الياف پلي پروپيلن چيست و چگونه توليد مي شود

Posted by roueen in اکسترودر تک مارپیچ on June 18, 2015 with Comments Off on الياف پلي پروپيلن چيست و چگونه توليد مي شود

الياف پلي پروپيلن که از طريق پليمريزاسيون پروپيلن به صورت يک پليمر خطي تهيه مي گردند و به اختصار پ-پ ناميده مي شوند بعد از پيدا شدن کاتاليست زيگلرناتا توليد شدند اين کاتا ليست توليد پلي پروپيلن ايزو تاکتيک که قادر به متبلور شدن مي باشد را امکان پذير ساخت .

اين الياف در سال 1960در ايتاليا با نام تجاري مراکلون به صورت صنعتي توليد شده وبه بازار عرضه گرديدند . خصوصيات پروپيلن باعث رشد سريع آن در سطح بين المللي گرديد وبعد از مدتي نسبتاً کوتاه ،پلي پروپيلن توانست از نظر مقدار توليد ، چهارمين مقام را بعد از پلي استر ، نايلون وآکريليک کسب نمايد .
عدم امکان رنگررزي الياف  پروپيلن به روشهاي متداول براي ديگر الياف ، باعث جلو گيري از رشد بيشتر اين ليف مصنوعي گرديده است.

الياف و نخ هاي نواري که دو کاربرد پلي پروپيلن را تشکيل مي دهند نسبتاً به آساني به روش ذوب ريسي تهيه مي گردند و آسان بودن توليد اين نوع الياف و پائين بودن هزينه توليد استقبال بسيار گستردهاي از آن را به همراه داشته است . با بکار گيري مواد بالا برنده مقاومت در مقابل اشعه ماوراء بنفش سعي شده است عيب کم بودن مقاومت پلي پروپيلن در مقابل اين اشعه مرتفع گردد.

پلي پروپيلنداراي دماي ذوب بالا تر (175-165درجه سانتيگراد)در مقايسه با پلي اتیلن مي باشد . از نقطه نظر استحکام ومقاومت در مقابل سايش ،پلي پروپيلن با پلي اتیلن تفاوت زياد ندارد .
همانطور که گفته شد پلي پروپيلن هم مثل پلي اتیلن با روش هاي معمول قابل رنگرزي نبوده و به روش رنگرز ي توده که در آن قبل از تشکيل الياف ، به پليمر مذاب اضافه مي شود رنگرزي مي گردد.
لازم به ذکراست که الياف الفيني اصلاح شده به روش شيميايي که قادر به رنگرزي شدن با روشهاي معمولي مي باشند توليد شده اند .

به عنوان مثال پلي پروپيلن حاوي پلي ونيل پيريدين به صورت پخش شده ويا ونيل پيريدين که جزئي ماکرو مولکول را تشکيل مي دهد با رنگينه هاي اسيدي قابل رنگرزي است و به هر حال قيمت تمام شده اين نوع الياف باعث گرديده است که از رنگرزي توده به عنوان مهم ترين روش براي رنگرزي اين نوع الياف استفاده گردد.

توليد الياف پلي پروپيلن
ماده اوليه توليد الياف پلي پروپيلن را پروپيلن(3CH2=CHCH)تشکيل مي دهد که به صورت يک توليد جانبي در توليد اتيلن به روش شکستن مولکول نفت درصنعت پتروشيمي شکل مي گيرد .گازهاي مابع حاوي پروپيلن ، ديگر ماده اين منبع را تشکيل مي دهند .

پلي پروپيلن از پليمريزاسيون پروپيلن در شرايط دما و فشار نسبتاً ملايم ودر حضور کاتاليست معروف زيگلر – ناتا انجام مي شود . وجود اين کاتاليست ، پليمري به صورت ايزوتاکتيک را تشکيل مي دهد که قادر به متبلور شدن تا حدود 90 درصد مي باشد .
ديگر فرمهاي آتاکتيک وسيندو تاکتيک پلي پروپيلن دارا ي خواص مناسب جهت تشکيل الياف نمي باشند . با توجه به شرايط سرد شدن ، ساختار بلورين پلي پروپيلن دو شکل متفاوت پيدا ميکند . چنانچه پلي پروپيلن مذاب سريعاً سرد گردد ، ساختار بلورين پايدار که پاراکريستالين و ياسمکتيک نام دارد شکل مي گيرد .
چنانچه پلي پروپيلن مذاب به آرامي سرد گردد . ساختار بلورين معروف به منوکلينيک بوجود مي آيد.حرارت دادن پلي پروپيلن ازنوع پاراکريستالين به بيش از 80 درجه سانتيگراد باعث تغيير ساختار بلورين آن به شگل منوکلينيک مي گردد

در الياف پلي الفيني ،پيوندهاي شيميايي ويوني بين ماکرو مولکول هاي پلي پروپيلن وجود نداشته ونيرو هاي بين زنجيره اي به نيرو هاي واندروالس محدودمي گردند . ازاين رو براي کسب خواص فيزيکي مناسب با وزن مولکولي الياف پلي الفيني در مقايسه با الياف ديگر بالاتر انتخاب گردد.

با توجه به سرعت توليد و دماي پليمر مذاب ، سرعت سرد شدن وکشش بعد از توليد ، الياف پلي پروپيلن ازنظر جهت گيري بلورهاي خود نسبت به محور ليف با يکديگر تفاوت دارند و افزايش سرعت ريسندگي اوليه واعمال کشش بعد از توليد ، جهت گيري بلورها رادر جهت محور ليف افزايش مي دهد.

پليمريزاسيون پروپيلن به سه روش امکان پذير مي باشد . در روش تعليق که يک روش کلاسيک بحساب مي آيد پروپيلن در يک محيط رقيق کننده که معمولاً يک هيدرو کربن آليفاتيک مي باشد پليمريزه مي گردد مکمل اين روش ، پليمريزاسيون فاز گاز مي باشند.

شدر ذوب ريسي پلي پروپيلن ، مشابه ديگر الياف ترموپلاستيک مثل پلي استر وپلي اميد ، وزن مولکولي متوسط ، توزيع وزن مولکولي و همچنين شاخص جريان توده پليمري مذاب (MFI) وخصوصيات الياف توليد شده را تحت تأثير خود قرار مي دهند . بطور کلي افزايش وزن مولکولي پليمر ، افزايش استحکام الياف توليد شده را به همراه دارد.

براي الياف پلي پروپيلن که به منظور مصرف در صنعت نساجي توليد مي گردندوزن مولکولي متوسط و براي الياف پلي پروپيلن با استحکام زياد که به عنوان الياف با کارايي بالا توليد مي کردند وزن مولکولي بالا انتخاب مي گردد .
باتوجه به مربوط بودن شاخص جريان مذاب و وزن مولکولي متوسط به يکديگر ، شاخص جريان مذاب مناسب درتوليد الياف نساجي 25-15 گرم بر10 دقيقه وبراي الياف باکارايي بالا 5-3 گرم بر10 دقيقه ذکرشده است

آزمايشات نشان داده است که محدوده کوچکتر توزيع وزن مولکولي پليمر ، به قابليت ريسندگي اوليه بهتر ، کمک مي نمايد . باتوجه به بالابودن وزن مولکولي پلي پروپيلن که افزايش ويسکوزيته توده مذاب در ريسندگي اوليه آنرا به همراه دارد ، دماي پلي پروپيلن مذاب درريسندگي اوليه آنها70 تا120درجه بيش از دماي پليمربوده ودرمحدوده 230 تا 280 درجه سانتيگراد انتخاب مي گردد . شکل زير ذوب ريسي رابه صورت شماتيک نشان مي دهد

دراين روش پليمربه صورت گرانول از تغذيه کننده (هاپر) وارد مارپيچي ذوب کننده شده بر اثر گرمايش توسط مارپيچي ذوب مي گردد
. پليمر مذاب سپس به کمک پمپ تغذيه از طريق ***** به رشته ساز تغذيه شده وپس از خروج از روزنه هاي رشته ساز تحت تاثير نيروي کششي قرار مي گيرد و با از دست دادن گرما به محيط خود جامد گرديده وسر انجام روي بسته اي پيچيده شده ويا آنکه به صورت مداوم به بخشي ديگر از خط توليد نهايي تغذيه مي گردد .
از آنجايي که پلي پروپيلن داراي گرماي ويژه بالا (KJ/Kg-K2-6/1) وضريب هدايتي کم (J/m.s.k3/0-1/0) مي باشد ، لذا طول منطقه سرد کننده بعد از رشته ساز در مقايسه با اليافي مثل نايلون ويا پلي استر ، بايد طويل تر انتخاب گردد . به همين ترتيب سرعت هاي توليد بالاتر به منطقه سرد کننده طويل تري احتياج دارند . از اين رو ، طول ستون ريسندگي ممکن است به 10متر برسد .

با توجه به پائين بودن دماي ترانزيسيون ثانويه الياف الفيني از دماي اطاق ، تبلور الياف نه تنها در سرد شدن در ستون ريسندگي اوليه شکل مي گيرد بلکه اين فرآيند ممکن است بعداً هم روي بوبين ادامه پيدا مي کند بنابراين شرايط انجماد در ستون ريسندگي و همچنين شرايط نگهداري بوبين پس از توليد ، تبلور الياف الفيني را تحت تأثير خود قرار مي دهند تعداد روزنه هاي رشته سازهاي توليد کننده نخهاي فيلامنتي ممکن است با توجه فيلامنت هاي مورد احتياج بين 150- 10 متغير ميباشد رشته سازهايي که براي توليد الياف به منظور بريده شدن و مورد استفاده قرار گرفتن به صورت کوتاه ( استيپل) به کار گرفته ميشوند ممکن است تا 20000 روزنه داشته باشند

با توجه به سرعت توليد ، الياف توليد شده ممکن است تا 6 برابر طول اوليه خود کشيده شوند تا خواص مکانيکي مطلوب را بدست آورند . درجه کشش قابل کسب براي پلي پروپيلن پاراکريستالين بيشتر از پلي پروپيلن منو کلينيک مي باشد واين تفارت به مکانيک تغيير شکل مختلف براي ساختار منو کلينيک پاراکريستالين ربط داده شده است .
پديده هاي فيزيکي مهم در ذوب ريسي را مي توان به صورت زير خلاصه نمود:
-رفتار توده مذاب از نقطه نظر رئولوژي
-کاهش قطر جريان در روزنه رشته ساز
-سرمايش جريان
-تبلور وتشکيل ساختار ليف

با اعمال کشش به الياف بعد از ريسندگي اوليه ، نظم داخلي آنها افزايش يافته وتبلور بيشتري شکل مي گيرد . با توجه به دماي تبديل شيشه اي پائين اين نوع الياف ، کشش آنها با سرعت کم به مقدار 3تا8 برابر بدون گرمايش امکان پذير است.
کشش الياف بدون گرمايش به کشش سرد معروف است.براي افزايش سرعت کشش ،الياف پلي پروپيلن حرارت داده مي شوند .کشش همراه با گرمايش به کشش گرم معروف است.ساختار جديد بعد از کشش ، معمولاً با سرد نمودن الياف پايدار مي گردد.
الياف پلي پروپيلن با توجه به قيمت ارزانتر انها نسبت به الياف ديگر براي طيف گسترده اي از کاربرد ها مورد استفاده قرار گرفته اند .به عنوان مثال ،نخ کفپوش هاي از نوع تافتينگ،نخ خامه قالي ، الياف کفپوشهاي نمدي ،کاربردهاي نساحي الياف پلي پروپيلن را تشکيل مي دهند.کاربردهاي صنعتي پلي پروپيلن را طناب، منسوجات کشاورزي و***** ، منسوجات عمراني (کاربرد در عمران)گوني ،توري وموارد ديگري تشکيل مي دهند . براي کاربردهاي صنعتي هم از الياف پلي اتیلن استفاده مي شود

سبک بودن پلي اتیلن و پلي پروپيلن از آب وهمچنين عدم جذب آب توسط اين الياف ودر نتيحه عدم تغيير در خواص مکانيکي انها بر اثر تماس با رطوبت از خصوصيات بارز اين دو نوع ليف در مقايسه با الياف ديگر است.
الياف الفيني علاوه بر داشتن نهايت خاصيت آبگريزي ،در مقابل تعداد زيادي از اسيدهاي غير آلي ، بازها وحلال هاي آلي در دماي اطاق مقاوم باشند . اين خواص تا حدودي به وزن مولکولي بسيار بالاي اين الياف مربوط مي گردد. سولفوريک ونيتريک اسيد وهمچنين ديگر اسيدهاي قوي در دماهاي بالا قادر به تخريب پلي الفين ها مي باشند.پلي پروپيلن معمولي که به بازار عرضه مي گردد داراي مقدار زيادي مواد افزودني مي باشد .نمونه هايي از اين مواد که به منظور امکان پذير ساختن تولید پلي پروپيلن به ان اضافه مي گردند به قرار زير است :
ضد اسيد
مواد ضد اسيد مثل کلسيم ويا سديم استئارت نقش خنثي سازي بقاياي کاتاليست مورد استفاده قرار گرفته در مرحله پليمريزاسيون را به عهده دارند.در غير اينصورت امکان تشکيل اسيد وجود دارد که مي تواند مشکلاتي مثل اثر سوء بر دستگاههاي تبديل را به همراه داشته باشد.
ضد اکسيداسيون
مواد ضد اکسيداسيون به عنوان محافظت از پليمر در مقابل شکسته شدن ماکرومولکول در حين توليد و بعد از آن مورد استفاده قرار مي گيرند.فنل با ممانعت فضايي نمونه اي از مواد ضد دي اکسيداسيون (آنتي اکسيدان )مي باشد . لازم به ذکر است که عليرغم به همراه داشتن اين مواد افزودني ،پلي پروپيلن به عنوان اصلاح شده در نظر گرفته نمي شود.

عليرغم مزاياي چشمگير ، الياف پلي پروپيلن داراي سه مشکل عمده در رابطه با کاربرد خود بصورت زير مي باشند :
الف : دماي ذوب نسبتاً پائين:
تفاوت زياد بين دماي ذوب الياف پلي پروپيلن و ديگر الياف مثل پلي استر و پلي آميد ، کاربرد وسيعتر پلي پروپيلن را محدود ساخته است .
ب : تخريب بر اثر اکسيداسيون
وجود پيوند C-H نوع سوم د رپلي پروپيلن تخريب آنرا بر اثر اکسيداسيون شدت مي بخشد . گرما ونور به عنوان يک کاتاليست براي واکنش اکسيداسيون عمل مي نمايد . از اين رو ، مقاومت کم الياف پلي پروپيلن معمولي در مقابل نور و گرما ، عيب بزرگي براي آنها بشمار مي آيد . جذب اکسيژن توسط اين پليمر ، باعث شکستن ماکرومولکول و در نتيجه کاهش درجه پليمريزاسيون بر اثر تشکيل هيدروپراکسيدها در دماي بالا مي باشد . به همين علت ، در پليمريزاسيون آن از مواد ضد اکسيد کننده استفاده مي شود.
از نقطه نظر تخريب بر اثر گرما ، پلي پروپيلن به علت دارا بودن کربن نوع سوم در معرض خطر بيشتر نسبت به پلي اتيلن قرار دارد . نور خورشيد هم از طريق مکانيزم فتواکسيداسيون با اثري مشابه گرما باعث تخريب پلي الفين ها مي گردد . بخش ماوراي بنفش نور خورشيد نقش عمده اي در تخريب به عهده دارد . الياف ظريف سريعتر از الياف ضخيم تحت تأثير نور خورشيد قرار مي گيرند .

ج : عدم امکان رنگرزي با روشها متداول براي ديگر الياف
همان طور که قبلاً گفته شد با توجه با عدم وجود گروههاي قطبي در پلي پروپيلن ، اين ليف بدون اصلاح شدن قادر به قبول تعداد زيادي از رنگينه هاي مختلف نبوده و رنگرزي نوع معمولي آن امروزه به کمک رنگرزي توده انجام مي شود .
براي کاهش کمبودهاي پلي پروپيلن سعي شده است که اين نوع ليف ترموپلاستيک با توجه به هدف خاص اصلاح گردد . اين اصلاح ممکن است که خواص ديگري را نيز تحت تأثير خود قرار دهد . اصلاحات براي بهبود و حتي کسب خصوصيات ديگر ممکن است از طريق اصلاح شيميايي پليمر و يا اصلاح فيزيکي در مرحله توليد و يا بعد از آن انجام شود.