Что на самом деле представляет собой полиэстер и почему важен процесс производства

Полиэстер — это синтетический полимер, принадлежащий к семейству полиэфирных смол, чаще всего полиэтилентерефталат (ПЭТ). На его долю приходится более 50% мирового производства волокна по объему, что делает его единственным наиболее широко производимым текстильным волокном в мире. Понимание того, как производится полиэфирное волокно, — это не просто академическое занятие: оно имеет прямое значение для качества, долговечности и эксплуатационных характеристик полиэфирной пряжи, которая в конечном итоге используется в одежде, обивке, техническом текстиле и промышленном применении. Производственный процесс определяет все: от тонкости волокна и прочности на разрыв до поведения влаги и способности к окрашиванию, а вариации на каждом этапе производства создают существенно разные конечные продукты, даже если все они начинаются с одной и той же химической исходной точки.

Полиэфирная пряжа производится посредством непрерывной последовательности химических и механических процессов, которые превращают нефтехимическое сырье в тонкие, прочные и универсальные нити. Каждый этап процесса основывается на предыдущем, и инженеры-технологи контролируют десятки параметров — температуру, степень вытяжки, скорость охлаждения, скорость вращения — чтобы настроить конечные свойства волокна для конкретного конечного использования. Знание этого процесса помогает покупателям, дизайнерам и производителям принимать более обоснованные решения о том, какой тип полиэфирной пряжи выбрать для конкретного применения.

Сырье: с чего начинается полиэфирное волокно

Производство полиэфирного волокна начинается с двух основных нефтехимических сырьевых материалов: очищенной терефталевой кислоты (ПТА) и моноэтиленгликоля (МЭГ). ПТА получают из п-ксилола, углеводорода, получаемого при переработке нефти и крекинге нафты. МЭГ производится из оксида этилена, который сам по себе является производным этилена, полученного при паровом крекинге нефти или природного газа. И ПТА, и МЭГ представляют собой товарные химикаты, производимые в крупных промышленных масштабах и транспортируемые оптом на предприятия по производству полиэстера.

На некоторых производственных маршрутах, особенно на старых или небольших заводах, вместо ПТА используется диметилтерефталат (ДМТ), который реагирует с МЭГ посредством процесса переэтерификации, а не прямой этерификации. Однако путь прямой этерификации ПТА-МЭГ доминирует в современном крупномасштабном производстве полиэфиров, поскольку он более эффективен, генерирует меньше побочных продуктов и производит полимер более стабильного качества. Выбор маршрута подачи сырья влияет на распределение молекулярной массы, цвет и профиль примесей конечного полимера, и все это влияет на качество волокна и пряжи.

Полимеризация: построение полимерной цепи ПЭТ

Основным химическим этапом производства полиэфирного волокна является полимеризация — реакция, которая связывает отдельные молекулы мономера в длинные полимерные цепи. В процессе прямой этерификации ПТА и МЭГ подают в реактор в контролируемом молярном соотношении (обычно примерно от 1:1,1 до 1:1,2) и реагируют при температуре от 240°C до 270°C при атмосферном или слегка повышенном давлении. На этой начальной стадии этерификации образуется бис-гидроксиэтилтерефталат (БГЭТ) и вода, которую постоянно удаляют, чтобы довести реакцию до завершения.

Промежуточный продукт BHET затем подвергается поликонденсации на второй стадии реактора в условиях высокого вакуума (ниже 1 мбар) и повышенных температурах от 270°C до 290°C. В этих условиях молекулы БГЭТ соединяются вместе, выделяя МЭГ в качестве побочного продукта, который восстанавливается и перерабатывается. Реакция поликонденсации продолжается до тех пор, пока полимер не достигнет целевой молекулярной массы, измеряемой как характеристическая вязкость (IV). Для полиэфирного волокна текстильного качества IV обычно находится в диапазоне от 0,60 до 0,68 дл/г. Более высокие значения IV, используемые для промышленных нитей, требующих большей прочности на разрыв, достигаются за счет увеличения времени поликонденсации или дополнительных стадий полимеризации в твердом состоянии (SSP), проводимых при более низких температурах в твердой фазе, чтобы избежать термического разложения.

Во время полимеризации каталитические системы — чаще всего триоксид сурьмы, катализаторы на основе титана или соединения германия — используются для ускорения реакции конденсации и достижения коммерчески жизнеспособных показателей производства. На этом этапе вводятся такие добавки, как диоксид титана (TiO₂), для контроля оптических свойств волокна: высокая загрузка TiO₂ дает матовое, непрозрачное волокно, тогда как низкая загрузка или отсутствие добавок дает соответственно полутусклые или полностью блестящие нити.

Прядение расплава: преобразование полимера в нить

После производства ПЭТ-полимера его превращают в волокно посредством прядения из расплава — процесса, при котором расплавленный полимер экструдируется через мелкие отверстия в фильере с образованием непрерывных нитей. Расплавленный ПЭТ, поддерживаемый при температуре примерно от 280°C до 295°C, дозируется шестеренчатым насосом через пакет фильтров, а затем через фильерную пластину. Отверстия фильеры изготавливаются с высокой точностью с очень жесткими допусками - обычно от 0,2 до 0,4 мм в диаметре - и их форма поперечного сечения определяет поперечное сечение нити. Из круглых отверстий получаются круглые нити; Трехдольные, пятидольные или полые отверстия позволяют производить специальные волокна с измененным светоотражением, переносом влаги или тепловыми свойствами.

Когда расплавленные нити выходят из фильеры, они сразу же попадают в зону закалки, где поток воздуха с контролируемой температурой быстро охлаждает и затвердевает. Скорость и равномерность закалочного охлаждения напрямую влияют на кристалличность и ориентацию полимерных цепей внутри нити. Нити, которые охлаждаются слишком медленно, перед вытягиванием приобретают чрезмерную кристалличность, что делает их хрупкими; нити, закаленные слишком быстро, могут оказаться слишком аморфными и не иметь достаточной структуры для последующей обработки. Инженеры-технологи тщательно калибруют температуру, скорость и направленность закалочного воздуха для производства нитей с правильным балансом аморфной и кристаллической структуры для предполагаемого типа пряжи.

Рисунок и ориентация: повышение прочности волокна

Свежепряденые (в виде прядения или частично ориентированные) полиэфирные нити имеют относительно низкую прочность на разрыв и высокое удлинение, поскольку полимерные цепи еще не выровнены вдоль оси волокна. Вытяжка — механическое растяжение нитей на нагретых валках — выравнивает и ориентирует молекулярные цепи, значительно увеличивая прочность на разрыв и уменьшая удлинение до уровня, подходящего для использования в текстиле. Коэффициент вытяжки, определяемый как соотношение выходной скорости к входной скорости в зоне вытяжки, обычно составляет от 3:1 до 5:1 для текстильной полиэфирной пряжи.

Частично ориентированная пряжа (ПОЯ) и полностью вытянутая пряжа (FDY)

Степень вытяжки, применяемая во время прядения, определяет две основные категории полиэфирной пряжи. Частично ориентированная пряжа (POY) прядется на высоких скоростях (3000–4000 м/мин), но не полностью вытягивается на этапе прядения. POY сохраняет остаточное удлинение и в основном используется в качестве сырья для последующих машин для вытягивания и текстурирования пряжи, которые одновременно вытягивают и текстурируют пряжу. Полностью вытянутая пряжа (FDY), также называемая пряжей-вытяжкой (SDY), прядется и полностью вытягивается за один интегрированный машинный этап на более высоких скоростях, в результате чего получается пряжа, готовая к прямому ткачеству или вязанию без дальнейшей механической обработки. FDY имеет более высокую прочность, меньшее удлинение и более стабильные свойства усадки, чем POY при эквивалентном количестве.

Термофиксация для стабильности размеров

После вытяжки ориентированные нити подвергаются термостабилизации путем пропускания их через нагретые валики или через горячую трубку при температуре от 130°C до 220°C под контролируемым натяжением. Термофиксация стабилизирует кристаллическую структуру полимера и снимает внутренние напряжения, возникающие во время вытяжки, уменьшая склонность пряжи к усадке при последующем воздействии тепла во время крашения или отделки ткани. Без соответствующей термофиксации полиэфирная пряжа будет проявлять чрезмерную усадку при выкипании, что искажает размеры ткани во время обработки. Продолжительность и температура термофиксации точно калибруются в зависимости от предполагаемого конечного использования пряжи и последующих процессов, с которыми она столкнется.

Текстурирование: превращение плоской нити в мягкую, объемную пряжу

Плоская, полностью вытянутая полиэфирная нить имеет гладкую, скользкую поверхность и небольшой объем — свойства, которые ограничивают ее полезность в производстве одежды и домашнего текстиля, где ожидаются мягкость, эластичность и плотность. Процессы текстурирования придают пучку нитей физическую извитость, скручиваемость или объем, превращая его в пряжу с характеристиками, близкими к натуральным волокнам. Наиболее широко используемый метод текстурирования полиэстера - это текстурирование ложной крутки, применяемое к исходному материалу POY на машинах для вытягивания текстурирования (машины DTY).

При текстурировании ложного скручивания POY вытягивается, скручивается с помощью вращающегося фрикционного диска, подвергается термофиксации в скрученном состоянии, а затем раскручивается, оставляя каждую нить с постоянным спиральным извитым слоем, зафиксированным термообработкой. В результате получается пряжа с текстурированной вытяжкой (DTY), которая имеет значительно больший объем, эластичность и мягкость, чем плоская пряжа FDY с эквивалентной линейной плотностью. DTY — доминирующий тип пряжи, используемый в трикотажных тканях для спортивной одежды, повседневной одежды и эластичных тканях. Воздушно-струйное текстурирование — это альтернативный процесс, в котором используется высокоскоростной сжатый воздух для формирования случайных петель и переплетений вдоль пучка нитей, в результате чего получается пряжа с более грубой, более хлопковой текстурой поверхности, предпочтительной для обивочных тканей и тканей для спецодежды.

Производство штапельного волокна: путь к прядению полиэфирной пряжи

Не все полиэфирные волокна производятся в виде непрерывной нити. Полиэфирное штапельное волокно (PSF) производится путем сбора больших пучков нитей, полученных методом прядения из расплава, в тяжелый жгут, механического обжатия жгута в щипцовой машине для придания двумерной волновой структуры, разрезания его на короткие отрезки (обычно от 32 до 64 мм для прядения хлопковой системы или от 51 до 102 мм для прядения шерстяной системы), а затем прессования его для отправки на прядильные фабрики. На прядильной фабрике полиэфирное штапельное волокно перерабатывается на кольцепрядильном, пневмопрядильном или воздушно-прядильном оборудовании – часто смешивается с хлопком, вискозой или шерстью – для производства полиэфирной пряжи с явно отличающимся эстетическим и эксплуатационным профилем от комплексной пряжи.

Пряжа из полиэстера имеет более ворсистую и мягкую поверхность, чем филаментная пряжа, более равномерно впитывает краску в смесях и позволяет получать ткани с лучшей устойчивостью к катышкам, если правильно указать прочность волокна и уровень извитости. Частота и амплитуда извитости, применяемые во время производства штапельного волокна, напрямую определяют, насколько хорошо волокна сцепляются во время прядения, влияя на равномерность пряжи, ее прочность и эластичность ткани. Из волокон с высокой извитостью получают более объемную и мягкую пряжу, подходящую для флисовых и трикотажных изделий, а из волокон с низкой извитостью получают более тонкую и однородную пряжу для рубашечных и смешанных тканей.

Ключевые различия между основными типами полиэфирной пряжи

Разнообразие описанных выше способов обработки позволяет получить полиэфирную пряжу с существенно разными свойствами. В следующей таблице приведены ключевые различия между основными типами коммерческой полиэфирной пряжи, которые помогут выбрать правильный продукт для конкретного применения:

Отделка и контроль качества перед отправкой полиэфирной пряжи

До полиэфирная пряжа Покидая производственное предприятие, он проходит ряд этапов отделки и контроля качества, которые обеспечивают единообразие производственных партий. Отделка центрифугированием — смазка и антистатик, наносимые на поверхность нити сразу после закалочного охлаждения, — имеет решающее значение для технологичности последующих операций. Состав отделочного покрытия и уровень нанесения строго контролируются, поскольку слишком малое количество отделочного покрытия приводит к разрыву нити на высокоскоростном намоточном оборудовании, а слишком большое количество вызывает притирание валков и неравномерное впитывание красителя. Готовые упаковки пряжи проверяются на денье (линейную плотность), прочность, удлинение при разрыве, усадку при выкипании и количество переплетений (для переплетенных многофиламентных нитей) на соответствие предельным значениям спецификации перед отправкой на отправку.

Прослеживаемость также становится все более важной в современных цепочках поставок полиэфирной пряжи. Производители присваивают номера партиям, которые связывают каждую упаковку пряжи с конкретной партией полимера, прядильной машиной и используемыми параметрами процесса — информация, которая позволяет систематически отслеживать и исправлять проблемы с качеством. Для переработанной полиэфирной пряжи (rPET), изготовленной из использованных ПЭТ-бутылок или отходов промышленного волокна, дополнительные этапы проверки подтверждают процентное содержание переработанного материала и документацию цепочки поставок, требуемую программами сертификации брендов. Понимание всей этой последовательности — от ПТА и МЭГ до полимеризации, прядения из расплава, вытяжки, текстурирования и контроля качества — дает полную картину того, как производится полиэфирное волокно и почему производственный выбор, принимаемый на каждом этапе, формирует полиэфирную пряжу, которая в конечном итоге соответствует конечному продукту.