Processo di produzione della fibra di PVA
Resumo executivo
O processo descrito produz fibra de álcool polivinílico (PVA) por extrusão de uma solução aquosa de PVA, quente e filtrada, através de uma fieira para dentro de um banho concentrado de sulfato de sódio. O sal remove água dos jatos de polímero líquido e provoca sua coagulação em filamentos contínuos. Esses filamentos são então estirados, secos sob tensão, submetidos a tratamento térmico e bobinados. O desempenho mecânico final depende fortemente da qualidade do polímero, da concentração e da viscosidade da solução, da composição e da temperatura do banho, da velocidade de fiação e da razão total de estiramento.
2. Fiação úmida e coagulação
A solução de fiação aquecida é enviada para uma máquina de fiação vertical. Ela é forçada através de milhares de pequenos orifícios da fieira para dentro de um tubo vertical preenchido com um banho aquoso de coagulação de sulfato de sódio. A água se difunde para fora dos jatos de PVA, e o banho salino concentrado converte os jatos líquidos em filamentos sólidos.
A geometria da fieira é selecionada de acordo com o produto requerido. Os exemplos do documento variam de 0,10 a 0,15 mm de diâmetro dos orifícios e de 2.000 a 60.000 furos.
No tubo vertical, o líquido de coagulação sobe a partir da base. A retirada dos filamentos e o transbordamento do banho são ajustados para que a coagulação ocorra de forma uniforme, sem perturbações hidrodinâmicas excessivas.
A configuração descrita mantém a velocidade do jato de polímero abaixo de cerca de 5 m/min e limita a diferença relativa de velocidade entre os filamentos e o banho ascendente.
A água que entra no banho a partir da solução de fiação é removida por um evaporador, enquanto o sulfato de sódio é reposto para manter a concentração necessária.
Controle do banho de coagulação
O primeiro banho normalmente opera próximo à saturação de sulfato de sódio, geralmente entre 40 e 50 °C.
Uma alta concentração de sulfato de sódio promove coagulação rápida, reduz a aderência mútua e, de modo geral, melhora a tenacidade.
Uma menor concentração do banho pode tornar a seção transversal da fibra mais circular, mas o processo se torna menos estável porque filamentos adjacentes podem aderir uns aos outros.
A temperatura do banho é crítica: abaixo da faixa recomendada a coagulação desacelera e o sulfato de sódio pode precipitar; o aumento da temperatura geralmente melhora a circularidade da seção transversal.
1. Preparação da solução de fiação
O pó de PVA bruto é armazenado, pesado e lavado com água fria para remover resíduos solúveis em água, especialmente acetato de sódio e hidróxido de sódio.
Após a lavagem, um decantador de rosca ajusta o teor de água antes que o material seja transferido para uma tremonha e dosado no dissolvedor.
Adiciona-se uma quantidade controlada de água. A mistura é aquecida com vapor até aproximadamente 100 °C e agitada por várias horas até a dissolução completa.
A solução industrial de fiação é normalmente mantida em cerca de 14-16% em massa de PVA. Um grau de polimerização próximo de 1.700 é identificado como típico para a produção industrial da fibra.
A solução passa por uma primeira filtro-prensa, um tanque aquecido de desaeração, um segundo filtro e um tanque de controle antes de chegar à máquina de fiação.
Para evitar a formação de gel e manter fluxo estável, os tanques de preparação e as tubulações são mantidos quentes; o documento indica temperaturas acima de 90 °C e viscosidade operacional em torno de 4-15 poise a 90 °C.
3. Estiramento, secagem e tratamento térmico
Após sair do primeiro banho de coagulação, o cabo de filamentos é puxado por rolos, estirado ao ar e passado por um segundo banho quente de sulfato de sódio para estiramento úmido a quente. A solução salina residual é espremida do cabo, e sua largura e espessura são uniformizadas antes da secagem.
Figura 4. Configurações de rolos Nelson e multietapas usadas para espalhar e secar o cabo úmido sob tensão (documento-fonte, página 7 do PDF).
A secagem é realizada sob tensão em sistemas de rolos aquecidos, usando ar quente circulante ou calor radiante.
O fluxo de processo mostrado no documento continua com estiramento adicional, tratamento térmico e bobinamento.
O estiramento alinha as cadeias moleculares do PVA e é essencial para aumentar a resistência. O documento descreve estiramento guiado, estiramento em rolos, estiramento úmido a quente em banho salino e estiramento a seco em atmosfera aquecida.
Uma alta velocidade inicial de fiação melhora a produtividade, mas reduz a razão de estiramento que pode ser aplicada posteriormente e pode diminuir a tenacidade. A produção de fibras de alta tenacidade, portanto, favorece uma velocidade de fiação relativamente baixa seguida de alta razão de estiramento.
4. Principais parâmetros operacionaismeter
Value indicated
5. Morfologia e desempenho da fibra
A fibra de PVA produzida por fiação úmida em banho de sulfato de sódio desenvolve uma característica estrutura pele-núcleo. A camada externa se forma primeiro e é relativamente densa, enquanto o interior permanece mais poroso nos estágios iniciais de coagulação e desidratação. As seções transversais resultantes costumam ser irregulares ou em forma de rim, em vez de perfeitamente circulares.
O aumento da concentração da solução de fiação de PVA geralmente melhora a circularidade da seção transversal, embora concentração excessivamente alta aumente a viscosidade e reduza a processabilidade.
O aumento da temperatura do banho de coagulação também torna a seção transversal mais circular.
Maior concentração de sulfato de sódio geralmente aumenta a tenacidade, enquanto concentração menor pode melhorar a circularidade, mas aumenta o risco de aderência entre filamentos.
O capítulo relata um resfriamento experimental em água fria após um banho de alta temperatura que aumentou a tenacidade de 7,13 para 10,4 g/d e o alongamento de 6,5% para 11,5%. Também observa que esse método de alta temperatura ainda não estava estabelecido para produção rotineira devido a dificuldades de equipamento e operação.
Sequência industrial simplificada
Pó de PVA → lavagem → desaguamento → dissolução → filtração → desaeração → segunda filtração → extrusão pela fieira → coagulação com sulfato de sódio → recolhimento → estiramento úmido a quente → remoção do sal / equalização do cabo → secagem sob tensão → estiramento adicional → tratamento térmico → bobinamento
O objetivo técnico essencial é equilibrar coagulação rápida e uniforme com estirabilidade suficiente. Temperatura estável da solução, composição do banho e velocidade de fiação controlada são, portanto, fatores centrais para obter fibras de PVA fortes e uniformes.
