التثبيت الحراري

التثبيت الحراري مصطلح يُستخدم في صناعة النسيج لوصف عملية حرارية تتم عادةً في جو من البخار أو في بيئة جافة . تُكسب هذه العملية الألياف أو الخيوط أو الأقمشة ثباتًا في الأبعاد، وغالبًا ما تُكسبها خصائص مرغوبة أخرى مثل زيادة الحجم، ومقاومة التجعد، ومقاومة درجات الحرارة العالية. كما يُستخدم التثبيت الحراري في كثير من الأحيان لتحسين خصائص العمليات اللاحقة.

يمكن للمعالجة الحرارية أن تقضي على ميل الخيوط إلى الالتواء غير المرغوب فيه. ففي عمليات اللف واللف والنسيج والتطريز والحياكة، قد يؤدي ازدياد ميل الخيوط إلى الالتواء إلى صعوبات في معالجتها. عند استخدام المعالجة الحرارية لخيوط السجاد ، لا تقتصر النتائج المرجوة على تقليل الالتواء فحسب، بل تشمل أيضًا تثبيت خيوط الألياف. ويُعد كل من تثبيت اللف وتثبيت تأثير الفريزي من نتائج عملية المعالجة الحرارية. تُفيد المعالجة الحرارية الخيوط الأساسية وخيوط الشعيرات المستمرة (BCF). غالبًا ما تؤدي المعالجة الحرارية إلى زيادة حجم الألياف الاصطناعية أيضًا، ويُطلق على هذه الزيادة في الحجم عادةً اسم "زيادة الحجم". تُعرف جميع العمليات التي تستخدم درجة الحرارة و/أو الرطوبة لمنح المنسوجات إحدى الخصائص المذكورة أعلاه باسم المعالجة الحرارية. أما مصطلح "التثبيت الحراري" فهو أقل شيوعًا. في صناعة السجاد، تُسمى هذه العملية حصريًا "المعالجة الحرارية".

يعود ميل الخيوط للتجعد إلى الظروف التقنية لإنتاج الخيوط المغزولة وخصائص الألياف الفيزيائية . وبالأخص، تُقصد بـ"الظروف التقنية لإنتاج الخيوط المغزولة" عزم دوران الخيط. يحاول الخيط الملتوي دائمًا فكّ التواءه عندما يتدلى بحرية بين نقطتين ثابتتين على شكل حلقة. وفي هذه العملية، يفقد جزءًا من التواءه الأصلي، مُشكّلًا حلزونات يكون اتجاه التواءها معاكسًا لاتجاه الالتواء الأصلي. يحدث هذا التطور في الالتواء في الاتجاه المعاكس عندما يحاول الخيط الملتوي الوصول إلى حالة التوازن.

يحدث الالتواء في الاتجاه المعاكس نتيجةً للشد الناتج عن التواء الخيط، كما أوضح مولر في مخطط الشد والضغط. يزداد الشد الكلي المؤثر عكس الالتواء مع ازدياد الالتواء، وذلك بسبب ازدياد الشد والضغط على حزمة الألياف في الخيط. وقد يصبح هذا الشد قويًا لدرجة أن لب الخيط ينثني عندما يعجز عن تحمل إجهادات الضغط. يلتف الخيط، أي أنه يحاول الوصول إلى حالة توازن حيث تتوازن الالتواءات في الاتجاه المعاكس لاتجاه الالتواء الأصلي مع عزم الخيط. تُسمى هذه الالتواءات أيضًا بالالتواءات السالبة. في حالة التوازن هذه، تلغي قوى الشد الالتوائية الداخلية بعضها بعضًا. ينثني الخيط دائمًا عند نقطة يكون فيها المقطع العرضي صغيرًا بسبب عدم انتظام الخيط. أثناء عملية الغزل، تستوعب هذه النقطة عددًا أكبر من الالتواءات، وبالتالي تتعرض لقوى شد داخلية أعلى، مما يؤدي في النهاية إلى كسر لب الخيط. على الرغم من أن الخيوط السميكة أقل التواءً من الخيوط الرفيعة، إلا أن الشد الداخلي يزداد عكسيًا مع حجم الخيط. تضعف عملية التبخير الخيوط الأصغر حجماً بشكل أكبر. ومن الجوانب الإيجابية الأخرى للتبخير تقليل التجعيد، وفي الوقت نفسه، تثبيت الخصائص الفيزيائية للخيوط من حيث التماسك والتمدد التي اكتسبتها من عملية اللف.

تختلف سلوكيات التبخير اختلافاً جذرياً باختلاف نوع خيوط الصوف. هناك معلومات كثيرة معروفة عن تبخير خيوط الصوف، لكن لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث حول سلوك التبخير للألياف الصناعية والقطن.

صوف

بمجرد دخول البخار، ترتفع نسبة الرطوبة في الخيوط فورًا، نتيجةً لتسخين الخيوط وتكثف البخار. ووفقًا لسبيكمان، يمكن ملاحظة الظواهر التالية في ألياف الصوف الممدودة: تخضع السلاسل الجانبية للسيستين للتحلل المائي عند جسر الكبريت، حيث يذوب السيستين إلى سيستين وحمض سلفونيك لم يُعزل بعد.

يمكن ملاحظة تأين عند الروابط الناتجة عن تحرر الملح. وبسبب ارتفاع درجة حرارة الألياف أثناء التبخير، يحدث تذبذب في الجزيئات يؤدي إلى انفجار الروابط الهيدروجينية؛ فتتحرر تكافؤات متبقية قادرة على التشبع بجزيئات الماء ثنائية القطب. يعمل الماء بعد ذلك كمادة تشحيم بين الجزيئات. وهكذا، تذوب روابط السلاسل الرئيسية بفعل السلاسل الجانبية، وتتحرك سلاسل البولي ببتيد الفردية باتجاه بعضها البعض، وتستقر التوترات (انظر الشكل 4). عند استمرار تبخير الخيوط، تتشكل سلاسل جانبية جديدة بين مكونات السلاسل الرئيسية. وعندما تجف الخيوط نهائيًا، أي عند الوصول إلى توازن الرطوبة داخلها، يتحرر الملح مرة أخرى وتتشكل روابط هيدروجينية. عندها، لا يمكن تحريك سلاسل البولي ببتيد الفردية باتجاه بعضها البعض، وتستعيد الألياف تماسكها السابق، ولكن دون وجود توترات ملحوظة في الداخل.

يتم تحديد درجة برم الخيوط، سواء كانت خيوطًا عادية أو مزدوجة. وبالطبع، يجب مراعاة البنية المورفولوجية للألياف عند معادلة الشد عن طريق التبخير. ولأن ألياف الصوف تصل بسرعة إلى درجة الحرارة اللازمة لكسر الروابط الهيدروجينية والبخار اللازم لتحليل روابط السيستين، فإنه من الممكن تعديل درجة البرم بسرعة نسبية، وهو ما يتوافق تقريبًا مع قيم الخيوط المعالجة في الأوتوكلاف؛ ومع ذلك، فإن جودة التبخير في عملية ستيماتيك أفضل بكثير من حيث تجانس امتصاص الرطوبة.

ألياف صناعية

يمكن تقسيم الألياف الاصطناعية إلى نطاقين: النطاق البلوري (المنضبط) والنطاق غير البلوري (غير المنضبط). في النطاق البلوري، تعمل قوى التجاذب الفيزيائية بين خطوط البوليمر المتوازية بشكل وثيق . هذه القوى، التي تعمل بشكل عرضي على محور الليف، تُشكل تماسك الليف. عند تطبيق شد على الليف، تمنع هذه القوى الليف من الانكسار.

في المقابل، تعمل مناطق الألياف غير المتبلورة كروابط بين الألياف، وهي المسؤولة عن قوة انحناء الألياف. إضافةً إلى ذلك، تسمح هذه المناطق بدخول الماء أو الصبغة.

أثناء عملية التبخير، يؤدي تسخين الألياف إلى بدء تذبذب جزيئاتها. وتؤدي زيادة التذبذب، التي تتأثر بدرجة التسخين ومدته، إلى إضعاف الروابط الكهربائية في الألياف؛ أولًا في المناطق غير المتبلورة، ثم في المناطق المتبلورة، وأخيرًا في البوليمرات. وكما هو الحال مع الصوف، تتحرر الضغوط الناتجة عن الغزل . وأثناء تجفيف الألياف أو تبريدها ، تُعاد بناء قوى الترابط دون وجود ضغوط في الجزء الداخلي.

تكمن مشكلة الألياف الاصطناعية في أن انخفاض قوى الربط يحدث فقط بين ما يسمى بنقطة التشوه (بداية تحويل مجالات الألياف الصلبة المتصلبة - غير المتبلورة - إلى حالة لزجة مرنة - قابلة للتشوه بسهولة) ونقطة التشوه (تتحول مجالات الألياف البلورية إلى حالة لزجة مرنة أيضًا) والتي تقع في نطاق درجة حرارة مرتفع نسبيًا.

درجة حرارة التحول الزجاجي - ونقطة تشوه الألياف الاصطناعية

مادة	نقطة التشوه	درجة حرارة التشوه
بوليستر	80-85  درجة مئوية	230-240  درجة مئوية
نايلون 6	80-85  درجة مئوية	180-200  درجة مئوية
نايلون 66	90-95  درجة مئوية	220-235  درجة مئوية

وهذا يفسر أيضاً صعوبة تثبيت الصوف المخلوط بالألياف الصناعية مقارنةً بالصوف الخالص. إذ لا يمكن تثبيت الألياف الصناعية إلا عند درجات حرارة تتجاوز 85 إلى 95  درجة مئوية، بينما يثبت الصوف الخالص جيداً عند هذه الدرجات.

تتحسن جودة السجاد ذي الوبر المقطوع بشكل ملحوظ بتقليل التوتر الداخلي في الخيوط. وتنتج هذه الفائدة الأساسية عن تأثيرات التبخير والمعالجة الحرارية.

تعريف طرف الإصبع (تعريف طرف الإصبع بدقة)

عادةً، عند قص الخيوط، تتلف أطرافها كما تتلف أطراف الجدائل أو الحبال عند قصها، مُشكلةً ما يشبه الفرشاة. يجب تجنب هذا التلف في السجاد ذي الوبر المقطوع بكل الوسائل. فالسجاد ذو الوبر المقطوع ذي أطراف الخيوط المتلفة يُعطي مظهرًا رديئًا، وعمرًا أقصر، ويُسبب عيوبًا في راحة المستخدم، كما أثبتت الدراسات العلمية. هذا النوع من السجاد أقل مرونة، ولا يمتص خطوات المستخدم بكفاءة السجاد المُعالج حراريًا. أما السجاد المصنوع من خيوط مُعالجة حراريًا فهو أكثر جاذبية، ومتانة، وراحة للمستخدم. وتُعد القيمة المضافة للسجاد المُعالج حراريًا كبيرة. عادةً ما يُمكن تمييز السجاد المُعالج حراريًا من خلال بنيته الخشنة، والتي تُسمى في هذا المجال "تحديد الأطراف الدقيقة". ويُشبه مظهر أطراف الوبر المقطوع هذه النقاط الدقيقة.

تُعرف في صناعة النسيج عدة عمليات مختلفة للتثبيت الحراري، وسنعرض هنا أهمها.

ضبط درجة حرارة جهاز التعقيم بالبخار

تُعدّ عملية التثبيت الحراري في الأوتوكلاف أقدم عمليات تثبيت الخيوط. وهي في الغالب عملية غير مستمرة. تستخدم أجهزة الأوتوكلاف الفراغ و/أو الضغط. تُوضع الأقمشة في الأوتوكلاف إما على بكرات، أو في شلات، أو سائبة في وعاء. ولأن جميع أجهزة الأوتوكلاف تقريبًا تتعرض لضغوط معينة، فإنها تُصنع عادةً بشكل أسطواني وتُثبّت أفقيًا. في أغلب الأحيان، تُحمّل أجهزة الأوتوكلاف وتُفرّغ من طرف الأسطوانة، ولكن قد تُحمّل بعضها من طرف وتُفرّغ من الطرف الآخر. توجد أجهزة أوتوكلاف مثبتة رأسيًا، ولكنها أقل شيوعًا. وتُستخدم في الغالب للخيوط الاصطناعية مثل البوليستر، والبولي إيثيلين، والبولي بروبيلين، والنايلون.

في عملية التثبيت الحراري، يتم تثبيت الخيوط حرارياً باستخدام بخار فائق التسخين في نظام مفتوح عند الضغط الجوي. ويمكن معالجة جميع المواد المستخدمة عادةً في صناعة السجاد، مثل البولي أميد 6، والبولي أميد 6.6، والبولي بروبيلين، والأكريليك، والبولي إيثيلين تيريفثالات، والبوليستر، والصوف.

يُقدّم الخيط غير المُعالَج على شكل بكرات في حامل (يستوعب حتى 72 بكرة). وبسرعة تصل إلى 700 متر/دقيقة، يُسحب الخيط من البكرات ويُدخَل في عملية التثبيت الحراري. هناك طريقتان أساسيتان لنقل الخيط خلال هذه العملية. إحداهما هي وضع الخيط على شكل لفائف أو على شكل الرقم 8 على سير ناقل، أو لفه على حبال مُرتبة على شكل مُضلّع لنقله خلال العملية. مع خيوط فريز، يُستخدم النقل بالسير الناقل فقط. تُنتَج خيوط فريز بواسطة صندوق حشو خاص، يُسمى صندوق اللفائف المزدوجة (TRB). تتم عملية التثبيت الحراري عند درجات حرارة تتراوح بين 110 و200 درجة مئوية في خليط من البخار والهواء. بعد التثبيت الحراري، يُبرّد الخيط ويُلفّ على البكرات مرة أخرى في آلة اللف. بشكل عام، تتكون آلة التثبيت الحراري من ستة خطوط، كل منها يحتوي على ثمانية أطراف (ألياف). يُمكن إنتاج ما يصل إلى 10.5 طن يوميًا.

• Textil-Praxis (1958)، 401 - "Befeuchtung oder Dämpfen von Wollgarnen"
• Textilbetrieb (1981)، 29 - "Gleichmäßige Effekte beim Garndämpfen" (تأثيرات موحدة في تصنيع الخيوط. في: مصنع النسيج)
• دكتور هـ.-ج. هينينج، دكتور إنج. Cl. Sustmann - Melliand Textilberichte "Unter suchungen über das Vakuumdämpfen von Wollgarnen" (تحقيقات حول الأبخرة الفراغية لخيوط الصوف) (1966)، ص 530
• Jens Holm Dittrich، Paul Naefe، Johann Kreitz - Melliand Textilberichte "Verfahren zur Drallberuhigung von Wollgarnen durch Kurzzeitdämpfen" (إجراء تأرجح خيوط الصوف بواسطة أبخرة قصيرة المدى) (1986)، ص. 817
• Jens Holm Dittrich، Attila Bereck، Günter Blanckenburg - Melliand Textilberichte "Unter suchungen über das Vergilben von Wollgarnen beim Dämpfen" (تحقيقات في اصفرار خيوط الصوف عند التعبئة) (1983)،
• Jens Holm Dittrich, Gesine Töpert - Melliand Textilberichte "Ursachen der Vergilbung von Kammzugsbumps und Kreuzspulen bei der HF-Trocknung" (أسباب اصفرار نتوءات قطار المشط والبكرات المتقاطعة في تجفيف التردد العالي) (1988)، ص 288
• الدكتور أوسكار بيكر - تقارير ميلياند للنسيج "خيوط الشد في خيوط الصوف" (1977)، ص 97
• Patenanmeldung DP 3601099.5 H. Kranz GmbH & Co. 5100 آخن "Verfahren zum Fixieren von Garnen"
• دبليو شيفر - إيدج. Materialprüfungs - und Ver suchsanstalt, St. Gallen "Verän-derung der Wolle durch Wärmebehandlungen im Veredelungsbereich" (تغيير الصوف من خلال المعالجات الحرارية في منطقة التشطيب)
• Hans Erich Schiecke - Verlag Schiele & Schön "Wolle als Textiler Rohstoff" (الصوف كمادة خام للنسيج)
• K. Kröll - Springer Verlag، Heidelberg، Berlin، New York "Trocknungstechnik" (تقنية التجفيف) المجلد الثاني / الأول
• Peter Toggweiler، Simon Gleich، Freddy Wanger، F.Steiner – Meliand Textil-berichte No. 9/1995 "Qualitätsverbesserung der mit Contexxor konditionierten Baumwollgarne" (تحسين جودة خيوط القطن المشروطة بـ Contexxor)
• Dipl.-جي. Gisela Axt - W. Bertelsmann Verlag KG Bielefeld 1986، "Beurtei-lungsmerkmale Textil Faserstoffe"، Band1/2/3Dr. أوسكار بيكر - ميلياند تيكستيلبيرشت "Spannfäden in Wollgarnen" (1977)، 97
• ضبط الحرارة