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

Đại học Bách Khoa Tp.HCM

Khoa Cơ Khí

Bộ môn Kỹ Thuật Dệt May

VẬT LIỆU DỆT

TEXTILE MATERIAL

PHẦN 3

XƠ NHÂN TẠO – MAN-MADE FIBRES

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?

2

Phân loại xơ nhân tạo

Polymer tự nhiên

Nhiệt dẻo

Polyamid

Polyester

Gốc Cellulose

Gốc Protein

Polyvinyl và các dẫn

xuất

Các gốc polymer tư

nhiên khác: alginate,

cao su tự nhiên,

silicat,silica

Polyurethan

Polyolefin

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 ?

4

Liquid milk

Dehydrate and degrease

Dissolve

Purify

Graft copolymerization

Quy trình tạo xơ

casein từ sữa

Spin

Dry

Recycle

Curling

Winding

Filament

Length cut

Staple fiber

Package

Test

5

Tính chất xơ casein

• 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

không đồng đều làm xơ sữa hấp thụ độ ẩm mịn tốt như xơ tự nhiên

6

khác và

dẫn ẩm tốt hơn

so

với xơ nhiệt dẻo

,

độ

xuyên

thấm tốt

.

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

Ảnh SEM của xơ casein

7

So sánh tính chất xơ casein với một số xơ khác

Property

Milk protein

Cotton

Silk

Wool

fiber

Length (mm)

38

25-39

1.2-2.0

1.9-3.1

7-10

-----

1.0-2.8

3.8-4.0

11-16

2.1-2.8

27-33

0.52

58-100

6-9

Fineness (dtex)

1.52

2.8

*Dry tensile strength(CN/dtex)

*Dry breaking elongation rate (%)

Wet tensile strength (CN/dtex)

Wet breaking elongation rate (%)

Friction coefficient (static)

Friction coefficient (dynamic)

2.6-3.5

14-25

0.8

25-35

2.4

3.2

28.8

0.187

0.214

9.1

13

50

0.24

0.384

8.4

0.26

Logarithm of mass specific

resistance (Wg/ cm²)

6.8

9.8

*Initial modulus (CN/dtex)

60-80

5-8

60-82

7-8

60-80

8-9

44-88

15-17

Moisture regain (%)

Specific weight (g/cm³)

1.22

1.50-1.54 1.46-1.52 1.34-1.38

8

Tìm hiểu thêm các xơ nhân tạo gốc protein khác:

- Zein

- Soya bean

- Collagen

- Groundnut

9

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)

10

Đặc tính xơ alginate

• Độ hút nước lớn (20-30%)

• Bền cơ học kém, giảm bền mạnh khi ướt

• Không cháy

• Tan trong dung dịch xà phòng hoặc xút 1%  có thể ứng dụng ra

sao?

• Tạo vải nhẹ, xốp

• Tan được trong nước  ứng dụng làm gì ?

11

Quy trình sản xuất xơ alginate

12

Cấu trúc 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)

13

3.3. Xơ nhân tạo gốc cellulose

• 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-]

14

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%

Khối lượng riêng khoảng 1.55g/cm³, dễ hấp thu nước, khí

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

15

Đặc tính phân tử cellulose (2)

- 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

nền tảng quá trình kiềm hóa

16

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

Đặc tính phân tử cellulose (4)

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

trường acid

18

Nguyên liệu thô để sản xuất xơ nhân tạo gốc cellulose

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

19

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

• 1846, Nitrocellulose

Friedrich Schonbein phát hiện có thể chuyển cellulose  nitrocellulose

khi xử lý bằng acid nitric.

• Nitrocellulose là vật liệu dễ cháy, thậm chí gây nổ. Khi trộn với camphor

(long não) cho ra nhựa nhân tạo đầu tiên, celluloid

• 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

(Là gì ?)

20