فرآیند انحلال آب پارچه نبافته الیاف دریای جزیره واقعاً در سطح فیبر چگونه کار می کند؟

در سطح فیبر، انحلال با حذف انتخابی ماتریس دریای محلول در آب در حالی که ریز فیبرهای جزیره از نظر ساختاری دست نخورده باقی می‌ماند کار می‌کند - فرآیندی که توسط شیمی پلیمر، دمای آب، عمل مکانیکی و هندسه مقطع فیبر اداره می‌شود.

انحلال از پارچه غیر بافته الیاف جزیره دریایی محلول در آب صرفاً قرار دادن پارچه در آب و انتظار نیست. در سطح الیاف، این یک فرآیند فیزیکوشیمیایی با توالی دقیق است که در آن مولکول‌های آب به ماتریس پلیمری دریا نفوذ می‌کنند، پیوندهای بین مولکولی را می‌شکنند، زنجیره‌های پلیمری را حل می‌کنند و مواد محلول را از سطح الیاف دور می‌کنند - همه اینها در حالی است که رشته‌های جزیره نامحلول از نظر ابعادی پایدار و از نظر ساختاری سالم می‌مانند. سرعت، کامل بودن و یکنواختی این انحلال تعیین می کند که آیا تار میکروفیبر حاصل قابل استفاده است یا معیوب است. درک آنچه در مقیاس نانومتری و میکرومتری در داخل هر مقطع رشته‌ای دو جزئی اتفاق می‌افتد، توضیح می‌دهد که چرا پارامترهای دما، همزدن، نسبت مشروب، و پارامترهای معماری فیبر متغیرهای پردازش دلخواه نیستند، بلکه محرک‌های مستقیم کیفیت انحلال و انتشار میکروفیبر هستند.

مکانیسم مولکولی: چگونه آب به فاز دریای PVA حمله می کند و آن را حذف می کند

پلی وینیل الکل (PVA)، رایج ترین جزء دریا، از طریق یک توالی به خوبی تعریف شده از فعل و انفعالات مولکولی در آب حل می شود. هر مرحله باید قبل از اینکه مرحله بعدی به طور موثر پیش برود، کامل شود، به همین دلیل است که انحلال یک فرآیند محدود به سرعت است تا یک رویداد آنی.

مرحله 1 - جذب آب و تورم

هنگامی که یک فیبر جزیره دریایی برای اولین بار با آب تماس می گیرد، مولکول های آب از طریق انتشار به مناطق آمورف فاز دریای PVA نفوذ می کنند. گروه‌های هیدروکسیل PVA (-OH) در امتداد ستون فقرات پلیمر پیوندهای هیدروژنی با مولکول‌های آب تشکیل می‌دهند و باعث متورم شدن نواحی آمورف می‌شوند. PVA می تواند 15 تا 30 درصد وزن خود را قبل از تغییر ابعاد قابل مشاهده در آب جذب کند ، با تورم متمرکز در مناطق بی شکل که در آن بسته بندی زنجیره پلیمری به اندازه کافی شل است تا مولکول های آب را بپذیرد. نواحی کریستالی PVA ​​- که در آن زنجیره‌ها در آرایه‌های مرتب بسته‌بندی شده‌اند - در برابر نفوذ آب اولیه مقاومت می‌کنند و به طور قابل توجهی آهسته‌تر متورم می‌شوند.

مرحله 2 - اختلال در پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی در PVA

با انتشار بیشتر مولکول های آب در فاز دریا، با پیوندهای هیدروژنی که زنجیره های PVA مجاور را در کنار هم نگه می دارند، رقابت می کنند و جابه جا می شوند. هر واحد تکرار PVA شامل یک گروه هیدروکسیل است که قادر به تشکیل پیوندهای هیدروژنی با زنجیره های همسایه است ; در حالت خشک این پیوندهای بین زنجیره ای استحکام منسجمی را برای ماتریکس دریا فراهم می کنند. مولکول‌های آب، حامل دو مکان دهنده پیوند هیدروژنی و دو مکان گیرنده در هر مولکول، به طور موثری از پیوندهای هیدروژنی PVA-PVA رقابت می‌کنند و به جای آن پیوندهای هیدروژنی PVA-آب را تشکیل می‌دهند. این جایگزینی به تدریج انسجام بین زنجیره ای را در سراسر فاز دریای بی شکل تضعیف می کند.

مرحله 3 - حل زنجیره ای و انتشار جبهه انحلال

هنگامی که پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره ای به اندازه کافی مختل شوند، بخش های زنجیره PVA منفرد حلال می شوند - توسط مولکول های آب احاطه شده و تثبیت می شوند - و شروع به جدا شدن از فاز دریای بزرگ می کنند. این یک جبهه انحلال ایجاد می کند که از سطح فیبر به سمت داخل به سمت رشته های جزیره منتشر می شود. جبهه انحلال با سرعت تقریباً 0.1-1.0 میکرومتر در ثانیه در دمای 40 درجه سانتی گراد در آب ساکن حرکت می کند. ، با افزایش دما به طور قابل توجهی شتاب می گیرد. از آنجایی که ضخامت دیواره فاز دریایی معمولی بین سطح خارجی فیبر و نزدیکترین جزیره است 1-5 میکرومتر ، حذف کامل دریا از سطح فیبر بیرونی بسته به شرایط می تواند در عرض چند ثانیه تا چند دقیقه اتفاق بیفتد.

مرحله 4 - ذوب فاز کریستالی و انحلال نهایی

نواحی کریستالی PVA در برابر انحلال مقاومت می کنند تا زمانی که دما انرژی حرارتی کافی را برای برهم زدن بسته بندی زنجیره سفارشی فراهم کند. بلورهای PVA به دمای آب بالاتر از نقطه ذوب هیدراته خود نیاز دارند - معمولاً 60 تا 80 درجه سانتیگراد برای PVA درجه آبیاری استاندارد با درجه هیدرولیز 87-89٪. - قبل از اینکه با سرعت عملی حل شوند. در زیر این آستانه، فاز دریای آمورف حل می‌شود، اما حوزه‌های کریستالی به صورت قطعات نامحلول باقی می‌مانند که شبکه میکروفیبر را آلوده می‌کنند و آب را پردازش می‌کنند. این توضیح مولکولی برای این است که چرا دمای انحلال صرفاً یک پارامتر سرعت نیست، بلکه یک نیاز آستانه برای حذف کامل دریا است.

چگونه ساختار مولکولی PVA دما و سرعت انحلال را تعیین می کند

همه PVA در یک دما حل نمی شوند. دو متغیر ساختاری که رفتار انحلال را تعریف می‌کنند - درجه هیدرولیز و درجه پلیمریزاسیون - در طول تولید PVA تنظیم می‌شوند و مستقیماً تعیین می‌کنند که کدام دمای آب برای حل کردن یک پارچه نبافته جزیره‌ای دریایی مورد نیاز است.

درجه هیدرولیز نسبت گروه های هیدروکسیل به گروه های استات را در امتداد ستون فقرات PVA کنترل می کند. هیدرولیز بالاتر به معنای گروه‌های هیدروکسیل بیشتر است که پیوند هیدروژنی بین زنجیره‌ای قوی‌تر و بلورینگی بالاتر ایجاد می‌کند - نیاز به انرژی حرارتی بیشتر (دمای آب بالاتر) برای شکستن شبکه کریستالی و حل کردن پلیمر. به طور متناقض، گریدهای هیدرولیز بسیار پایین (زیر 75٪) نیز برای حل مشکل تر می شوند زیرا گروه های استات باقیمانده میل ترکیبی آب را کاهش می دهند. پنجره انحلال سرد بهینه در هیدرولیز 75 تا 85 درصد قرار دارد که در آن بلورینگی به اندازه کافی کم است که بدون دمای بالا حل شود.

چه اتفاقی برای رشته های جزیره در طول و بعد از انحلال دریا می افتد

در حالی که فاز دریا تحت توالی انحلال شرح داده شده در بالا قرار می گیرد، رشته های جزیره مجموعه ای موازی از تغییرات فیزیکی را تجربه می کنند که کیفیت و ویژگی های شبکه میکروفیبر آزاد شده را تعیین می کند.

رهایش محصور مکانیکی و فنر برگشتی فیبر

در طول چرخش و تشکیل شبکه، رشته‌های جزیره در موقعیت‌های هندسی دقیق در ماتریس دریا تحت محدودیت مکانیکی قرار می‌گیرند. با حل شدن فاز دریا، این محدودیت به تدریج حذف می شود. رشته های جزیره به پیکربندی تعادل طبیعی خود باز می گردند - فرآیندی که باعث تغییرات ابعادی قابل اندازه گیری در پارچه می شود. پارچه نبافته جزیره‌ای دریایی که 100×100 سانتی‌متر قبل از انحلال اندازه‌گیری شده است، ممکن است یک شبکه میکروفیبر ایجاد کند. 95-98 × 95-98 سانتی متر پس از حذف کامل دریا، منعکس کننده بازیابی الاستیک رشته های جزیره آزاد شده است. این انقباض باید در برنامه هایی که ابعاد وب میکروفیبر نهایی حیاتی است، در نظر گرفته شود.

جداسازی رشته‌های جزیره: از بسته‌بندی تا میکروفیبرهای فردی

قبل از انحلال، تمام جزایر در یک مقطع رشته ای دو جزئی به صورت یک بسته منسجم توسط دریای اطراف نگه داشته می شوند. همانطور که انحلال دریا از سطح الیاف به سمت داخل پیش می رود، بیرونی ترین حلقه رشته های جزیره ابتدا آزاد می شود و به تدریج جزایر داخلی را دنبال می کند. در یک رشته 37 جزیره ای با ظرافت کل 2.5 dtex و 50٪ محتوای دریا، هر میکروفیبر جزیره ای آزاد شده دارای ظرافت فردی تقریباً 0.034 dtex است. - قطر فیبر تقریباً 2 میکرومتر، آن را محکم در دسته فوق ریز یا میکروفیبر قرار می دهد. دنباله انتشار جزیره از خارج به داخل به این معنی است که جداسازی کامل بسته نرم افزاری نیازمند انحلال کامل دریا از طریق مرکز فیبر است، نه فقط انحلال سطح.

تغییرات شیمی سطح در جزایر آزاد شده

سطح رشته های جزیره ای که در تماس مستقیم با فاز دریا بودند، مواد شیمیایی باقیمانده را از سطح مشترک حمل می کند. جزایر PET آزاد شده از فاز دریایی PVA ردیابی جذب PVA را در سطح خود نشان می دهند - معمولاً 0.1-0.5٪ وزنی - که در واقع جذب مواد شیمیایی تکمیلی و رنگ پذیری بعدی را در مقایسه با میکروالیاف PET معمولی با ظرافت معادل افزایش می دهد. این اصلاح سطح یک مزیت اتفاقی از فرآیند انحلال دریا به جای یک ویژگی طراحی شده است، اما در چرم مصنوعی و کاربردهای نساجی فنی که در آن شیمی سطح جزیره بر چسبندگی پوشش تأثیر می گذارد، استفاده می شود.

چگونه دما، هم زدن و نسبت مشروب، میزان انحلال را در سطح فیبر کنترل می‌کنند

سه متغیر فرآیند - دمای آب، هم زدن مکانیکی، و نسبت مشروب - بر روی مکانیسم انحلال در سطح فیبر از طریق مسیرهای فیزیکی متمایز اثر می‌گذارند. بهینه سازی هر سه به طور همزمان باعث حذف کامل و یکنواخت دریا در کوتاه ترین زمان ممکن می شود.

دما: سرعت انتشار و ذوب کریستالیت را کنترل می کند

دما از طریق دو مکانیسم همزمان بر انحلال اثر می گذارد. اول، ضریب انتشار مولکول های آب را به پلیمر دریا افزایش می دهد - به ازای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما، سرعت انتشار تقریباً دو برابر می شود بر اساس سینتیک آرنیوس دوم، همانطور که قبلا توضیح داده شد، دما باید از نقطه ذوب کریستالیت هیدراته تجاوز کند تا کسر فاز کریستالی دریا حل شود. اثر ترکیبی یک رابطه نرخ انحلال غیرخطی قوی در برابر دما ایجاد می کند:

• در 20 درجه سانتی گراد (PVA محلول در سرد، 80٪ هیدرولیز): انحلال کامل پارچه 30 گرمی در آب ساکن 8 تا 15 دقیقه طول می کشد
• در دمای 40 درجه سانتی گراد (PVA محلول در گرم، 88٪ هیدرولیز): انحلال کامل 5-10 دقیقه با هم زدن ملایم طول می کشد
• در دمای 80 درجه سانتی گراد (PVA محلول در گرم، هیدرولیز 99٪): انحلال کامل 3 تا 6 دقیقه در دستگاه رنگرزی جت با نسبت استاندارد مشروب طول می کشد
• زیر آستانه ذوب کریستالیت برای هر درجه: دریای بی شکل حل می شود اما قطعات کریستالی به طور نامحدود باقی می مانند - بدون افزایش زمان در دمای زیر آستانه انحلال کامل حاصل نمی شود

هم زدن: لایه مرزی را که انحلال را کند می کند حذف می کند

هنگامی که یک فیبر جزیره دریایی در آب ساکن حل می شود، زنجیره های PVA محلول در یک لایه مرزی غلظت نازک بلافاصله سطح فیبر را احاطه می کنند. این لایه مرزی به عنوان یک مانع انتشار عمل می کند - غلظت محلی PVA در داخل آن تا نزدیک به اشباع افزایش می یابد و گرادیان غلظت را کاهش می دهد که باعث انحلال بیشتر می شود. در آب ساکن، ضخامت لایه مرزی با گذشت زمان افزایش می‌یابد و انحلال به تدریج کند می‌شود، حتی اگر مقدار زیادی آب در دسترس باقی بماند.

هم زدن مکانیکی - چه از حرکت دست و پا، گردش جت، عملکرد اولتراسونیک یا غلتیدن - به طور مداوم لایه مرزی را مختل کرده و با آب تازه و بدون PVA جایگزین می کند. افزایش هم زدن از ثابت به متوسط (0.5 متر بر ثانیه سرعت نسبی سیال در سطح فیبر) زمان انحلال را 40 تا 60 درصد کاهش می دهد. برای گریدهای محلول در گرم در دمای ثابت. با این حال، هم زدن بیش از حد در دماهای نزدیک به حالت نرم شده پلیمر دریایی می‌تواند از نظر فیزیکی حوزه‌های دریایی حل نشده را قبل از حل شدن کامل، تکه تکه کند و ذرات ریز PVA را تولید کند که به جای حل شدن تمیز، حمام فرآیند را آلوده می‌کند.

نسبت مشروب: از اشباع شدن جلوگیری می کند که انحلال را متوقف می کند

نسبت مشروب (نسبت حجم آب به وزن پارچه) تعیین می کند که حمام فرآیند با چه سرعتی به غلظت اشباع PVA نزدیک می شود. حلالیت PVA در آب در دمای 80 درجه سانتیگراد تقریباً 15 تا 20 گرم در 100 میلی لیتر است. . با نسبت مشروب 5:1 (5 لیتر آب به ازای هر کیلوگرم پارچه) با پردازش یک پارچه نبافته با 50 درصد وزن دریا، حمام پس از انحلال کامل به غلظت PVA تقریباً 5-6 درصد می رسد - بسیار کمتر از حد اشباع. در نسبت بسیار کم مشروب 2:1، حمام ممکن است قبل از انحلال کامل به حالت اشباع نزدیک شود و در اواسط چرخه فرآیند را کند یا متوقف کند.

در فرآیندهای انحلال در دریا از نسبت های مشروب 10:1 تا 30:1 استفاده می شود. برای اطمینان از اینکه حمام در طول چرخه فرآیند از اشباع دور باقی می ماند. در ماشین‌های رنگرزی جت که برای پردازش زیرلایه چرم مصنوعی استفاده می‌شود، نسبت‌های مشروب 15:1 تا 20:1 استاندارد هستند که با دمای حمام 80 تا 95 درجه سانتی‌گراد و سرعت جت 200 تا 400 متر در دقیقه ترکیب می‌شوند تا هر سه عامل محدودکننده سرعت را به طور همزمان بررسی کنند.

هندسه مقطع فیبر و تأثیر آن بر کامل بودن انحلال

آرایش هندسی جزایر در ماتریس دریا - تعیین شده در مرحله طراحی اسپینر - مستقیماً چگونگی انحلال یکنواخت و کامل را در سطح مقطع الیاف کنترل می کند.

ضخامت دیواره دریا: متغیر هندسی بحرانی

ضخامت دیواره دریا - فاصله بین سطوح جزیره مجاور یا بین یک جزیره و مرز بیرونی فیبر - حداکثر طول مسیری را که جبهه انحلال باید طی کند تا به طور کامل هر جزیره را آزاد کند، تعیین می کند. دیواره های دریایی ضخیم تر به زمان انحلال طولانی تری نیاز دارند و بیشتر مستعد باقی ماندن بقایای دریاهای حل نشده در قسمت داخلی فیبر هستند. ، به ویژه اگر دمای آب فرآیند کمی کمتر از آستانه انحلال کریستالیت باشد.

• ضخامت دیواره دریا با طراحی بهینه: 0.5-2.0 میکرومتر بین جزایر مجاور. این محدوده فاز دریایی کافی را برای حفظ جدایی جزیره در حین چرخش و در عین حال به حداقل رساندن طول مسیر انحلال فراهم می کند
• دیواره دریای بیرونی (حلقه سطحی تا بیرونی ترین جزیره): به طور معمول 1-3 میکرومتر؛ دیواره‌های بیرونی نازک‌تر شروع انحلال اولیه را تسریع می‌کنند، اما در صورت وجود رطوبت سطح، قرار گرفتن در معرض جزیره در طول تولید را در معرض خطر قرار می‌دهند.
• دیواره دریایی بیش از حد (> 5 میکرومتر): به طور قابل توجهی انحلال جزایر داخلی را کند می کند. آزادسازی میکروفیبر غیریکنواختی ایجاد می‌کند که در آن جزایر بیرونی آزاد می‌شوند در حالی که جزایر داخلی محصور می‌شوند - و یک فیبر نیمه شکافته تولید می‌کند که بازده میکروفیبر را کاهش می‌دهد.

اثر شمارش جزیره بر دینامیک انحلال

تعداد جزایر بیشتر در درصد دریا ثابت به معنای دیواره های دریا نازک تر و سطح سطحی جزیره-دریا بیشتر در واحد حجم فیبر است. یک رشته 64 جزیره ای فاز دریایی خود را تقریباً 30 تا 40 درصد سریعتر از یک رشته 16 جزیره ای با ظرافت کلی و نسبت دریا یکسان حل می کند. تحت شرایط فرآیند معادل، زیرا سطح سطحی بزرگ‌تر، مکان‌های بیشتری را برای شروع همزمان جبهه انحلال فراهم می‌کند و دیواره‌های دریایی نازک‌تر مسیر انتشار را به مرکز هر جزیره کوتاه می‌کند.

نقص های انحلال در سطح فیبر و علل ریشه ای آنها

انحلال ناقص یا غیر یکنواخت باعث ایجاد نقص های خاصی در سطح فیبر در شبکه میکروفیبر آزاد شده می شود. شناسایی این عیوب در زیر میکروسکوپ علت اصلی را آشکار می کند و اصلاح فرآیند را راهنمایی می کند.

وب میکروفیبر پس از انحلال کامل چگونه به نظر می رسد - و چرا کیفیت سطح فیبر عملکرد نهایی استفاده را تعیین می کند

پس از انحلال کامل و یکنواخت دریا، تار میکروفیبر باقیمانده یک شبکه سه بعدی از رشته های بسیار ریز است. به طور معمول 0.05-0.3 dtex ظرافت فردی - فقط توسط درهم تنیدگی مکانیکی ایجاد شده در طول تشکیل تار و اتصال به یکدیگر متصل می شوند. وب به طور چشمگیری از پارچه اصلی هم از نظر ساختار و هم از نظر خصوصیات تغییر کرده است:

• کاهش وزن: از دست دادن فاز دریا وزن پارچه را کاهش می دهد 30-50٪ بسته به نسبت اصلی دریا به جزیره - یک جزیره دریایی 100 گرم در متر بافته نشده با 40 درصد محتوای دریا، یک شبکه میکروفیبر 60 گرم در متر تولید می کند.
• افزایش سطح ویژه: انتشار جزایر بسیار ریز از بسته‌های دو جزئی، سطح سطح فیبر را افزایش می‌دهد 5-15× در مقایسه با رشته دو جزئی اصلی - یک ویژگی کلیدی مورد استفاده در چرم مصنوعی، محیط های فیلتراسیون و کاربردهای پارچه پولیش
• نرمی و لطافت: ریز فیبرهای زیر 0.3 dtex دارای مرتبه سفتی خمشی کمتر از رشته دو جزئی اصلی 2-3 dtex هستند که احساس نرمی دست را به طور چشمگیری ایجاد می کند.
• کاهش استحکام کششی: وب سهم ساختاری فاز دریا را از دست می دهد. استحکام کششی کاهش می یابد 20-40٪ از مقادیر قبل از انحلال - طرح ها باید در برنامه هایی که به عملکرد مکانیکی خاص پس از انحلال نیاز دارند، این را در نظر بگیرند.

هر پارامتر انحلال سطح فیبر - دما نسبت به آستانه ذوب کریستالیت، مدیریت لایه مرزی از طریق هم زدن، جلوگیری از اشباع حمام از طریق کنترل نسبت مشروب، و هندسه مقطع از طریق طراحی اسپینر - در نهایت تعیین می‌کند که آیا تار میکروفیبر آزاد شده به سطح خاصی از سطح جزیره، یکنواختی و یکنواختی، دست می‌یابد. تولید تارهای الیاف بسیار ریز در مقیاس صنعتی.