تاريخ ألياف البوليستر
في عام 1941، قام البريطانيان جيه آر وينفيلد وج. تي ديكسون بتطوير ألياف البوليستر لأول مرة في المختبر باستخدام حمض التيريفثاليك وإيثيلين غليكول كمواد خام، وأُطلق عليها اسم تيريلين. وفي عام 1953، أنتجت الولايات المتحدة أليافًا من البوليستر تحمل الاسم التجاري داكرون. ومنذ ذلك الحين، شهدت ألياف البوليستر تطورًا سريعًا في جميع أنحاء العالم. وفي عام 1960، تجاوز الإنتاج العالمي لألياف البوليستر إنتاج ألياف البولي أكريلونيتريل، وفي عام 1972 تجاوز إنتاجها إنتاج ألياف البولياميد، لتصبح أكبر أنواع الألياف الاصطناعية من حيث الكمية.
تصنيف وخصائص ألياف البوليستر
التصنيف
تصنيف الألياف القصيرة: وفقًا للألياف المستخدمة في الخلط، يمكن تقسيم الألياف الطويلة إلى نوع قطني ونوع صوفي ونوع متوسط الطول حسب الدرجة.
تصنيف الألياف الطويلة للبوليستر:
غزل البوليستر الكامل المسحوب: يعتمد على الغزل بسرعة منخفضة والسحب واللف بسرعة عالية.
الميزات: قوة عالية، تشكيل جيد لأسطوانة الحرير، حجم صغير، متانة، تمدد غير متساوٍ، صبغ موحد، وغيرها.
غزل البوليستر الموجه مسبقًا: يمكن إعداد الغزل الموجه مسبقًا عندما تبلغ سرعة الغزل العالية 3000 إلى 3600 / دقيقة.
الخصائص: درجة عالية من التوجيه المسبق، خصائص مستقرة، خصائص ميكانيكية جيدة، تجانس عالي وخصائص معالجة ممتازة.
الأداء
درجة حرارة الانتقال الزجاجي: 67 ℃ – 81 ℃
القوة العالية: تبلغ قوة الألياف القصيرة 2.6 إلى 5.7 سنتين/ديتيكس، أما قوة الألياف عالية المتانة فتبلغ 5.6 إلى 8.0 سنتين/ديتيكس. وتزيد قوة التأثير بمقدار 4 أضعاف مقارنة بالنايلون، و20 ضعفًا مقارنة بألياف الفيسكوز، لذا فإن منتج نسيج البوليستر يتميز بقوة ومتانة فائقتين.
مرونة جيدة: تقترب المرونة من مرونة الصوف. فعندما تكون نسبة التمدد 5% إلى 6%، تتم استعادتها بالكامل تقريبًا. كما أن مقاومة التجعد أفضل من الألياف الأخرى، أي أن النسيج لا يتجعد ويتمتع بثبات أبعاد جيد. وتبلغ قيمة معامل المرونة من 22 إلى 141 سنتين / ديكوتكس، وهي أعلى بمرتين إلى ثلاث مرات من تلك الخاصة بالنايلون.
مقاومة جيدة للتآكل: تأتي مقاومة التآكل في المرتبة الثانية بعد النايلون الذي يتمتع بأفضل مقاومة للتآكل، وهي أفضل من الألياف الطبيعية والألياف الاصطناعية الأخرى.
مقاومة جيدة للضوء: تأتي في المرتبة الثانية بعد الألياف الأكريليكية. كما أن مقاومتها لأشعة الشمس أفضل من تلك الخاصة بأقمشة الألياف الطبيعية.
مقاومة التآكل: مقاوم للبلّار، والمؤكسدات، والهيدروكربونات، والكيتونات، ومنتجات البترول، والأحماض غير العضوية. كما أنه يقاوم القلويات المخففة ولا يخشى العفن، لكن القلويات الساخنة يمكن أن تؤدي إلى تحلله.
القابلية للصباغة: يمتلك البوليستر قابلية ضعيفة للصباغة، لكنه يتمتع بقوة عمل جيدة وليس من السهل أن يتلاشى.
القابلية للامتصاص الرطوبي: تُعتبر القابلية للامتصاص الرطوبي ضئيلة جدًا، حيث تبلغ الرطوبة النسبية 100%، وتصل القابلية للامتصاص الرطوبي فقط إلى ما بين 0.6% و0.8%. كما أن امتصاص الرطوبة سيئ، ومن السهل غسلها وتجفيفها. ومع ذلك، فهي تسبب الشعور بالضيق والحرارة عند ارتدائها، كما يسهل اكتسابها للكهرباء الساكنة ويلتصق بها الغبار بسهولة، مما يؤثر على الجمال والراحة.
تصنيع ألياف البوليستر
العملية الاصطناعية
تتضمن عملية إنتاج البوليستر جزأين: توليف بوليستر ذوبان والغزل بالذوبان. المواد الخام اللازمة لتخليق البوليستر هي حمض البولي تيريفثاليك وإيثيلين غليكول، والتي يتم الحصول عليها بشكل رئيسي من تكسير النفط والفحم والغاز الطبيعي. ويتم الحصول على التولوين والزيلين والإيثيلين عن طريق تسخين وتكسير البترول. ويمكن الحصول على حمض التيريفثاليك أو ثنائي ميثيل التيريفثاليت وإيثيلين غليكول بعد المعالجة الكيميائية لرقائق البوليستر.
في بداية إنتاج البوليستر، تم استخدام ثنائي ميثيل تيريفثالات وإيثيلين جلايكول كمواد خام لأن حمض التيريفثاليك لم يكن من السهل تكريره. وفي عام 1965، نجح تكرير حمض التيريفثاليك، مما أدى إلى تقليل عملية إنتاج البوليستر وخفض تكلفتها. وقد ازداد إنتاج البوليستر المصنوع من حمض التيريفثاليك وإيثيلين جلايكول عامًا بعد عام.
التكثيف المتعدد هو استبدال ثنائي ميثيل تيريفثالات وإيثيلين جلايكول لإنتاج أوليغومر ثنائي إيثيلين تيريفثالات، والذي يتم تكثيفه تحت درجة حرارة تتراوح بين 280 إلى 290 ℃ وفراغ للحصول على بولي إيثيلين تيريفثالات؛ أو يتم إسترة حمض التيريفثاليك مباشرةً مع إيثيلين جلايكول، ثم يخضع تيريفثالات الإيثيلين لعملية تكثيف متعدد للحصول على صهر البوليستر. يمكن استخدام صهر البوليستر لتحضير رقائق البوليستر والغزل المباشر بالصهر. ويتم الحصول على رقائق البوليستر عن طريق سكب صهر البوليستر وتقطيعه إلى جزيئات.
طريقة الإنتاج
في الوقت الحالي، هناك طريقتان رئيسيتان لإنتاج إيثيلين تيريفثالات (BHET)، وهما التفاعل الانتقالي (DMT) والإسترة المباشرة (PTA).
التدوير
بعد التجفيف والذوبان، يمكن استخدام رقائق البوليستر للغزل، وإعداد فيلم البوليستر، وزجاجة البوليستر، وغيرها. وخلال عملية الذوبان، قد تؤدي الرطوبة الموجودة في رقائق البوليستر المستخدمة في الغزل إلى تحلل البوليستر، مما يؤثر على أداء الغزل وجودة الألياف. ولذلك، يجب تجفيفها قبل الغزل لتقليل محتوى الرطوبة في الرقاقة إلى أقل من 0.01%. وفي عملية غزل الرقائق، يتم تسخين رقائق البوليستر المجففة وإذابتها داخل المسمار، ثم يتم بثقها وإرسالها إلى كل جزء غزل في صندوق الغزل، حيث تُقاس بدقة وتُصفّى بواسطة مضخة القياس، ثم تُقذف من فتحة القالب الخاص بالغزال. يبلغ قطر فتحة القالب عادةً 0.15 إلى 0.30 مم. ويتم تبريد تيار البلاستيك المنصهر المُقذف بواسطة تدفق الهواء المبرد، ليتجمد ويتحول إلى خيوط. وبعد التبريد، تُقسَّم الخيوط الناتجة إلى خيوط بوليستر وألياف بوليستر قصيرة وفقًا لتقنيات المعالجة المختلفة.
خيوط البوليستر
عند غزل الألياف الأساسية، يتم تجميع خطوط متعددة معًا وتسقط في برميل الحرير بعد ترطيبها وتشحيمها. ويتم الحصول على المنتج النهائي من خلال عمليات التكتل والتمدد والتجعيد وإعداد الحرارة والتقطيع. وبعد إجراء عملية إعداد الحرارة بالتوتر عند حوالي 180 درجة مئوية بعد السحب، يمكن الحصول على ألياف أساسية عالية القوة ومنخفضة التمدد بقوة تزيد عن 6 سنتينتون/ديتكسل وبتمدد أقل من 30%. تنقسم ألياف البوليستر الأساسية إلى ألياف قطنية أساسية (طول 38 ملم) وألياف صوفية أساسية (طول 56 ملم)، وتُستخدم هذه الألياف في المزج مع ألياف القطن والصوف على التوالي.
خيط البوليستر
عند غزل الخيط، وبعد التشحيم بالزيت الرطب، يتم لف الخيط المتصلب على البكرة بسرعة حوالي 3500 م/دقيقة للحصول على خيط مُوجَّه مسبقًا (POY). لا يمكن استخدام POY مباشرة في النسيج. يمكن استخدام POY مباشرة في النسيج أو معالجته بالتشوه للحصول على سلك ممتد (DT)، أو سلك ممتد ومشوه (DTY)، أو سلك ملتوي بعد التمدد والتشكيل والتنشيط أو اللف. وبعد التصلب، يتم تمديد الخيط مباشرة بواسطة التشحيم ولفه بسرعة 4500-5000 م/دقيقة للحصول على خيط ممدد تمامًا (FDY)، والذي يمكن استخدامه في النسيج.
تعديل ألياف البوليستر
تعديل البوليستر: يتم تحسين خصائصه بطرق فيزيائية و/أو كيميائية، تُعرف عادةً باسم تعديل البوليستر. ينقسم التحسين إلى اتجاهين. الأول هو تحسين أداء ألياف البوليستر التي ليست جيدة مثل الألياف الطبيعية، والآخر هو تحسين الأداء الممتاز الفطري لألياف البوليستر وإبراز مزاياها بشكل كامل.
طريقة تعديل البوليستر
البلمرة المشتركة: من خلال إضافة مكونات معدلة (مونومرات) للبلمرة المشتركة، يتم تغيير بنية السلسلة الجزيئية، أي يتم اعتماد أسلوب التصميم الجزيئي.
الخلط: الخلط الميكانيكي (الفيزيائي) مع بوليمرات أخرى للحصول على تأثير التعديل.
المُركّب (الإضافة): في عملية التوليف والمعالجة، تُستخدم تقنيات مركبة مثل المواد المضافة والحشوات والمواد المسلحة لتحسين الشكلية والخصائص الخاصة بالبوليستر.
ألياف البوليستر المعدلة
البوليستر القابل للصبغ بالصبغة الكاتيونية (CDP): في عملية تصنيع البولي إيثيلين تيريفثاليت، يتم إدخال مونومر ثالث يحتوي على مجموعات أنيونية من أجل التبلمر المشترك.
ألياف البوليستر القابلة للصبغ بالأيونات الموجبة (ECDP): تم تطوير وإنتاج الكوبوليستر القابل للصبغ بالأيونات الموجبة بناءً على إضافة المونومر الثالث والمونومر الرابع المرن، مما يعني أنه يمكن غليه وصبغه تحت الضغط العادي.
البوليستر القابل للتحلل بسهولة (COPET): هو كوبوليستر يتم إعداده بإضافة مجموعة متنوعة من مكونات الكوبوليمر أثناء إنتاج البوليستر التقليدي. يمكن إذابته في محلول قلوي مخفف عند درجة حرارة 100 ℃.
ألياف البوليستر عالية الانكماش (الشكل): من خلال بلمرة مشتركة للبوليمر المعدل، مع اعتماد إضافي لطريقة التعديل الفيزيائي التي تجمع بين السحب عالي القوة والإعدادات منخفضة الحرارة، يمكن أن يصل انكماش الماء المغلي إلى أكثر من 50%.
بوليستر (ليت) وألياف منخفضة نقطة الانصهار: يتم إعدادها بدرجة انصهار أقل من البولي إيثيلين التقليدي عن طريق إضافة مكونات التبلمر المزدوج (IPA، حمض الأديبيك، DEG، 1.4-bg، 1.6-HD، PEG، وغيرها) لتلبية متطلبات درجات حرارة الترابط الحراري المختلفة.
ألياف البوليستر المقاومة للهب: تُضاف مواد مضافة مثبطة للهب أثناء عملية البلمرة أو الغزل، وتشمل بشكل رئيسي مركبات الفوسفور والهالوجين.