Giáo trình môn học Công nghệ sợi hoá học

. Theo số liệu thống kê Xenluloza thu đ−ợc chủ yếu là từ thế giới thực vật hùng hậu và phong phú. Xenluloza thực chất là một loại polyme thiên nhiên thuộc họ hiđratcacbon bao gồm các mắt xích cơ bản C6H10O5. Trừ một số tr−ờng hợp đặc biệt, nó tồn tại d−ới dạng tinh khiết nh− bông, đay, gai... Xenluloza chỉ là một trong nhiều thành phần của tế bào thực vật với các tỷ lệ khác nhau. Số l−ợng mắt xích cơ bản làm cho trọng l−ợng phân tử trung bình của xenluloza trong từng loại cây dao động khá rộng. Ví dụ đối với gỗ thì độ trùng hợp trung bình khoảng 3000, của bông là 11.000, của lanh là 36.000 t−ơng ứng với M phân tử là 450.000, 1.750.000 và 5.900.000 đơn vị ôxi. 24 Xenluloza hòa tan trong một số dung môi rất hạn chế. Tuy nhiên không phải loại xenluloza của tất cả các loại thực vật đều tạo đ−ợc sợi cả, vì vậy việc nghiên cứu để lựa chọn loại thực vật cho công nghiệp sợi không phải là đơn giản và rất quan trọng. Loại thực vật đó phải thỏa mãn các điều kiện nh− sau: - Mọc nhanh, dễ trồng - Hàm l−ợng xenluloza cao - Dễ khai thác - Giá thành rẻ Các loại cây th−ờng đ−ợc sử dụng sản xuất sợi gồm: thông, bạch đàn, phi lao, bồ đề, tre nứa... ngoài ra còn có thể sử dụng bã mía, lau, sậy, rơm rạ... Một số ph−ơng pháp tách xenluloza: 1/ Ph−ơng pháp acid Thân cây đ−ợc róc sạch vỏ, băm nhỏ với kích thứoc nhất định rồi cho vào nồi bằng thép chịu áp. Tiếp theo là cho dung dịch canxi bisunfit Ca(HSO3)2 chứa anhyđrit sunfurơ tự do, gia nhiệt đến 140-145 oC trong thời gian khoảng 10-15 giờ. Mục đích là tách tạp chất chính trong gỗ là licnin d−ới dạng axit licninsunfonic. Các tạp chất khác nh− pectin, hêmixenluloza... cũng bị hoà tan vào n−ớc thải. 2/ Ph−ơng pháp kiềm Những mảnh gỗ đã đ−ợc băm nhỏ cho vào nồi nấu với dung dịch xút NaOH 5%, đôi khi bổ sung thêm natrisunfua, gia nhiệt đến 150-180 oC, áp suất là 6-10 at, thời gian nấu khoảng 6 - 8 giờ. Công đoạn tiếp theo là lọc xenluloza khỏi chất thải hòa tan, rồi rửa lại kỹ bằng n−ớc mềm, đồng thời đánh tơi thành bột nhão và mang đi tấy màu bằng clo, sau đó tẩy bằng natri hypoclorit (NaOCl) hoặc clorua vôi (CaOCl2). Quá trình tẩy trắng nhằm hai mục đích là loại bỏ hết các tạp chất lignin làm vàng sợi và oxy hoá một phần xenluloza, bẻ gãy mạch phân tử xenluloza để làm tăng hoạt tính cho xenluloza nhằm phục vụ cho ý đồ công nghệ sau này. 25 Cuối cùng rửa sạch lại bằng n−ớc, ép và sấy khô. Đây là giai đoạn tạo nguyên liệu đầu để sản xuất sợi. Xenluloza thu đ−ợc là một chất rắn màu trắng, xốp, dạng xơ có công thức cấu tạo: Chỉ số quan trọng nhất đặc tr−ng cho chất l−ợng xenluloza là hàm l−ợng của α-xenluloza. Hàm l−ợng này càng cao thì chất l−ợng sợi càng tốt, α-xenluloza là mạch xenluloza có độ trùng hợp từ 200 trở lên, không tan trong dung dịch NaOH 18%, ở 20 oC trong 1 giờ. Thông th−ờng để sản xuất sợi thì hàm l−ợng α-xenluloza từ 96 đến 97%. Trong đó các loại sợi đi từ xenluloza đã đ−ợc sản xuất gồm: sợi vitxco (chiếm số l−ợng lớn), sợi đồng-amoniac, sợi nitro xenluloza, sợi axetat... 5.1.1. sợi nitroxenluloza Vào năm 1832, lần đầu tiên Brêcơn cho xenluloza tác dụng với axit nitric trong môi tr−ờng H2SO4 và nitrat xenluloza đ−ợc hình thành tuy nhiên trong thời gian dài vẫn ch−a tìm ra đ−ợc úng dụng của nó. Mãi đến năm 1880 nhà hoá học Pháp là Sacđônê đã hoà tan nó trong r−ợu và ête, sau đó đem dung dịch đó đi ép và tạo sợi tơ mịn, bóng bẩy giống tơ thiên nhiên. Sau đó ông nghiên cứu để cải tiến loại sợi này và cuối cùng ông cũng dệt ra đ−ợc tấm vải từ xenluloza đầu tiên và cũng mở đầu cho công nghệ sản xuất sợi. Tuy nhiên loại sợi này có một nh−ợc điểm là ở trong chừng mực nào đó nó giống nh− thuốc nổ, khi gặp tàn lửa thuốc lá hoặc đôi khi chỉ cần va chạm mạnh nó cũng có thể bùng cháy. nguyên nhân là do sự có mặt của những nhóm nitrat, Sacđônê đã tìm cách khắc phục bằng cách thủy phân sợi để loại trừ những nhóm nitrat và kết quả của quá trình thủy phân là xenluloza tái sinh. Các tính chất cơ bản của xenluloza này không thay đổi bao nhiêu. Hiện t−ợng cháy nổ của sợi bị loại bỏ. Sau đó một số loại sợi mới đ−ợc tìm ra nh−: sợi đồng - amoniac, sợi vitxco. Các loại sợi này có những dặc tính −u việt hơn 26 do đó dần dần đẩy lùi loại sợi nitroxenluloza này và ngày nay thì hầu nh− không còn sử dụng nữa. 5.1.2. sợi đồng-amoniac Vào năm 1857 nhà hoá học Svâyze đã phát hiện ra một loại thuốc thử nổi tiếng mang tên mình, đ−ợc dùng nhiều trong ngành phân tích hoá học bằng cách cho t−ơng tác hyđroxit đồng với amoniac: Cu(OH)2 + 4NH3 → Cu(NH3)4(OH)3 Dung dịch Svâyze đồng thời lại có một tính chất đặc biệt là hòa tan đ−ợc xenluloza rất khó tan. Từ đó loại sợi đồng-amoniac đ−ợc tạo ra bằng ph−ơng pháp hòa tan xenluloza trong n−ớc Svâyze: Phản ứng này tạo ra NH3, do đó tr−ớc khi kéo thành sợi thì cần hút NH3 ra khỏi bình phản ứng. Tuy nhiên sợi tạo ra có độ bền rất thấp đặc biệt là độ bền đứt mãi đến khi ph−ơng pháp kéo căng ra đời thì loại sợi này mới thực sự đáp ứng đ−ợc yêu cầu dệt. Sợi đ−ợc sản xuất theo ph−ơng pháp −ớt: Sợi sau khi đi ra khỏi đầu philie thì cho qua 2 bể lớn gồm bể thứ nhất chứa n−ớc hoặc dung dịch kiềm loãng và bể thứ hai chứa axit sunfuaric. Mục đích của bể thứ nhất là làm cho quá trình kéo căng đ−ợc thực hiện dễ dàng, bể thứ hai nhằm thủy phân sợi xenluloza đồng để tạo sợi xenluloza tái sinh. Loại sợi này rất đẹp, có thể kéo thành sợi cực kỳ mảnh nh− tơ nhện, th−ờng dùng để dệt các mặt hàng cao cấp do vẻ đẹp độc dáo của nó. Tuy loại sợi này có tính năng cơ lý t−ơng tự các loại sợi xenloluza tái sinh khác, kỹ thuật sản xuất đơn giản, hoàn toàn không độc hại, nh−ng nó lại rất đắt và khó thu hồi hoá chất. 5.1.3. sợi vitxco I. Mở đầu 27 Trong họ sợi nhân tạo thì loại sợi vitxco chiếm −u thế hơn cả và đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp sợi. Tuy nó xuất hiện sau 2 loại trên nh−ng nó đã nhanh chóng chiếm −u thế là vì yếu tố kinh tế. Kỹ thuật sản xuất sợi vitxco không phức tạp, hoá chất dễ kiếm, rẻ tiền, do đó mà nó là loại sợi bình dân nhất và rẻ tiền nhất. Loại sợi này đ−ợc tìm ra vào năm 1893 do các nhà hoá học Anh Gơrotxo, Bơvan, Biđơn nó đ−ợc đặt tên là vitxco (có nghĩa là “nhớt”) qua sự hình thành xantogenat. Thời kim hoàng của loại sợi này là vào những năm 30 của thế kỷ XX. II. Công nghệ sản xuất sợi vitxco Gồm các công đoạn chính sau: *Chuẩn bị nguyện liệu kéo sợi: Đầu tiên các tấm xelulo đ−ợc chuyển đến bộ phận trộn để làm đều các khối nguyên liệu với nhau, sau đó chuyển sang bộ phận chuẩn bị dung dịch kéo sợi. Chuyển những tấm xenluloza trắng xốp cho ngâm vào dung dịch NaOH 18%, trong thời gian khoảng từ 45-60 phút mục đích là nhằm loại bỏ các tạp chất không mong muốn và những dấu vết còn lại của hêmixenluloza, đồng thời xenluloza t−ơng tác với NaOH để tạo thành hợp chất mới gọi là xenluloza kiềm: [C6H9O4(OH)]n + nNaOH → [C6H9O4ONa]n + nH2O [C6H9O4(OH)]n + nNaOH → [C6H9O4ONaOH]n Sau đó đem xenluloza kiềm đi ép tách dung dịch kiềm d−, n−ớc lọc đ−ợc đ−a đến bộ phận thu hồi xút. Tiếp tục đem đi nghiền nhỏ, rồi ủ lần thứ nhất (còn gọi là làm chín sơ bộ) trong thời gian khoảng 2 ngày đêm ở nhiệt độ 20-22 oC để dung dịch chín. Theo các nhà nghiên cứu thì giai đoạn này là giai đoạn phân hủy oxy hoá xenluloza nên các mạch phân tử bị cắt ngắn, hệ số trùng hợp của các đại phân tử có thể giảm xuống 2 lần. Đồng thời mối liên kết giữa các đại phân tử cũng bị phá vỡ, xenluloza dã bị tr−ơng nở và có bề mặt hoạt động lớn đ−ợc đem đi xantogênat hoá. Để thúc đẩy phản ứng phân hủy 28 oxi hoá ng−ời ta th−ờng cho thêm các chất xúc tác nh− MnCl2, CuCl2, MnSO4... “ủ chín” là giai đoạn rất cần thiết để điều chỉnh độ nhớt của dung dịch kéo sợi. Sau khi đã đạt đ−ợc độ nhớt cần thiết, xenluloza kiềm đ−ợc đem đi xử lý với sunfuacacbon CS2 và sản phẩm thu đ−ợc gọi là xantogenat xenluloza, quá trình này gọi là quá trình xantogenat hoá (gọi tắt là xantat hoá). Xantogenat xenluloza là một chất quánh, nhớt, màu da cam đậm, có thể hòa tan trong n−ớc và độ hòa tan tăng lên khi cho vào nuớc một ít kiềm, khối lỏng nhớt quánh đó đ−ợc gọi là vitxcô (vicious). Từ đó ng−ời ta thu đ−ợc dung dịch kéo sợi bằng cách cho hòa tan xantogenat xenluloza vào dung dịch kiềm nồng độ khoảng 6 đến 9%. Quá trình xantogênat hoá thực hiện ở nhiệt độ là 20-30 oC trong thời gian 2 giờ. Dung dịch cho vào thùng có cánh khuấy và có vỏ bọc bằng kim loại để cho n−ớc làm lạnh đi qua, quá trình hoà tan trong kiềm loãng kéo dài trong 5 - 6 giờ ở nhiệt độ là 5-10 oC, rồi đem đi lọc tạp chất và tách khí liên tục. Lại tiếp tục ủ chín trong 4 - 5 ngày đêm ở nhiệt độ 10 - 18 oC để tạo điều kiện cho các biến đổi hoá học và hoá lý phức tạp tiếp tục xảy ra. Quá trình này đ−ợc gọi là “làm chín kỹ”, trong giai đoạn này cho thêm TiO2 với hàm l−ợng từ 0,5 - 1% để làm mờ sợi hoặc thêm các chất nhuộm, một số chất biến tính để điều chỉnh tốc độ phân hủy xantogenat sau này. Quá trình này là một quá trình rất quan trọng trong việc chuẩn bị nguyên liệu kéo sợi vì nếu khối vitxcô chín không đều sợi tạo ra sẽ kém chất l−ợng, nên tr−ớc khi kéo sợi phảI tiến hành xác định các cỉ tiêu về độ chín của khối vitxcô. Sau khi ủ chín hoàn toàn tiến hành lọc ép d−ới áp suất 5-6 atm, để khử hết không khí hoà tan vào khối vitxco, ng−ời ta dùng chân không để tách trong vòng 10-12 giờ. Kết thúc giai đoạn kéo sợi. * Quá trình kéo sợi: 29 Dung dịch kéo sợi ng−ời ta gọi là dung dịch vitxcođ−ợc một bơm định l−ợng nén với áp suất từ 3 đến 5 atm qua màng lọc rồi vào ống định hình có gắn đầu philie hình mũ, nhúng chìm trong một bể lớn chứa hỗn hợp các dung dịch axit sunfuaric 10%, sunfat natri 18%, sunfat kẽm 1% và một vài chất hữu cơ khác. Tại đây xenluloza đ−ợc tái sinh theo phản ứng sau: Xenluloza tái sinh d−ới dạng hiđrat xenluloza hơi khác với polyme ban đầu về cấu tạo hoá học. Giai đoạn này sợi đ−ợc đông tụ và chuyển hoá thành hiđrrat xenluloza từ từ, từ ngoài vào trong. Nếu quá trình xảy ra nhanh sợi sẽ bị tr−ơng mạnh và sau khi khô th−ờng bị giòn. Do đó sự có mặt của một số muối để giảm bớt sự phân ly của axit là cần thiết để làm chậm quá trình tái sinh trên. Những tính chất cơ lý của sợi vitxco phụ thuộc khá nhiều vào những điều kiện kéo sợi nh− nhiệt độ và thành phần của dung dịch tái sinh, tốc độ đông tụ, tốc độ cuốn sợi, quãng đ−ờng đi của sợi trong bể ... Do đó quá trình kéo căng sợi là rất quan trọng để tạo cho sợi có sự định h−ớng của các đại phân tử dọc theo trục sợi và cho sợi có độ bền cao. Quá trình kéo căng có thể tiến hành ngay trong bể hoặc có thể kéo căng ở giai đoạn sau khi ra khỏi bể. Công đoạn kéo sợi th−ờng tách ra nhiều chất có mùi khó chịu và độc hại nh− CS2, H2S, SO2 ... Do đó cần phải có hệ thống thông gió thật tốt để dảm bảo an toàn cho ng−ời trực tiếp sản xuất và đây cũng là nh−ợc điểm của sợi vitxco. Sợi đ−ợc rửa sạch bằng n−ớc để loại các vết axit và muối bằng dung dịch kiềm loãng ở 50 - 55 oC hoặc dung dịch Na2S, nhằm loại bỏ hoàn toàn hợp chất của l−u huỳnh gây ảnh h−ởng xấu đến tính chất của sợi. Để làm trắng sợi ng−ời ta tiến hành tấy bằng n−ớc javen (NaOCl) ở nhiệt độ th−ờng. Cuối cùng rửa bằng n−ớc mềm ở 30-35 oC, sau đó xử lý sợi bằng dầu thích hợp hoặc chất hoạt động bề mặt phù hợp để giúp cho quá trình gia công tiếp theo thuận tiện. Sợi thành phẩm có thể thu đ−ợc d−ới hai dạng là: tơ và xơ cắt ngắn. 30 * Dạng tơ sản xuất nh− trên chỉ khác là mũ phun lớn hơn, có tới 2400- 20000 lỗ. Tơ tạo ra có chiều dài lớn (hàng chục cho đến hàng trăm kilômet). Đ−ợc gọi là tơ liên tục th−ờng sử dụng trực tiếp để xe dún, xe bện, dùng trong dệt thoi, dệt kim, dệt đăng ten. Tơ liên tục có thể cắt ngắn họăc làm đứt theo những độ dài nhỏ (vài cm) để tạo thành dạng xơ cắt ngắn. Tơ đi ra từ 1 lỗ của đầu phun đ−ợc gọi là tơ đơn: có đầy đủ tính chất về độ bền để có thể gia công dễ dàng theo kỹ thuật dệt. Tập hợp các tơ đi ra các lỗ đ−ợc chập lại tạo thành tơ phức. III. Tính chất và ứng dụng của sợi vitxco Sợi vitxco có nhiều tính chất t−ơng đối tốt: mềm mại, bóng và có bề mặt đẹp, chịu đ−ợc nhiệt độ 100 - 120 oC trong thời gian khá lâu mà không thay đổi tính chất, đến nhiệt độ 150oC trong thời gian dài thì độ bền của sợi vitxco giảm đi nhiều. Sợi vitxco rất ăn màu do đó dễ nhuộm, bền với tác dụng của nhiều hoá chất nh− xăng, dầu, các dung môi hữu cơ, các hợp chất tẩy giặt, xà phòng, n−ớc sôi ... tuy nhiên kém bền với axit và kiềm mạnh. Do sợi vitxco có cấu trúc kết bó rỗng (xốp) nên độ bền cơ học của sợi không cao lắm. Hàm l−ợng alpha-xenluloza trong sợi chiếm 87-90%, khối l−ợng riêng không khác với xenluloza ban đầu là mấy và bằng 1,49-1,52 g/cm3. Tuy nhiên tính hút ẩm tốt nên vải làm từ sợi vitxco dễ nhuộm, dễ giặt, hút mồ hôi tạo cảm giác dễ chịu thông thoáng phù hợp để sản xuất áo quần trong và áo quần mùa hè... Do tính hút ẩm của sợi nên độ ẩm của sợi thay đổi theo điều kiện khí hậu của môi tr−ờng. Khi ở trạng thái −ớt sợi bị giảm 40- 50% độ bền cơ học so với trạng thái khô. Độ ẩm của sợi ảnh h−ởng đến tính chất đàn hồi, tính dẻo và độ bền của nó. Do đó các x−ởng gia công sợi cần đ−ợc điều hòa không khí ở độ ẩm t−ơng đối xác định và không thay đổi, phù hợp với điều kiện thuận lợi cho việc gia công. Độ ẩm cân bằng của sợi trong môi tr−ờng không khí đ−ợc gọi là “hồi ẩm”. Độ ẩm quy định đối với sợi nhân tạo nói chung là 13%. 31 Xơ vitxco dễ pha trộn với các loại xơ thiên nhiên và xơ hoá học khác để thu loại sợi có tất cả các −u điểm của các loại sợi. Tơ vitxco dùng để dệt lụa, sa tanh, ta tăng, gấm ... và các hàng dệt kim khác. Ngoài ra sợi vitxco cũng có thể thay thế sợi tổng hợp dùng trong kỹ thuật nh− làm vải mành cho lốp xe, làm vải bạt, bọc cáp, làm chất độn trong gia công vật liệu composit... Sợi vitxco là loại sợi rẻ tiền nhất trong các loại sợi hoá học, loại sợi này đặc biệt đ−ợc −a chuộng ở các n−ớc vùng nhiệt đới. Tuy nhiên sợi vitxco lại có những nh−ợc điểm : độ bền kém xa so với sợi tổng hợp và còn thấp hơn cả sợi của bông tự nhiên nh− lanh, bông vì do mức độ kết tinh và những vùng kết tinh nhỏ hơn so với sợi lanh, bông. Vải từ sợi vitxco ít bền hình dạng, dễ co sau khi giặt, dễ bị chảy xệ sau thời gian sử dụng và không giữ nếp là. Để hạn chế nh−ợc điểm này ng−ời ta th−ơng hồ vải bằng một loại nhựa tỷ lệ 1 - 2%. 5.2. Sợi trên cơ sở protêin Protein theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là các “chất đầu tiên”, bản chất của nó là hợp chất cao phân tử có trong cơ thể động vật, đóng vai trò chủ yếu trong các hoạt động sống. Protein chiếm 45% trọng l−ợng cơ thể con ng−ời ở trạng thái khô, trong nhiều loại thực vật luợng protein cũng rất phong phú nh− lúa mì (25%), đậu nành (45%) Về thành phần hoá học protein là một chùm kết hợp giữa axit amin, những hợp chất chứa đồng thời nhóm amin(-NH2) và nhóm cacboxyl (- COOH), chúng liên kết với nhau bằng những liên kết peptit nghĩa là liên kết giữa nhóm amin của axit này với nhóm cacboxyl của axit kia. Nguyên lý sản xuất sợi protein cũng t−ơng tự nh− đối với sợi xenluloza cũng đều gồm các b−ớc: tách protein d−ới dạng tinh khiết, rồi tạo dung dịch kéo sợi và cuối cùng là kéo thành sợi. 32 5.2.1. Sợi từ sữa - sợi cazein Khi phân tích thành phần hoá học của len và protein trong sữa (gọi là cazein) ng−ời ta nhận thấy chúng giống nhau. Vì vậy ng−ời ta đã sử dụng sữa để sản xuất len nhân tạo. Sợi cazein đ−ợc ra đời ở Italia với tên th−ơng mại là Lanital, sau đó phát triển mạnh ở Mỹ. Tuy nhiên sau đó loại sợi này bị đánh bại bởi một địch thủ cùng loại đi từ ngô. * Quy trình sản xuất sợi cazein: + Quá trình tạo nguyên liệu đầu: Sữa đ−ợc tách hết kem trên máy ly tâm, rồi sau đó đun nóng lên 40 oC và đồng thời thêm dần axit để đông tụ protein. Protein đông tụ sẽ lắng xuống d−ới dạng phomat t−ơi. Sau đó tách pho mát khỏi nuớc sữa trong, rồi rửa sạch axit và muối, ép rồi sấy khô. Pho mát chính là cazein, thu đ−ợc với l−ợng 3 đến 3,5 gam từ 100 gam sữa và sau này cũng sẽ thu đ−ợc l−ợng sợi gần t−ơng đ−ơng. Sau đó đem cazein đó nghiền nhỏ , chuyển vào trống quay để hòa tan trong dung dịch kiềm để tạo thành một dung dịch lỏng nhớt dùng cho quá trình kéo sợi. + Quá trình kéo sợi: theo ph−ơng pháp −ớt: Dung dịch kéo sợi dùng cho qua đầu philie trong một bể chứa 2 phần axit sunfuaric, 5 phần formalddehyt và 20 phần gluco. Giai đoạn này nhằm làm sạch sợi và để làm rắn sợi nhằm tăng độ bền đặc biệt là độ bền với n−ớc cho sợi. Trong đó formalddehyt là tác nhân khâu mạch và khóa mạch ở nhóm amin theo phản ứng: RNH2 + OCH2 → RN = CH2 + H2O Tuy nhiên sợi cazein vẫn có mùi bơ do đó để khắc phục thì thay thế formalddehyt bằng axetaldehyt. Len nhân tạo khá tốt, giữ nhiệt, ấm, mềm, đẹp có trọng l−ợng riêng xấp xỉ len thiên nhiên. Tuy nhiên độ hút ẩm khá cao, dễ bị vàng và độ bền đứt không cao lắm. Vì vậy ng−ời ta th−ờng pha trộn với len thiên nhiên hoặc các 33 loại sợi khác. So với len thiên nhiên thì giá thành len nhân tạo rẻ, kỹ thật sản xuất không phức tạp lắm. 5.2.2. Sợi từ lạc, ngô và đậu nành Protein thực vật có thành phần hoá học không khác nhau lắm so với protein từ sữa, nh−ng lại khác về hình dạng: phân tử của chúng xoắn lại hình cầu. Các thực vật có hàm l−ợng protein cao đ−ợc sử dụng sản xuất sợi là ngô, lạc và đậu nành. Quá trình sản xuất sợi loại này cũng t−ơng tự nh− đối với sợi cazein chỉ khác ở giai đoạn tách protein nguyên chất từ thực vật. * Với lạc: sử dụng phần khô dầu để tách bằng cách hoà tan vào dung dịch kiềm loãng, rồi lọc cặn bã sau đó đem đi axit hoá. Protein sẽ kết tủa tạo thành dạng bột màu trắng ngà gồm hai loại chính là arachin và conarachin. * Với đậu nành: nghiền nhỏ hạt đậu nành rồi ngâm trong axit loãng để bột tr−ơng lên. Rửa sạch thêm dung dịch kiềm loãng và ấm, ngâm trong 8 - 10 giờ, rồi đem lọc để khử xơ (xenluloza) và tinh bột, sau đó dùng axit axetic để kết tủa protein. Sau khi loại hoàn toàn chất béo, protein rất trắng và giống cazein trong sữa. Cứ 100 kg đậu nành thì cho 24 kg protein và cũng thu đ−ợc 24 kg len. * Với ngô: t−ơng tự nh− đậu nành, protein gọi là zêin, có trọng l−ợng phân tử khoảng 40.000. Prôtein không có cầu l−u huỳnh nh− trong prôtein động vật nên có độ biến dạng thuận nghịch kém do đó dễ bị nhàu. Chất lỏng kéo sợi thu đ−ợc bằng cách hòa protein trong kiềm loãng thành dung dịch lỏng nhớt 20%, sau đó tiến hành lọc nhiều lần d−ới áp suất và ủ một thời gian. Quá trình ủ có tác dụng kéo thẳng những phân tử prôtein hình cầu, để chúng không bị cuốn vào nhau, đồng thời chất kiềm phá bỏ những liên kết kiểu muối giữa nhóm amin của đại phân tử này với nhóm cacboxyl của đại phân tử khác. Quá trình ủ sao cho dung dịch đạt đ−ợc độ nhớt cần thiết thì bắt đầu cho qua công đoạn kéo sợi t−ơng tự nh− đối với sợi cazein. Chú ý quá trình kéo căng thì phải chọn tỷ số căng phù hợp để các đại phân tử dãn dài ra 34 tạo thành những bó chặt chẽ, có khả năng hình thành liên kết giữa chúng. Nh−ng nếu tỷ số căng quá lớn thì làm cho sợi mất tính đàn hồi. Sợi trên cơ sở protein thực vật nói chung có độ bền đứt không cao lắm, nh−ng rất đẹp, giữ nhiệt tốt, mặc ấm, mềm mại, dễ nhuộm, khó bắt cháy hơn len tự nhiên, dễ giạt, không bị co và giữ đ−ợc vẻ đẹp trong thời gian dài. Thông th−ờng để tạo ra sản phẩm có những −u điểm nhất định ng−ời ta pha các loại sợi protein thực vật các loại sợi khác nh− vitxco, sợi tổng hợp... Ch−ơng 6 sợi tổng hợp 6.1. mở đầu Sợi tổng hợp đ−ợc tạo ra từ các nguyên liệu ban đầu là những hợp chất polyme là nguồn nguyên liệu vô tận và quá trình kéo sợi có thể thực hiện bằng 3 ph−ơng pháp đã nêu trên. Đa số sợi tổng hợp là vật liệu kị n−ớc, tính chất này vừa có lợi vừa có hại. Do độ hút ẩm kém nên sợi bền khi giặt, không bị nhàu và giữ nếp là, mau khô, tính chất cơ lý không bị thay đổi theo thời tiết, khí hậu và khi tiếp xúc với n−ớc. Tuy nhiên vải từ sợi tổng hợp th−ờng không hút mồ hôi do đó kém độ thoáng mát đặc biệt là trong những ngày nóng bức. Để khắc phục nh−ợc điểm này ng−ời ta th−ờng biến tính hoá học và vật lý. Tính kỵ n−ớc lại thích hợp cho các sản phẩm dùng trong kỹ thuật nh− làm vải bọc, dây cáp, vải mành, l−ới đánh cá... đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử và vật liệu cách điện. Sợi tổng hợp có nh−ợc điểm nữa là khó nhuộm, dễ phát sinh điện tích, để khắc phục thì th−ờng ng−ời ta đ−a vào sợi những nhóm bắt màu nh− nhóm sunfonic, cacboxyl, hoặc tìm ph−ơng pháp nhuộm thích hợp, thuốc nhuộm phù hợp, thêm một số phụ gia nh− chất hoạt động bề mặt để cải thiện bề mặt nhằm tăng tính thấm −ớt cho vật liệu. Do cấu tạo và sự sắp xếp các đại phân tử chặt chẽ và độ định h−ớng cao của polyme tạo sợi mà làm cho sợi có độ bền đứt cao, độ bền với nhiều loại hoá chất. Một đặc điểm khác với các loại sợi thiên nhiên, nhân tạo nữa là không bị côn trùng và vi sinh vật phân hủy do đó dễ dàng bảo quản. 35 6.2. sợi poliamit 6-6 6.2.I. Mở đầu Poliamit là những đại phân tử mạch thẳng cấu tạo bởi các mắt xích - CO-NH- nối các mắt xích cơ bản. Poliamit đ−ợc tạo ra bằng sự đa tụ của một diamin và một diaxit hoặc của một lactam vòng sau khi đã mở mạch hoặc của một aminoaxit. Tr−ờng hợp 1 : tên gọi đặc tr−ng bởi 2 chữ số Tr−ờng hợp 2: tên gọi dặc tr−ng bởi 1 chữ số. Ví dụ: Poliamit 6-6 đ−ợc đa tụ từ hexametylendamin và axit adipic Poliamit 6 đ−ợc tạo ra từ caprolactam 6.2.II. Nguyên liệu tạo sợi 6.2.II.1. Lý thuyết về poliamit Phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu mà nhóm amit trong poliamit có thể định h−ớng theo các chiều khác nhau: Loại (1) là đối với poliamit là aminoaxit hoặc lactam của nó. Loại (2) tạo ra khi damin tác dụng với axit hữu cơ hai gốc. Điều chế poiamit bằng ph−ơng pháp ng−ng tụ các cấu tử hai chức: nhóm chức amin (-NH2) và nhóm cacboxyl (-COOH). Phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu mà thu đ−ợc sản phẩm mạch vòng hay mạch thẳng. Trong các aminoaxit thì α và β -aminoaxit tạo ra vòng 5 và 6 cạnh-lactam bền, do đó loại lactam này không tạo ra polyme đ−ợc mà chỉ có loại ε -aminoaxit và ω - aminoaxit mới tạo ra polyme đ−ợc. Trong công nghiệp sử dụng ε -amino capronic axit (hoặc lactam của nó) Quá trình tạo ra poliamit từ các aminoaxit có thể biểu diễn: 36 Khi dùng diaxit và diamin để điều chế poliamit, phụ thuộc vào cấu tạo của nó mà có thể tạo ra các sản phẩm vòng (5 và 6 cạnh). Ví dụ: Khi đun nóng axit oxalic và etilen diamin tạo ra oxalactam vòng: Hoặc axit maleic tác dụng với amin tạo ra sản phẩm vòng bền imit: Qua các thí dụ trên ta thấp rõ ràng rằng muốn nhận đ−ợc poliamit thì có thể dùng các axit hai gốc nh−ng với điều kiện là số nhóm metylen trong phân tử không d−ới 4, có nghĩa là dùng axit adipic và các đồng đẳng cao hơn nó. Loại đồng đẳng cao hơn phổ biến nhất là hexametylendiamin. Quá trình tạo ra poliamit do đa tụ axit adipic hoặc với axit xebaxic với hexametylendiamin có thể biểu diễn: 6.2.II.2. Điều kiện đa tụ Quá trình tạo poliamit từ các aminoaxit cũng nh− từ các axit hai gốc và diamin đều có n−ớc tách ra. Các phản ứng đa tụ có đặc tính thuận nghịch và cân bằng chuyển về phía tạo polyme. Do đó để phản ứng dịch chuyển về phía tạo polyme thì cần tách n−ớc ra khỏi môi tr−ờng phản ứng, còn nếu không phản ứng trở nên cân bằng và quá trình đa tụ ngừng. Trong điều kiện th−ờng, mức độ đa tụ tr−ớc hết phụ thuộc vào tính chất hoá học của các cấu tử phản ứng. Poliamit phân tử cao đ−ợc tạo ra dễ hơn, ví dụ nh− đối với poliete vì phản ứng không đòi hỏi tách các sản phẩm phụ. Poliamit phân tử cao đ−ợc tạo ra không phải do phản ứng đồng thời của tất cả các phân tử mà xảy ra theo từng bậc, do đó tốc độ phản ứng chậm và 37 nhiệt phản ứng toả ra rất ít. Tốc độ phản ứng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ. Nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng. Sau đây là đồ thị biểu diễn sự ảnh h−ởng của các yếu tố nhiệt độ và thời gian đến l−ợng policaprolactam tạo ra và độ nhớt của dung dịch polyme. Hàm l−ợng phần phân tử thấp phụ thuộc vào nhiệt độ mà ở đấy cân bằng đ−ợc thiết lập. Dựa vào Hb ta thấy rằng ở 260 oC chỉ qua 2 giờ axit aminocapronic đã chuyển thành polyme có độ nhớt t−ơng đối của dung dịch là 22 có nghĩa là đạt yêu cầu. Một yếu tố cũng ảnh h−ởng đáng kể đến tốc độ phản ứng và trọng l−ợng phân tử polyme là tỷ lệ các cấu tử: Nếu thừa một trong các tác nhân phản ứng thì có khả năng tạo ra mạch polyme mà ở đầu mạch có chứa nhóm của tác nhân thừa đó và do đó làm ngừng phản ứng phát triển mạch: Nh− vậy muốn thu đ−ợc polyme có trọng l−ợng phân cao thì phải có tỷ lệ các cấu tử phản ứng phải chính xác. 6.2.II.3. Vai trò của chất ổn định độ nhớt Thừa một trong các tác nhân trong hỗn hợp phản ứng sẽ làm hạn chế trọng l−ợng phân tử. Hiện t−ợng này không xảy ra nếu ta thêm vào hỗn hợp phản ứng một chất có đ−ơng l−ợng phân tử chính xác, các hợp chất một chức có khả năng phản ứng với các nhóm cuối của poliamit và tạ