Bài giảng Vật liệu dệt - Phần 3: Xơ nhân tạo (Man-made fibres)

Bài giảng Vật liệu dệt - Phần 3: Xơ nhân tạo (Man-made fibres) có nội dung trình bày về khái niệm xơ dệt nhân tạo, phân loại xơ nhân tạo, xơ nhân tạo gốc protein, xơ nhân tạo gốc polymer tự nhiên không phổ biến, xơ nhân tạo gốc cellulose,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết bài giảng.

PHẦN 3

XƠ NHÂN TẠO – MAN-MADE FIBRES

VẬT LIỆU DỆT TEXTILE MATERIAL

Đại học Bách Khoa Tp.HCM Khoa Cơ Khí

Bộ môn Kỹ Thuật Dệt May

1

Xơ dệt nhân tạo là gì?

Thời điểm ra đời?

Phân loại xơ dệt nhân tạo?

Kể tên các xơ dệt nhân tạo đặc trưng?

3

Phân loại xơ nhân tạo

Nhiệt dẻo Polymer tự nhiên

Các xơ gốc nhiệt dẻo khác:

carbon, thủy tinh, silicat nhôm,kim loại, polyurea ,polycarbonate

3

3 1 Xơ nhân tạo gốc protein

• Protein trong tự nhiên có ở dạng xơ như len, tơ tằm…

• Nhiều protein không phải là ở dạng xơ, cần chuyển đổi để tạo xơ bằng cách hòa tan protein và đẩy dung dịch protein thu được qua vòi phun và sau đó đông cứng thành sợi

• Từ cuối thế kỷ 19, một số xơ protein nhân tạo đã được tạo ra như: Casein (từ sữa), zein (ngô) và arachin (từ lạc), nhưng sản lượng và ứng dụng không cao Lý do ?

Quy trình tạo xơ casein từ sữa

Liquid milk

Dehydrate and degrease

Spin

Purify Dissolve

Graft copolymerization

Recycle Dry

Curling

Staple fiber

Winding Length cut

Filament

Package Test

5

• Có thể được kéo thành sợi 100% casein hoặc kéo thành sợi pha với cashmere, tơ tằm, spun lụa, bông, len, gai và xơ khác với các tính năng tương tự

• Dùng để tạo các sản phẩm dệt may cao cấp do các tính chất đặc trưng:

- Lành cho da, thoải mái, màu sắc tươi sáng do tính nhuộm tốt

- Là sản phẩm “xanh”, thân thiện với môi trường

- Hấp thụ và dẫn ẩm tốt

- Thân sợi thành phần phức hợp và dọc trục sợi có các rãnh cấu trúc

Tính chất xơ casein

Nhược điểm của xơ: độ bền, khả năng chịu nhiệt độ, độ co?

Cấu trúc dọc trục và mặt cắt ngang xơ casein-Doshi group

Tính chất xơ casein

Property Milk protein

fiber

Cotton Silk Wool

*Dry tensile strength(CN/dtex) 2.8 1.9-3.1 3.8-4.0 2.6-3.5

*Dry breaking elongation rate (%) 25-35 7-10 11-16 14-25

Wet tensile strength (CN/dtex) 2.4 3.2 2.1-2.8 0.8

Wet breaking elongation rate (%) 28.8 13 27-33 50

Friction coefficient (static) 0.187 0.52 0.24

Friction coefficient (dynamic) 0.214 0.26 0.384

Logarithm of mass specific

Tìm hiểu thêm các xơ nhân tạo gốc protein khác:

3 2 Xơ nhân tạo gốc polymer tự nhiên không phổ biến

Xơ Alginate

- Điều chế từ acid alginic, trích ly từ rong biển lần đầu tiên năm

1860

- Họ rong biển lựa chọn thường là Laminariae bền dẻo, cấu trúc thớ

rõ rệt, tạo được alginic acid với cấu trúc đại phân tử khá dài hoặc

họ Macrocystis

- Thường kéo sợi theo phương pháp ướt trong bể chứa các chất sau: 2-3% CaCl2, 0.5-0.6% HCl và chất làm dẻo (2.5% dầu olive,1% chất nhũ hóa)

Quy trình sản xuất xơ alginate

Hình ảnh xơ (×400) xử lý với chitosan thủy phân (i) 0% w/w (chưa xử lý) ; (ii) 2% w/w; (iii) 5% w/w ( C.J Knill et al)

Cấu trúc xơ alginate

13

• Cellulose là hợp chất thiên nhiên, là chất cơ bản tạo thành của các

tế bào thực vật, trong đó có một số xơ dệt

• Là polymer tự nhiên, cơ sở nguyên liệu sản xuất các xơ nhân tạo gốc cellulose như viscose, rayon, acetat

• Cellulose ở thể rắn là hợp chất cao phân tử nhóm polysaccharid, đại phân tử có cấu trúc mạch thẳng với mắt xích [-C6H10O5-]

3.3 Xơ nhân tạo gốc cellulose

Đặc tính phân tử cellulose (1)

Chỉ số DP lớn, từ vài nghìn tới vài chục nghìn, chỉ số này có thể

giảm trong các quá trình xử lý hóa học

Các mắt xích cơ bản liên kết với nhau nhờ liên kết cầu oxy

Ba nhóm hydroxyl trong mỗi mắt xích và liên kết cầu oxy quyết

định các tính chất hóa học chủ yếu của cellulose

Tỉ lệ tinh thể trong cellulose thiên nhiên đạt cỡ 70%, cellulose đã

qua xử lý kiềm khoảng 40%

Nhiệt dung riêng 1,26J/g độ, phân hủy sau 160°C

15

- Không bền với ánh nắng, bị oxy hóa bởi oxy trong không khí khi

gặp tia tử ngoại

- Là chất điện môi tốt

- Không tan trong nước và trong các dung môi hữu cơ thông thường,

tan được trong một số dung môi đặc biệt

- Bị phân hủy bởi acid vô cơ, phân hủy yếu với acid hữu cơ, ngoài ra

với acid có thể tạo ra các ester cellulose và dẫn xuất, dùng để sản xuất xơ nhân tạo như xanthogenate, acetyle

- Bền với tác dụng của kiềm, nhưng khi xút tác động với cellulose có

thể tạo ra cellulose kiềm dễ bị thủy phân thành hydrade cellulose, là

Đặc tính phân tử cellulose (2)

Đặc tính phân tử cellulose (3)

• Các chất kèm trong các mô thực vật chứa cellulose:

• Hemicellulose (chiết phân tử thấp của cellulose và các

polysaccharide), là thành phần phải loại khi sản xuất cellulose nhân tạo

• Pectin: keo liên kết các xơ cơ bản thành xơ kỹ thuật

• Lignin: chất nằm trong mô thực vật, làm xơ cứng, bảo vệ cho

cellulose khỏi bị oxy hóa

• Protein và hợp chất chứa nitơ

• Chất béo và sáp: làm vỏ tế bào thực vật

• Chất tro: oxide sắt, muối kim loại kiềm

• Sắc tố tạo màu tự nhiên

17

Các α,β,γ cellulose

• Các α, β, γ cellulose khác nhau chủ yếu là độ bền kiềm

• α cellulose: là phần cellulose không tan trong dung dịch

NaOH nguội 17,5%, đại lượng này là thông số quan trọng trong việc điều chế dẫn xuất cellulose hòa tan

• β cellulose: là thành phần hemincellulose (no-cell) mạch ngắn,

có khả năng tan trong dung dịch NaOH nguội 17,5 % nhưng sau đó kết tủa khi chuyển dung dịch sang môi trường acid

• γ cellulose: thực ra là thành phần hemincellulose (no-cell) có

DP rất thấp là phần vẫn hòa tan khi đưa dung dịch qua môi

Đặc tính phân tử cellulose (4)

1 Cotton linters (xơ ngắn vô dụng trong các quả bông)

2 Dạng bột nhão của gỗ (wood pulp)

• Bột gỗ thường được sản xuất từ một số chủng cây chính như : vân sam, cây độc cần, khuynh diệp hay thông

• Bột gỗ chứa khoảng 94% cellulose, được tinh chế bằng cách đun sôi với xút hoặcdung dịch natri bisulphite

• Bột gỗ được tẩy trắng và rửa sạch, đưa tới nhà máy dưới dạng các tấm dày, lưu trữ trong điều kiện có kiểm soát độ ẩm

và nhiệt độ cho đến khi độ ẩm được phân bố thống nhất

Nguyên liệu thô để sản xuất xơ nhân tạo gốc cellulose

19

Sơ lược lịch sử sản xuất xơ nhân tạo gốc cellulose (1)

• Nitrocellulose hòa tan dễ dàng, ví dụ, trong một hỗn hợp của ête và rượu

• George Audemars phát hiện ra khả năng hình thành sợi khô, cứng từ dung dịch nitrocellulose nhờ kim có ống hút

• Sợi nitrocellulose là một tiến bộ lớn trong công nghiệp sản xuất sợi thương mại hữu ích: mịn, chắc và linh hoạt, tuy vẫn còn nhược điểm lớn

21

• 1883, nitrocellulose an toàn

• Sir Joseph Swan tạo quy trình ép dung dịch nitrocellulose,thông qua các lỗ để tạo sợi và xử lý hóa chất biến đổi

• 1885, Swan triển lãm “tơ nhân tạo‘ “artificial silk”

• 1884, Hilaire de Chardonnet tạo sợi nhân tạo từ dung dịch nitro

cellulose phun qua các lỗ nhỏ, cứng trong không khí ấm và xử lý hóa học để chuyển đổi trở lại thành cellulose Vật liệu này triển lãm tại Paris vào năm 1889 là sợi nhân tạo đầu tiên được sản xuất

thương mại tên gọi Chardonnet silk-tơ Chardonnet Tuy nhiên quy

trình này chậm,còn nguy hiểm và tốn kém

Sơ lược lịch sử sản xuất xơ nhân tạo gốc cellulose (2)

Xơ Cuprammonium

• 1890, phát minh quy trình làm sợi nhân tạo mới dựa trên khả năng

hòa tan cellulose trong dung dịch rượu cuprammonium

• Dung dịch được ép đùn qua các lỗ nhỏ vào một bể làm đông, nơi cellulose tái tạo để hình thành sợi liên tục

• Quá trình cuprammonium đã được phát triển thương mại tốt và còn tiếp tục hoạt động tới nay

• Sợi Cuprammonium không bao giờ đạt được sản xuất quy mô thực

sự lớn, nhưng sợi có chất lượng đặc biệt, tạo một số sản phẩm

Sơ lược lịch sử sản xuất xơ nhân tạo gốc cellulose (3)

23

Xơ Viscose

• 1892, đưa ra phương pháp chuyển đổi cellulose thành cellulose

xanthate và hòa tan để hình thành dung dịch, gọi là dung dịch viscose Vòi phun đẩy dung dịch viscose qua lỗ mảnh vào bể đông tụ chứa axit cellulose được tái sinh ở dạng sợi filament

• Ngày nay,xơ viscose vẫn là xơ quan trọng bậc nhất trong các xơ nhân tạo với sản lượng khá lớn, và thường sử dụng hai công nghệ phổ biến để tạo

xơ là quy trình xanthate và quy trình carbamate

Xơ viscose của Kelheim fibres

Sơ lược lịch sử sản xuất xơ nhân tạo gốc cellulose (4)

Xơ Acetat

• Cellulose được hòa tan trở lại bằng cách chuyển đổi sang dẫn

xuất acetate cellulose, tan trong acetone và các dung môi khác

• Sản xuất acetate tương tự như của “tơ Chardonnet”, chuyển đổi cellulose thành nitrat cellulose và hòa tan trong dung môi

• Dung dịch cellulose acetate đùn qua các lỗ ép đùn rất nhỏ, nhưng không đưa vào một bồn đông tụ mà vòi phun jet đẩy dung dịch vào trong một luồng khí ấm.Dung môi bay hơi, để lại các sợi cellulose acetate rắn

• Sợi tạo ra theo cách này có sự khác biệt cơ bản so với những sợi

Sơ lược lịch sử sản xuất xơ nhân tạo gốc cellulose (5)

25

Các xơ nhân tạo quan trọng gốc cellulose

1 Rayon và Viscose, Modal

2 Cellulose Ester fibre: cellulose acetate và triacetate

3 Lyocell

Xơ Rayon

• Rayon là xơ nhân tạo gốc cellulose đầu tiên được sản xuất thương mại

• Tao ra từ dung dịch từ nguồn cellulose (gỗ, bột giấy, bông phế v.v), ép đùn dung dịch thông qua spinneret và tái sinh để tạo thành xơ

• Định nghĩa Rayon: sợi tạo ra từ cellulose tái sinh trong đó nhóm thế

không được thay thế hơn 15% hydroxyl hydrogens

27

• Rayon được sản xuất bởi ba phương pháp, cung cấp các dòng

xơ rayon khác nhau:

• Viscose rayons

• Rayon cuprammonium

• cellulose acetate xà phòng hóa

Giản đồ quy trình carbonate cellulose của Yoo để tạo xơ, nguyên

lý cơ bản của quy trình visocose rayon

Xơ Rayon

Xơ Rayon

Caustic soda

Water

Sulphuric acid Zinc sulphate

Sodium Sulfate

Water

Wastewater

Spin bath Evaporation

Desulfate Bleaching Finishing Drying

Quy trình Viscose

Quy trình Viscose

1.Steeping stage- ngấm: dung dịch sodium hydroxide của ít nhất 18% w/w chuyển Cellulose I sang alkaline cellulose nhằm tăng cường khả năng phản ứng và kích hoạt sự xâm nhập của carbon disulfide

2 Nén cellulose dưới áp suất cao tới tỉ lệ 2.6~3.0 để tạo alkaline cellulose với cellulose (34% w/w), sodium hydroxide (15~16% w/w) và nước(50% w/w)

3.“Shredding stage” –nghiền vụn: mở alkaline cellulose và tạo điều

kiện cho sự xâm nhập của oxygen và carbon disulfide Để điều chỉnh

độ ổn định của quy trình sản xuất xơ, DP được giảm xuống từ 750-850 (cho bột nhão điển hình) đến khoảng 270-350 dọc theo chuỗi cellulose

Quy trình “Viscose”

31

4 Xathation stage- xan thát: gồm phản ứng giữa alkaline cellulose và carbon disulfide để tạo cellulose xanthate tan trong sodium hydroxide Viscose được chuẩn bị bằng hòa tan mảnh vụn xanthate trong dung dịch sodium hydroxide pha loãng dưới độ biến dạng/cắt cao ở ~10ºC

5 Qúa trình lọc và lão hóa: tiến hành trước khi kéo sợi để phân bố đều chất thay thế

6 Đông tụ và tái sinh: định hướng và sắp hàng các phân tử cellulose theo hướng trục xơ để có tính chất cơ học tốt nhất Do đó, phải điều chỉnh tốc độ và sự sai khác trong công đoạn này có thể dùng để tối đa

Quy trình “Viscose”

33

Sản xuất xơ viscose biến tính: HWM hay xơ Polynosic

Thay đổi tốc độ tái sinh và đông tụ cellulose trong bể để biến tính vật liệu do làm tăng vùng tinh thể bên trong sợi

- Thay đổi nồng độ Sunfat natri và kẽm do chúng ảnh hưởng tới tốc

độ phân hủy xanthate và hình thành sợi, hoạt động của sulfat kẽm hạn chế các “crosslinking” ở phần ngoài cùng của sợi

- Điều chỉnh lượng glucose để làm chậm tốc độ tái sinh sợi và làm cho sợi mềm dẻo hơn

- Điều chỉnh nồng độ và loại phụ gia trong bồn

- Kiểm soát cẩn thận bồn đông tụ và quá trình kéo dài cơ học tiếp theo

để thay đổi độ quăn của xơ

Đặc trưng cấu trúc xơ viscose

• Sau khi hình thành lớp vỏ (skin), lõi (core) xơ phân hủy, cứng lại, co rút, gây ra nếp nhăn trên bề mặt xơ, bản chất tinh thể trong lớp vỏ

và lõi khác nhau

• Mặt cắt ngang của viscose rayon xuất hiện các “răng cưa” và không đồng dạng Hiệu ứng bề mặt này có thể biến tính để tạo ra sợi gần tròn nhờ kiểm soát cẩn thận quá trình đông tụ Bằng cách nào ?

• Xơ viscose rayon dài và thẳng,trừ khi được làm quăn, và tạo hiệu ứng nhăn sọc do các bất thường trên mặt cắt ngang chạy theo chiều dài của xơ

35

• Nếu xơ đã được khử bóng (làm mờ) hoặc nhuộm trong quá trình tạo xơ, các hạt sắc tố và pigment xuất hiện trong xơ

• Xơ viscose thường gồm 25%- 30% tinh thể trong xơ, tinh thể

trong viscose rayon hơi nhỏ hơn so với trong bông, DP khoảng 200-700

• Xơ Rayons độ bền cao và rayon HWM có nhiều phần tinh thể

trong cấu trúc (đạt 55%), DP cao, mặt cắt ngang gần tròn

• Xơ viscose có độ nhỏ dạng dtex, chi số điển hình là 1.7, 3.3, 5.0, 9.0, 17, 40, 56, chiều dài cắt ngắn là 32-200 mm (1%-8 in)

Đặc trưng cấu trúc xơ viscose

Đặc trưng cấu trúc xơ viscose

37

• Độ bền kéo đứt: bình thường, độ bền khô 18-23 cN / tex, độ bền

ướt 9,0-13,2 cN / tex

• Độ bền kéo bình thường là 2109-3234 kg/cm2

• Độ giãn dài: khoảng 17-25% so với chiều dài ban đầu trước khi bị

kéo đứt , độ giãn ướt 23-32%

• Độ phục hồi đàn hồi : rất ít, chỉ khoảng 2% Kéo giãn kéo dài hơn

sẽ có xu hướng gây ra biến dạng vĩnh viễn do các phân tử cellulose dài trượt qua nhau

• Độ cứng trung bình: 98 cN / tex (1 1,1 g / den)

• Ứng suất ban đầu 477 cN / tex (54 g / den)

• Trọng lượng riêng 1,50 đến 1,52

Tính chất vật lý xơ viscose

Ảnh hưởng của độ ẩm

• Sự suy giảm độ tinh thể của cellulose trong viscose rayon làm cho

xơ dễ bị nước thâm nhập hơn (Vì sao độ tinh thể giảm ?)

• Các phân tử nước có thể đi vào giữa các phân tử cellulose định hướng lỏng lẻo trong vùng vô định hình của rayon Viscose rayon hấp thụ gấp đôi lượng nước trong không khi tự nhiên so với bông

• Có độ ẩm hút ẩm 13% trong điều kiện tiêu chuẩn (Water imbibition: 100 - 110%)

• Khi ngâm trong nước, viscose rayon sẽ tăng chiều dài 3-5% và trương nở gấp đôi thể tích ban đầu

Tính chất vật lý xơ viscose

39

Ảnh hưởng của nhiệt độ cao

• Rayon không phải là nhựa nhiệt dẻo, và không tan chảy hoặc bị dính khi gia nhiệt

• Giảm bền ở 150°C khi kéo dài gia nhiệt, phân hủy ở 185-205°C

Tính bắt cháy

• Bắt cháy dễ dàng với mùi đặc trưng của giấy bị cháy

Ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời

• Viscose rayon chịu được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời mà không bị khử màu, kéo dài tiếp xúc có thể gây ra mất dần độ bền kéo, đặc biệt nếu sợi chứa oxit titan

Tính chất nhiệt xơ viscose

Tính chất hóa học xơ viscose

41

Ảnh hưởng của dung môi hữu cơ

Không hòa tan trong hầu hết dung môi hữu cơ, tan trong một số dung dịch phức như cuprammonium

Ảnh hưởng của côn trùng, vi sinh vật

Có khả năng kháng côn trùng, nhưng bị tấn công bởi con bọ bạc Nấm mốc không thực sự tấn công cellulose trong chính các xơ riêng biệt,

nhưng sẽ ăn phần hồ còn lại trên xơ, nấm mốc gây đổi màu

Tính chất điện

Sự hấp thụ độ ẩm cao làm rayon có xu hướng không cách điện Trong điều kiện thông thường , viscose rayon không phát triển tích điện nhưng tác nhân chống tĩnh điện thường được thêm vào nếu độ ẩm tương đối ít hơn khoảng 30%

Tính chất hóa học xơ viscose