فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی

اصطلاح الیاف مصنوعی به طور دقیق به الیافی اشاره دارد که از پلیمرهای ساخته شده از زنجیره های رشد یافته در خلال یک فرآیند شیمیایی کنترل شده تشکیل می شوند. گروه الیاف مصنوعی شامل نایلون، کولار، پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی اتیلن است؛ این در حالی است که الیاف تشکیل شده از پلیمرهای به اصطلاح طبیعی جزء الیاف مصنوعی واقعی به حساب نمی آیند و به آنها الیاف بازیافتی گفته می شود.

گروه الیاف بازیافتی از ریون ویسکوز و استات سلولز تشکیل شده است که به مدد برخی از پیشرفت های اخیر مانند کیتوسان، از مواد کتینی فراوانی که در بدن سخت پوستان دریایی وجود دارند، تشکیل می شوند. علی رغم تسلط کنونی الیاف واقعاً مصنوعی بر بازار الیاف، این روند توسعه اولیه سلولزهای بازیافتی است که زمینه توسعه بسیاری از فرآیندها و تکنیک هایی که اکنون برای ساخت الیاف از مواد اولیه طبیعی و مصنوعی لازم است را فراهم کرده است.

یکی از نقاط عطف روند تولید الیاف مصنوعی، تولید و تجاری سازی نایلون در سال 1938 بود که توسط شرکت دوپونت (DuPont) و گروهی به رهبری کارودرز انجام گرفت. همین روند با توسعه شکل دیگری از نایلون (پلی آمید 6) در شرکت آلمانی I G Farben ادامه پیدا کرد. در این دوره نایلون به دلیل سهولت نسبی تولید و مناسب بودن برای کاربردهایی مانند جوراب بافی به الیاف اولیه غالب بازار تبدیل شد. توسعه داکرون یا به اصطلاح دقیق تر PET که عموماً به نام پلی استر شناخته می شود، دیگر نقطه عطف مهم بود؛ داکرون در سال 1958 به بازار عرضه شد.

پلی استر از ویژگی های مکانیکی و زیبایی شناختی خاصی برخوردار است که آن را برای کاربردهای نساجی بسیار مناسب می کند. این الیاف آنقدر رشد کردند که توانستند بیشترین سهم بازار الیاف مصنوعی را در سال 1972 به خود اختصاص دهند. از آن زمان تا کنون گام هایی در زمینه استفاده از سلولزهای بازیافتی به عنوان یک ماده منبع  و استفاده از مواد زیستی برای استخراج بلوک های ساختاری مونومرها مثل پلی اسید لاکتیک که به طور کامل از منابع محصولی تجدید پذیر ساخته می شوند، برداشته شده است.

در بخش فنی توسعه کولار پارا آمید توسط استفانی کولک (Stephanie Kwolek) و دوپونت در دهه 1960، باب جدیدی از تحقیقات در مورد پلیمرهای کریستال مایع را باز کرد. این کار پیشگامانه خود مسبب پایه گذاری بنیادی برای این محیط دائماً در حال تحول شد که در آن فناوری های مستقر دائماً در معرض چالش های ناشی از مواد و فرآیندهای جدید قرار دارند.

فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی

الیاف مصنوعی همان الیافی هستند که از انواع مختلف پلیمرها ساخته می شوند. این الیاف تحت عنوان الیاف طبیعی کشت نمی شوند. الیاف بازیافتی با حل شدن بخش سلولزی الیاف گیاهی در مواد شیمیایی و تبدیل مجدد آنها به الیاف تولید می گردند. الیاف مصنوعی که برای استفاده در تولید منسوجات ساخته می شوند، با استفاده از همان روش های اصلی فرآوری تولید می گردند.

در اصل یک مایع پلیمری از طریق یک سری سوراخ های ریز که شکل اصلی الیاف را می سازند، عبور داده می شود. سپس مایع پلیمری از طریق فرآیندهای شیمیایی یا ترمودینامیکی سرد شده و سخت می گردد؛ این امر منجر به تولید یک سری فیلامنت های (رشته های) جامد می شود. چهار روش برای ریسیدن فیلامنت های الیاف تولید شده وجود دارد: ریسندگی مرطوب، ریسندگی خشک، ریسندگی مذاب و ژل ریسی.

ریسندگی مذاب

در ریسندگی مذاب، ماده تشکیل دهنده الیاف به منظور عبور از اسپینرت (قالب نخ ریسی) و خنک شدن سریع، ابتدا ذوب می شود. نایلون، الفین، پلی استر، ساران و سولفار به این روش تولید می گردند.

ریسندگی مرطوب

از روش ریسندگی مرطوب زمانی استفاده می شود که نتوان از روش ریسندگی مذاب برای پلیمرهای غیر ترموپلاستیک و حساس به دما استفاده کرد. ترتیب این فرآیند بدین گونه است که ابتدا زنجیره های پلیمری در یک حلال مناسب حل می شوند و یک مایع چسبناک را تشکیل می دهند. غلظت محلول بسته به طول زنجیره پلیمر، سیستم حلال و طرح بسته ریسندگی می تواند از 1% تا 25% متغیر باشد. هنگامیکه زنجیره های پلیمری در محلول حل می شوند، زنجیره ها از هم باز شده و جدا می گردند و نسبت به یکدیگر شروع به حرکت می کنند.

معمولاً سه نوع روش ریسندگی مرطوب وجود دارد که طرح کلی هر کدام از آنها در شکل زیر آورده شده است. در همه آنها یک محلول نخ ریسی توسط رشته سازها پمپ می شود و فیلامنت ها از طریق تبخیر یا ته نشینی تشکیل می گردند. در روش های ریسندگی خشک- مرطوب، حلال به اندازه ای فرار است که به سرعت تبخیر می شود و تنها چیزی که باقی می ماند فیلامنت هایی است که به تدریج در حال سفت شدن بوده و تنها حاوی مقدار کمی از حلال هستند.

در روش های ریسندگی شکاف هوایی و انعقاد، رشته ساز درست در بالای حمام ریسندگی معلق شده یا غوطه ور می شود، و حلال با استفاده از سیستم های منعقد کننده یا غیر حلال رسوب کرده و از فیلامنت ها خارج می گردد. سپس فیلامنت ها سفت شده و قبل از پیچیده شدن آنها روی بوبین ها چندین مرحله شستشو و خشک شدن را پشت سر می گذارند. از آنجاییکه سرعت انتشار ماده منعقد کننده و محلول بسیار مهم است، بنابراین روند کار این نوع از ریسندگی مرطوب معمولاً کندتر از روش ریسندگی مذاب است.

تغییرات آرایش روش ریسندگی مرطوب

ریسیدن فیلامنت های به هم پیوسته باعث می شود تا بتوان مواد افزودنی را در زمان تشکیل الیاف به آنها اضافه کرد. به عنوان مثال الیاف ریسیده رنگ شده را می توان از طریق اضافه کردن دسته ای از مواد رنگی به فیلامنت ها تولید کرد. این امر باعث می گردد تا بتوان در رنگ مورد نیاز برای رنگرزی الیاف صرفه جویی نمود؛ ضمناً این روشی است که برای رنگرزی الیافی مانند پلی پروپیلن لازم است. اما طیف رنگ و حداقل مقدار اجرایی اغلب محدودیت دارد.

یک نکته مهم در مورد الیاف مصنوعی این است که فرآیند تولید معمولاً در کشش و تنش الیاف در سطح مولکولی قفل می شود. بعدها زمانیکه این الیاف در معرض فرآیندهای حرارت، رنگرزی، پیوستگی یا پرداخت قرار می گیرند، الیاف با کم شدن کرنش منقبض می گردند و همین امر باعث جمع شدن پارچه و نخ در یک جهت می شود.

چروک باقیمانده معمولاً از طریق یک فرآیند پرداخت کاری که به تنظیم گرما معروف است، حذف می گردد. در خلال این فرآیند پارچه ها شسته می شوند و به آنها اجازه داده می شود تا به صورت کنترل شده توسط گرم کن های بسیار گرم کاملاً جمع گردند، بدین وسیله می توان 20% از چروک پارچه را کم کرد. این یک فرآیند پر هزینه است و پارچه حاصل باید در مراحل بعدی از نظر حرارتی به سطح پایداری برسد.

ریسندگی خشک

در ریسندگی خشک برای تشکیل الیاف پلیمری از محلول استفاده می شود. ریسندگی خشک یک فرآیند مستقیم است. در فرآیند ریسندگی خشک یک حلال و یک دستگاه بازیافت حلال مورد نیاز است. در این فرآیند شستشو انجام نمی گیرد. احتمالاً از این فرآیند برای تولید استات، تری استات، آکریلیک، مد آکریلیک، PBI، اسپندکس و وینین استفاده می شود.

ژل ریسی

روش ژل ریسی به روش ریسندگی مرطوب- خشک نیز معروف است؛ از این روش برای دستیابی به مقاومت بالا و سایر ویژگی های خاص در الیاف استفاده می گردد. پلیمر در حالت ژله ای از اسپینرت (وسیله ای چند منفذه که شبیه سر دوش حمام است) عبور داده می شود. سپس الیاف در هوا خشک شده و در یک وان پر از مایع سرد می گردند.