ใยโพลีเอสเตอร์: ใยโพลีเอสเตอร์เป็น “ใยสังเคราะห์ที่ผลิตขึ้นโดยมีสารที่ก่อตัวเป็นเส้นใยเป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์สายโซ่ยาวใดๆ ซึ่งประกอบด้วยเอสเทอร์ของไดไฮดริกแอลกอฮอล์ (HOROH) และกรดเทเรฟทาลิก (p-HOOC-C6H4COOH) อย่างน้อย 85% โดยน้ำหนัก” ใยโพลีเอสเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดทำจากพอลิเมอร์เชิงเส้นโพลี (เอทิลีนเทเรฟทาเลต) และโพลีเอสเตอร์ประเภทนี้โดยทั่วไปจะเรียกว่า PET ความแข็งแรงสูง โมดูลัสสูง การหดตัวต่ำ ความเสถียรของความร้อน ความคงทนต่อแสง และความทนทานต่อสารเคมี เป็นปัจจัยที่ทำให้ PET มีความหลากหลายอย่างมาก
แผนผังกระบวนการผลิตใยสังเคราะห์: วัตถุดิบ / มอนอเมอร์
การเกิดพอลิเมอร์
วัตถุดิบ:
2. สารเคมีที่ได้ ซึ่งเป็นมอนอเมอร์ (โมเลกุลเดี่ยว ไม่ซ้ำกัน) แอลกอฮอล์ จะถูกรวมกับกรดเทเรฟทาลิกและเพิ่มอุณหภูมิถึง 472°F (280°C) โพลีเอสเตอร์ที่เกิดขึ้นใหม่ ซึ่งใสและหลอมเหลว จะถูกอัดผ่านช่องเพื่อสร้างเป็นแถบยาว
วัตถุดิบ:
การทำให้เป็นเส้นใย
วัตถุดิบ:
การพันกัน
วัตถุดิบ:
การตั้งค่าความร้อน
วัตถุดิบ:
เส้นใยสำเร็จรูป
วัตถุดิบ:
โพลีเอสเตอร์เป็นคำศัพท์ทางเคมีที่สามารถแยกออกเป็น poly ซึ่งหมายถึง มาก และ ester ซึ่งเป็นสารประกอบอินทรีย์พื้นฐาน ส่วนประกอบหลักที่ใช้ในการผลิตโพลีเอสเตอร์คือเอทิลีน ซึ่งได้มาจากปิโตรเลียม ในกระบวนการนี้ เอทิลีนคือพอลิเมอร์ ซึ่งเป็นหน่วยโครงสร้างทางเคมีของโพลีเอสเตอร์ และกระบวนการทางเคมีที่ผลิตโพลีเอสเตอร์สำเร็จรูปเรียกว่า การเกิดพอลิเมอร์
การเกิดพอลิเมอร์:
รูปที่ 2: การผลิตโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต
ไดเมทิลเทเรฟทาเลต (DMT) ผลิตในระยะแรกโดยการเอสเทอริฟิเคชันของกรดเทเรฟทาลิก อย่างไรก็ตาม กระบวนการที่แตกต่างกันซึ่งเกี่ยวข้องกับขั้นตอนการออกซิเดชันและเอสเทอริฟิเคชันสองขั้นตอนในปัจจุบันคิดเป็นส่วนใหญ่ของ DMT
เอทิลีนไกลคอล (EG) เริ่มต้นจากการผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ตัวกลางโดยการออกซิเดชันของเอทิลีน เอทิลีนไกลคอลเพิ่มเติมได้จากการทำปฏิกิริยาของเอทิลีนออกไซด์กับน้ำ
การสังเคราะห์พอลิเมอร์:
การสังเคราะห์พอลิเมอร์:
PET ซึ่งเป็นโพลีเอสเตอร์ตัวอย่าง สามารถเกิดพอลิเมอร์ได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้: การแลกเปลี่ยนเอสเทอร์: มอนอเมอร์คือไดเอทิลเทเรฟทาเลตและเอทิลีนไกลคอล
PET ซึ่งเป็นโพลีเอสเตอร์ตัวอย่าง สามารถเกิดพอลิเมอร์ได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้: การแลกเปลี่ยนเอสเทอร์: มอนอเมอร์คือไดเอทิลเทเรฟทาเลตและเอทิลีนไกลคอล การเอสเทอริฟิเคชันโดยตรง: มอนอเมอร์คือกรดเทเรฟทาลิกและเอทิลีนไกลคอล ทั้งกระบวนการแลกเปลี่ยนเอสเทอร์และเอสเทอริฟิเคชันโดยตรงจะรวมกับขั้นตอนการเกิดพอลิคอนเดนเซชันแบบเป็นชุด (batch-wise) หรือแบบต่อเนื่อง (continuously) ระบบแบบเป็นชุดต้องการภาชนะปฏิกิริยา 2 ใบ ใบหนึ่งสำหรับเอสเทอริฟิเคชันหรือการแลกเปลี่ยนเอสเทอร์ อีกใบหนึ่งสำหรับเกิดพอลิเมอร์ ระบบต่อเนื่องต้องการอย่างน้อย 3 ใบ ใบหนึ่งสำหรับเอสเทอริฟิเคชันหรือการแลกเปลี่ยนเฉือน อีกใบหนึ่งสำหรับลดปริมาณไกลคอลส่วนเกิน และอีกใบหนึ่งสำหรับเกิดพอลิเมอร์ อีกวิธีหนึ่งในการผลิต PET คือการเกิดพอลิคอนเดนเซชันในสถานะของแข็ง ในกระบวนการนี้ การเกิดพอลิคอนเดนเซชันแบบหลอมเหลวจะดำเนินต่อไปจนกว่าพรีพอลิเมอร์จะมีค่าความหนืดเฉพาะ (Intrinsic Viscosity) อยู่ที่ 1.0-1.4 ณ จุดนั้น พอลิเมอร์จะถูกหล่อเป็นแผ่นแข็ง การตกผลึกเบื้องต้นจะดำเนินการโดยการให้ความร้อน (สูงกว่า 200
o
C) จนกว่าจะได้น้ำหนักโมเลกุลที่ต้องการ ต่อมาพอลิเมอร์ที่เป็นอนุภาคจะถูกหลอมเพื่อปั่นเส้นใย กระบวนการนี้ไม่เป็นที่นิยมสำหรับใย PET สำหรับสิ่งทอ แต่ใช้สำหรับใยอุตสาหกรรมบางชนิดแข็งแรง หากกลีเซอรอลทำปฏิกิริยากับไดแอซิดหรือแอนไฮไดรด์ของมัน กลีเซอรอลแต่ละโมเลกุลจะสร้างจุดกิ่งหนึ่งจุด โมเลกุลดังกล่าวสามารถเติบโตจนมีน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก หากเกิดการเชื่อมต่อภายใน (ปฏิกิริยาระหว่างหมู่ไฮดรอกซิลกับหมู่กรดจากกิ่งของโมเลกุลเดียวกันหรือต่างกัน) พอลิเมอร์จะเกิดการเชื่อมขวาง พอลิเมอร์ที่เชื่อมขวางอย่างแข็งแรงจะไม่ได้รับผลกระทบจากตัวทำละลายเลย
การเกิดเส้นใย:
ลำดับการผลิตใยและเส้นด้าย PET ขึ้นอยู่กับวิธีการเกิดพอลิเมอร์ที่แตกต่างกัน (ต่อเนื่อง, เป็นชุด, และสถานะของแข็ง) และกระบวนการปั่นเส้นใย (ความเร็วในการพันสูงหรือต่ำ)
กระบวนการผลิต:
การผลิตเส้นด้ายเส้นใยต่อเนื่อง:
1. ในการสร้างโพลีเอสเตอร์ ไดเมทิลเทเรฟทาเลตจะทำปฏิกิริยากับเอทิลีนไกลคอลก่อน โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 302-410°F (150-210°C)
2. สารเคมีที่ได้ ซึ่งเป็นมอนอเมอร์ (โมเลกุลเดี่ยว ไม่ซ้ำกัน) แอลกอฮอล์ จะถูกรวมกับกรดเทเรฟทาลิกและเพิ่มอุณหภูมิถึง 472°F (280°C) โพลีเอสเตอร์ที่เกิดขึ้นใหม่ ซึ่งใสและหลอมเหลว จะถูกอัดผ่านช่องเพื่อสร้างเป็นแถบยาว
การอบแห้ง
3. หลังจากโพลีเอสเตอร์ออกจากกระบวนการเกิดพอลิเมอร์ แถบหลอมเหลวที่ยาวจะถูกปล่อยให้เย็นลงจนกว่าจะเปราะ วัสดุจะถูกตัดเป็นชิปเล็กๆ และทำให้แห้งสนิทเพื่อป้องกันความไม่สม่ำเสมอของความหนาแน่น
การปั่นแบบหลอมเหลว
4. ชิปพอลิเมอร์จะถูกหลอมที่อุณหภูมิ 500-518°F (260-270°C) เพื่อสร้างสารละลายคล้ายน้ำเชื่อม สารละลายจะถูกใส่ในภาชนะโลหะที่เรียกว่า สปินเนอเรต และถูกบังคับให้ผ่านรูเล็กๆ ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นวงกลม แต่อาจเป็นรูปห้าเหลี่ยมหรือรูปทรงอื่นใดเพื่อผลิตเส้นใยพิเศษ จำนวนรูในสปินเนอเรตจะกำหนดขนาดของเส้นด้าย เนื่องจากเส้นใยที่ออกมาจะถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเป็นเส้นเดียว
5. ในขั้นตอนการปั่น เส้นใยอื่นๆ อาจถูกเติมลงในสารละลายเพื่อให้วัสดุที่ได้มีคุณสมบัติหน่วงไฟ ป้องกันไฟฟ้าสถิต หรือย้อมติดง่ายขึ้น
การดึงเส้นใย
6. เมื่อโพลีเอสเตอร์ออกมาจากสปินเนอเรต มันจะนุ่มและยืดออกได้ถึงห้าเท่าของความยาวเดิม การยืดนี้จะบังคับให้โมเลกุลโพลีเอสเตอร์ที่เรียงตัวแบบสุ่มจัดเรียงตัวในแนวขนานกัน สิ่งนี้จะเพิ่มความแข็งแรง ความเหนียว และความยืดหยุ่นของเส้นใย ในครั้งนี้ เมื่อเส้นใยแห้ง เส้นใยจะแข็งและแข็งแรงแทนที่จะเปราะ
7. เส้นใยที่ดึงแล้วอาจมีความแตกต่างกันอย่างมากในเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาว ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่ต้องการของวัสดุสำเร็จรูป นอกจากนี้ เมื่อเส้นใยถูกดึง เส้นใยอาจถูกทำให้เป็นเส้นใยหรือบิดเพื่อสร้างผ้าที่นุ่มขึ้นหรือด้านขึ้น
การพันเส้นด้าย
8. หลังจากเส้นด้ายโพลีเอสเตอร์ถูกดึงแล้ว จะถูกพันบนแกนม้วนขนาดใหญ่หรือม้วนแบบแบน พร้อมที่จะนำไปทอเป็นผืนผ้า
การผลิตเส้นใยสั้น:
ในการผลิตเส้นใยโพลีเอสเตอร์สั้น กระบวนการเกิดพอลิเมอร์ การอบแห้ง และการปั่นแบบหลอมเหลว (ขั้นตอนที่ 1-4 ข้างต้น) จะคล้ายคลึงกับการผลิตเส้นด้ายเส้นใยต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการปั่นแบบหลอมเหลว สปินเนอเรตจะมีรูจำนวนมากขึ้นเมื่อผลิตภัณฑ์เป็นเส้นใยสั้น เส้นใยโพลีเอสเตอร์ที่มีลักษณะเป็นเชือกที่ออกมาจะเรียกว่า โท
การดึงโท การทำให้เป็นลอน 2. โทที่ดึงแล้วจะถูกป้อนเข้ากล่องบีบอัด ซึ่งจะบังคับให้เส้นใยพับเหมือนหีบเพลง ในอัตรา 9-15 ลอนต่อ นิ้ว (3-6 ต่อ ซม.) กระบวนการนี้ช่วยให้เส้นใยยึดติดกันได้ในระหว่างขั้นตอนการผลิตต่อไป
การตั้งค่า
3. หลังจากโทถูกทำให้เป็นลอนแล้ว จะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 212-302°F (100-150°C) เพื่อทำให้เส้นใยแห้งสนิทและตั้งลอน ลอนบางส่วนจะหลุดออกไปโดยไม่ได้ตั้งใจในระหว่างกระบวนการต่อไปนี้
การตัด
4. หลังจากการตั้งค่าความร้อน โทจะถูกตัดเป็นความยาวสั้นลง โพลีเอสเตอร์ที่จะผสมกับฝ้ายจะถูกตัดเป็นชิ้นขนาด 1.25-1.50 นิ้ว (3.2-3.8 ซม.) สำหรับการผสมกับเรยอน จะตัดเป็นความยาว 2 นิ้ว (5 ซม.) สำหรับผ้าที่หนาขึ้น เช่น พรม เส้นใยโพลีเอสเตอร์จะถูกตัดเป็นความยาว 6 นิ้ว (15 ซม.)
กระบวนการปั่น:
ระดับการเกิดพอลิเมอร์ของ PET จะถูกควบคุม ขึ้นอยู่กับการใช้งานสุดท้าย PET สำหรับใยอุตสาหกรรมจะมีระดับการเกิดพอลิเมอร์สูงขึ้น น้ำหนักโมเลกุลสูงขึ้น และความหนืดสูงขึ้น ช่วงน้ำหนักโมเลกุลปกติอยู่ที่ระหว่าง 15,000 ถึง 20,000 ด้วยอุณหภูมิการอัดรีดปกติ (280-290
o
C) จะมีความหนืดเฉือนต่ำอยู่ที่ 1000-3000 poise PET น้ำหนักโมเลกุลต่ำจะถูกปั่นที่อุณหภูมิ 265
o แข็งแรง
ในการผลิต PET ที่สม่ำเสมอ กระบวนการดึงจะดำเนินการที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (80-90แข็งแรง C) เนื่องจากกระบวนการดึงให้การจัดเรียงตัวเพิ่มเติมแก่ผลิตภัณฑ์ อัตราส่วนการดึง (3:1-6:1) จะแตกต่างกันไปตามการใช้งานสุดท้าย สำหรับความเหนียวที่สูงขึ้น อัตราส่วนการดึงที่สูงขึ้นจะจำเป็น นอกเหนือจากการจัดเรียงตัว การตกผลึกอาจเกิดขึ้นระหว่างการดึงที่ช่วงอุณหภูมิ 140-220
o แข็งแรง รูปที่ 3: แผนผังกระบวนการผลิตใยโพลีเอสเตอร์แข็งแรง
ดร. บอนเซลลา และ ดร. วากเนอร์ ที่มหาวิทยาลัยฟลอริดา เป็นนักวิทยาศาสตร์สองคนที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาเพื่อค้นหาวิธีการผลิตโพลีเอสเตอร์จากก๊าซราคาถูกสองชนิด ได้แก่ คาร์บอนมอนอกไซด์และเอทิลีนออกไซด์ โพลีเอสเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันเรียกว่า PET หรือโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการผลิตโพลีเอสเตอร์น้ำหนักโมเลกุลต่ำโดยใช้คาร์บอนมอนอกไซด์และเอทิลีนออกไซด์ แต่ยังขาดตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งเป็นสารที่เร่งปฏิกิริยาเคมี เพื่อให้ปฏิกิริยาทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น พวกเขากำลังมองหาสารประกอบทางเคมีที่จะนำโมเลกุลที่มี DP ต่ำมาสร้างโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น แม้ว่าพวกเขาจะประสบความสำเร็จในการวิจัยจนถึงขณะนี้ แต่พวกเขายังไม่ได้ผลิตโพลีเอสเตอร์ที่สามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์จากก๊าซราคาถูก หากประสบความสำเร็จ การค้นพบจากการวิจัยเหล่านี้จะสามารถนำมาใช้แทนผลิตภัณฑ์โพลีเอสเตอร์ปัจจุบัน โดยให้ประสิทธิภาพเดียวกันในราคาที่ถูกลง สุดท้าย เราทุกคนทราบดีว่าการวิจัยต้องใช้ความอดทนและความพยายามในระยะยาว
โครงสร้างของ PET:
ลักษณะที่โดดเด่นอย่างหนึ่งของ PET เกิดจากวงแหวนเบนซีนในสายโซ่พอลิเมอร์ ลักษณะอะโรมาติกนำไปสู่ความแข็งของสายโซ่ ป้องกันการเสียรูปของบริเวณที่ไม่มีระเบียบ ซึ่งส่งผลให้เกิดแรงอันตรกิริยาแวนเดอร์วาลส์ที่อ่อนแอระหว่างสายโซ่ ด้วยเหตุนี้ PET จึงตกผลึกได้ยาก ใยโพลีเอสเตอร์อาจถือว่าประกอบด้วยบริเวณที่เป็นผลึก, บริเวณกึ่งผลึกที่จัดเรียงตัว และบริเวณที่ไม่มีผลึก (อสัณฐาน) หมู่โมเลกุลอะโรมาติก, คาร์บอกซิล และอะลิฟาติกมีลักษณะเกือบเป็นระนาบและอยู่ในการจัดเรียงตัวแบบเคียงข้างกัน ระยะห่างระหว่างอะตอมในโมเลกุลที่อยู่ติดกันโดยทั่วไปคือระยะสัมผัสแบบแวนเดอร์วาลส์ และไม่มีหลักฐานโครงสร้างของแรงที่ผิดปกติใดๆ ระหว่างโมเลกุล จุดหลอมเหลวที่สูงผิดปกติของ PET (เมื่อเทียบกับโพลีเอสเตอร์อะลิฟาติก) ไม่ได้เกิดจากแรงระหว่างโมเลกุลที่ผิดปกติใดๆ แต่เกิดจากพันธะเอสเทอร์ การยึดเกาะของสายโซ่ PET เป็นผลมาจากพันธะไฮโดรเจนและอันตรกิริยาแวนเดอร์วาลส์ ซึ่งเกิดจากอันตรกิริยาไดโพล การเหนี่ยวนำ และแรงกระจายระหว่างสายโซ่ ความสามารถในการสร้างเส้นใยที่มีประโยชน์และแนวโน้มที่จะตกผลึกขึ้นอยู่กับแรงดึงดูดเหล่านี้
แรงอันตรกิริยาทำให้เกิดการจัดเรียงตัวที่แน่นหนาและไม่ยืดหยุ่นระหว่างแมโครโมเลกุล แสดงให้เห็นถึงโมดูลัส ความแข็งแรง และความต้านทานต่อความชื้น สีย้อม และตัวทำละลายสูง ความยืดหยุ่นที่จำกัดในแมโครโมเลกุลส่วนใหญ่เกิดจากหมู่เอทิลีน เส้นใยที่ถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจะไม่แสดงการเกิดผลึกในระยะแรก การเติบโตของผลึกจะเริ่มเกิดขึ้นเมื่อมีการดึง เส้นแบบโครงสร้างพื้นฐานหลายแบบจำเป็นต้องใช้เพื่อแสดงสถานะที่แตกต่างกันของเส้นใย: อสัณฐาน (ไม่มีการจัดเรียงตัว) หลังจากการอัดรีด, อสัณฐาน (ไม่มีการจัดเรียงตัว) หลังจากการดึงเย็น, การจัดเรียงตัวแบบผลึกหลังจากการบำบัดด้วยความร้อนและหลังจากการดึงร้อน การยืด และการอบอ่อน รูปแบบการจัดเรียงตัวแบบผลึกยังสามารถได้มาจากการใช้แรงสูง (ความเร็วสูง) ในการปั่น
% การตกผลึก = ΔH
/ΔH*
f
โดยที่ การวัดด้วย DSC fการวัดด้วย DSC
ตารางที่ 1: การตกผลึกของใยโพลีเอสเตอร์การไล่ระดับความหนาแน่นการวัดด้วย DSC ประเภทเส้นใย เส้นใยพื้นฐาน
ความหนาแน่น (ก./ซม.3)
การตกผลึก (%)
Tg (
o
C)
154.3
oแข็งแรง 1.3803
การตกผลึก (%)แข็งแรง 1.3803
41.22
154.3
251.3
17.19
51.38
B
1.3584
45.80
161.7
254.6
16.61
49.65
C
1.3809
41.73
152.9
255.8
15.29
45.73
D
1.3871
47.34
161.0
255.5
15.40
46.03
E
1.3825
43.71
175.9
257.4
16.41
49.05
Tg – อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว
Tm – อุณหภูมิหลอมเหลว
∆H – ความร้อนของการหลอมเหลว
PET ที่ถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วโดยไม่มีการดึงจะเป็นอสัณฐาน ช่วงอุณหภูมิของการตกผลึกสำหรับ PET คือ ตั้งแต่ 10oC ต่ำกว่าจุดหลอมเหลว จนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วเล็กน้อย 250-100
