Los requisitos para la calidad del poliéster y el secado de virutas en el hilado de alta velocidad

Los requisitos para la calidad del poliéster y el secado de virutas en la hilatura de alta velocidad

1. Requisitos para la calidad del poliéster

La hilatura de poliéster se puede clasificar en dos tipos: hilatura directa por fusión y hilatura por viruta. Las diferentes masas fundidas y virutas de poliéster influyen significativamente en la calidad del hilado y del producto acabado. Las condiciones de hilado y la calidad del POY (Hilo Parcialmente Orientado) no sólo están relacionadas con el peso molecular relativo del poliéster y su distribución, las propiedades reológicas de la masa fundida y la capacidad calorífica de las virutas, sino también con el contenido de partículas agregadas en las virutas, el residuo de los catalizadores añadidos durante la polimerización, el contenido de cenizas, otras impurezas mecánicas y las características del TiO2 añadido. Diferentes procesos de hilatura conducen a diferentes situaciones de hilatura y, por tanto, tienen diferentes requisitos para las materias primas. El hilado de alta velocidad tiene los siguientes requisitos para la calidad del poliéster:

1. El contenido de impurezas mecánicas y partículas agregadas en el poliéster debe ser lo más bajo posible. Lo ideal es que el valor de fluctuación de la viscosidad característica de la masa fundida sea inferior a 0,01, con un valor central entre 0,63 y 0,68, con preferencia ligeramente superior. Una viscosidad característica más alta es beneficiosa para producir un buen POY, pero una viscosidad excesiva puede provocar dificultades de hilado y aumento de la vellosidad.

2. La distribución del peso molecular relativo del poliéster debería ser estrecha, siendo el índice de distribución α pequeño (α < 2,2), y el peso molecular relativo medio debería ser moderado. Un α mayor da como resultado una formación de hilatura deficiente, lo que provoca vellosidad y fusión, muchos defectos y fluctuaciones significativas en la viscosidad del hilo no aceitoso y la resistencia de la fibra. Un peso molecular relativo más alto permite que el polímero resista una alta tensión durante el hilado, lo cual es favorable. Sin embargo, si el peso molecular relativo es demasiado alto, es posible que las largas cadenas moleculares no se desplieguen ni se enderecen fácilmente, lo que requerirá una mayor fuerza para la orientación molecular, lo que podría dar como resultado una orientación incompleta. Por el contrario, si el peso molecular relativo es demasiado bajo, las cadenas moleculares más cortas pueden romperse bajo tensión cuando se extruyen de la hilera y se extraen para orientarlas. Por tanto, el peso molecular relativo medio debería ser moderado. El peso molecular relativo del poliéster determina en gran medida el rendimiento de la fibra y tiene un impacto significativo en las condiciones del proceso de hilatura. El rango óptimo para el peso molecular relativo debe elegirse en una región donde sea menos sensible a las condiciones del proceso de hilatura y a la calidad del producto.

3. El rendimiento de filtración de la masa fundida de poliéster debería ser bueno. El rendimiento de filtración de la masa fundida de poliéster se puede describir y determinar utilizando la caída de presión promedio ΔP durante un tiempo establecido G (en minutos) en un área de filtración S (en m²). Su valor A se denomina coeficiente de filtración, el cual se expresa de la siguiente manera:

Si el valor de A es pequeño, indica un buen rendimiento de filtración. Los chips con un buen rendimiento de filtración presentan una fase de presión inicial relativamente estable en la salida del prefiltro, que luego disminuye gradualmente. Por el contrario, un rendimiento de filtración deficiente no muestra una fase estable y la presión cae rápidamente, a menudo de manera lineal.

1. Bajo contenido de polvo en las astillas
   Un alto contenido de polvo en las astillas puede causar una fuerte adherencia en la hilera; las hileras nuevas muestran fenómenos de adherencia apenas de 8 a 12 horas después de su uso. Esto conduce al deterioro de la formación de hilatura e incluso puede provocar roturas de filamentos o defectos en el bloque, acortando la vida útil de los componentes de hilatura. La acumulación de polvo puede llenar las ventanas laterales, afectando la velocidad y la uniformidad del flujo de aire de enfriamiento, lo que resulta en un POY de mala calidad. El punto de fusión del polvo es entre 10 y 15 °C más alto que el de las virutas normales, lo que dificulta su fusión a las temperaturas típicas de hilatura. Además, el polvo contiene una cantidad considerable de material no fundido y partículas agregadas, lo que empeora su capacidad de hilatura. Por tanto, el contenido de polvo en las virutas debe ser inferior al 0,1%.

2. Minimizar el contenido de gel en las virutas
   El contenido de gel en las virutas debe ser lo más bajo posible, eliminando especialmente los geles viejos. Los geles son poliésteres reticulados tridimensionalmente formados por craqueo térmico del poliéster y no tienen un punto de fusión definido. La degradación térmica del poliéster está influenciada por factores como la temperatura, el tiempo de residencia y la presencia de oxígeno durante la producción. Por lo tanto, se debe minimizar el tiempo de residencia de la masa fundida durante la polimerización y el hilado, manteniendo una temperatura baja cuando sea posible, minimizando al mismo tiempo el uso de recipientes y tuberías que puedan conducir a la degradación del polímero.

La presencia de gel aumenta significativamente la rotura del hilado, lo que da como resultado filamentos largos y oscuros que rápidamente causan bloqueo en los prefiltros y componentes. Los geles pueden existir en tres formas en los componentes de hilatura:

1. Gel tierno : este tipo de gel se parece al fundido en condiciones de procesamiento típicas y tiene buena fluidez. Es un poliéster con un período de generación corto y no fuertemente reticulado. Aparece como una entidad micro fluorescente amarilla mezclada con chips de poliéster, difícil de distinguir bajo luz blanca pero visible bajo luz ultravioleta. Su presencia provoca roturas en el hilado, mayor absorción de tinte de fibra y peor rendimiento de filtración. Los medios de filtración finos no pueden eliminarlo, lo que afecta negativamente el proceso de hilado.

2. Gel Maduro : Este gel tiene un periodo de crecimiento más largo y es más resistente. En condiciones de procesamiento estándar, permanece como un semisólido deformado, con un aspecto amarillento y a veces marrón bajo luz blanca. Su presencia provoca roturas graves y una mayor absorción de colorante en las fibras. Por lo general, se puede filtrar utilizando medios de filtración finos, pero rápidamente provoca una obstrucción.

3. Gel viejo : este tipo tiene un largo período de crecimiento y una importante reticulación, lo que lo convierte en un sólido más duro y sin fragilidad. Aparece como partículas de color marrón oscuro a negro bajo la luz blanca, asemejándose a un material carbonizado. Estas denominadas partículas de núcleo negro, aunque no ocurren con frecuencia, pueden alterar gravemente la estabilidad del hilado y la calidad del producto. Pueden provocar un rápido bloqueo de los prefiltros, la obstrucción de los orificios de la hilera y un aumento de defectos en el producto, por lo que su presencia es inaceptable.

4. Minimizar los polímeros con alto contenido de cristal
   Los polímeros con alto contenido de cristal son porciones de poliéster que tienen un punto de fusión superior a 280 °C y una cristalinidad superior al 45 % (en astillas secas). Pueden aparecer como núcleos blancos en chips húmedos y exhibir fluorescencia bajo luz ultravioleta. Estos se forman cuando el poliéster localizado permanece cerca de la temperatura de fusión (260°C) durante períodos prolongados durante la producción y el hilado. Debido a su alto punto de fusión, son difíciles de fundir bajo las temperaturas típicas de hilatura, lo que puede formar geles tiernos o geles maduros en los componentes de hilatura, lo que provoca roturas y bloqueos rápidos. Si estos componentes con alto contenido de cristal ingresan al hilo, pueden causar un teñido desigual, una resistencia a la tracción desigual y un alargamiento desigual, lo que resulta en filamentos débiles y de baja resistencia.

5. Minimizar los residuos de catalizadores
   Los catalizadores de esterificación y policondensación agregados durante el proceso de polimerización permanecen en la masa fundida de poliéster (chips), lo que afecta la capacidad de hilatura (rendimiento de filtración). Por lo tanto, es crucial seleccionar catalizadores metálicos con un impacto mínimo en la capacidad de hilado durante la polimerización y usarlos con moderación para reducir su influencia en el rendimiento del hilado. Actualmente, los óxidos de antimonio (Sb2O3) se utilizan comúnmente como catalizadores de polimerización en la producción de poliéster en China, con niveles de retención que oscilan entre 2,0 y 4,5 ppm. La presencia de antimonio puede afectar el color del polímero; niveles más altos pueden reducir el valor 'L' (aumentar el tono gris), al tiempo que aumentan la incrustación dentro de los capilares de la hilera, lo que provoca más roturas en la hilatura y una menor capacidad de hilatura. Al hilar fibras ultrafinas, es fundamental utilizar virutas de poliéster con bajo contenido de catalizadores como el antimonio.

La reducción de la cantidad de catalizadores como el antimonio durante la polimerización depende del proceso y el equipo, así como de la calidad y pureza de los catalizadores, particularmente Sb2O3. Dado que el antimonio en sí y sus óxidos incompletos (Sb2O5) no tienen efecto catalítico, la baja pureza del Sb2O3 que contiene cantidades significativas de antimonio metálico y sus óxidos requeriría un mayor uso para el mismo efecto catalítico, elevando el contenido de antimonio del polímero final. Se observan problemas similares con otros catalizadores como el manganeso y el cobalto, especialmente si se trata de catalizadores de calcio metálico, lo que genera depósitos más importantes y un mayor impacto en la capacidad de hilatura.

1. Contenido mínimo de TiO2 para cumplir con los requisitos de opacidad
   El TiO2 afecta negativamente el rendimiento del hilado, especialmente cuando hay partículas grandes de TiO2 presentes. Anteriormente, la cantidad adicional en China era del 0,5%, ahora revisada al 0,3%. A nivel internacional, las virutas de poliéster semimate suelen tener tasas de adición de TiO2 del 0,15 % al 0,3 %. El TiO2 también tiene dos efectos adversos: sirve como catalizador de degradación del poliéster, promoviendo su degradación durante el hilado, y sus agregados son insolubles en trietilenglicol, lo que dificulta la limpieza del filtro de fusión. Además, el tamaño de partícula del TiO2 utilizado y sus características de emulsificación y dispersión en oligómeros de glicol y poliéster son cruciales. Si el tamaño de las partículas de TiO2 excede los 0,3 μm o se agrega fácilmente en una suspensión de glicol, se producen partículas agregadas de TiO2 de más de 0,3 μm, lo que afecta significativamente la capacidad de hilatura del poliéster.

2. Contenido de dietilenglicol
   El contenido generalmente oscila entre 0,7% y 1,5%, con preferencia por cantidades más altas. El dietilenglicol (DEG) es un subproducto de la reacción binaria del alcohol durante la polimerización, que surge del exceso de etilenglicol, junto con la adición intencional durante el proceso de condensación. Aunque la generación de DEG durante la polimerización es inevitable, un control adecuado de las condiciones de procesamiento puede ajustar sus niveles. Se cree que la adición intencional de DEG mejora la capacidad de hilatura y la calidad de las fibras finales.

La cantidad de DEG en el poliéster se refiere efectivamente al contenido de enlaces éter. Los enlaces éter en DEG pueden alterar los segmentos de etilenglicol en las macromoléculas de poliéster, aumentando así el número de enlaces éter. Dado que los enlaces éter son grupos absorbentes de tinte, pueden mejorar la absorción de tinte de las fibras de poliéster (que naturalmente contienen muy pocos grupos absorbentes de tinte). Mientras tanto, la presencia de enlaces éter altera la disposición ordenada de las macromoléculas. Los enlaces de éter también tienen buena polaridad, alta entropía y, por lo tanto, pueden reducir el punto de fusión y disminuir la cristalinidad, reduciendo correspondientemente la resistencia de la fibra. Sin embargo, un mayor contenido de DEG aumenta el valor b (tono amarillo) de las virutas de poliéster, por lo que este contenido debe controlarse. Es importante destacar que la uniformidad del contenido de DEG es crucial. Si la cantidad es alta pero carece de uniformidad, aún puede afectar la capacidad de hilado y la consistencia del teñido en las fibras. Idealmente, el rango de fluctuación debería estar entre el 0,05% y el 0,1%.

Además, un aumento de los enlaces éter reduce el punto de fusión de las virutas de poliéster y reduce la estabilidad a la oxidación térmica; sin embargo, no afecta la estabilidad térmica en condiciones anóxicas. Los poliésteres con alto contenido de DEG muestran una cristalización más pobre, lo que lleva a una cristalización más lenta durante el hilado, lo que es beneficioso para producir POY de baja cristalinidad y alta orientación, mejorando la calidad del DTY final.

1. Picos de cristalización de fusión
   El proceso de hilado de virutas de poliéster abarca todos los cambios que ocurren desde la fusión hasta el enfriamiento y la conformación. La capacidad de cristalización del poliéster influye no sólo en la cristalinidad y orientación de las fibras, sino que también se ve afectada por las condiciones de hilado. La temperatura de cristalización de fusión y la altura del pico en la curva DSC son indicadores importantes de la capacidad de cristalización de un poliéster. Los resultados del análisis térmico de seis muestras diferentes se muestran en la Tabla 10-2.

De la tabla se desprende claramente que la capacidad de hilado de las virutas de poliéster está estrechamente relacionada con su temperatura de cristalización de fusión y su forma de pico. Los chips con temperaturas de cristalización de fusión más bajas y distribuciones de picos más anchas y planas exhiben una mejor capacidad de hilado; por el contrario, las virutas con temperaturas de fusión más altas y formas de picos muy definidas muestran una capacidad de hilado peor. Generalmente, se considera que las virutas de poliéster con temperaturas de cristalización de fusión de alrededor de 170-180°C tienen buena capacidad de hilatura. Si se caracteriza la capacidad de hilado por su valor máximo, las fichas con valores de 0,5 a 1,0 se consideran mejores, mientras que aquellas por debajo de 0,5 muestran una capacidad de hilado deficiente. El poliéster fundido que cristaliza demasiado rápido al salir de la hilera forma rápidamente estructuras cristalinas, lo que complica la orientación paralela de las macromoléculas y da como resultado una calidad inferior de la fibra. En procesos de estiramiento posteriores, el hilado debe ocurrir a temperaturas más altas, aumentando la dificultad de deformación. Durante el termofijado adicional, la cristalización rápida a menudo produce grandes bloques cristalinos con estructuras cristalinas desiguales. Todos estos factores pueden provocar una mala calidad en el producto final. Por lo tanto, se prefiere un poliéster con una temperatura de cristalización de fusión más baja y una velocidad de cristalización más lenta.

2. Requisitos para el secado de virutas

La temperatura de hilatura para la hilatura de alta velocidad es generalmente de 5 a 15°C más alta que para la hilatura convencional. Por tanto, el contenido de humedad de las virutas secas para el hilado a alta velocidad debe ser menor para reducir la hidrólisis en estado fundido. Además, durante el hilado a alta velocidad, si incluso cantidades mínimas de humedad están presentes en la masa fundida, las burbujas resultantes pueden quedar atrapadas en la fina corriente de masa fundida expulsada de la hilera, lo que provoca filamentos voladores o defectos ocultos dentro de los filamentos individuales, provocando vellosidad o rotura durante el estiramiento posterior. Por lo tanto, el contenido de humedad de las virutas secas debe ser inferior a 50 ppm, idealmente inferior a 30 ppm. Un mayor contenido de humedad afecta negativamente a la viscosidad característica de la masa fundida durante el hilado, empeorando las condiciones de hilado. Para mantener un buen estado de hilatura, el contenido de humedad de las virutas secas no sólo debe cumplir con los requisitos, sino que también debe ser uniforme.

Durante el secado de virutas, la temperatura de secado afecta tanto a la eficiencia como a la calidad de las virutas secas. La temperatura de secado debe asegurar la completa y rápida evaporación de la humedad evitando al mismo tiempo reducciones en la viscosidad característica de las virutas o el amarilleo de la tonalidad a temperaturas elevadas. Durante el secado, lo ideal es que la temperatura real de las virutas no supere los 160°C y la temperatura del aire caliente de secado no supere los 185°C. Aumentar el volumen de aire de secado y reducir la humedad del aire de secado puede ayudar a mejorar la eficiencia del secado. La elección de la temperatura y el tiempo de precristalización también debe adaptarse a los diferentes equipos y materiales de los chips. Para chips que cristalizan rápidamente, se deben emplear temperaturas más bajas y tiempos de precristalización más cortos.