 1033 ]

Polyme được sử dụng phổ biến trong thực tế với tên gọi là nhựa, nhưngpolyme bao gồm 2 lớp chính là polyme thiên nhiên và polyme nhân tạo Cácpolyme hữu cơ như protein (ví dụ như tóc, da, và một phần của xương) và axítnucleic đóng vai trò chủ yếu trong quá trình tổng hợp polyme hữu cơ Có rất nhiềudạng polyme thiên nhiên tồn tại chẳng hạn xenlulo (thành phần chínhcủa gỗ và giấy)

II.2.1.Sợi bông – cotton

Sợi bông được làm từ cây sợi bông – một giống cây trồng rất lâu đời Trongngành may mặc và chế biến người ta phân biệt các loại bông trước tiên theo chiềudài của sợi, sau đó đến mùi, màu và độ sạch của cuộn sợi

Sợi bông càng dài thì càng có chất lượng cao

Sợi bông là loại sợi thiên nhiên có khả năng hút/ thấm nước rất cao; sợi bông

có thể thấm nước đến 65% so với trọng lượng Sợi bông có khuynh hướng dínhbẩn và dính dầu mỡ, dù vậy có thể giặt sạch được Sợi bông thân thiện với dangười (không làm ngứa) và không tạo ra các nguy cơ dị ứng việc khiến cho sợibông trở thành nguyên liệu quan trọng trong ngành dệt may

Sợi bông không hòa tan trong nước, khi ẩm hoặc ướt sẽ dẻo dai hơn khi khôráo Sợi bông bền đối với chất kềm, nhưng không bền đối với acid và có thể bị visinh vật phân hủy Dù vậy khả năng chịu được mối mọt và các côn trùng khác rấtcao Sợi bông dễ cháy nhưng có thể nấu trong nước sôi để tiệt trùng

Hình 3 Một số loại sợi polyme.

Lãnh vực chính của sợi bông là việc ứng dụng trong ngành may mặc Ngoài

ra, sợi bông còn được dùng làm thành phần trong các chất liệu tổng hợp

II.2.2 Sợi len – wool

Len hay sợi len là một loại sợi dệt thu được từ lông cừu và một số loài độngvật khác, như dê, lạc đà… Len cung cấp nguyên liệu để dệt, đan, chế tạo các loại

áo len là mặt hàng áo giữ ấm thông dụng trên thế giới, nhất là những nước có khíhậu lạnh Len có một số phụ phẩm có nguyền gốc từ tóc hoặc da lông, len có khảnăng đàn hồi và giữ không khí và giữ nhiệt tốt Len bị đốt cháy ở nhiệt độ cao hơnbông và một số sợi tổng hợp

Người ta sản xuất len bằng dụng cụ quay các sợi lông cừu lại với nhau haybện lại thành một liên kết sợi Chất lượng của len được xác định bởi đường kínhsợi, quá trình uốn, năng suất, màu sắc, và độ bền trong đó đường kính sợi là chấtlượng quan trọng nhất để xác định đặc tính và giá cả

II.2.3 Lụa – Tơ tằm

Có 4 loại tơ tằm tự nhiên, tơ của tằm dâu là loại được sản xuất nhiều chiếm95% sản lượng trên thế giới Sợi tơ tằm được tôn vinh là "Nữ Hoàng” của ngànhdệt mặc dù sản lượng sợi tơ sản xuất ra thấp hơn nhiều so với các loại sợi khácnhư: bông, đay, gai… nhưng nó vẫn chiếm vị trí quan trọng trong ngành dệt, nó tôđậm màu sắc hàng đầu thế giới về mốt thời trang tơ tằm

Đặc điểm chủ yếu của tơ là chiều dài tơ đơn và độ mảnh tơ Sợi tơ có thể hút

ẩm, bị ảnh hưởng bởi nước nóng, axit, bazơ, muối kim loại, chất nhuộm màu Mặtcắt ngang sợi tơ có hình dạng tam giác với các góc tròn Vì có hình dạng tam giácnên ánh sáng có thể rọi vào ở nhiều góc độ khác nhau, sợi tơ có vẻ óng ánh tựnhiên

Lụa là một loại vải mịn, mỏng được dệt bằng tơ Loại lụa tốt nhất được dệt

từ tơ tằm Người cầm có thể cảm nhận được vẻ mịn và mượt mà của lụa khônggiống như các loại vải dệt từ sợi nhân tạo Quần áo bằng lụa rất thích hợp với thờitiết nóng và hoạt động nhiều vì lụa dễ thấm mồ hôi Quần áo lụa cũng thích hợpcho thời tiết lạnh vì lụa dẫn nhiệt kém làm cho người mặc ấm hơn

13