Hangzhou Yaoyang Technology Co.,Ltd

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Fibra de poliéster:
La fibra de poliéster es una "fibra manufacturada en la que la sustancia formadora de fibra es cualquier polímero sintético de cadena larga compuesto al menos en un 85% en peso de un éster de un diol (HOROH) y ácido tereftálico (p-HOOC-C6H4COOH)". La fibra de poliéster más utilizada se fabrica a partir del polímero lineal politereftalato de etileno, y esta clase de poliéster se denomina generalmente PET. Su alta resistencia, alto módulo, baja contracción, estabilidad fijada por calor, solidez a la luz y resistencia química explican la gran versatilidad del PET.

Diagrama de flujo del proceso de producción de fibra sintética:
El diagrama de flujo del proceso de diversas fibras sintéticas difiere de uno a otro, pero el proceso básico es el mismo. Aquí, he proporcionado un diagrama de flujo de producción de fibra sintética que es el mismo para todas. Es la secuencia básica de producción de fibra artificial.

Materias primas / monómeros

↓

Polimerización

↓

Estirado y tensado

↓

Texturizado

↓

Entrelazado

↓

Fijación por calor

↓

Filamentos acabados

Materias primas:
El poliéster es un término químico que se puede desglosar en poli, que significa muchos, y éster, un compuesto químico orgánico básico. El ingrediente principal utilizado en la fabricación de poliéster es el etileno, que se deriva del petróleo. En este proceso, el etileno es el polímero, el bloque de construcción químico del poliéster, y el proceso químico que produce el poliéster acabado se llama polimerización.

Formación de polímero:
El politereftalato de etileno (PET) es un polímero de condensación y se produce industrialmente a partir de ácido tereftálico o tereftalato de dimetilo con etilenglicol. Otras fibras de poliéster de interés para el campo de los no tejidos incluyen:

1. Ácido tereftálico (PTA), producido directamente a partir de p-xileno con oxidación controlada por bromo.
2. Tereftalato de dimetilo (DMT), fabricado en las primeras etapas por esterificación de ácido tereftálico. Sin embargo, un proceso diferente que involucra dos etapas de oxidación y esterificación representa ahora la mayor parte del DMT.
3. Etilenglicol (EG) generado inicialmente como producto intermedio por oxidación de etileno. Se obtiene más etilenglicol por reacción de óxido de etileno con agua.

Síntesis de polímero:

Síntesis de polímero:s: Un poliéster representativo, el PET, se polimeriza de una de las siguientes dos maneras: Intercambio de éster: Los monómeros son tereftalato de dietilo y etilenglicol.

Eterificación directa: Los monómeros son ácido tereftálico y etilenglicol. Tanto los procesos de intercambio de éster como de esterificación directa se combinan con etapas de policondensación, ya sea por lotes o de forma continua. Los sistemas por lotes necesitan dos recipientes de reacción: uno para la esterificación o el intercambio de éster, el otro para la polimerización. Los sistemas continuos necesitan al menos tres recipientes: uno para la esterificación o el intercambio de cizallamiento, otro para la reducción del exceso de glicoles, el otro para la polimerización.

Otra forma de producir PET es la policondensación en fase sólida. En el proceso, la policon densación en masa se continúa hasta que el prepolímero tiene una viscosidad intrínseca de 1.0-1.4, momento en el cual el polímero se vierte en una forma sólida. La precristalización se lleva a cabo calentando (por encima de 200oC) hasta que se obtiene el peso molecular deseado. Posteriormente, el polímero particulado se funde para hilarlo. Este proceso no es popular para las fibras de PET textiles, pero se utiliza para algunas fibras industriales.

Poliésteres ramificados y reticulados: Si el glicerol reacciona con un diácido o su anhídrido, cada glicerol generará un punto de ramificación. Tales moléculas pueden crecer hasta un peso molecular muy alto. Si ocurre un acoplamiento interno (reacción de un grupo hidroxilo y una función ácida de las ramas de la misma o diferente molécula), el polímero se reticulará. Los polímeros reticulados rígidamente no se ven afectados por los disolventes.

Formación de fibra:
Las secuencias de producción de fibras e hilos de PET dependen de las diferentes formas de polimerización (continua, por lotes y en fase sólida) y de los procesos de hilado (baja o alta velocidad de enrollado).

El proceso de fabricación:
El poliéster se fabrica mediante uno de varios métodos. El que se utiliza depende de la forma que tomará el poliéster acabado. Las cuatro formas básicas son filamento, fibra cortada, remolque y relleno de fibra. En forma de filamento, cada hebra individual de fibra de poliéster es continua en longitud, produciendo tejidos de superficie lisa. En forma de fibra cortada, los filamentos se cortan en longitudes cortas y predeterminadas. En esta forma, el poliéster es más fácil de mezclar con otras fibras. El remolque es una forma en la que los filamentos continuos se juntan de forma holgada. El relleno de fibra es la forma voluminosa utilizada en la fabricación de edredones, almohadas y ropa de abrigo. Las dos formas que se utilizan con más frecuencia son el filamento y la fibra cortada.

Fabricación de hilo de filamento:

Polimerización

1. Para formar poliéster, el tereftalato de dimetilo se hace reaccionar primero con etilenglicol en presencia de un catalizador a una temperatura de 150-210 °C (302-410 °F).

2. El producto químico resultante, un alcohol monomérico (molécula única y no repetitiva), se combina con ácido tereftálico y se eleva a una temperatura de 280 °C (472 °F). El poliéster recién formado, que es transparente y fundido, se extruye a través de una ranura para formar cintas largas.

Secado

3. Después de que el poliéster sale de la polimerización, las cintas fundidas largas se dejan enfriar hasta que se vuelven quebradizas. El material se corta en pequeños trozos y se seca completamente para evitar irregularidades en la consistencia.

Hilado en masa

4. Los trozos de polímero se funden a 260-270 °C (500-518 °F) para formar una solución similar a un jarabe. La solución se introduce en un recipiente metálico llamado hilera y se fuerza a través de sus pequeños orificios, que suelen ser redondos, pero pueden ser pentagonales o de cualquier otra forma para producir fibras especiales. El número de orificios en la hilera determina el tamaño del hilo, ya que las fibras emergentes se unen para formar una sola hebra.

5. En la etapa de hilado, se pueden añadir otros productos químicos a la solución para hacer que el material resultante sea ignífugo, antiestático o más fácil de teñir.

Estirado de la fibra

6. Cuando el poliéster sale de la hilera, es blando y se alarga fácilmente hasta cinco veces su longitud original. El estiramiento obliga a las moléculas de poliéster aleatorias a alinearse en una formación paralela. Esto aumenta la resistencia, la tenacidad y la resiliencia de la fibra. En este momento, cuando los filamentos se secan, las fibras se vuelven sólidas y fuertes en lugar de quebradizas.

7. Las fibras estiradas pueden variar mucho en diámetro y longitud, dependiendo de las características deseadas del material acabado. Además, a medida que las fibras se estiran, se pueden texturizar o torcer para crear tejidos más suaves o mates.

Enrollado

8. Después de estirar el hilo de poliéster, se enrolla en grandes bobinas o paquetes enrollados planos, listo para ser tejido en material.

Fabricación de fibra cortada:
En la fabricación de fibra cortada de poliéster, la polimerización, el secado y el hilado en masa (pasos 1-4 anteriores) son muy similares a la fabricación de hilo de filamento. Sin embargo, en el proceso de hilado en masa, la hilera tiene muchos más orificios cuando el producto es fibra cortada. Los haces de poliéster en forma de cuerda que emergen se llaman remolque.

Estirado del remolque

1. El remolque recién formado se enfría rápidamente en latas que recogen las fibras gruesas. Se recogen varias longitudes de remolque y luego se estiran en rodillos calientes hasta tres o cuatro veces su longitud original.

Crimpado

2. El remolque estirado se introduce en cajas de compresión, que fuerzan a las fibras a plegarse como un acordeón, a una velocidad de 9-15 crimpados por pulgada (3-6 por cm). Este proceso ayuda a que la fibra se mantenga unida durante las etapas posteriores de fabricación.

Fijación

3. Después de crimpar el remolque, se calienta a 100-150 °C (212-302 °F) para secar completamente las fibras y fijar el crimpado. Parte del crimpado se extraerá inevitablemente de las fibras durante los procesos siguientes.

Corte

4. Después de la fijación por calor, el remolque se corta en longitudes más cortas. El poliéster que se mezclará con algodón se corta en piezas de 1.25-1.50 pulgadas (3.2-3.8 cm); para mezclas de rayón, se cortan longitudes de 2 pulgadas (5 cm). Para tejidos más gruesos, como alfombras, los filamentos de poliéster se cortan en longitudes de 6 pulgadas (15 cm).

Proceso de hilado:
El grado de polimerización del PET se controla, dependiendo de sus usos finales. El PET para fibras industriales tiene un mayor grado de polimerización, un mayor peso molecular y una mayor viscosidad. El rango de peso molecular normal se encuentra entre 15.000 y 20.000. Con la temperatura de extrusión normal (280-290oC), tiene una viscosidad de bajo cizallamiento de 1000-3000 poise. El PET de bajo peso molecular se hila a 265oC, mientras que el PET de ultra alto peso molecular se hila a 300 °C o más. El grado de orientación es generalmente proporcional a las velocidades de enrollado en el proceso de hilado. Teóricamente, la orientación máxima junto con el aumento de la productividad se obtiene a una velocidad de enrollado de 10.000 m/min. Aunque debido a una piel hueca, pueden aparecer efectos adversos a velocidades de enrollado superiores a 7000 m/min.

Proceso de estirado:
Para producir PET uniforme, el proceso de estirado se lleva a cabo a una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea (80-90oC). Dado que el proceso de estirado proporciona orientación adicional a los productos, las relaciones de estiramiento (3:1-6:1) varían según los usos finales. Para tenacidades más altas, se requieren relaciones de estiramiento más altas. Además de la orientación, la cristalinidad puede desarrollarse durante el estirado en el rango de temperatura de 140-220oC.

Diagrama de flujo de producción de fibra de poliéster:

La última producción de poliéster (Método de investigación):
El Dr. Boncella y el Dr. Wagner de la Universidad de Florida son dos científicos involucrados en el estudio para revelar un método de fabricación de poliéster a partir de dos gases económicos: monóxido de carbono y óxido de etileno. El poliéster más comúnmente utilizado hoy en día se denomina PET o politereftalato de etileno. Los científicos han tenido éxito en la producción de poliéster de bajo peso molecular utilizando monóxido de carbono y óxido de etileno, pero los investigadores todavía carecen del catalizador, una sustancia que acelera las reacciones químicas, necesario para que la reacción funcione de manera más eficiente. Están buscando el compuesto químico que tome moléculas de bajo DP y cree otras más grandes. Aunque han tenido éxito en la investigación hasta ahora, aún no han producido poliéster comercialmente utilizable a partir de los gases económicos. Si esto tiene éxito, estos hallazgos de investigación se pueden utilizar para reemplazar el producto de poliéster actual, obteniendo el mismo rendimiento a un precio más bajo. Finalmente, todos sabemos que la investigación requiere paciencia y un esfuerzo a largo plazo.

Composición estructural del PET:
Una de las características distintivas del PET se atribuye a los anillos de benceno en la cadena polimérica. El carácter aromático conduce a la rigidez de la cadena, evitando la deformación de las regiones desordenadas, lo que resulta en débiles fuerzas de interacción de van der Waals entre las cadenas. Debido a esto, el PET es difícil de cristalizar. La fibra de poliéster puede considerarse compuesta por regiones cristalinas, semicristalinas orientadas y no cristalinas (amorfas). Los grupos moleculares aromáticos, carboxílicos y alifáticos son casi planos en configuración y existen en una disposición lado a lado. Las distancias de estabilización entre átomos en moléculas vecinas son generalmente distancias de contacto de van der Waals, y no hay evidencia estructural de fuerzas anormalmente fuertes entre las moléculas. El punto de fusión inusualmente alto del PET (en comparación con los poliésteres alifáticos) no es el resultado de fuerzas intermoleculares inusuales, sino que se atribuye a los enlaces éster. La cohesión de las cadenas de PET es el resultado de enlaces de hidrógeno e interacciones de van der Waals, causadas por la interacción dipolar, la inducción y las fuerzas de dispersión entre las cadenas. La capacidad de formar fibras útiles y la tendencia a cristalizar dependen de estas fuerzas de atracción.

Las fuerzas interactivas crean un empaquetamiento rígido e inflexible entre las macromoléculas, mostrando alto módulo, resistencia y resistencia a la humedad, tintes y disolventes. La flexibilidad limitada en la macromolécula se debe principalmente al grupo etileno. La fibra enfriada extendida no muestra ningún desarrollo temprano de cristalinidad; el crecimiento de los cristales comienza a ocurrir al estirar. Se requieren varios modelos estructurales básicos para representar los diferentes estados de la fibra: amorfa (sin orientación) después de la extrusión, amorfa (sin orientación) después del estirado en frío, orientación cristalina después del tratamiento térmico y después del estirado en caliente, estiramiento y recocido. La forma orientada cristalina también se puede obtener mediante alta tensión (alta velocidad) de hilado.

La calorimetría diferencial de barrido (DSC) puede medir la cristalinidad y la orientación molecular dentro de las fibras. Este tipo de análisis se basa en valores marcadamente diferentes de los calores de fusión para las formas cristalinas y no cristalinas del polímero. El calor de fusión de la muestra se compara con un estándar de calibración. La cristalinidad se determina por la siguiente relación.

% Cristalinidad = ΔHf/ΔH*f

Donde, H*f es el calor de fusión de un polímero 100% cristalino, reportado en la literatura como aproximadamente 33.45 cal/g (equivalente a 140 J/g). La Tg (temperatura de transición vítrea) y Tm (punto de fusión) de las fibras también se pueden determinar mediante análisis DSC. Los resultados de las mediciones de densidad y DSC se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1: Cristalinidad de la fibra de poliéster

Tg – Temperatura de transición vítrea.
Tm – Temperatura de fusión.
∆H – calor de fusión.

El PET rápidamente enfriado sin estirar es amorfo. El rango de temperatura de cristalización para el PET es de 10 °C por debajo del punto de fusión hasta una temperatura ligeramente superior a la temperatura de transición vítrea, 250-100oC. El PET típico tiene un 50% de cristalinidad. La unidad repetitiva del PET es de 1.075 nm y es ligeramente más corta que la longitud de una cadena completamente extendida (1.09 nm). Por lo tanto, las cadenas son casi planas. La celda unitaria cristalina es triclínica con dimensiones a = 0.456nm, b = 0.594nm, c = 1.075nm. La estructura cristalina del PET se ilustra en la siguiente Fig 4. Otro factor para la cristalización es la posición de los anillos de benceno. Si los anillos de benceno se colocan en el eje de la cadena (c), entonces el empaquetamiento cercano de las cadenas moleculares facilita la cristalización del polímero.

Características generales de la fibra de poliéster:

1. Fuerte
2. Resistente al estiramiento y encogimiento
3. Resistente a la mayoría de los productos químicos
4. Secado rápido
5. Crujiente y elástica
6. Resistente a las arrugas
7. Resistente al moho
8. Resistente a la abrasión
9. Conserva pliegues y pliegues fijados por calor
10. Fácil de lavar

Propiedades físicas de la fibra de poliéster:

1. Grosor: 1.2D, 1.5D, 2.0D
2. Color: blanco
3. Longitud: longitudes de corte variables
4. Densidad: 1.39 g/cc
5. Tenacidad: alta, 40 a 80 cN/tex
6. Recuperación de humedad: 0.4 % (a 65% HR y 20 °C)
7. Elongación: alta, 15 a 45%
8. Reacción a la llama: se funde, se encoge, humos negros
9. Punto de fusión: 260 °C

Proceso de fusión por soplado de poliéster:
La IV (viscosidad intrínseca) y los niveles de cristalinidad de un poliéster soplado por fusión determinan el rendimiento del producto acabado. Una IV más alta conduce a un mayor nivel de cristalinidad, lo que mejora las propiedades de barrera de la estructura soplada por fusión de poliéster. Sin embargo, reduce significativamente el módulo, la tenacidad y la elongación. La ventaja de usar poliéster sobre polímeros como las poliolefinas es su resistencia al calor y mayor resistencia química. Los poliésteres también ofrecen una barrera de oxígeno moderada.

Relación entre estructura, propiedades y parámetros de procesamiento de fibras de PET:
Las propiedades de las fibras de poliéster se ven fuertemente afectadas por la estructura de la fibra. La estructura de la fibra, que tiene una fuerte influencia en la aplicabilidad de la fibra, depende en gran medida de los parámetros del proceso de formación de la fibra, como la velocidad de hilado (tensión del hilo), el estirado en caliente (estiramiento), la relajación de tensiones y la velocidad de fijación por calor (estabilización).

A medida que aumenta la tensión en el hilo de hilado por una mayor velocidad de enrollado, las moléculas de PET se extienden, lo que resulta en una mejor uniformidad tal como se hila, menor elongación y mayor resistencia, mayor orientación y alta cristalinidad. El estirado en caliente logra el mismo efecto y permite grados aún mayores de orientación y cristalinidad. La relajación es la liberación de tensiones y esfuerzos de las moléculas extendidas, lo que resulta en una menor contracción en las fibras estiradas. La estabilización por calor es el tratamiento para "fijar" la estructura molecular, permitiendo que las fibras resistan cambios dimensionales adicionales. La estructura final de la fibra depende considerablemente de la temperatura, la velocidad de estiramiento; la relación de estiramiento (grado de estiramiento), la relación de relajación y la condición de fijación por calor. La orientación cristalina y no cristalina y el porcentaje de cristalinidad se pueden ajustar significativamente en respuesta a estos parámetros del proceso.

Propiedades mecánicas: A medida que aumenta el grado de estiramiento de la fibra (lo que produce una mayor cristalinidad y orientación molecular), también lo hacen propiedades como la resistencia a la tracción y el módulo de Young inicial. Al mismo tiempo, la extensibilidad última, es decir, la elongación, generalmente se reduce. Un aumento del peso molecular aumenta aún más las propiedades de tracción, el módulo y la elongación. Las propiedades físicas y mecánicas típicas de las fibras de PET se dan en la Tabla 2. Y las curvas de tensión-deformación en la Fig. 5. Se puede observar que el filamento representado por la curva C tiene un módulo inicial mucho mayor que la fibra cortada de tenacidad regular que se muestra en la curva D. Por otro lado, esta última presenta una mayor tenacidad y elongación. El filamento y la fibra cortada de alta tenacidad (curvas A y B) tienen resistencias a la rotura y módulos muy altos, pero elongaciones relativamente bajas. El hilo parcialmente orientado (POY) y los hilos de filamento hilado exhiben baja resistencia pero muy alta elongación (curva E). Al exponer la fibra de PET a compresión repetida (por ejemplo, flexión repetida), comienzan a formarse las llamadas bandas de quilla, que finalmente resultan en la rotura de la banda de quilla en una grieta. Se ha demostrado que la estabilidad a la compresión del PET es superior a la de los nailon.

Tabla 2: Propiedades físicas de la fibra de poliéster