تثبیت حرارتی منسوجات قسمت دوم، نقش عملیات حرارتی در فرآیند ذوب‏‎‎ریسی

عملیات حرارتی در فرآیند ذوب‌ریسی پلی‌استر یک نقش چند وجهی دارد: کنترل رطوبت، تنظیم ویسکوزیته مذاب، ایجاد تبلور اولیه، تسهیل کشش زنجیرهای پلیمری، کنترل جمع‌شوندگی، و تنظیم ویژگی‌های نهایی نخ در مراحل مختلف تکسچره‌کردن، تابندگی و مصرف نهایی. برخلاف عملیات تثبیت حرارتی روی منسوجات که معمولاً در مرحله پارچه انجام می‌شود، عملیات حرارتی در ذوب‌ریسی از لحظه قبل از ورود پلیمر به اکسترودر شروع شده و تا آخرین مرحله خنک‌سازی و بسته‏بندی ادامه می‌یابد. در سیستم‌های مدرن تولید POY، FDY و SDY، اثر حرارت حتی از اثر میزان کشش (draw ratio) نیز بیشتر است، زیرا دما تعیین‌کننده تحرک زنجیرهای PET و در نتیجه میزان بلورینگی و استحکام است. در این مقاله از نفیس نخ همراه ما باشید.

عملیات حرارتی در مرحله پیش‌خشک‌کردن چیپس پلی‌استر

چیپس پلی‌استر ماده اولیه تولید نخ‌های فیلامنتی است و به دلیل ماهیت آب‌گریز PET، وجود حتی 100ppm رطوبت می‌تواند موجب هیدرولیز زنجیرها در اکسترودر شده و موجب افت IV، کاهش وزن مولکولی، کاهش استحکام، افزایش فیلامنت‌های پرزدار و در نهایت کاهش کیفیت نخ شود. بنابراین، مرحله خشک کردن چیپس در خشک ‏کن (Dryer) پیش از فرآیند ذوب ریسی بسیار ضروری است.

• دمای 180-160 درجه سانتی‌گراد برای PET متداول است.
• حرارت موجب افزایش نفوذپذیری و تحرک رطوبت درون چیپس شده و خروج آن را تسریع می‌کند.
• در دماهای بالاتر از دمای انتقال شیشه ‏ای (T_g)، زنجیرها در نواحی آمورف متحرک شده و رطوبت سریع‌تر خارج می‌شود.

عملیات حرارتی در مرحله ذوب

در اکسترودر، پلیمر باید از حالت جامد به مذاب یکنواخت با ویسکوزیته کنترل‌شده تبدیل شود. در این مرحله، دما مهم‌ترین متغیر فرآیندی است.

سازوکار حرارتی

• در زون‌های مختلف اکسترودر، دمای 295-265 سانتی‏گراد  اعمال می‌شود.
• حرارت بیش‌ از حد موجب تجزیه حرارتی(Thermal Degradation) و تشکیل استالدئید، ژل و نقاط سیاه (Black Specks) می‌شود.
• حرارت کم موجب ناپیوستگی مذاب، نوسان فشار، و نایکنواختی در نمره نخ می‏گردد.

اثر حرارت بر رئولوژی

رئولوژی علمی است که به مطالعه تغییر شکل و جریان مواد تحت تاثیر تنش و کرنش می‏پردازد و رفتار مواد را در شرایط مختلف بارگذاری، دما و زمان بررسی می‏کند. در موضوع ذوب‏ریسی، افزایش دما موجب کاهش ویسکوزیته و بهبود جریان‏پذیری می‏شود. از طرف دیگر، ویسکوزیته خیلی پایین، موجب نوسان فشار در پمپ مذاب  و کاهش کیفیت فیلامنت، کاهش امکان کشش‏پذیری و در نهایت اختلال در فرآیند ذوب ریسی می‏گردد.

عملیات حرارتی در اسپینرت

یکی از مهم‏ترین مواردی که در فرآیند ذوب ریسی باید مورد توجه قرار گیرد، ثابت بودن دما در رشته‏ساز است؛ آن هم به این دلیل است که:

• ویسکوزیته مذاب در تمام منافذ یکسان باشد.
• فیلامنت‌ها نمره یکنواخت داشته باشند.
• از تشکیل لخته، ژل و رسوب جلوگیری شود.

تغییرات دمایی، به ویژه کاهش بیشتر از 3 درجه سانتی‏گراد موجب فیلامنت پارگی و تغییرات و ناپیوستگی در طول فیلامنت می‏گردد.

عملیات حرارتی در فرآیند خنک‏سازی

پس از خروج مذاب از رشته‏ساز، فیلامنت‌ها وارد جریان هوای خنک می‌شوند. این مرحله مهم‌ترین مرحله در تعیین درصد بلورینگی اولیه (Primary Crystallization) است که نرخ انتقال حرارت تاثیر قابل ملاحظه‏ای در آن ایجاد می‏کند. سردسازی سریع موجب درصد کریستال پایین و نواحی آمورف بیشتر و درنتیجه کاهش استحکام نخ POY می‏گردد. از طرف دیگر، سردسازی آهسته رشد بلورها و افزایش استحکام و کاهش جمع‏شوندگی را در پی دارد که ممکن است بسته به کاربرد نهایی مطلوب نباشد.

برای اطلاع از تثبیت حرارتی منسوجات قسمت اول: علل و سازوکار کلیک کنید!

عملیات حرارتی در مرحله کشش

کشش مهم‌ترین عامل تعیین‌کننده خواص مکانیکی نخ است، اما این کشش تنها در صورتی مؤثر است که حرارت مناسب اعمال شود. در دماهای بالاتر از T_g اما کمتر از T_m، نواحی آمورف متحرک می‌شوند و زنجیرها در راستای محور طولی منظم شده و قرار می‌گیرند. ولی بدون حرارت، کشش تنها باعث گلویی شدن/نازک شدن (Necking) و شکست می‌شود. حرارت اجازه می‌دهد زنجیرها از حالت نامنظم به حالت کشیده و منظم تبدیل شده و کشیدگی زنجیرها صورت گیرد. نکته قابل اهمیت در این مورد، تفاوت دمای اعمالی برای تولید POY و FDY است. در فرآیند تولید POY، به دلیل اعمال کشش محدود در فرآیند ریسندگی، به دمای پایین‏ تری نیاز است؛ حال آنکه فرآیند تولید FDY به اعمال گرمای بیشتر و البته طولانی ‏تر احتیاج است.

عملیات حرارتی در مرحله تثبیت جمع‌شوندگی

از ابتدای فرآیند ریسندگی تا پایان خط، نخ درگیر نیروهای مختلفی است که موجب تنش‌های باقی‌مانده می‌شود. اگر این تنش‌ها آزاد نشوند، نخ در مراحل تکسچره یا در مصرف نهایی رفتار ناپایدار نشان می‌دهد. کنترل جمع‏شوندگی از طریق حرارت یکی از روش‏های تثبیت در مراحل پایانی است. برای این منظور، می‏توان از صفحات داغ (Hot Plate) در مسیر نخ استفاده کرد. اعمال حرارت در حدود 180-140 درجه سانتی‏گراد به منظور رفع تنش ‏های داخلی ضروری است. سپس، پیش از پیچیده شدن نخ‏های بر روی قرقره، خنک‏سازی صورت گرفته تا دما مناسب بسته‏ بندی گردد. مرحله تثبیت حرارتی برای تولید نخ FDY حیاتی است، چرا که تعیین کننده جمع ‏شدگی آنیل (Annealing Shrinkage) است. به عبارت دیگر، سه اتفاق کلیدی رخ می‏دهد: 1) از طریق اعمال حرارت، میزان جهت‏ گیری زنجیرهای پلیمری مشخص شده، یعنی هر چه کشش بیشتر شود، توانایی برگشت به حالت اولیه در اثر حرارت کمتر می‏شود؛ 2) میزان تبلور نهایی تعیین می‏شود، یعنی نواحی آمورف منظم‏ تر شده و درصد نواحی کریستالی افزایش یافته و زنجیرها کمتر می‏توانند در اثر حرارت جمع شوند؛ 3) آزاد شدن تنش ‏های نهایی سومین اتفاق مهم است. حرارت کافی باعث رهایش تنش‏ ها و ثبات ساختاری می‏گردد، حال آنکه حرارت کم، باعث باقی ماندن مقداری از تنش ‏ها شده که در اثر عملیات حرارتی در مراحل بعدی تولید یا استفاده، جمع‏ شدگی ناخواسته نخ را به دنبال دارد.

عملیات حرارتی در مرحله غلتک‏‌های Godetداغ

غلتک‌های گرم در دو نقطه اصلی استفاده می‌شوند:

• به منظور گرم کردن فیلامنت‏ ها جهت کشش
• به منظور تثبیت آرایش مولکولی پس از کشش

از این رو دمای غلتک‏ ها از اهمیت بسزایی برخوردار است. دمای غلتک‏ های اول از محدوده دمای انتقال شیشه ‏ای تا حدود 120 درجه سانتی‏گراد می‏تواند متغیر باشد. حال آنکه دمای غلتک ‏های دوم در محدوده 200-160 درجه سانتی‏گراد تنظیم می‏شود. کنترل دما از سرخوردگی فیلامنت‏ ها، نایکنواختی طولی و نقاط ضخیم جلوگیری می‏کند.

نتیجه‌گیری

عملیات حرارتی در ذوب‌ریسی پلی‌استر نه یک مرحله، بلکه یک طیف گسترده از فرآیندهای حرارتی است که از پیش‌خشک‌کردن چیپس تا تثبیت نهایی نخ بر قرقره را شامل می‌شود. هر یک از این مراحل، رفتار رئولوژیک، آرایش زنجیری، درصد بلورینگی و جمع‌شوندگی پلی‌استر را کنترل می‌کنند. تفاوت اصلی در تولید نخ‏های POY، FDY و SDY در میزان حرارت اعمال‌شده و درجه کشش است؛ به‌گونه‌ای که POY کمترین و FDY بیشترین درجه عملیات حرارتی را دریافت می‌کند. عملیات حرارتی بر میزان بلورینگی، جمع ‏شوندگی، براقیت و خواص مکانیکی از جمله استحکام و مدول الاستیسیته موثر است. درک عمیق اثر حرارت در این مراحل برای طراحی محصول، بهبود کیفیت، کاهش ضایعات و توسعه نخ‌های نوآورانه ضروری است.

مراجع

1. Hearle, John WS, Les Hollick, and D. Keith Wilson, eds, Yarn Texturing Technology, Woodhead Publishing, 2001.
2. Murphy, R., editor. Polyester: Science, Technology and Applications. Woodhead Publishing, 2021.
3. Deng, S., and Y. Yan. “Structure Evolution During High-Speed Spinning of PET.” Journal of Applied Polymer Science, 2001.
4. Ghosh, P., and A. Ziabicki. “Drawing and Structure Development in PET Melt-Spun Fibers.” Journal of Applied Polymer Science, 1990.
5. Hsiao, B. S., et al. “Crystalline Structure Development of PET Fibers During Drawing and Heat-Setting.” Polymer, 1995.
6. Park, S.-J., and H.-Y. Kim. “Correlation Between Shrinkage Force and Crystallinity in Heat-Set PET Yarns.” Textile Research Journal, 2005.
7. Rahmani, L., and A. Fathi. “Effect of Heat-Setting Temperature on Mechanical and Shrinkage Properties of PET FDY.” Fibers and Polymers, 2014.
8. Zhang, R., and L. Li. “Molecular Orientation and Crystalline Morphology of PET Filaments Subjected to Thermal Treatment.” Polymer Engineering & Science, 2002.
9. Chen, X., and L. Wang. “Crystallization Kinetics and Shrinkage Behavior of High-Speed Spun PET Fibers.” Journal of Applied Polymer Science, vol. 137, no. 39, 2020.
10. Jeon, H. S., et al. “Correlation Between Heat-Setting Conditions and Shrinkage Force in Drawn PET Yarns.” Fibers and Polymers, vol. 22, no. 5, 2021.
11. Li, Q., and S. Deng. “Structure–Property Relationships in Fully Drawn PET Yarns Under Various Heat-Setting Profiles.” Textile Research Journal, vol. 92, no. 7–8, 2022.
12. Park, J., et al. “Thermomechanical Stability and Molecular Relaxation in High-Modulus PET Yarns.” Materials Today Communications, vol. 30, 2022.
13. Tang, Y., et al. “Effect of Thermal Treatment on the Structure and Dimensional Stability of PET Filaments.” Polymer Testing, vol. 90, 2020.
14. Yamamoto, K., et al. “Advanced Melt-Spinning Strategies for High-Performance PET Filaments.” Polymer Engineering & Science, vol. 63, no. 3, 2023.
15. Zhang, M., and R. Fang. “Influence of Draw Ratio and Heat-Setting Temperature on Dimensional Stability of FDY Polyester.” Journal of Industrial Textiles, vol. 54, no. 2, 2024.