03/01/2017

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
-Quá trình tạo sợi bao gồm 3 công đoạn:
+ Chuẩn bị polyme
+ Kéo sợi
+ Kéo căng - hoàn tất
* Có thể phối hợp cả quá trình hoá học và vật lý (đối với sợi
nhân tạo); có thể chỉ là quá trình vật lý đơn thuần (đối với đa
số sợi tổng hợp).

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
1/ Chuẩn bị polymer
- Thường nguyên liệu ban đầu ở dạng hạt rắn  lỏng nhớt ???.
- Có 2 cách:
+ Hòa tan trong dung môi thích hợp
 Yêu cầu của dung môi ???
+ Đưa polymer đến trạng thái nóng chảy, dạng lỏng nhớt.
- Trước khi kéo sợi phải lọc để tách các tạp chất, polyme chưa
hòa tan, khử bọt khí.

1


03/01/2017

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
2/ Kéo sợi
- Có 2 loại spinneret: spinneret bản phẳng và spinneret hình mũ.
* spinneret bản phẳng: bề mặt có đục lỗ nhỏ (tròn, hình
chữ nhật, hình sao, hình kim…), thành lỗ có độ bóng rất cao, số

lỗ từ 1  1500, r ≥ 0,1 mm
* spinneret hình mũ (mũ phun sợi): mỏng hơn nhiều so
với spinneret bản phẳng, bán kính lỗ cũng nhỏ hơn, từ 0,04 mm
trở lên.

- Spinneret là một tấm kim loại phẳng thường có chiều dày 6 - 10 mm, mặt
cắt ngang của lỗ trên spinneret có thể thay đổi để đạt yêu cầu về ngoại quan
và tính mềm mại.

Figure 66. Spinnerets made of
high-grade steel used for melt
spinning of staple fibers

2


03/01/2017

Figure 67. Cross sections of spinneret capillaries

3


03/01/2017

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI

- Việc chế tạo mũ phun rất kỳ công
- Do platin dễ dát mỏng, mật độ đục lỗ rất cao: 20.800 lỗ/d= 47 mm.
- Hình lỗ rất đa dạng, độc đáo để thu được sợi tiết diện khác nhau

hoặc sợi rỗng.
-Độ mảnh của sợi không phải do lỗ phun lớn hay nhỏ
 Yếu tố quyết định độ mảnh của sợi ???

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
Các phương pháp kéo sợi
*Phương pháp kéo ướt:
- Dùng cho polymer hòa tan với nồng độ  25%.
- Dung dịch sau hoà tan đi qua bộ phận lọc, tách khí, rồi bơm
qua những lỗ của spinneret (tơ liên tục), cho qua bể đông tụ
(dung môi được tách ra, polyme rắn lại thành sợi).
- Thành phần của dung dịch trong bể phụ thuộc vào loại
polymer (muối vô cơ như clorua, sunfat…hay các chất phụ gia
khác).
- Một trong những lý do phát triển phương pháp này là để thu
được sản phẩm có cấu trúc đặc biệt từ việc điều chỉnh tại bể
đông tụ.

4


03/01/2017

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
- Độ nhớt của dung dịch polymer 3,5 - 10 Pa.s vẫn cao hơn so
với sợi viscose nhân tạo.
- Sản xuất: sợi nhân tạo (viscose) và một vài loại sợi tổng hợp
như sợi PAN, sợi polivinylclorua (clorophip).

5



03/01/2017

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
Các phương pháp kéo sợi
*Phương pháp kéo khô
- Giống với phương pháp trên nhưng ở đây dòng polymer ra
khỏi spinneret được hóa rắn trong các điều kiện: khí nóng
hoặc áp suất thấp.
- Luồng khí mang theo dung môi đi qua thiết bị làm lạnh,
ngưng tụ, tách ra đem dùng lại sau khi tinh chế.
- Dùng để sản xuất sợi tổng hợp như: axêtat xenlulo, sợi PVC
clo hoá, sợi acrylic…

Figure 77. Dry-spinning unit for production of staple fibers
a) Pump; b) Spin pump; c) Spinneret; d) Spin shaft; e) Finish applicator; f) Redirecting
godet, g) Take-off unit; h) Spin can

6


03/01/2017

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
Các phương pháp kéo sợi
*Phương pháp kéo từ khối nóng chảy
- Chủ yếu dùng cho sợi tổng hợp (polymer ở dạng hạt nhỏ).
- Ở nhiệt độ cao polymer thường xảy ra một số phản ứng phụ
 làm giảm trọng lượng phân tử  giảm tính chất sợi.

- Trước khi quấn vào ống sợi thường được tẩm chất HĐBM để
chống hiện tượng tĩnh điện trên bề mặt sợi và thuận lợi cho
các quá trình gia công sau này.

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
- Sự khác nhau giữa Tm và Ts phụ thuộc vào độ nhớt ở trạng
thái chảy của polymer. Thường thì Ts > Tm khoảng 30 K, tuy
nhiên nếu độ nhớt vẫn còn cao thì phải tăng nhiệt độ tiếp tục (
Tm(PP) = 170 oC nhưng Ts = 260 oC)
- Chỉ số chảy chứ không phải độ nhớt đặc trưng cho tính chất
chảy của polymer.
- Polymer phải ổn định nhiệt, cũng như có khả năng bền với sự
oxi hóa nhiệt khi mà Ts > Tm khoảng 30 K (PA-6, PA-66 và
PET).

7


03/01/2017

Figure 39. Schematic of melt spinning

a) Chips silo
b) Extruder
c) Melt filter
d) Melt distribution line
e) Spin beam
f) Spin pump
g) Vapor-heated jacket
h) Spin pack

i) Quenching duct
j) Conditioner
k) Finish applicator
l) Godets
m) Traversing guide
n) Spin bobbin
o) Blow air

8


03/01/2017

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
3/ Kéo căng - hoàn tất
- Sợi từ các công đoạn trên gọi là sợi chưa kéo căng thường
không bền, dễ biến dạng, gặp lực tác dụng theo chiều dọc thì bị
dãn, gặp nóng thì bị quăn (không đàn hồi)  kéo căng sợi.
- Kéo căng ?
- Đặc điểm sợi sau kéo căng ?
- Quá trình kéo căng ?
(Tỷ tốc của bánh xe chính là tỷ số căng của sợi, để những đại
phân tử polymer sắp xếp một cách trật tự hơn  bố trí nhiều
bánh xe với tốc độ tăng dần, lúc đó tỷ số căng chính là tỷ số
giữa tốc độ của bánh xe đầu và cuối).

CÁC CÔNG ĐOẠN TẠO SỢI
- Tkc > Tg
- Gia nhiệt: cho sợi tiếp xúc với “bàn là” có nhiệt kế tự điều
chỉnh nhiệt độ, qua bể nước nóng hoặc buồng kín bão hòa hơi

nước quá nhiệt
- Ổn định nhiệt: quan trọng đối với sợi tổng hợp
+ Nâng nhiệt và lưu
+ Mục đích: giải phóng sức căng nội, sợi sắp xếp
những vị trí thuận lợi về mặt năng lượng  sợi bền hình
dạng, giữ nếp là, không bị co khi giặt bằng nước nóng.

9


03/01/2017

Figure 81. Drawing unit
Courtesy of Fleissner, Egelsbach, Germany

10


03/01/2017

ĐÁNH CUỘN

Figure 63. Spin beam for fiber production
Courtesy of Inventa-Fischer AG, Domat/EMS, Switzerland

11


03/01/2017


Hình 64: Spin pump

12


03/01/2017

CẤU TRÚC CỦA SỢI
1. Độ xoắn: là số vòng xoắn trong 1 m sợi hoặc chỉ sản xuất ra.
- Nếu độ xoắn quá thấp sợi có thể bị sờn và đứt, nếu quá cao việc chuyển động mạnh của chỉ sẽ
gây ra rối, xoắn kiến, gút hoặc đổ chỉ.
2. Hướng xoắn: có hai hướng chủ yếu đó là xoắn Z và xoắn S

CẤU TRÚC CỦA SỢI
3. Chỉ xe chập (ply), chỉ xe lõi (cord)

1


03/01/2017

CẤU TRÚC CỦA SỢI

TÍNH CHẤT CỦA SỢI HÓA HỌC

- Polyme phải có cấu trúc mạch thẳng, hạn chế tối đa sự có
mặt của mạch nhánh hay những nhóm thế cồng kềnh.
- Tồn tại 2 trạng thái pha: kết tinh và vô định hình.
- Dưới tác dụng của ngoại lực mạch polyme có thể định hướng
làm tăng độ bền kéo


2


03/01/2017

TÍNH CHẤT CỦA SỢI HÓA HỌC

- Khả năng xe sợi từ polymer nóng chảy hay dung dịch phụ
thuộc vào độ nhớt của chúng.
- Độ nhớt ɳ của polymer mạch thẳng phụ thuộc vào trọng lượng
phân tử Mr

TÍNH CHẤT CỦA SỢI HÓA HỌC

3


03/01/2017

TÍNH CHẤT CỦA SỢI HÓA HỌC
- Khả năng ổn định nhiệt, hóa và quang hóa của sợi polymer
được điều khiển bởi cấu trúc hóa học của nó.
- Khả năng biến tính hóa học của sợi được xác định bởi khả năng
phản ứng cũng như độ phân cực của từng đoạn mạch trong cấu
trúc.
- Loại liên kết hóa học và sự sắp xếp không gian cũng là yếu tố
quan trọng ảnh hưởng đến cấu dạng của phân tử, sự tương tác
giữa các đơn vị cấu trúc và khả năng ổn định hình dạng do
nhiệt.


TÍNH CHẤT CỦA SỢI HÓA HỌC
(Ưu điểm)
- Ngoại quan: đẹp, óng mượt, mịn màng
- Ít thấm dầu mỡ, mồ hôi, dễ giặt, sạch lâu, ít hút ẩm
- Bền hình dạng, không bị co khi giặt, không nhàu nát, giữ nếp
- Độ bền cơ hóa cao
- Có thể thay đổi tính chất trong phạm vi khá rộng.
- Điều khiển được chiều dài sợi, biến tính theo yêu cầu sử dụng
- Năng suất sản xuất rất cao

mang tính công nghiệp hoá.

4


03/01/2017

Các tương tác trong cấu trúc sợi

- Lực tương tác nội phân tử: lực phân tán, tương tác dipole dipole hay liên kết hydro giữa các đoạn mạch polymer góp
phần vào việc gắn chặt các mạch polymer lại với nhau.
- Cấu trúc phân tử kép: các mạch polymer đã được định hướng
chúng sắp xếp song song với nhau theo hướng dọc sợi vì thế mà
hình thành cấu trúc phân tử kép

Các tương tác trong cấu trúc sợi
- Mô hình đơn giản nhất thể hiện lực phân tán nội phân tử (lực
van der Waals) được thấy rõ trong các phân tử polyolefin như
PE hay PP:


5


03/01/2017

Các tương tác trong cấu trúc sợi
- Trong poly(ethylene terephthalate), lực tương tác giữa các hệ
thống electron- của vòng benzene và tương tác dipole - dipole
của các nhóm carbonyl được thể hiện:

Các tương tác trong cấu trúc sợi
- Liên kết hydro giữa nhóm amide và urea trong polyamide như
nylon 66, nylon 6 hay trong polyurethane

6


03/01/2017

Các tương tác trong cấu trúc sợi

Figure 5. Hydrogen bonding in nylon 6
(A; mp 225 ◦C) và nylon 7 (B; mp 232 ◦C)

Các tương tác trong cấu trúc sợi
- Các nhóm -OH của PVA và cellulose (viscose nhân tạo) cũng
có thể hình thành các liên kết hydro.

(8)


7


03/01/2017

Các tương tác trong cấu trúc sợi
- Lực tương tác dipole-dipole rất mạnh xảy ra giữa các nhóm
nitrile của polyacrylonitrile:

Các tương tác trong cấu trúc sợi
- Tuy nhiên, các cấu tạo kiểu trans của polyacrylonitrile có thể
thay đổi thành cấu trúc xoắn ốc có năng lượng thấp hơn:

8


03/01/2017

Các tương tác trong cấu trúc sợi
4. Sự sắp xếp của các mạch trong cấu trúc sợi
Hình 2. Các cấu dạng khác
nhau của sợi polymers
A: Cuộn rối; B: Định hướng ở
vùng kéo căng (đùn); C: Định
hướng, hình thành các tinh thể
lỏng từ polymer nóng chảy hay
dung dịch (polyelectrolyte); D:
Cấu trúc kết tinh (PE, PP, PA,
polyester), l=(10 – 20 nm); E:

Cấu
trúc
lyotropic
và
thermotropic (polyesters and
carbon fibers).

Hình 3. Các dạng cấu trúc khác nhau của các loại
polymer
A: Cấu trúc cổ điển amorphous – crystalline (PA,
polyester, viscose rayon), l = 10 – 30 nm.
B: Cấu trúc sợi spandex (PU), lh = 2.5 nm; ls =
15nm.
C: Cấu trúc của sợi aramid (p-structures), không có
pha VĐH
D: Cấu trúc của sợi carbon; graphite với các khuyết
điểm (lỗ hỏng, tách lớp)

9


03/01/2017

Figure 4. Fringed micelle model,
as drawn by Hearle

Figure 5. Modified fringed micelle
model, as drawn by Hearle

Figure 7. Fringed lamellar structure, as drawn by Hearle


Figure 6. Fringed fibril structure, as drawn by Hearle

10


03/01/2017

Các tương tác trong cấu trúc sợi

11


03/01/2017

Các tương tác trong cấu trúc sợi

5. Sự thay đổi tính chất bởi khuyết điểm về tính đối xứng

Figure 18. Changes in fiber structure during high-speed spinning

12


03/01/2017

Figure 22. Structure-formation process related to the reduction of molecular orientation
resulting from a polymer additive

Các tương tác trong cấu trúc sợi


13