La formación de fibras químicas es un complejo de procesos que ocurren durante la formación de filamentos elementales a partir de corrientes delgadas de una solución de polímero o fundido que fluye de los orificios de una hilera, y los procesos de formación de estructuras en una fibra curada. El conformado es una de las etapas críticas del proceso tecnológico y tiene una influencia decisiva en la estructura y propiedades de la fibra resultante.
El polímero es formador de fibras, es decir, se puede obtener una fibra a partir de él si se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones:
Existen las siguientes formas de formar fibras químicas:
La poliolefina, el poliéster, la poliamida y otras fibras se obtienen del polímero fundido por el método de formación del polímero fundido; las fibras de acetato y poliacrilonitrilo se forman a partir de la solución de polímero por el método seco; la viscosa, el poliacrilonitrilo, el cloruro de polivinilo, etc., por el método húmedo, poliésteres.
Sólo aquellos polímeros son aptos para la hilatura de fibras por el método de fusión, para los cuales la diferencia entre las temperaturas de degradación y fusión es superior a 20°C, ya que de lo contrario la hilatura va acompañada de una notable degradación del polímero, lo que a su vez empeora la calidad de la fibra resultante. Otra condición indispensable para la obtención de fibras a partir de la masa fundida es la suficiente resistencia al calor y estabilidad dimensional del polímero cuando se expone a temperaturas del orden de 150°C (los textiles deben ser estables al ser planchados). Estos factores limitan el número de polímeros adecuados para la hilatura por fusión.
En el hilado por fusión, los filamentos se forman por corrientes de enfriamiento del polímero fundido por debajo de su punto de fusión. El calor se elimina del filamento que se está formando al soplarlo con aire de enfriamiento. La velocidad de moldeo es de 600-1200 m/min.
La hilatura por fusión se utiliza para obtener los siguientes tipos de hilos y fibras:
Hay dos tipos principales de procesos utilizados en la conformación por fusión:
Las máquinas de hilado por fusión tienen dispositivos de alimentación de fusión, ejes de moldeo, mecanismos para transportar (a veces tirar) y recibir filamentos o filamentos. La masa fundida se dosifica mediante una bomba, se filtra adicionalmente y entra en la hilera. Los jets de fusión se enfrían en un eje vertical, que consta de dos partes: soplado (enfriamiento) con suministro de aire acondicionado y acompañamiento sin suministro de aire. Los hilos formados se engrasan, se empaquetan y los flagelos se combinan en un paquete común y se colocan en un recipiente.
El estiramiento y el procesamiento termodinámico de los hilos se realizan individualmente en una máquina de torsión y estirado. Los hilos textiles se pueden producir sin tratamiento termodinámico si están destinados a obtener hilos texturizados o se tratan térmicamente al terminar tejidos o productos textiles acabados. En la producción de hilos de poliéster industriales, se utiliza el procesamiento grupal de 100-200 hilos en una unidad de línea continua, lo que hace posible lograr propiedades mecánicas más altas. El estirado y procesamiento termodinámico de los fardos también se realiza en una unidad continua, donde las etapas finales son la evacuación, el ondulado y, si es necesario, el corte.
El uso del proceso combinado "formado - estirado" le permite aumentar la velocidad de recepción de fibra en paquetes hasta 3000-4000 m/min [1] . Este proceso es conveniente solo si no se requiere un tratamiento termodinámico adicional, y se usa principalmente en la producción de hilos de poliéster y poliamida.
Hilatura de alta velocidad: hilatura de fibras a velocidades de 4500-6000 m/min.
La esencia del proceso de moldeo de alta velocidad es la aparición de altas tensiones de tracción en la corriente de masa fundida moldeada, bajo cuya acción la bobina de macromoléculas se endereza a lo largo del flujo, lo que asegura su alta orientación, lo que a su vez induce el proceso de cristalización de polímeros. La cristalización orientacional del polímero avanza varios órdenes de magnitud más rápido que la cristalización del polímero a velocidades de moldeo convencionales.
Este proceso se implementa principalmente para hilos textiles de poliéster destinados a la posterior texturización o uso en la producción de géneros de punto, lo que se explica por el aumento de la elongación de los hilos resultantes.
El moldeo por soplado en fusión se usa ampliamente a partir de poliolefinas, poliamidas y poliésteres. Los chorros de masa fundida que fluyen de los orificios de la matriz se estiran mediante un chorro de aire de alta velocidad y se enfrían. Los hilos resultantes se colocan en un transportador de malla en forma de tela no tejida, que luego se somete a punzonado y, si es necesario, a la unión térmica (calandrado).
Durante el moldeo por centrifugación, las gotas de masa fundida, que se desprenden de un rotor giratorio, se estiran en forma de fibras con enfriamiento por aire simultáneo.
Durante el electrohilado , los chorros de solución que fluyen de la hilera se estiran en un campo electrostático. Durante el electrohilado a partir de masas fundidas, la transformación del polímero formado a un estado de flujo viscoso se lleva a cabo por fusión. En consecuencia, el moldeo por fusión requiere el calentamiento de la matriz y la cámara de resina, lo que se realiza mediante el equipo alimentador en la máquina de moldeo por fusión con calentadores. Cuando el electrohilado en solución presenta limitaciones, es posible el hilado por fusión. Los polímeros usados en el método de fusión se pueden dividir convencionalmente en tres grupos. El primer grupo consiste en plásticos de gran tonelaje y limitada solubilidad (polietileno, polipropileno, tereftalato de polietileno, etc.), que son difíciles de formar a partir de una solución. El segundo son los materiales biocompatibles/biodegradables (policaprolactona, polilactida y sus copolímeros, etc.) utilizados con fines médicos, que conviene hilar por fusión debido a la ausencia de disolvente residual en la fibra final. El tercer grupo incluye mezclas de polímeros, para los cuales no es necesario seleccionar un solvente adecuado para todos los componentes de la mezcla.
En el método de hilatura en húmedo a partir de una solución de polímero, la fibra se forma como resultado de la interacción de las corrientes de la solución con los componentes del baño de precipitación. En este caso, los componentes del baño de precipitación se difunden en la corriente de la solución y el disolvente se difunde desde la corriente al baño de precipitación, lo que conduce a la coagulación de la solución y la precipitación del polímero en forma de filamentos. En algunos casos, el proceso de coagulación de la solución se complica por reacciones químicas. La velocidad de moldeo es de 30-130 m/min.
El moldeo en solución por el método húmedo incluye dos tipos de procesos: sin la aparición de reacciones químicas y con su aparición. El primero de ellos se utiliza para obtener las siguientes fibras e hilos:
El método húmedo también forma muchas fibras superfuertes, de módulo superalto y resistentes al calor basadas en polímeros aromáticos.
Usualmente se utilizan máquinas de proceso continuo, que cuentan con dispositivos para el suministro de solución, plastificación, estirado, lavado, secado y recepción. La solución se dosifica con una bomba y se alimenta a través de un filtro a una hilera. El moldeo se lleva a cabo en un canal horizontal, tubos horizontales o verticales, donde se alimenta el baño de hilatura, en el que fluyen las corrientes de solución desde los orificios de la hilera y se forma la fibra.
Los hilos y flagelos formados (estos últimos se combinan en un haz común) se someten a tratamientos posteriores, que incluyen operaciones: plastificación, estirado, lavado a contracorriente y secado. La operación de engrasar los hilos se lleva a cabo durante el procesamiento posterior. Los paquetes también se someten a procesamiento de aviación, ondulación y, si es necesario, corte. El estiramiento térmico y el tratamiento térmico se llevan a cabo solo cuando se obtienen ciertos tipos de hilos y fibras con fines técnicos.
El moldeo con el flujo de reacciones químicas se utiliza en la producción de fibras de celulosa hidratada (fibras de viscosa y cobre-amoníaco). Los procesos de su moldeado y posterior procesamiento tienen una serie de diferencias significativas. Así, las fibras de viscosa se hilan en un baño de hilatura que contiene ácido sulfúrico, sulfatos de sodio y zinc como componentes principales, a velocidades superiores a otros tipos de fibras obtenidas por vía húmeda. Los filamentos o flagelos formados se someten a estiramiento plastificante, lavado, desulfurización (eliminación del azufre formado durante el moldeo), procesamiento aéreo, secado y, si es necesario, corte.
En el método seco de hilado a partir de una solución, los filamentos se forman como resultado de la evaporación del solvente de las corrientes de la solución, lo que se debe al soplado del filamento que se está formando con aire caliente o una mezcla de vapor y aire. La velocidad de moldeo es de 300-600 m/min.
La hilatura en seco se utiliza para obtener los siguientes tipos de hilos y fibras:
Las máquinas de formación en seco tienen un dispositivo para suministrar una solución, ejes calentados, mecanismos para transportar y recibir hilos o flagelos. La solución se dosifica con una bomba, se calienta y se alimenta a través de un filtro a una hilera. Los chorros de solución resultantes ingresan a un eje vertical, donde se suministra un refrigerante caliente (generalmente aire) en un flujo a contracorriente o paralelo y donde el solvente se evapora y se forma la fibra.
El aire se suministra en tal cantidad que la mezcla gas-vapor tiene una concentración fuera de los límites de explosividad (normalmente por debajo de este rango), pero suficientemente alta para la posterior recuperación de disolventes. Los hilos se toman para empacar o se combinan en un paquete común. Los hilos o estopas resultantes (a excepción del acetato y el triacetato) se someten a estiramiento termodinámico y tratamiento termodinámico.
El método se utiliza para obtener fibras ultrafinas (microfibras) a base de copolímeros de acrilonitrilo y cloruro de vinilo en disolventes muy volátiles (por ejemplo, acetona). Los chorros de solución que fluyen de los capilares se estiran en un campo electrostático, el solvente se evapora de ellos y las fibras delgadas resultantes se colocan en un tambor de malla o transportador para formar una tela (material) no tejida delgada.
El campo eléctrico no solo sirve como un "medio de transporte y estiramiento de las fibras formadas", sino que también cambia significativamente las propiedades reológicas y superficiales de los líquidos poliméricos, cambiando así los patrones de formación de la estructura de la fibra [2] .
El interés en este método de moldeo está asociado con la optimización y creación de tecnologías económicas para la producción de materiales filtrantes de ultrafiltración para la purificación fina de aire y medios líquidos.
Cuando se electrohila a partir de soluciones, la transferencia del polímero moldeado a un estado viscoso se lleva a cabo disolviéndolo en un solvente adecuado. En algunos casos en los que el uso de solventes no es óptimo, es posible el electrohilado por fusión.
Hilatura en seco-húmedo: el moldeo a través de una capa de gas-aire entre la hilera y la superficie del baño de precipitación se utiliza para obtener hilos a partir de soluciones de hilatura de alta viscosidad (especialmente a base de polímeros de cadena dura [3] ), lo que requiere el uso de hileras con un gran diámetro de orificio y, en consecuencia, altos valores de extractos de hilera.
El moldeado se realiza de arriba hacia abajo por un método profundo o en tubos. Los chorros de la solución de hilatura recorren una distancia de 5-50 mm en el aire, donde tiene lugar la mayor parte del estirado del hilado, después de lo cual entran en el baño de precipitación, donde se forma la fibra. Este método permite aumentar varias veces la velocidad de hilado en comparación con el proceso húmedo convencional y lograr un mayor grado de orientación de la fibra. [cuatro]
El método de hilatura por dispersión de polímeros se puede usar cuando no es posible transferir el polímero a un estado viscoso por fusión o disolución, pero existe una necesidad significativa de una fibra de este polímero. De esta manera, se forman fibras que contienen flúor [5] [6] : polifeno , teflón y otras.
Cuando se hila a partir de una dispersión de polímero, los filamentos se forman a partir de una composición de hilado, que incluye: una solución de un polímero formador de fibras, una matriz: partículas finamente dispersas del polímero deseado en un estado suspendido y tensioactivos. El moldeo se lleva a cabo de una manera característica de un polímero formador de fibras, pero bajo condiciones de sedimentación más severas necesarias para una coagulación rápida.
Se forma una fibra llena de partículas en contacto del polímero deseado, que se somete a un tratamiento a alta temperatura (para eliminar el polímero que forma la fibra mediante degradación térmica). Como resultado de la mayor adhesión por difusión entre las partículas del polímero deseado, se produce la sinterización con la formación de una fibra.
La hilatura en gel [7] - hilatura a partir de una solución con descomposición de fases al enfriarse - se utiliza para obtener las siguientes fibras:
El conformado se lleva a cabo en un pozo con enfriamiento o en un baño de enfriamiento. Las fibras se someten a estiramiento de plastificación. El solvente se elimina mediante secado suave (p. ej., vacío) o lavado con líquidos de flujo libre miscibles con el solvente polimérico (en muchos casos agua) seguido de secado. Después de eso, si es necesario, realice un estiramiento termodinámico y un tratamiento térmico.
El método ha encontrado aplicación práctica en la formación de hilos de alta resistencia a base de polietileno de ultra alto peso molecular. [ocho]