A mesterséges szálak előállításának leggyakoribb módszerei

A természetes szálak már évszázadok óta jelen vannak az emberek életében. Felhasználásuk sokrétűségének köszönhetően az évek során egyre növekvő igény mutatkozott irántuk, melyet a természet már nem tudott biztosítani. Erre a problémára jelentett megoldást a mesterséges szálak megjelenése. Jelen cikkemben a mesterséges szálak leggyakoribb előállítási módszereiről, azok előnyeiről, valamint hátrányairól olvashatnak.

Definíció szerint szálaknak tekintjük azokat a kisméretű geometriai alakzatokat, melyek egyik dimenziója a másik kettőhöz képest nagyságrendekkel nagyobb. A szálaknak két csoportját különböztetjük meg, a természetes, valamint a mesterséges szálakat. A természetes szálakat az ember a saját környezetéből átalakítás nélkül nyeri; további csoportosítás szerint pedig lehetnek állati (pl.: gyapjú) vagy növényi eredetűen (pl.: pamut, len, kókuszrost). Ezzel szemben a mesterséges szálak között megkülönböztetünk természetes alapú (viszkóz), szintetikus (poliészter, poliamid), valamint szervetlen szálakat (üvegszál) is.

Mivel a mesterséges szálak jelentős részét foglalják el a természetes vagy szintetikus polimer alapú szálak, így cikkemben ezek előállítási technológiáit részletezem. A polimer szálak előállításának három leggyakoribb módszere az ömledékből történő, az oldatból levegőn történő, valamint a nedves szálképzés.

Ömledékből történő szálképzés

A szálak előállításának egyik legegyszerűbb módja az ömledékből történő szálképzés. A technológia során a polimer granulátumokat megömlesztik egy extruder segítségével, majd egy ömledék szivattyúval alakítják ki a folyamatos, azonos térfogatáramban történő ömledékáramlást. Az ömledékszűrő által megszűrt ömledék egy speciális, számos szabályozott átmérőjű furatot tartalmazó szerszámon, úgynevezett spinneret-en megy keresztül. (Érdekességként megjegyzendő, hogy a „spinneret” angol szó szó szerinti fordítása fonómirigyet jelent.) A polimer szálakat levegő segítségével megszilárdítják, majd tekercselik. A mesterséges szálak előállításakor a szálak átmérőjét a beállított térfogatáram és az elhúzás sebessége határozza meg. A technológia egyik előnye a termelékenysége, mindemellett nem szabad elfelejtenünk, hogy ebben a technológiában nincs hozzáadott oldószer, így ennek visszanyerése sem okoz további költségeket. Megemlítendő viszont, hogy számos szálgyártásra alkalmazandó polimer nem viseli el az ömledékből történő szálképzéshez szükséges magasabb hőmérsékletet, így az ezzel a technológiával feldolgozható polimerek száma erőteljesen korlátozott.

Title Page.indd

1. ábra Az ömledékből történő szálképzés vázlatos ábrája

2. ábra Különböző kialakítású spinneretek

2. ábra Különböző kialakítású spinneretek

Oldatból levegőn történő szálképzés

Ezen technológia első lépésként a polimerből megfelelő oldószer segítségével, adott töménységű oldatot készítenek. Az általában nagy viszkozitású oldatot a korábbiakban már ismertetett spinneret-en vezetik át, majd egy meleg levegős kamrában eltávolítják az oldószert, így létrehozva a kívánt szálat. Az oldószer kiválasztásakor több szempontot is figyelembe kell venni. Legfontosabb, hogy jó oldószere legyen a feldolgozni kívánt polimernek, mindemellett pedig alacsonyabb forráspontú (alacsonyabb hőmérsékleten történő elpárologtathatóság), termikusan stabil, lehetőleg inert és nem mérgező vegyület legyen. Az oldatból történő szálképzésre általánosságban jellemző, hogy az alkalmazott spinneret lyukátmérője kisebb az ömledékből történő szálképzéshez képest. Az oldatból levegőn történő szálképzés előnye, hogy az ömledékből történő szálképzéssel ellentétben, ezzel már hőérzékeny polimerek is feldolgozhatók, ráadásul az előző technológiához képest nagyobb sebességgel. A technológia hátránya értelem szerűen az oldószerigény, az elpárologtatott oldószer kondenzálásának, valamint recirkuláltatásának többletköltsége.

3. ábra Az oldatból levegőn történő szálképzés vázlatos ábrája

3. ábra Az oldatból levegőn történő szálképzés vázlatos ábrája

Nedves szálképzés

Az alábbi technológia nagymértékben hasonlít a fentebb említett, oldatból levegőn történő szálképzésre. A különbség a spinneretet követően található: a spinneret egy kicsapófürdőbe merül, mely a kicsapni kíván polimer egyik rossz, ám az polimer oldószerének jó oldószerét tartalmazza. Ebből következően a belépő polimer oldatból az oldószer a kádba diffundál, a polimer pedig kicsapódik. Az oldószer a szál felületéről történő eltávolítása érdekében legtöbbször további mosókádakat alkalmaznak. A technológia kiválóan alkalmazható erőteljesen hőérzékeny anyagok esetében, ám a koaguláló kád oldószereinek szétválasztása általában több további lépéssel oldható csak meg.

4. ábra A nedves szálképzés vázlatos ábrája

4. ábra A nedves szálképzés vázlatos ábrája

5. ábra Tipikus nedves szálképzésnél használt spinneret, mellyel több ezer elemi szál képezhető egyszerre

5. ábra Tipikus nedves szálképzésnél használt spinneret, mellyel több ezer elemi szál képezhető egyszerre

6. ábra Viszkóz előállítása laboratóriumban, nedves szálképzéssel. Látható, hogy a kicsapódás a spinneretet követően gyakorlatilag azonnal megtörténik. (A teljes kísérlet az alábbi videón tekinthető meg: https://www.youtube.com/watch?v=5QFOnZ3TLHQ)

6. ábra Viszkóz előállítása laboratóriumban, nedves szálképzéssel. Látható, hogy a kicsapódás a spinneretet követően gyakorlatilag azonnal megtörténik. (A teljes kísérlet az alábbi videón tekinthető meg: https://www.youtube.com/watch?v=5QFOnZ3TLHQ)

Összefoglalásként elmondható, hogy a mesterségesen előállított szálak technológiájának kiválasztása nagymértékben függ a feldolgozni kívánt polimer tulajdonságaitól. Az előállított polimer szálak megjelennek ruházati termékekben, szövetekben, sörtékben, továbbá szálerősítésű műanyag kompozitokban is, de akár életmentő golyóálló mellények is készülhetnek belőlük, melyekről a folytatásban olvashatnak.

Források:

http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/PolymerProcessing/FiberSpinning/FiberSpinning.html

http://www.tikp.co.uk/knowledge/technology/fibre-and-filament-production/

https://chayns1.tobit.com/SlitteRessource/Locations/57101/SlitteCustomTab/ContentImages/17771.JPG

https://www.degruyter.com/view/j/psr.2016.1.issue-7/psr-2016-0022/graphic/j_psr-2016-0022_fig_004.jpg

http://www.fi-techeurope.com/images/gallery/gallery/26-spinneret_wetspinning_enka_tecnica.jpg

https://www.youtube.com/watch?v=5QFOnZ3TLHQ