ما هو البوليستر في الواقع ولماذا تعتبر عملية التصنيع مهمة؟

البوليستر عبارة عن بوليمر صناعي ينتمي إلى عائلة راتنجات البوليستر، والأكثر شيوعًا هو البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET). إنها تمثل أكثر من 50% من إنتاج الألياف العالمي من حيث الحجم، مما يجعلها ألياف النسيج الأكثر تصنيعًا على نطاق واسع في العالم. إن فهم كيفية تصنيع ألياف البوليستر ليس مجرد تمرين أكاديمي - بل له آثار مباشرة على الجودة والمتانة وخصائص الأداء لخيوط البوليستر التي تنتهي في نهاية المطاف في الملابس والمفروشات والمنسوجات التقنية والتطبيقات الصناعية. تحدد عملية التصنيع كل شيء بدءًا من دقة الألياف وقوة الشد وحتى سلوك الرطوبة وقابلية الصبغ، كما أن الاختلافات في كل مرحلة من مراحل الإنتاج تخلق منتجات نهائية مختلفة بشكل كبير حتى عندما تبدأ جميعها من نفس نقطة البداية الكيميائية.

يتم إنتاج خيوط البوليستر من خلال سلسلة مستمرة من العمليات الكيميائية والميكانيكية التي تحول المواد الخام البتروكيماوية إلى خيوط رفيعة وقوية ومتعددة الاستخدامات. تعتمد كل مرحلة في العملية على المرحلة السابقة، ويتحكم مهندسو العمليات في العشرات من المعلمات - درجة الحرارة، ونسبة السحب، ومعدل التبريد، وسرعة الدوران - لضبط خصائص الألياف النهائية لاستخدامات نهائية محددة. تساعد معرفة هذه العملية المشترين والمصممين والمصنعين على اتخاذ قرارات أفضل بشأن نوع خيوط البوليستر التي سيتم تحديدها لتطبيق معين.

المواد الخام: حيث تبدأ ألياف البوليستر

يبدأ إنتاج ألياف البوليستر بمادتين خام بتروكيميائيتين أساسيتين: حمض التريفثاليك المنقى (PTA) ومونو إيثيلين جلايكول (MEG). يتم اشتقاق PTA من p-xilene، وهو هيدروكربون مستخرج من تكرير البترول وتكسير النافتا. يتم إنتاج MEG من أكسيد الإيثيلين، وهو مشتق من الإيثيلين يتم الحصول عليه من التكسير البخاري للنفط أو الغاز الطبيعي. كل من PTA وMEG عبارة عن مواد كيميائية سلعية يتم إنتاجها على نطاق صناعي ضخم ويتم نقلها بكميات كبيرة إلى منشآت تصنيع البوليستر.

في بعض طرق الإنتاج - خاصة المصانع القديمة أو الأصغر حجمًا - يتم استخدام ثنائي ميثيل تيريفثاليت (DMT) بدلاً من PTA، حيث يتفاعل مع MEG من خلال عملية الأسترة التبادلية بدلاً من الأسترة المباشرة. ومع ذلك، فإن طريق الأسترة المباشرة PTA-MEG هو السائد في إنتاج البوليستر الحديث على نطاق واسع لأنه أكثر كفاءة، ويولد عددًا أقل من المنتجات الثانوية، وينتج بوليمر بجودة أكثر اتساقًا. يؤثر اختيار مسار المواد الخام على توزيع الوزن الجزيئي للبوليمر النهائي، واللون، وملف الشوائب، وكلها تحمل عواقب على جودة الألياف والغزل.

البلمرة: بناء سلسلة بوليمر PET

الخطوة الكيميائية الأساسية في إنتاج ألياف البوليستر هي البلمرة، وهو التفاعل الذي يربط جزيئات المونومر الفردية في سلاسل بوليمر طويلة. في عملية الأسترة المباشرة، يتم تغذية PTA وMEG في مفاعل بنسبة مولية متحكم فيها (عادة حوالي 1:1.1 إلى 1:1.2) ويتفاعل عند درجات حرارة تتراوح بين 240 درجة مئوية و270 درجة مئوية تحت ضغط جوي أو مرتفع قليلاً. تنتج مرحلة الأسترة الأولية هذه ثنائي هيدروكسي إيثيل تيريفثاليت (BHET) والماء، الذي تتم إزالته باستمرار لدفع التفاعل نحو الاكتمال.

يخضع وسيط BHET بعد ذلك للتكثيف المتعدد في مرحلة مفاعل ثانية تحت فراغ عالٍ (أقل من 1 مللي بار) ودرجات حرارة مرتفعة تتراوح من 270 درجة مئوية إلى 290 درجة مئوية. في ظل هذه الظروف، ترتبط جزيئات BHET معًا، وتطلق MEG كمنتج ثانوي يتم استعادته وإعادة تدويره. يستمر تفاعل التكثيف المتعدد حتى يصل البوليمر إلى الوزن الجزيئي المستهدف، والذي يتم قياسه باللزوجة الجوهرية (IV). بالنسبة لألياف البوليستر المستخدمة في المنسوجات، يقع المستوى الوريدي عادة في حدود 0.60 إلى 0.68 ديسيلتر/جرام. يتم تحقيق قيم IV الأعلى - المستخدمة في الخيوط الصناعية التي تتطلب قوة شد أكبر - عن طريق تمديد وقت التكثيف المتعدد أو عن طريق خطوات بلمرة الحالة الصلبة الإضافية (SSP) التي يتم إجراؤها عند درجات حرارة منخفضة في الطور الصلب لتجنب التدهور الحراري.

خلال عملية البلمرة، تُستخدم أنظمة المحفزات - ثالث أكسيد الأنتيمون الأكثر شيوعًا، أو المحفزات القائمة على التيتانيوم، أو مركبات الجرمانيوم - لتسريع تفاعل التكثيف وتحقيق معدلات إنتاج قابلة للتطبيق تجاريًا. يتم إدخال إضافات مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) في هذه المرحلة للتحكم في الخصائص البصرية للألياف: يؤدي التحميل العالي لـ TiO₂ إلى إنتاج ألياف غير لامعة ومعتمة بينما يؤدي التحميل المنخفض أو عدم الإضافة إلى إنتاج خيوط شبه باهتة أو مشرقة تمامًا على التوالي.

غزل الذوبان: تحويل البوليمر إلى خيوط

بمجرد إنتاج البوليمر PET، يتم تحويله إلى ألياف من خلال الغزل المصهور - وهي عملية يتم فيها بثق البوليمر المنصهر من خلال ثقوب دقيقة في مغزال لتشكيل خيوط مستمرة. يتم قياس مادة PET المنصهرة، التي يتم الاحتفاظ بها عند درجة حرارة 280 درجة مئوية إلى 295 درجة مئوية تقريبًا، بواسطة مضخة تروس من خلال حزمة مرشح ثم من خلال لوحة المغزل. تم تصميم فتحات المغازل بدقة لتحمل تفاوتات ضيقة للغاية - يبلغ قطرها عادةً 0.2 إلى 0.4 مم - ويحدد شكل مقطعها العرضي المقطع العرضي للخيط. تنتج الثقوب المستديرة خيوطًا مستديرة؛ تنتج الثقوب الثلاثية أو الخماسية أو المجوفة أليافًا خاصة ذات انعكاس الضوء المعدل أو نقل الرطوبة أو الخصائص الحرارية.

عندما تخرج الخيوط المنصهرة من المغزل، فإنها تدخل على الفور إلى منطقة التبريد حيث يعمل تدفق الهواء الذي يتم التحكم في درجة حرارته على تبريدها وتصلبها بسرعة. يؤثر معدل وانتظام تبريد التبريد بشكل مباشر على تبلور واتجاه سلاسل البوليمر داخل الخيوط. الخيوط التي تبرد ببطء شديد تتطور إلى تبلور مفرط قبل السحب، مما يجعلها هشة؛ قد تكون الخيوط التي يتم إخمادها بسرعة كبيرة غير متبلورة للغاية وتفتقر إلى البنية الكافية للمعالجة اللاحقة. يقوم مهندسو العمليات بمعايرة درجة حرارة هواء التبريد وسرعته واتجاهه بعناية لإنتاج خيوط ذات توازن صحيح للبنية غير المتبلورة والبلورية لنوع الغزل المقصود.

الرسم والتوجيه: بناء القوة في الألياف

تتميز خيوط البوليستر المغزولة حديثًا (المغزولة أو الموجهة جزئيًا) بقوة شد منخفضة نسبيًا واستطالة عالية لأن سلاسل البوليمر لم تتم محاذاتها بعد على طول محور الألياف. يؤدي السحب - وهو مد الخيوط ميكانيكيًا فوق بكرات ساخنة - إلى محاذاة السلاسل الجزيئية وتوجيهها، مما يزيد بشكل كبير من قوة الشد ويقلل الاستطالة إلى مستويات مناسبة لاستخدام المنسوجات. إن نسبة السحب، التي تم تعريفها على أنها نسبة سرعة الإخراج إلى سرعة الإدخال عبر منطقة السحب، تتراوح عادة بين 3:1 و5:1 لخيوط البوليستر النسيجية.

الغزل الموجه جزئيًا (بوي) مقابل الغزل المسحوب بالكامل (فدي)

تحدد درجة الرسم المطبقة أثناء الغزل فئتين رئيسيتين من خيوط البوليستر. يتم غزل الخيوط الموجهة جزئيًا (POY) بسرعات عالية (3000-4000 م/دقيقة) ولكن لا يتم سحبها بالكامل أثناء مرحلة الغزل. يحتفظ POY بالاستطالة المتبقية ويستخدم بشكل أساسي كمواد خام لآلات سحب النسيج النهائية التي تقوم في نفس الوقت بسحب الخيوط وتركيبها. يتم غزل الخيوط المسحوبة بالكامل (FDY)، والتي تسمى أيضًا خيوط السحب الدورانية (SDY)، وسحبها بالكامل في خطوة آلة واحدة متكاملة بسرعات أعلى، مما ينتج غزلًا جاهزًا للنسيج المباشر أو الحياكة دون مزيد من المعالجة الميكانيكية. يتمتع FDY بمتانة أعلى واستطالة أقل وخصائص انكماش أكثر اتساقًا من POY بأعداد مكافئة.

إعداد الحرارة لاستقرار الأبعاد

بعد السحب، يتم ضبط الخيوط الموجهة بالحرارة عن طريق تمريرها فوق بكرات ساخنة أو من خلال أنبوب ساخن عند درجات حرارة تتراوح بين 130 درجة مئوية و220 درجة مئوية تحت شد متحكم فيه. يعمل الإعداد الحراري على تثبيت البنية البلورية للبوليمر وتخفيف الضغوط الداخلية التي تحدث أثناء الرسم، مما يقلل من ميل الخيوط إلى الانكماش عند تعرضها لاحقًا للحرارة أثناء الصباغة أو تشطيب القماش. بدون ضبط الحرارة بشكل مناسب، قد يظهر خيوط البوليستر انكماشًا مفرطًا عند الغليان مما يشوه أبعاد القماش أثناء المعالجة. تتم معايرة مدة ودرجة حرارة إعداد الحرارة بدقة بناءً على الاستخدام النهائي المقصود للخيط والعمليات النهائية التي سيواجهها.

التركيب: تحويل الخيوط المسطحة إلى غزل ناعم وضخم

تتميز خيوط خيوط البوليستر المسطحة والمرسومة بالكامل بسطح أملس وزلق وخصائص ذات حجم منخفض تحد من فائدتها في تطبيقات الملابس والمنسوجات المنزلية حيث يُتوقع النعومة والتمدد والجسم. تُدخل عمليات التركيب تجعيدًا ماديًا أو تجعيدًا أو تجميعًا في حزمة الخيوط، مما يحولها إلى خيوط ذات خصائص أقرب إلى الألياف الطبيعية. إن طريقة التركيب الأكثر استخدامًا للبوليستر هي التركيبة الزائفة، والتي يتم تطبيقها على مواد التغذية POY على آلات السحب والتركيب (آلات DTY).

في التركيبة الملتوية الزائفة، يتم رسم POY، ولفه بواسطة وحدة قرص احتكاك دوارة، ثم يتم ضبطه بالحرارة في الحالة الملتوية، ثم يتم فكه - مما يترك كل خيط مع تجعيد حلزوني دائم مغلق بواسطة المعالجة الحرارية. والنتيجة هي خيوط ذات ملمس سحب (DTY)، والتي تتمتع بكثافة ومرونة ونعومة أكبر بكثير من FDY المسطح ذي الكثافة الخطية المكافئة. DTY هو نوع الغزل المهيمن المستخدم في الأقمشة المحبوكة للملابس الرياضية والملابس غير الرسمية والأنسجة القابلة للتمدد. إن تركيب الهواء النفاث هو عملية بديلة تستخدم الهواء المضغوط عالي السرعة لتشكيل حلقات وتشابكات عشوائية على طول حزمة الخيوط، مما يؤدي إلى إنتاج خيوط ذات نسيج سطحي أكثر خشونة وأكثر شبهاً بالقطن المفضل في أقمشة التنجيد وأقمشة ملابس العمل.

إنتاج الألياف الأساسية: الطريق إلى غزل خيوط البوليستر

لا يتم إنتاج جميع ألياف البوليستر كخيوط خيوط مستمرة. يتم إنتاج ألياف البوليستر الأساسية (PSF) عن طريق جمع حزم كبيرة من الخيوط المغزولة بالذوبان في سحب ثقيل، ثم تجعيد السحب ميكانيكيًا في مكشكش صندوق الحشو لإدخال بنية موجية ثنائية الأبعاد، وتقطيعها إلى أطوال قصيرة (عادةً من 32 مم إلى 64 مم لغزل نظام القطن، أو 51 مم إلى 102 مم لغزل نظام الصوف)، ثم تجميعها في بالات لشحنها إلى مصانع الغزل. في مصنع الغزل، تتم معالجة ألياف البوليستر الأساسية باستخدام معدات الغزل الدائري، أو الغزل الدوار المفتوح، أو معدات الغزل الهوائية - غالبًا ما يتم مزجها مع القطن أو الفسكوز أو الصوف - لإنتاج خيوط بوليستر مغزولة بمظهر جمالي وأداء مختلف تمامًا عن خيوط الخيوط.

يتميز غزل البوليستر المغزول بسطح أكثر نعومة وشعرًا من خيوط الخيوط، ويمتص الصبغة بشكل متساوٍ في الخلطات، وينتج أقمشة ذات مقاومة أفضل للتكديس عندما يتم تحديد متانة الألياف ومستوى التجعيد بشكل صحيح. يحدد تردد التجعيد وسعة التجعيد المطبق أثناء إنتاج الألياف الأساسية بشكل مباشر مدى تشابك الألياف أثناء الغزل، مما يؤثر على تساوي الغزل وقوته ويد القماش. تنتج الألياف عالية التجعيد خيوطًا أكبر حجمًا وأكثر نعومة مناسبة لتطبيقات الصوف والحياكة، بينما تنتج الألياف منخفضة التجعيد خيوطًا أكثر دقة وأكثر تجانسًا للقمصان والأقمشة المنسوجة المخلوطة.

الاختلافات الرئيسية بين أنواع خيوط البوليستر الرئيسية

مجموعة متنوعة من طرق المعالجة الموصوفة أعلاه تنتج خيوط بوليستر ذات خصائص مختلفة بشكل كبير. يلخص الجدول التالي الفروق الرئيسية بين أنواع خيوط البوليستر التجارية الرئيسية للمساعدة في تحديد المنتج المناسب لتطبيق معين:

التشطيب ومراقبة الجودة قبل شحن خيوط البوليستر

قبل خيوط البوليستر بعد مغادرة منشأة التصنيع، فإنها تمر عبر سلسلة من خطوات التشطيب وضمان الجودة التي تضمن الاتساق عبر مجموعات الإنتاج. تعد عملية الدوران النهائية - وهي مادة تشحيم وعامل مضاد للكهرباء الساكنة يتم تطبيقها على سطح الفتيل مباشرة بعد التبريد بالتبريد - أمرًا بالغ الأهمية لقابلية المعالجة في العمليات النهائية. يتم التحكم بإحكام في تركيبة اللمسة النهائية ومستوى التطبيق لأن القليل من اللمسة النهائية يؤدي إلى كسر الفتيل في معدات اللف عالية السرعة، في حين أن الكثير منه يسبب لف الأسطوانة وامتصاص غير متساوٍ للصبغة. يتم فحص عبوات الخيوط النهائية بحثًا عن الدنير (الكثافة الخطية)، والمتانة، والاستطالة عند الكسر، وانكماش الغليان، وعدد الاختلاط (للخيوط المتعددة الشعيرات المتشابكة) مقابل حدود المواصفات قبل الموافقة على الشحن.

تعد إمكانية التتبع أيضًا ذات أهمية متزايدة في سلاسل توريد خيوط البوليستر الحديثة. يقوم المنتجون بتعيين أرقام الدفعة التي تربط كل حزمة غزل مرة أخرى بدفعة البوليمر المحددة وآلة الغزل ومعلمات العملية المستخدمة - وهي معلومات تسمح بتتبع مشكلات الجودة وتصحيحها بشكل منهجي. بالنسبة لخيوط البوليستر المعاد تدويرها (rPET)، المصنوعة من زجاجات PET بعد الاستهلاك أو نفايات الألياف ما بعد الصناعة، تؤكد خطوات التحقق الإضافية نسبة المحتوى المعاد تدويره ووثائق سلسلة الحضانة التي تتطلبها برامج اعتماد العلامة التجارية. إن فهم هذا التسلسل الكامل - بدءًا من PTA وMEG وحتى البلمرة والغزل المصهور والرسم والتركيب ومراقبة الجودة - يوفر صورة كاملة لكيفية تصنيع ألياف البوليستر ولماذا تشكل اختيارات التصنيع التي يتم اتخاذها في كل مرحلة غزل البوليستر الذي يؤدي في النهاية إلى المنتج النهائي.