Qu'est-ce que le polyester et pourquoi le processus de fabrication est important

Le polyester est un polymère synthétique appartenant à la famille des résines polyester, le plus souvent le polyéthylène téréphtalate (PET). Elle représente plus de 50 % de la production mondiale de fibres en volume, ce qui en fait la fibre textile la plus largement fabriquée au monde. Comprendre comment la fibre de polyester est fabriquée n'est pas seulement un exercice académique : cela a des implications directes sur la qualité, la durabilité et les caractéristiques de performance du fil de polyester qui finit par être utilisé dans les vêtements, les tissus d'ameublement, les textiles techniques et les applications industrielles. Le processus de fabrication détermine tout, de la finesse des fibres et de la résistance à la traction au comportement à l'humidité et à la teinture, et les variations à chaque étape de la production créent des produits finaux significativement différents, même lorsque tous partent du même point de départ chimique.

Le fil de polyester est produit grâce à une séquence continue de processus chimiques et mécaniques qui transforment les matières premières pétrochimiques en filaments fins, solides et très polyvalents. Chaque étape du processus s'appuie sur la précédente et les ingénieurs de procédés contrôlent des dizaines de paramètres (température, taux d'étirage, vitesse de refroidissement, vitesse de rotation) pour ajuster les propriétés finales de la fibre pour des utilisations finales spécifiques. Connaître ce processus aide les acheteurs, les concepteurs et les fabricants à prendre de meilleures décisions quant au type de fil de polyester à spécifier pour une application donnée.

Matières premières : là où commence la fibre de polyester

La production de fibres de polyester commence à partir de deux matières premières pétrochimiques principales : l'acide téréphtalique purifié (PTA) et le monoéthylène glycol (MEG). Le PTA est dérivé du p-xylène, un hydrocarbure extrait du raffinage du pétrole et du craquage du naphta. Le MEG est produit à partir d’oxyde d’éthylène, lui-même un dérivé de l’éthylène obtenu par vapocraquage du pétrole ou du gaz naturel. Le PTA et le MEG sont tous deux des produits chimiques de base produits à grande échelle industrielle et transportés en vrac vers les installations de fabrication de polyester.

Dans certaines filières de production, en particulier dans les usines plus anciennes ou à plus petite échelle, le téréphtalate de diméthyle (DMT) est utilisé à la place du PTA, réagissant avec le MEG par un processus de transestérification plutôt que par estérification directe. Cependant, la voie d'estérification directe PTA-MEG est dominante dans la production moderne de polyester à grande échelle car elle est plus efficace, génère moins de sous-produits et produit un polymère de qualité plus constante. Le choix de la matière première affecte la distribution du poids moléculaire, la couleur et le profil d'impuretés du polymère final, qui ont tous des conséquences en aval sur la qualité des fibres et des fils.

Polymérisation : construire la chaîne des polymères PET

L'étape chimique principale de la production de fibres de polyester est la polymérisation, la réaction qui relie les molécules monomères individuelles en de longues chaînes polymères. Dans le processus d'estérification directe, le PTA et le MEG sont introduits dans un réacteur dans un rapport molaire contrôlé (généralement d'environ 1:1,1 à 1:1,2) et réagissent à des températures comprises entre 240°C et 270°C sous pression atmosphérique ou légèrement élevée. Cette étape initiale d’estérification produit du téréphtalate de bis-hydroxyéthyle (BHET) et de l’eau, qui est continuellement éliminée pour mener la réaction vers son terme.

L'intermédiaire BHET subit ensuite une polycondensation dans un deuxième étage de réacteur sous vide poussé (inférieur à 1 mbar) et à des températures élevées de 270°C à 290°C. Dans ces conditions, les molécules BHET se lient entre elles, libérant du MEG comme sous-produit récupéré et recyclé. La réaction de polycondensation se poursuit jusqu'à ce que le polymère atteigne le poids moléculaire cible, mesuré en viscosité intrinsèque (IV). Pour les fibres de polyester de qualité textile, la IV se situe généralement entre 0,60 et 0,68 dL/g. Des valeurs IV plus élevées, utilisées pour les fils industriels nécessitant une plus grande résistance à la traction, sont obtenues en prolongeant le temps de polycondensation ou en effectuant des étapes supplémentaires de polymérisation à l'état solide (SSP) réalisées à des températures plus basses dans la phase solide pour éviter la dégradation thermique.

Tout au long de la polymérisation, des systèmes catalytiques (le plus souvent du trioxyde d'antimoine, des catalyseurs à base de titane ou des composés de germanium) sont utilisés pour accélérer la réaction de condensation et atteindre des taux de production commercialement viables. Des additifs tels que le dioxyde de titane (TiO₂) sont introduits à ce stade pour contrôler les propriétés optiques de la fibre : une charge élevée en TiO₂ produit une fibre mate et opaque, tandis qu'une faible charge ou l'absence d'ajout donne respectivement des filaments semi-mats ou entièrement brillants.

Filature par fusion : conversion d'un polymère en filament

Une fois le polymère PET produit, il est converti en fibre par filage à l'état fondu, un processus dans lequel le polymère fondu est extrudé à travers de fins trous dans une filière pour former des filaments continus. Le PET fondu, maintenu entre 280 °C et 295 °C environ, est dosé par une pompe à engrenages à travers un filtre puis à travers la plaque de filière. Les trous de la filière sont conçus avec précision selon des tolérances extrêmement serrées (généralement de 0,2 à 0,4 mm de diamètre) et leur forme transversale détermine la section transversale du filament. Les trous ronds produisent des filaments ronds ; Les trous trilobés, pentalobales ou à profil creux produisent des fibres spéciales avec des propriétés de réflexion de la lumière, de transport d'humidité ou thermiques modifiées.

Lorsque les filaments fondus sortent de la filière, ils entrent immédiatement dans une zone de trempe où un flux d'air à température contrôlée les refroidit et les solidifie rapidement. La vitesse et l’uniformité du refroidissement par trempe affectent directement la cristallinité et l’orientation des chaînes polymères dans le filament. Les filaments qui refroidissent trop lentement développent une cristallinité excessive avant d'être étirés, ce qui les rend cassants ; les filaments trempés trop rapidement peuvent être trop amorphes et manquer de structure pour un traitement ultérieur. Les ingénieurs de procédés calibrent soigneusement la température, la vitesse et la directionnalité de l'air de trempe pour produire des filaments avec le bon équilibre de structure amorphe et cristalline pour le type de fil prévu.

Dessin et orientation : renforcer la force de la fibre

Les filaments de polyester fraîchement filés (tels que filés ou partiellement orientés) ont une résistance à la traction relativement faible et un allongement élevé car les chaînes polymères ne sont pas encore alignées le long de l'axe des fibres. L'étirage (étirage mécanique des filaments sur des rouleaux chauffés) aligne et oriente les chaînes moléculaires, augmentant considérablement la résistance à la traction et réduisant l'allongement à des niveaux appropriés pour une utilisation textile. Le rapport d'étirage, défini comme le rapport entre la vitesse de sortie et la vitesse d'entrée dans la zone d'étirage, est généralement compris entre 3 : 1 et 5 : 1 pour les fils textiles en polyester.

Fil partiellement orienté (POY) vs fil entièrement étiré (FDY)

Le degré d'étirage appliqué lors du filage définit deux grandes catégories de fils polyester. Le fil partiellement orienté (POY) est filé à des vitesses élevées (3 000 à 4 000 m/min) mais n'est pas entièrement étiré pendant la phase de filage. Le POY conserve l'allongement résiduel et est principalement utilisé comme matière première pour les machines d'étirage-texturation en aval qui étirent et texturisent simultanément le fil. Le fil entièrement étiré (FDY), également appelé filé par étirage (SDY), est à la fois filé et entièrement étiré en une seule étape de machine intégrée à des vitesses plus élevées, produisant un fil prêt pour le tissage ou le tricotage direct sans autre traitement mécanique. Le FDY a une ténacité plus élevée, un allongement plus faible et des propriétés de retrait plus constantes que le POY à des comptes équivalents.

Réglage thermique pour la stabilité dimensionnelle

Après étirage, les filaments orientés sont thermofixés en les passant sur des rouleaux chauffés ou dans un tube chaud à des températures comprises entre 130°C et 220°C sous tension contrôlée. Le thermofixage stabilise la structure cristalline du polymère et soulage les contraintes internes introduites lors de l'étirage, réduisant ainsi la tendance du fil à rétrécir lorsqu'il est ensuite exposé à la chaleur lors de la teinture ou de la finition du tissu. Sans thermofixation adéquate, le fil de polyester présenterait un retrait excessif par évaporation qui déformerait les dimensions du tissu pendant le traitement. La durée et la température de thermofixation sont calibrées avec précision en fonction de l'utilisation finale prévue du fil et des processus en aval auxquels il sera confronté.

Texturation : transformer un filament plat en fil doux et volumineux

Le fil de filaments de polyester plat entièrement étiré présente une surface lisse et glissante et un faible volume, des propriétés qui limitent son utilité dans les applications de vêtements et de textiles d'intérieur où la douceur, l'étirement et le corps sont attendus. Les processus de texturation introduisent une frisure, une boucle ou un volume physique dans le faisceau de filaments, le transformant en un fil aux caractéristiques plus proches des fibres naturelles. La méthode de texturation la plus largement utilisée pour le polyester est la texturation par fausse torsion, appliquée à la matière première POY sur des machines de texturation par étirage (machines DTY).

Dans la texturation par fausse torsion, le POY est étiré, tordu par une unité de disque de friction rotatif, thermofixé à l'état torsadé, puis détordu, laissant chaque filament avec un sertissage hélicoïdal permanent verrouillé par le traitement thermique. Le résultat est un fil texturé par étirage (DTY), qui a beaucoup plus de volume, d'élasticité et de douceur que le FDY plat de densité linéaire équivalente. Le DTY est le type de fil dominant utilisé dans les tissus tricotés pour les vêtements de sport, les vêtements décontractés et les tissus extensibles. La texturation par jet d'air est un processus alternatif qui utilise de l'air comprimé à haute vitesse pour former des boucles et des enchevêtrements aléatoires le long du faisceau de filaments, produisant ainsi un fil avec une texture de surface plus rugueuse et plus proche du coton, préférée dans les tissus d'ameublement et de vêtements de travail.

Production de fibres discontinues : la voie vers le filé de polyester

Toutes les fibres de polyester ne sont pas produites sous forme de fils à filaments continus. Les fibres discontinues de polyester (PSF) sont produites en rassemblant de gros faisceaux de filaments filés par fusion en un câble lourd, en frisant mécaniquement le câble dans une sertisseuse à boîte de remplissage pour introduire une structure ondulée bidimensionnelle, en le coupant en courtes longueurs (généralement 32 mm à 64 mm pour la filature en coton, ou 51 mm à 102 mm pour la filature en laine), puis en la mettant en balles pour l'expédition aux filatures. À la filature, les fibres discontinues de polyester sont traitées sur un équipement de filature à anneaux, de filature à rotor ouvert ou de filature à jet d'air - souvent mélangées avec du coton, de la viscose ou de la laine - pour produire du fil de polyester filé avec un profil esthétique et de performance nettement différent du fil de filament.

Le fil de polyester filé a une surface plus poilue et plus douce que le fil de filament, absorbe la teinture plus uniformément dans les mélanges et produit des tissus avec une meilleure résistance au boulochage lorsque la ténacité et le niveau de frisure de la fibre sont correctement spécifiés. La fréquence et l'amplitude de frisage appliquées lors de la production de fibres discontinues déterminent directement dans quelle mesure les fibres s'emboîtent pendant le filage, affectant ainsi l'uniformité du fil, sa résistance et la main du tissu. Les fibres à frisure élevée produisent des fils plus volumineux et plus doux adaptés aux applications de polaire et de tricot, tandis que les fibres à faible frisure produisent des fils plus fins et plus uniformes pour les chemises et les tissus tissés mélangés.

Principales différences entre les principaux types de fils de polyester

La variété des voies de traitement décrites ci-dessus produit des fils de polyester aux propriétés sensiblement différentes. Le tableau suivant résume les principales distinctions entre les principaux types de fils de polyester commerciaux pour aider à spécifier le bon produit pour une application donnée :

Finition et contrôle qualité avant l'expédition des fils de polyester

Avant fil de polyester quitte l'usine de fabrication, il passe par une série d'étapes de finition et d'assurance qualité qui garantissent la cohérence entre les lots de production. La finition par rotation (un lubrifiant et un agent antistatique appliqué sur la surface du filament immédiatement après le refroidissement par trempe) est essentielle à la transformabilité dans les opérations en aval. La composition de la finition et le niveau d'application sont étroitement contrôlés, car une quantité insuffisante de finition provoque la rupture du filament sur les équipements de bobinage à grande vitesse, tandis qu'une quantité trop importante provoque un rodage des rouleaux et une absorption inégale du colorant. Les paquets de fils finaux sont inspectés pour le denier (densité linéaire), la ténacité, l'allongement à la rupture, le retrait par évaporation et le nombre de mélanges (pour les fils multifilaments entrelacés) par rapport aux limites des spécifications avant d'être autorisés à être expédiés.

La traçabilité est également de plus en plus importante dans les chaînes d'approvisionnement modernes en fils de polyester. Les producteurs attribuent des numéros de lot qui relient chaque paquet de fils au lot de polymère spécifique, à la machine à filer et aux paramètres de processus utilisés – des informations qui permettent de retracer et de corriger systématiquement les problèmes de qualité. Pour les fils de polyester recyclé (rPET), fabriqués à partir de bouteilles PET post-consommation ou de déchets de fibres post-industrielles, des étapes de vérification supplémentaires confirment le pourcentage de contenu recyclé et la documentation de la chaîne de traçabilité requise par les programmes de certification de la marque. Comprendre cette séquence complète - du PTA et du MEG à la polymérisation, au filage à l'état fondu, à l'étirage, à la texturation et au contrôle qualité - fournit une image complète de la façon dont la fibre de polyester est fabriquée et pourquoi les choix de fabrication faits à chaque étape façonnent le fil de polyester qui se comporte finalement dans le produit final.