Jak powstają włókna chemiczne – metody formowania

Pewnie możecie sobie wyobrazić, jak mniej więcej przygotowywane są do dalszego przerobu włókna naturalne. Jeśli nie to weźmy na przykład wełnę owczą. Mamy zwierzę, które musi zostać ostrzyżone, czyli pobieramy okrywę włosową. Owca mogła oczywiście ubrudzić wełnę w kontakcie z np. trawom, materiałami organicznymi lub w inny sposób. Taki surowiec trzeba więc oczyścić, by otrzymać tylko czyste włókna. Teraz pomyślmy o włóknach chemicznych, co potrzeba zrobić, by przejść do tego samego etapu? Jak w ogóle się je „pobiera”? Głównym zagadnieniem na dziś jest formowanie włókien, nazywane czasem przędzeniem - według jednej książki niechlubnie. Chyba chemicy nie przekonali się do tego typowo włókienniczego terminu.

Formowanie włókien – nadawanie wydłużonej postaci bezkształtnej masie polimeru o odpowiednich własnościach 

i wartościach mechanicznych włókna. Następuje uporządkowanie struktury w kierunku równoległym do osi włókna.

Metody wytwarzania włókien chemicznych możemy podzielić na klasyczne i nieklasyczne (np. z folii). Skupimy się tutaj przede wszystkim na tych pierwszych.

Klasyczne metody formowania włókien:

• Ze stopu
• Z roztworu na mokro
• Z roztworu na sucho
• Z „półstopu”
• Z zawiesiny polimeru
• Formowanie sucho-mokre.

Formowanie włókien metodami klasycznymi składa się z następujących etapów:

• Sporządzanie płynu przędzalniczego, czyli płynnego polimeru w jednym z trzech postaci: stężonego roztworu, stopionym lub zawiesiny.
• Formowanie włókien – przykłady i opis najważniejszych poniżej.
• Rozciąganie świeżo uformowanych włókien – w wyniku działania siły rozciągającej (dwie lub system galet, galeta odbierająca ma większą prędkość niż podająca) zachodzi orientacja elementów strukturalnych wzdłuż osi włókna, czego efektem jest wzrost jego wytrzymałości.
• Stabilizacja i obróbka termiczna – rozciąganie powoduje, że naprężenia wewnętrzne ulegają zmianie, włókna i wyroby poddaje się termostabilizacji, która ma na celu relaksacje naprężeń wewnętrznych, w wyniku czego zmniejsza się ich wykurczanie w podwyższonej temperaturze.
• Przerób włókienniczy – łączenie, skręcanie, przewijanie (włókna ciągłe), karbikowanie, cięcie belowanie (włókna cięte).

W telegraficznym skrócie...

Stworzonemu płynowi przędzalniczemu nadaje się postać ciekłych strużek poprzez przetłoczenie przez dyszę przędzalniczą, a dokładniej przez otworki w niej. Są to okrągłe lub owalne metalowe płytki z otworkami rozmieszczonymi koncentrycznie lub w szeregach. Mają za zadanie nadać, postać płynnym strużkom polimeru. Trochę wspomniane już o tym było w poprzednim wpisie o identyfikacji włókien klik. Pompka dozująca podaje stałą ilość płynu w jednostce czasu. Następnie włókna wyciąga się i zestala na określonym ich odcinku. Na koniec odbierane są one przez urządzenie do tego przeznaczone, czyli: szpule, wałki lub rolki.

Formowanie ze stopu

Wytłaczanie stopionego polimeru przez dyszę przędzalniczą do ośrodka chłodzącego (najczęściej powietrze o określonej wilgotności i temperaturze). W porównaniu z innymi metodami charakteryzuje się największą prostotą oraz prędkościami formowania (1000-5000 m/min). Służy do wytwarzania ponad 50% włókien chemicznych i prawie 80% wszystkich włókien syntetycznych.  Ze stopu formuje się poliamidy, poliestry, poliolefiny i inne polimery topiące się bez rozkładu.

Schemat formowania włókien ze stopionego polimeru

1 – zasilanie polimerem w postaci stałej z granulatu lub stopionej za pomocą ekstrudera, 2 – głowica przędząca, 

3 – komora nadmuchu powietrza, 4 – rura opadowa, 5 – nanoszenie preparacji, 6 – urządzenia odbiorcze.

Formowanie z roztworu na mokro

Wytłaczanie roztworu polimeru (o stężeniu 5-23%) przez otworki dysz przędzalniczych bezpośrednio do ośrodka ciekłego (kąpieli przędzalniczej) mającej zdolność do zestalania włókien. Ośrodek ciekły zawiera składniki nierozpuszczające polimeru, lecz mieszające się z rozpuszczalnikiem. Dzięki temu następuje zestalane, ponieważ rozpuszczalnik zostaje później wymyty ze strugi. Metoda ta charakteryzuje się małymi prędkościami formowania (50-150 m/min). Wytwarzane są w ten sposób przede wszystkim włókna cięte m.in wiskozowe, poliakrylonitrylowe, poliuretanowe oraz polialkoholowinylowe.

Schematy formowania włókien z roztworu na mokro

1 – dopływ roztworu przędzalniczego, 2 – pompka dozująca, 3 – filtr, 4 – dysza przędzalnicza, 5 – kąpiel przędzalnicza, 

6 – galety.

Formowanie z roztworu na sucho

Wytłaczanie roztworu polimeru (o stężeniu 25-40%) przez otworki dysz przędzalniczych do ośrodka (najczęściej przepływające podgrzane powietrze), w którym następuje odparowanie rozpuszczalnika i zestalanie włókien. Metoda ma jedną wadę, rozpuszczalniki używane w tym procesie są często toksyczne i wybuchowe. Dodatkowo regeneracja ich i ogólnie stosowanie generuje duże koszty produkcji. Prędkości formowania włókien są całkiem duże i wynoszą w granicach 400-800 m/min. Metodą tą otrzymuje się octany celulozy, kopolimery chlorku winylu i akrylonitrylu, elastyczne poliuretany itp.

Schemat formowania włókien z roztworu na sucho

1 – dopływ roztworu przędzalniczego, 2 – pompka zębata podająca, 3 – filtr, 4 – dogrzewacz roztworu przędzalniczego, 

5 – pompka zębata dozująca, 6 – dysza przędzalnicza, 7 – komora przędzalnicza, 8 – nanoszenie preparacji, 

9 – urządzenie odbierające

Formowanie włókien metodą sucho-mokrą

Wytłaczanie roztworu polimeru (o stężeniu 5-20%) do powietrza, a następnie do wanny kąpieli przędzalniczej. Prędkość formowania wynosi w tej metodzie 200 m/min, a otrzymywane są dzięki niej poliamidy aromatyczne oraz włókna celulozowe (sposobem NMMO).

Schemat formowania włókien metodą sucho-mokrą.

Bibliografia:

1. Wykład: Podstawy technologii włókien chemicznych; dr inż. Barbara Niekraszewicz

2. "Włókna syntetyczne" Tadeusz Rosner, Henryk Wójcikiewicz; Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, r. 1969