การผลิตเส้นใยเคมีเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนหลายขั้นตอนซึ่งผสมผสานวิศวกรรมเคมี วัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมเครื่องกลเข้าด้วยกัน แต่ละขั้นตอน ตั้งแต่การเตรียมโพลีเมอร์ จนถึงการปั่นเส้นใยและหลังการประมวลผล อาศัยเทคโนโลยีเฉพาะทางเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเป็นไปตามมาตรฐานคุณภาพ ประสิทธิภาพ และประสิทธิภาพที่ต้องการ แม้ว่ากระบวนการจะแตกต่างกันไประหว่างเส้นใยที่สร้างใหม่และเส้นใยสังเคราะห์ แต่ก็มีเป้าหมายหลักร่วมกันในด้านความแม่นยำ ความสม่ำเสมอ และความสามารถในการปรับขนาด
การเตรียมโพลีเมอร์เป็นขั้นตอนพื้นฐาน เนื่องจากคุณภาพของโพลีเมอร์ส่งผลโดยตรงต่อคุณสมบัติของเส้นใย สำหรับเส้นใยสังเคราะห์ สิ่งนี้เริ่มต้นด้วยการสังเคราะห์โมโนเมอร์: เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ปิโตรเลียม ได้รับการกลั่นผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การแตกตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อผลิตโมโนเมอร์ (เช่น เอทิลีนและโพรพิลีนสำหรับโพลีโอเลฟินส์ กรดเทเรฟทาลิก และเอทิลีนไกลคอลสำหรับโพลีเอสเตอร์) โมโนเมอร์เหล่านี้ถูกป้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์โพลีเมอไรเซชัน โดยที่ปฏิกิริยาเคมีที่ได้รับการควบคุมจะก่อตัวเป็นโพลีเมอร์สายยาว ประเภทของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับโครงสร้างของโมโนเมอร์: โพลีเอสเตอร์ใช้โพลีเมอไรเซชันแบบควบแน่น (ปล่อยน้ำเป็นผลพลอยได้) ในขณะที่โพลีโพรพีลีนใช้โพลีเมอไรเซชันเพิ่มเติม (โมโนเมอร์เชื่อมโยงโดยไม่มีผลพลอยได้) โพลีเมอร์ที่ได้จะถูกแปรรูปเป็นเม็ดหรือเศษเล็ก ๆ เพื่อให้ง่ายต่อการจัดการ ก่อนการปั่น เม็ดจะถูกหลอมที่อุณหภูมิที่แม่นยำ (250–300°C สำหรับโพลีเอสเตอร์, 170–200°C สำหรับโพลีโพรพีลีน) เพื่อให้เกิดการหลอมที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งถูกกรองผ่านตะแกรงละเอียดเพื่อขจัดสิ่งเจือปน (ฝุ่น อนุภาคที่ไม่ละลาย สารตกค้างของตัวเร่งปฏิกิริยา) ที่อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องของเส้นใย (การแตกหัก จุดอ่อน)
สำหรับเส้นใยที่สร้างใหม่ การเตรียมโพลีเมอร์เกี่ยวข้องกับการสกัดและการละลายโพลีเมอร์ธรรมชาติ ในการผลิตวิสโคส เยื่อไม้จะได้รับการบำบัดด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ 18–20% เพื่อกำจัดส่วนประกอบที่ไม่ใช่เซลลูโลสออกและสร้างเซลลูโลสอัลคาไล เซลลูโลสอัลคาไลนี้มีอายุ (20–30°C) เพื่อลดน้ำหนักโมเลกุล ทำให้ละลายได้มากขึ้น จากนั้นทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไดซัลไฟด์เพื่อสร้างเซลลูโลสแซนเทต ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีความหนืดซึ่งละลายในโซเดียมไฮดรอกไซด์เจือจางเพื่อสร้างสารโดปแบบหมุน สารเจือปนมีอายุ (2-5 วัน) เพื่อปรับปรุงความสามารถในการหมุนและกรองเพื่อกำจัดก้อนที่ยังไม่ละลาย การผลิตไลโอเซลล์ใช้วิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: เยื่อไม้ผสมกับตัวทำละลาย NMMO และให้ความร้อน (80–120°C) เพื่อสร้างสารละลายใส ซึ่งถูกไล่แก๊สออก (เพื่อขจัดฟองอากาศที่ทำให้เกิดรูเส้นใย) และกรองเพื่อความบริสุทธิ์
การปั่นเส้นใยเป็นขั้นตอนที่ใช้เทคโนโลยีเข้มข้นที่สุด เปลี่ยนโพลีเมอร์ให้เป็นเส้นใยต่อเนื่องด้วยวิธีการหลัก 4 วิธี:
การปั่นแบบหลอมเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเส้นใยสังเคราะห์ (โพลีเอสเตอร์ ไนลอน โพรพิลีน) โพลีเมอร์ที่หลอมละลายจะถูกปั๊มผ่านสปินเนอร์ ซึ่งเป็นแผ่นโลหะ (สแตนเลสหรือแพลตตินัม) ที่มีรูเล็กๆ หลายร้อยถึงหลายพันรู (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.05–0.2 มม. ขนาดสำหรับความละเอียดของเส้นใยที่ต้องการในหน่วยเดเนียร์/เท็กซ์) เมื่อเส้นใยหลอมเหลวออกจากสปินเนอร์ เส้นใยเหล่านั้นจะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วโดยอากาศปรับสภาพ (โพลีเอสเตอร์/ไนลอน) หรือน้ำ (โพลีโพรพีลีน) เพื่อให้แข็งตัว อัตราการทำความเย็นจะควบคุมโครงสร้างไฟเบอร์: การระบายความร้อนที่เร็วขึ้นจะสร้างเส้นใยอสัณฐานที่นุ่มนวลและยืดหยุ่นมากขึ้น การระบายความร้อนที่ช้าลงจะทำให้เส้นใยผลึกแข็งและแข็งแรงขึ้น หลังจากการทำความเย็น เส้นใยจะถูกทาน้ำมัน (เพื่อลดการเสียดสีและป้องกันการแตกหัก) และพันบนไส้กระสวยด้วยความเร็วสูง (สูงถึง 6,000 เมตรต่อนาทีสำหรับโพลีเอสเตอร์)
การปั่นแบบเปียกใช้สำหรับเส้นใยที่ไม่สามารถละลายได้ (เส้นใยที่สร้างใหม่ อะคริลิก) สารเสพติดที่หมุนจะถูกอัดผ่านเครื่องปั่นด้ายเข้าไปในอ่างจับตัวเป็นก้อนด้วยสารเคมีที่ทำให้เส้นใยแข็งตัว สำหรับวิสโคส อ่างจะประกอบด้วยกรดซัลฟูริก (ทำให้โซเดียมไฮดรอกไซด์เป็นกลาง), โซเดียมซัลเฟต (ควบคุมอัตราการแข็งตัวของเลือด) และซิงค์ซัลเฟต (เซลลูโลสเชื่อมขวางเพื่อความแข็งแรง) เส้นใยจะแข็งตัวเมื่อผ่านการอาบน้ำ จากนั้นจึงนำไปล้าง (เพื่อกำจัดสารเคมีที่ตกค้าง) แล้วทำให้แห้ง การปั่นแบบเปียกจะทำงานที่ความเร็วต่ำกว่า (100–500 เมตรต่อนาที) แต่จำเป็นสำหรับการผลิตเส้นใยที่ดูดซับและอ่อนนุ่ม
การปั่นแบบแห้งใช้สำหรับโพลีเมอร์ที่ละลายในตัวทำละลายระเหย (อะคริลิก สแปนเด็กซ์ อะซิเตต) สารละลายโพลีเมอร์ถูกอัดผ่านเครื่องปั่นด้ายเข้าไปในหอหมุนที่ให้ความร้อน (100–200°C) ซึ่งตัวทำละลายจะระเหยออกไป เหลือแต่เส้นใยที่เป็นของแข็ง ตัวทำละลายที่ระเหยจะถูกควบแน่นและรีไซเคิล ช่วยลดของเสียและต้นทุน ความเร็วในการปั่นแห้งอยู่ระหว่าง 200–1,000 เมตรต่อนาที ทำให้ได้เส้นใยที่มีพื้นผิวเรียบและเดรปที่ดี เหมาะสำหรับเครื่องแต่งกาย
การปั่นด้วยเจลเป็นวิธีการเฉพาะสำหรับเส้นใยประสิทธิภาพสูง (โพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ/UHMWPE โพลีเอสเตอร์ความแข็งแรงสูง) โพลีเมอร์ถูกละลายในตัวทำละลายจนเกิดเป็นสารละลายคล้ายเจล จากนั้นถูกอัดผ่านเครื่องปั่นด้าย จากนั้นถูกยืดออกขณะอยู่ในสถานะเจล การยืดนี้จะทำให้โมเลกุลโพลีเมอร์เรียงตัวไปตามแกนของเส้นใย ทำให้เกิดเส้นใยที่มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ UHMWPE มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงกว่าเหล็กถึง 15 เท่า ซึ่งใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุน เชือกอุตสาหกรรม และส่วนประกอบด้านการบินและอวกาศ
เทคโนโลยีหลังการประมวลผลช่วยเพิ่มคุณสมบัติเส้นใยสำหรับการผลิตสิ่งทอ การวาด (การยืด) ใช้ลูกกลิ้งที่ให้ความร้อนเพื่อยืดเส้นใยขณะปั่นให้ยาวขึ้น 2-8 เท่าของความยาวเดิม โดยจัดเรียงโมเลกุลของโพลีเมอร์เพื่อเพิ่มความต้านทานแรงดึง ความยืดหยุ่น และความเสถียรของมิติ อัตราส่วนการดึงได้รับการปรับให้เหมาะกับการใช้งาน: 6–8x สำหรับเส้นใยอุตสาหกรรมที่มีความแข็งแรงสูง, 2–3x สำหรับเส้นใยเครื่องแต่งกายที่อ่อนนุ่ม การตั้งค่าความร้อนจะทำให้เส้นใยที่ดึงออกมาร้อนขึ้นที่ 120–180°C (ต่ำกว่าจุดหลอมเหลว) คงไว้เป็นเวลาสั้นๆ จากนั้นจึงเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นโครงสร้างที่เสถียรเพื่อลดการหดตัวและรับประกันการคงรูปทรงระหว่างการซัก/การทำให้แห้ง
กระบวนการตกแต่งขั้นสุดท้ายใช้การเคลือบ/สารเติมแต่งเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ: สารหล่อลื่น (ที่ใช้น้ำมัน/ซิลิโคน) ช่วยลดแรงเสียดทานของเส้นใย (ป้องกันการแตกหักระหว่างการทอ/ถัก); สารป้องกันไฟฟ้าสถิตช่วยลดการเกาะติดของไฟฟ้าสถิต (สำคัญสำหรับเส้นใยสังเคราะห์ที่มีการดูดซับความชื้นต่ำ) สารต้านจุลชีพ (อนุภาคนาโนเงิน ไคโตซาน) ยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย (สำหรับสิ่งทอทางการแพทย์/ชุดกีฬาเพื่อป้องกันกลิ่น)
การควบคุมคุณภาพถูกบูรณาการตลอดการผลิต: ระบบอัตโนมัติใช้เซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบความหนืดหลอมเหลวของโพลีเมอร์ ความเร็วในการหมุน เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใย และความต้านทานแรงดึงแบบเรียลไทม์ การเบี่ยงเบนทำให้เกิดการปรับเปลี่ยนทันที (เช่น เพิ่มอุณหภูมิหากความหนืดของหลอมเหลวสูงเกินไป) เทคโนโลยีขั้นสูง เช่น AI และการเรียนรู้ของเครื่องเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต อัลกอริธึม AI วิเคราะห์ข้อมูลในอดีตเพื่อคาดการณ์ข้อบกพร่อง (การแตกหักของเส้นใย) และปรับพารามิเตอร์ในเชิงรุก ลดของเสียและปรับปรุงประสิทธิภาพ เทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยให้สามารถผลิตเส้นใยเคมีคุณภาพสูงจำนวนมากพร้อมคุณสมบัติที่หลากหลาย ซึ่งสนับสนุนการใช้ในอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลาย เส้นใยสังเคราะห์ เส้นใยอุตสาหกรรมที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
ติดต่อตอนนี้