Polyester thực sự là gì và tại sao quy trình sản xuất lại quan trọng

Polyester là một loại polymer tổng hợp thuộc họ nhựa polyester, phổ biến nhất là polyetylen terephthalate (PET). Nó chiếm hơn 50% sản lượng sợi toàn cầu theo khối lượng, khiến nó trở thành loại sợi dệt được sản xuất rộng rãi nhất trên thế giới. Hiểu cách tạo ra sợi polyester không chỉ đơn thuần là một bài tập hàn lâm—nó có ý nghĩa trực tiếp đến chất lượng, độ bền và đặc tính hiệu suất của sợi polyester mà cuối cùng được sử dụng trong quần áo, vải bọc, vải kỹ thuật và các ứng dụng công nghiệp. Quy trình sản xuất xác định mọi thứ từ độ mịn của sợi và độ bền kéo cho đến đặc tính ẩm và khả năng nhuộm màu, đồng thời các biến thể ở mỗi giai đoạn sản xuất sẽ tạo ra các sản phẩm cuối cùng khác nhau một cách có ý nghĩa ngay cả khi tất cả đều bắt đầu từ cùng một điểm xuất phát hóa học.

Sợi polyester được sản xuất thông qua một chuỗi các quá trình cơ học và hóa học liên tục biến đổi nguyên liệu thô hóa dầu thành các sợi mỏng, bền và có tính linh hoạt cao. Mỗi giai đoạn trong quy trình được xây dựng dựa trên giai đoạn trước đó và các kỹ sư quy trình kiểm soát hàng tá thông số—nhiệt độ, tỷ lệ kéo, tốc độ làm mát, tốc độ quay—để điều chỉnh các đặc tính sợi cuối cùng cho các mục đích sử dụng cụ thể. Biết được quy trình này sẽ giúp người mua, nhà thiết kế và nhà sản xuất đưa ra quyết định tốt hơn về loại sợi polyester nào cần chỉ định cho một ứng dụng nhất định.

Nguyên liệu thô: Nơi bắt đầu của sợi Polyester

Quá trình sản xuất sợi polyester bắt đầu bằng hai nguyên liệu thô hóa dầu chính: axit terephthalic tinh khiết (PTA) và monoethylene glycol (MEG). PTA có nguồn gốc từ p-xylene, một hydrocacbon được chiết xuất từ ​​quá trình tinh chế dầu mỏ và nứt naphtha. MEG được sản xuất từ ​​ethylene oxit, bản thân nó là một dẫn xuất của ethylene thu được từ quá trình nứt dầu mỏ hoặc khí tự nhiên bằng hơi nước. Cả PTA và MEG đều là hóa chất hàng hóa được sản xuất ở quy mô công nghiệp lớn và được vận chuyển với số lượng lớn đến các cơ sở sản xuất polyester.

Trong một số tuyến sản xuất—đặc biệt là các nhà máy cũ hoặc quy mô nhỏ—dimethyl terephthalate (DMT) được sử dụng thay cho PTA, phản ứng với MEG thông qua quá trình chuyển hóa este thay vì quá trình este hóa trực tiếp. Tuy nhiên, con đường este hóa trực tiếp PTA-MEG chiếm ưu thế trong sản xuất polyester quy mô lớn hiện đại vì nó hiệu quả hơn, tạo ra ít sản phẩm phụ hơn và tạo ra polyme có chất lượng ổn định hơn. Việc lựa chọn lộ trình nguyên liệu thô ảnh hưởng đến sự phân bố trọng lượng phân tử, màu sắc và đặc tính tạp chất của polyme cuối cùng, tất cả những điều này đều gây ra hậu quả cuối cùng đối với chất lượng xơ và sợi.

Phản ứng trùng hợp: Xây dựng chuỗi polyme PET

Bước hóa học cốt lõi trong sản xuất sợi polyester là trùng hợp—phản ứng liên kết các phân tử monome riêng lẻ thành chuỗi polymer dài. Trong quá trình este hóa trực tiếp, PTA và MEG được đưa vào lò phản ứng theo tỷ lệ mol được kiểm soát (thường khoảng 1:1,1 đến 1:1,2) và phản ứng ở nhiệt độ từ 240°C đến 270°C dưới áp suất khí quyển hoặc hơi cao. Giai đoạn este hóa ban đầu này tạo ra bis-hydroxyethyl terephthalate (BHET) và nước, được loại bỏ liên tục để thúc đẩy phản ứng hoàn thành.

Chất trung gian BHET sau đó trải qua quá trình đa ngưng tụ ở giai đoạn lò phản ứng thứ hai trong điều kiện chân không cao (dưới 1 mbar) và nhiệt độ nâng cao từ 270°C đến 290°C. Trong những điều kiện này, các phân tử BHET liên kết với nhau, giải phóng MEG dưới dạng sản phẩm phụ được thu hồi và tái chế. Phản ứng đa ngưng tụ được tiếp tục cho đến khi polyme đạt được trọng lượng phân tử mục tiêu, được đo bằng độ nhớt nội tại (IV). Đối với sợi polyester loại dệt, IV thường nằm trong khoảng từ 0,60 đến 0,68 dL/g. Giá trị IV cao hơn—được sử dụng cho các loại sợi công nghiệp đòi hỏi độ bền kéo lớn hơn—có thể đạt được bằng cách kéo dài thời gian đa ngưng tụ hoặc bằng các bước trùng hợp trạng thái rắn (SSP) bổ sung được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn trong pha rắn để tránh suy thoái nhiệt.

Trong suốt quá trình trùng hợp, các hệ thống xúc tác—phổ biến nhất là antimon trioxide, chất xúc tác gốc titan hoặc hợp chất germani—được sử dụng để đẩy nhanh phản ứng ngưng tụ và đạt được tốc độ sản xuất khả thi về mặt thương mại. Các chất phụ gia như titan dioxide (TiO₂) được đưa vào ở giai đoạn này để kiểm soát các đặc tính quang học của sợi: tải TiO₂ cao tạo ra sợi mờ, mờ trong khi tải thấp hoặc không bổ sung sẽ tạo ra các sợi tơ bán mờ hoặc sáng hoàn toàn tương ứng.

Kéo sợi nóng chảy: Chuyển đổi polyme thành sợi

Sau khi polyme PET được sản xuất, nó sẽ được chuyển thành sợi thông qua quá trình kéo sợi nóng chảy—một quá trình trong đó polyme nóng chảy được ép đùn qua các lỗ nhỏ trong máy trộn để tạo thành các sợi liên tục. PET nóng chảy, được giữ ở nhiệt độ khoảng 280°C đến 295°C, được đo bằng bơm bánh răng thông qua gói lọc và sau đó qua tấm máy trộn. Các lỗ của máy trộn được thiết kế chính xác với dung sai cực kỳ chặt chẽ—đường kính thường từ 0,2 đến 0,4 mm—và hình dạng mặt cắt ngang của chúng xác định mặt cắt ngang của dây tóc. Các lỗ tròn tạo ra các sợi tròn; các lỗ ba thùy, ngũ giác hoặc hình dạng rỗng tạo ra các sợi đặc biệt có khả năng phản xạ ánh sáng, vận chuyển độ ẩm hoặc đặc tính nhiệt được điều chỉnh.

Khi các sợi nóng chảy thoát ra khỏi máy trộn, chúng ngay lập tức đi vào vùng làm nguội, nơi luồng không khí được kiểm soát nhiệt độ làm mát nhanh chóng và đông đặc chúng. Tốc độ và tính đồng nhất của quá trình làm nguội nguội ảnh hưởng trực tiếp đến độ kết tinh và sự định hướng của chuỗi polyme trong sợi. Các sợi nguội quá chậm sẽ phát triển quá mức kết tinh trước khi kéo, khiến chúng trở nên giòn; các sợi được làm nguội quá nhanh có thể quá vô định hình và thiếu cấu trúc đủ cho quá trình xử lý tiếp theo. Các kỹ sư quy trình hiệu chỉnh cẩn thận nhiệt độ, vận tốc và hướng không khí làm nguội để tạo ra các sợi tơ có sự cân bằng hợp lý về cấu trúc vô định hình và tinh thể cho loại sợi mong muốn.

Vẽ và Định hướng: Xây dựng sức mạnh của sợi

Các sợi polyester mới kéo sợi (như mới kéo sợi hoặc định hướng một phần) có độ bền kéo tương đối thấp và độ giãn dài cao do các chuỗi polyme chưa được căn chỉnh dọc theo trục sợi. Vẽ—kéo căng các sợi tơ một cách cơ học trên các con lăn được làm nóng—căn chỉnh và định hướng các chuỗi phân tử, tăng đáng kể độ bền kéo và giảm độ giãn dài đến mức thích hợp cho việc sử dụng hàng dệt. Tỷ lệ kéo sợi, được định nghĩa là tỷ lệ giữa tốc độ đầu ra và tốc độ đầu vào trên vùng kéo sợi, thường nằm trong khoảng từ 3:1 đến 5:1 đối với sợi dệt polyester.

Sợi định hướng một phần (POY) so với sợi kéo hoàn toàn (FDY)

Mức độ kéo được áp dụng trong quá trình kéo sợi xác định hai loại sợi polyester chính. Sợi định hướng một phần (POY) được kéo thành sợi ở tốc độ cao (3.000–4.000 m/phút) nhưng không được kéo ra hoàn toàn trong giai đoạn kéo sợi. POY giữ lại độ giãn dài còn lại và chủ yếu được sử dụng làm nguyên liệu cho các máy kéo và tạo dền sợi phía sau đồng thời kéo và tạo kết cấu sợi. Sợi kéo hoàn toàn (FDY), còn được gọi là sợi kéo sợi (SDY), được kéo thành sợi và kéo hoàn toàn trong một bước máy tích hợp duy nhất ở tốc độ cao hơn, tạo ra sợi sẵn sàng để dệt hoặc dệt kim trực tiếp mà không cần xử lý cơ học thêm. FDY có độ bền cao hơn, độ giãn dài thấp hơn và đặc tính co ngót ổn định hơn POY ở số lượng tương đương.

Cài đặt nhiệt để ổn định kích thước

Sau khi kéo, các sợi định hướng được đặt nhiệt bằng cách chuyển chúng qua các con lăn đã được làm nóng hoặc qua ống nóng ở nhiệt độ từ 130°C đến 220°C dưới sức căng được kiểm soát. Cài đặt nhiệt giúp ổn định cấu trúc tinh thể của polyme và giảm bớt ứng suất bên trong được tạo ra trong quá trình kéo sợi, làm giảm xu hướng co rút của sợi khi tiếp xúc với nhiệt trong quá trình nhuộm hoặc hoàn thiện vải sau đó. Nếu không cài đặt nhiệt thích hợp, sợi polyester sẽ có hiện tượng co rút quá mức khi đun sôi làm biến dạng kích thước vải trong quá trình xử lý. Thời gian và nhiệt độ cài đặt nhiệt được hiệu chỉnh chính xác dựa trên mục đích sử dụng cuối cùng của sợi và các quy trình tiếp theo mà sợi sẽ gặp phải.

Kết cấu: Biến sợi dẹt thành sợi mềm, cồng kềnh

Sợi polyester phẳng, được kéo hoàn toàn có bề mặt mịn, trơn và độ xốp thấp—các đặc tính làm hạn chế tính hữu dụng của nó trong các ứng dụng may mặc và dệt may gia dụng, nơi cần có độ mềm, co giãn và độ bền. Quá trình tạo nếp tạo ra độ uốn, độ quăn hoặc độ phồng vật lý vào bó sợi, biến nó thành sợi có các đặc tính gần với sợi tự nhiên hơn. Phương pháp tạo họa tiết được sử dụng rộng rãi nhất cho polyester là tạo họa tiết xoắn giả, được áp dụng cho nguyên liệu POY trên máy tạo họa tiết kéo (máy DTY).

Trong kết cấu xoắn giả, POY được kéo ra, xoắn bằng một bộ phận đĩa ma sát quay, đặt nhiệt ở trạng thái xoắn và sau đó không bị xoắn—để lại mỗi dây tóc với một nếp gấp xoắn ốc vĩnh viễn được khóa lại bằng cách xử lý nhiệt. Kết quả là sợi có kết cấu kéo (DTY), có độ xốp, độ đàn hồi và độ mềm cao hơn đáng kể so với sợi FDY phẳng có mật độ tuyến tính tương đương. DTY là loại sợi chủ yếu được sử dụng trong vải dệt kim cho trang phục thể thao, trang phục thường ngày và vải dệt thoi co giãn. Tạo kết cấu bằng khí nén là một quy trình thay thế sử dụng khí nén tốc độ cao để tạo thành các vòng và sự vướng víu ngẫu nhiên dọc theo bó sợi, tạo ra sợi có kết cấu bề mặt cứng hơn, giống bông hơn được ưa chuộng trong vải bọc và quần áo bảo hộ lao động.

Sản xuất xơ Staple: Con đường kéo sợi Polyester

Không phải tất cả sợi polyester đều được sản xuất dưới dạng sợi fil liên tục. Xơ polyester chủ yếu (PSF) được sản xuất bằng cách tập hợp các bó lớn sợi tan chảy thành một dây kéo nặng, gấp mép cơ học trong máy ép hộp nhồi để tạo ra cấu trúc sóng hai chiều, cắt thành các đoạn ngắn (thường là 32 mm đến 64 mm đối với kéo sợi hệ thống bông, hoặc 51 mm đến 102 mm đối với kéo sợi hệ thống len), sau đó đóng kiện để vận chuyển đến các nhà máy kéo sợi. Tại nhà máy kéo sợi, xơ xơ polyester được xử lý trên thiết bị kéo sợi nồi cọc, kéo sợi rôto đầu hở hoặc thiết bị kéo sợi khí nén—thường được pha trộn với bông, viscose hoặc len—để sản xuất sợi polyester kéo thành sợi có đặc tính thẩm mỹ và hiệu suất khác biệt rõ rệt so với sợi fil.

Sợi polyester kéo thành sợi có bề mặt nhiều lông hơn, mềm hơn sợi stein, hấp thụ thuốc nhuộm đồng đều hơn trong hỗn hợp và tạo ra loại vải có khả năng chống vón hạt tốt hơn khi độ bền và mức độ uốn của sợi được xác định chính xác. Tần số và biên độ uốn được áp dụng trong quá trình sản xuất xơ xơ xác định trực tiếp mức độ liên kết của các sợi trong quá trình kéo sợi, ảnh hưởng đến độ đều, độ bền và độ mịn của vải. Sợi có độ uốn cao tạo ra sợi cồng kềnh hơn, mềm hơn phù hợp với các ứng dụng lông cừu và dệt kim, trong khi sợi có độ uốn thấp tạo ra sợi mịn hơn, đồng đều hơn để may sơ mi và vải dệt thoi pha trộn.

Sự khác biệt chính giữa các loại sợi Polyester chính

Sự đa dạng của các quy trình xử lý được mô tả ở trên tạo ra sợi polyester có các đặc tính khác nhau đáng kể. Bảng sau đây tóm tắt những điểm khác biệt chính giữa các loại sợi polyester thương mại chính để giúp xác định sản phẩm phù hợp cho một ứng dụng nhất định:

Hoàn thiện và kiểm soát chất lượng trước khi xuất xưởng sợi Polyester

trước đây sợi polyester rời khỏi cơ sở sản xuất, nó sẽ trải qua một loạt các bước hoàn thiện và đảm bảo chất lượng nhằm đảm bảo tính nhất quán giữa các lô sản xuất. Hoàn thiện kéo sợi—chất bôi trơn và chất chống tĩnh điện được bôi lên bề mặt dây tóc ngay sau khi làm nguội nguội—rất quan trọng đối với khả năng xử lý trong các hoạt động tiếp theo. Thành phần hoàn thiện và mức độ ứng dụng được kiểm soát chặt chẽ vì quá ít hoàn thiện sẽ gây đứt dây tóc trên thiết bị cuộn dây tốc độ cao, trong khi quá nhiều sẽ gây ra hiện tượng cuốn lăn và hấp thụ thuốc nhuộm không đồng đều. Các gói sợi cuối cùng được kiểm tra độ denier (mật độ tuyến tính), độ bền, độ giãn dài khi đứt, độ co khi sôi và số sợi đan xen (đối với sợi đa sợi đan xen) so với giới hạn thông số kỹ thuật trước khi được thông quan để vận chuyển.

Truy xuất nguồn gốc cũng ngày càng quan trọng trong chuỗi cung ứng sợi polyester hiện đại. Các nhà sản xuất chỉ định số lô liên kết từng gói sợi với lô polyme cụ thể, máy kéo sợi và các thông số quy trình được sử dụng—thông tin cho phép truy tìm và khắc phục các vấn đề về chất lượng một cách có hệ thống. Đối với sợi polyester tái chế (rPET), được làm từ chai PET sau tiêu dùng hoặc chất thải sợi sau công nghiệp, các bước xác minh bổ sung sẽ xác nhận tỷ lệ phần trăm hàm lượng tái chế và tài liệu về chuỗi hành trình sản phẩm theo yêu cầu của chương trình chứng nhận thương hiệu. Hiểu được trình tự đầy đủ này—từ PTA và MEG cho đến quá trình trùng hợp, kéo sợi nóng chảy, vẽ, tạo kết cấu và kiểm soát chất lượng—cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh về cách tạo ra sợi polyester và lý do tại sao các lựa chọn sản xuất được thực hiện ở mỗi giai đoạn lại định hình sợi polyester hoạt động cuối cùng trong sản phẩm cuối cùng.