Os requisitos para qualidade de poliéster e secagem de cavacos em fiação de alta velocidade

Os requisitos de qualidade do poliéster e secagem de cavacos na fiação de alta velocidade

1. Requisitos para qualidade do poliéster

A fiação de poliéster pode ser categorizada em dois tipos: fiação direta por fusão e fiação de cavacos. Os diferentes fundidos e cavacos de poliéster afetam significativamente a qualidade da fiação e dos produtos acabados. As condições de fiação e a qualidade do POY (Fio Parcialmente Orientado) não estão apenas relacionadas ao peso molecular relativo do poliéster e sua distribuição, às propriedades reológicas do fundido e à capacidade térmica dos cavacos, mas também relacionadas ao conteúdo de partículas agregadas nos cavacos, ao resíduo dos catalisadores adicionados durante a polimerização, ao teor de cinzas, outras impurezas mecânicas e às características do TiO2 adicionado. Diferentes processos de fiação levam a diferentes situações de fiação e, portanto, têm diferentes requisitos para as matérias-primas. A fiação de alta velocidade tem os seguintes requisitos de qualidade do poliéster:

1. O teor de impurezas mecânicas e partículas agregadas no poliéster deve ser o mais baixo possível. O valor de flutuação da viscosidade característica do fundido deve idealmente ser inferior a 0,01, com valor central entre 0,63 e 0,68, com preferência ligeiramente superior. Uma viscosidade característica mais alta é benéfica para produzir um bom POY, mas a viscosidade excessiva pode levar a dificuldades de fiação e aumento da pilosidade.

2. A distribuição do peso molecular relativo do poliéster deve ser estreita, com um índice de distribuição α sendo pequeno (α < 2,2), e o peso molecular relativo médio deve ser moderado. Um α maior resulta em má formação de fiação, levando a pilosidade e fusão, muitos defeitos e flutuações significativas na viscosidade do fio não oleoso e na resistência da fibra. Um peso molecular relativo mais elevado permite que o polímero suporte alta tensão durante a fiação, o que é favorável. No entanto, se o peso molecular relativo for demasiado elevado, as longas cadeias moleculares podem não se desdobrar e endireitar facilmente, exigindo maior força para a orientação molecular, resultando potencialmente numa orientação incompleta. Por outro lado, se o peso molecular relativo for muito baixo, cadeias moleculares mais curtas podem quebrar sob tensão ao serem extrudadas da fieira e desenhadas para orientação. Portanto, o peso molecular relativo médio deve ser moderado. O peso molecular relativo do poliéster determina em grande parte o desempenho da fibra e tem um impacto significativo nas condições do processo de fiação. A faixa ideal para peso molecular relativo deve ser escolhida em uma região onde seja menos sensível às condições do processo de fiação e à qualidade do produto.

3. O desempenho de filtração do poliéster fundido deve ser bom. O desempenho de filtração do fundido de poliéster pode ser descrito e determinado usando a queda de pressão média ΔP durante um tempo definido G (em minutos) em uma área de filtração S (em m²). Seu valor A é denominado coeficiente de filtração, que é expresso da seguinte forma:

Se o valor de A for pequeno, indica um bom desempenho de filtração. Os chips com bom desempenho de filtração exibem uma fase de pressão inicial relativamente estável na saída do pré-filtro, que depois diminui gradualmente. Em contraste, o fraco desempenho de filtração não apresenta fase estável e a pressão cai rapidamente, muitas vezes de forma linear.

1. Baixo teor de poeira nos cavacos
   Um alto teor de poeira nos cavacos pode causar aderência severa na fieira, com fieiras novas apresentando fenômenos de aderência apenas 8 a 12 horas após o uso. Isto leva à deterioração na formação da fiação e pode até resultar em filamentos quebrados ou defeitos de bloco, encurtando a vida útil dos componentes da fiação. O acúmulo de poeira pode encher as janelas laterais, afetando a velocidade e a uniformidade do fluxo de ar de resfriamento, resultando em POY de baixa qualidade. O ponto de fusão do pó é 10 a 15°C superior ao dos cavacos normais, dificultando a fusão em temperaturas típicas de fiação. Além disso, a poeira contém uma quantidade considerável de material não fundido e partículas agregadas, o que prejudica a sua fiabilidade. Portanto, o teor de poeira nos cavacos deve ser inferior a 0,1%.

2. Minimize o conteúdo de gel nos chips
   O conteúdo de gel nos chips deve ser o mais baixo possível, eliminando especialmente os géis antigos. Os géis são poliésteres reticulados tridimensionalmente formados pelo craqueamento térmico do poliéster e não possuem ponto de fusão distinto. A degradação térmica do poliéster é influenciada por fatores como temperatura, tempo de residência e presença de oxigênio durante a produção. Portanto, o tempo de residência do fundido durante a polimerização e fiação deve ser minimizado, mantendo uma temperatura baixa quando possível, minimizando ao mesmo tempo o uso de recipientes e tubos que podem levar à degradação do polímero.

A presença do gel aumenta significativamente a quebra da fiação, resultando em longos filamentos escuros que rapidamente causam bloqueio nos pré-filtros e componentes. Os géis podem existir em três formas nos componentes de fiação:

1. Gel macio : Este tipo de gel se assemelha ao fundido sob condições típicas de processamento e possui boa fluidez. É um poliéster com período de geração curto e sem reticulação severa. Aparece como uma entidade fluorescente micro amarela misturada nos chips de poliéster, difícil de distinguir sob luz branca, mas visível sob luz UV. Sua presença leva à quebra da fiação, aumento da absorção do corante pela fibra e pior desempenho de filtração. Os meios de filtração finos não conseguem removê-lo, afetando negativamente o processo de centrifugação.

2. Gel Maduro : Este gel tem um período de crescimento mais longo e é mais resistente. Sob condições de processamento padrão, permanece um semissólido deformado, parecendo amarelado e às vezes marrom sob luz branca. Sua presença provoca graves quebras e aumento da absorção de corantes nas fibras. Normalmente pode ser filtrado usando meios de filtração finos, mas leva rapidamente ao bloqueio.

3. Old Gel : Este tipo tem um longo período de crescimento e reticulação significativa, tornando-o um sólido mais duro e sem fragilidade. Aparece como partículas marrom-escuras a pretas sob luz branca, assemelhando-se a material carbonizado. Estas chamadas partículas de núcleo preto, embora não ocorram com frequência, podem perturbar gravemente a estabilidade da fiação e a qualidade do produto. Eles podem levar ao rápido bloqueio dos pré-filtros, entupimento dos orifícios da fieira e aumento de defeitos no produto, portanto sua presença é inaceitável.

4. Minimizar Polímeros de Alto Cristal
   Os polímeros de alto cristal são porções de poliéster que possuem um ponto de fusão acima de 280°C e uma cristalinidade superior a 45% (em cavacos secos). Eles podem aparecer como núcleos brancos em chips úmidos e exibir fluorescência sob luz UV. Eles se formam quando o poliéster localizado permanece próximo à temperatura de fusão (260°C) por longos períodos durante a produção e a fiação. Devido ao seu alto ponto de fusão, eles são difíceis de derreter sob temperaturas típicas de fiação, podendo formar géis macios ou maduros nos componentes da fiação, levando à quebra e bloqueios rápidos. Se esses componentes com alto teor de cristais entrarem no fio, eles podem causar tingimento desigual, resistência à tração desigual e alongamento desigual, resultando em filamentos fracos e de baixa resistência.

5. Minimize os resíduos do catalisador
   Os catalisadores de esterificação e policondensação adicionados durante o processo de polimerização permanecem no fundido de poliéster (aparas), afetando a fiabilidade (desempenho de filtração). Portanto, é crucial selecionar catalisadores metálicos com impacto mínimo na capacidade de fiação durante a polimerização e usá-los com moderação para reduzir sua influência no desempenho da fiação. Atualmente, os óxidos de antimônio (Sb2O3) são comumente usados ​​como catalisadores de polimerização na produção de poliéster na China, com níveis de retenção variando de 2,0 a 4,5 ppm. A presença de antimônio pode afetar a cor do polímero; níveis mais altos podem reduzir o valor 'L' (aumentar o cinza), enquanto aumentam a incrustação dentro dos capilares da fieira, levando a mais quebras de fiação e redução da capacidade de fiação. Ao fiar fibras ultrafinas, é crucial usar chips de poliéster com baixo teor de catalisador, como o antimônio.

A redução da quantidade de catalisadores como o antimônio durante a polimerização depende do processo e do equipamento, bem como da qualidade e pureza dos catalisadores, principalmente do Sb2O3. Como o próprio antimônio e seus óxidos incompletos (Sb2O5) não têm efeito catalítico, a baixa pureza do Sb2O3 contendo quantidades significativas de antimônio metálico e seus óxidos exigiria maior utilização para o mesmo efeito catalítico, aumentando o teor de antimônio do polímero final. Problemas semelhantes são observados com outros catalisadores como manganês e cobalto, especialmente se estiverem envolvidos catalisadores de cálcio metálico, levando a depósitos mais significativos e maior impacto na fiabilidade.

1. Conteúdo mínimo de TiO2 para atender aos requisitos de opacidade
   O TiO2 afeta negativamente o desempenho da fiação, especialmente quando grandes partículas de TiO2 estão presentes. Anteriormente, o valor da adição na China era de 0,5%, agora revisado para 0,3%. Internacionalmente, os chips de poliéster semifosco normalmente têm taxas de adição de TiO2 de 0,15% a 0,3%. O TiO2 também tem dois efeitos adversos: serve como catalisador degradante do poliéster, promovendo sua degradação durante a fiação, e seus agregados são insolúveis em trietilenoglicol, dificultando a limpeza do filtro fundido. Além disso, o tamanho das partículas do TiO2 utilizado e suas características de emulsificação e dispersão em oligômeros de glicol e poliéster são cruciais. Se o tamanho da partícula de TiO2 exceder 0,3 μm ou se agregar facilmente na suspensão de glicol, isso resultará em partículas agregadas de TiO2 maiores que 0,3 μm, impactando significativamente a capacidade de fiação do poliéster.

2. Teor de Dietilenoglicol
   O teor geralmente varia de 0,7% a 1,5%, com preferência para quantidades maiores. O dietilenoglicol (DEG) é um subproduto da reação binária do álcool durante a polimerização, decorrente do excesso de etilenoglicol, juntamente com a adição intencional durante o processo de condensação. Embora a geração de DEG durante a polimerização seja inevitável, o controle adequado das condições de processamento pode ajustar seus níveis. Acredita-se que a adição intencional de DEG melhora a fiabilidade e a qualidade das fibras finais.

A quantidade de DEG no poliéster refere-se efetivamente ao conteúdo da ligação éter. As ligações éter em DEG podem alterar os segmentos de etilenoglicol nas macromoléculas de poliéster, aumentando assim o número de ligações éter. Como as ligações éter são grupos absorventes de corantes, elas podem aumentar a absorção de corantes pelas fibras de poliéster (que naturalmente contêm muito poucos grupos absorventes de corantes). Enquanto isso, a presença de ligações éter perturba o arranjo ordenado das macromoléculas. As ligações éter também têm boa polaridade, alta entropia e, portanto, podem diminuir o ponto de fusão e diminuir a cristalinidade, reduzindo correspondentemente a resistência da fibra. No entanto, um teor mais elevado de DEG aumenta o valor b (matiz amarelo) dos chips de poliéster, portanto este teor deve ser controlado. É importante ressaltar que a uniformidade do conteúdo de DEG é crucial. Se a quantidade for alta, mas não tiver uniformidade, ainda poderá prejudicar a fiabilidade e a consistência do tingimento nas fibras. Idealmente, a faixa de flutuação deve estar entre 0,05% e 0,1%.

Além disso, um aumento nas ligações éter reduz o ponto de fusão dos chips de poliéster e diminui a estabilidade da oxidação térmica; no entanto, não afeta a estabilidade térmica sob condições anóxicas. Poliésteres com alto teor de DEG apresentam cristalização mais pobre, levando a uma cristalização mais lenta durante a fiação, o que é benéfico para a produção de POY de baixa cristalinidade e alta orientação, melhorando a qualidade do DTY final.

1. Picos de cristalização por fusão
   O processo de fiação dos chips de poliéster abrange todas as mudanças que ocorrem durante a fusão, o resfriamento e a modelagem. A capacidade de cristalização do poliéster influencia não apenas a cristalinidade e a orientação das fibras, mas também é afetada pelas condições de fiação. A temperatura de cristalização de fusão e a altura do pico na curva DSC são indicadores significativos da capacidade de cristalização de um poliéster. Os resultados da análise térmica de seis amostras diferentes são mostrados na Tabela 10-2.

A partir da tabela, é evidente que a fiabilidade dos chips de poliéster está intimamente relacionada com a sua temperatura de cristalização de fusão e formato do pico. Chips com temperaturas de cristalização de fusão mais baixas e distribuições de pico mais amplas e planas apresentam melhor fiabilidade; por outro lado, chips com temperaturas de fusão mais altas e formatos de pico bem definidos apresentam menor fiabilidade. Geralmente, os chips de poliéster com temperaturas de cristalização de fusão em torno de 170-180°C são considerados como tendo boa fiabilidade. Se caracterizar a capacidade de rotação pelo valor de pico, os chips com valores de 0,5 a 1,0 são considerados melhores, enquanto aqueles abaixo de 0,5 apresentam capacidade de rotação fraca. Os fundidos de poliéster que cristalizam muito rapidamente ao sair da fieira formam rapidamente estruturas cristalinas, complicando a orientação paralela das macromoléculas e resultando em qualidade inferior da fibra. Nos processos de estiramento subsequentes, a fiação deve ocorrer em temperaturas mais elevadas, aumentando a dificuldade de deformação. Durante a termofixação adicional, a cristalização rápida geralmente produz grandes blocos cristalinos com estruturas cristalinas irregulares. Todos esses fatores podem levar à má qualidade do produto final. Portanto, é preferido um poliéster com uma temperatura de cristalização de fusão mais baixa e uma taxa de cristalização mais lenta.

2. Requisitos para secagem de cavacos

A temperatura de fiação para fiação de alta velocidade é geralmente 5 a 15°C mais alta do que para fiação convencional. Assim, o teor de umidade dos cavacos secos para fiação em alta velocidade deve ser menor para reduzir a hidrólise do fundido. Além disso, durante a fiação de alta velocidade, mesmo que pequenas quantidades de umidade estejam presentes no fundido, as bolhas resultantes podem ficar presas no fluxo fino de fundido expelido da fieira, levando a filamentos voadores ou defeitos ocultos dentro de filamentos individuais, causando pilosidade ou quebra durante o estiramento subsequente. Portanto, o teor de umidade dos cavacos secos deve ser inferior a 50 ppm, idealmente inferior a 30 ppm. Um maior teor de umidade afeta negativamente a viscosidade característica do fundido durante a fiação, piorando as condições de fiação. Para manter um bom estado de fiação, não só o teor de umidade dos cavacos secos deve atender aos requisitos, mas também deve ser uniforme.

Durante a secagem dos cavacos, a temperatura de secagem afeta tanto a eficiência quanto a qualidade dos cavacos secos. A temperatura de secagem deve garantir a evaporação completa e rápida da umidade, evitando reduções na viscosidade característica dos cavacos ou amarelecimento da tonalidade em temperaturas elevadas. Durante a secagem, a temperatura real dos cavacos não deve, idealmente, exceder 160°C, e a temperatura do ar quente de secagem não deve exceder 185°C. Aumentar o volume do ar de secagem e diminuir a umidade do ar de secagem pode ajudar a melhorar a eficiência da secagem. A escolha da temperatura e do tempo de pré-cristalização também deve ser adaptada aos diferentes equipamentos e materiais dos cavacos. Para chips que cristalizam rapidamente, devem ser empregadas temperaturas mais baixas e tempos de pré-cristalização mais curtos.