芳香纖維濕法紡絲制備方法的工藝優(yōu)選

王 蝶，許曙亮

(1.山東省紡織科學(xué)研究院，山東 青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266032)

隨著耕地的減少和石油資源的日益枯竭，天然纖維、合成纖維的產(chǎn)量受到越來越多的制約。再生纖維素纖維原料來源豐富，可再生，易降解，適合現(xiàn)代人們所追求的環(huán)保理念。為保證紡織品消費過程中的環(huán)保性，人們更加重視再生纖維素纖維的開發(fā)和應(yīng)用[1]。

再生纖維素俗稱漿粕，屬于典型的剛性分子，具有很強的分子間作用力和濃烈的硫磺味，從而遮住香料的香味阻礙其散發(fā)。香精容易揮發(fā)，屬于小油劑分子，不溶于水，其與再生纖維素的融合具有很大的難度。采用微膠囊技術(shù)對香精進行包覆形成香精微膠囊，與再生纖維素進行融合紡制成芳香型再生纖維素纖維?？梢蕴岣呦憔姆€(wěn)定性，改變緩釋性，延長纖維的保香期。

1 紡絲原料及化工原料要求

1.1 紡絲原料要求

1.1.1少雜質(zhì) 高純度

漿粕的主要成分是纖維素，其次是非纖維素多糖，混有少量的灰分(含鐵、鈣、鎂、錳及硅等的化合物)、木質(zhì)素及樹脂等。漿粕中的灰分能嚴重影響紡絲原液的過濾性能，會使堿纖維素老成難以控制，并使紡絲液色澤灰暗；漿粕中的木質(zhì)素含量高會使紡絲液的膨脹能力和反應(yīng)性能嚴重降低，延緩堿纖維素的老成，并使成品纖維產(chǎn)生斑點。提高漿粕的純度，不僅可以提高成品纖維的制成率，提高儀器設(shè)備的生產(chǎn)能力，還可以降低化工原料的消耗量，節(jié)約成本，降低污染。所以應(yīng)盡量減少漿粕中的雜質(zhì)含量。

1.1.2適度的纖維素聚合度和小分散性

漿粕中纖維素的聚合度過高，則粘膠黏度過高，致使過濾困難，就需要延長堿纖維素的老成時間。在實際生產(chǎn)過程中，一般比較適當?shù)木酆隙确秶鸀?00～1000。漿粕中纖維素聚合度分布的分散性要適當減小，聚合度大于1200時，纖維素的黃化性能和黃原酸酯的溶解性能都比較差，會導(dǎo)致粘膠的過濾性能變差；聚合度小于200時，粘膠不適于紡絲，所紡纖維的強度、耐磨性能和耐疲勞性能降低等。

1.1.3適當?shù)呐蚧?/p>

膨化度的大小與漿粕中纖維素大分子的作用力和堿液的浸漬條件有關(guān)。膨化度大則漿粕浸漬不均勻，造成堿纖維素壓榨困難，所以要采用適當?shù)呐蚧取?/p>

1.1.4良好的反應(yīng)性能和過濾性能

堿化、黃化、溶解性能差，則纖維素的過濾性就差。只有使用反應(yīng)性能良好的漿粕，才能使生產(chǎn)順利進行并紡出質(zhì)量優(yōu)良的纖維。

1.2 化工原料種類及影響作用

1.2.1燒堿

優(yōu)質(zhì)的燒堿是再生纖維素纖維生產(chǎn)的必須原料，燒堿中的雜質(zhì)對生產(chǎn)工藝有直接的影響，如氯化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉等鹽類直接影響漿粕的均勻膨脹，使堿纖維素黃化不均勻。另外，鹽類是電解質(zhì)，對粘膠有凝固作用，可以加速粘膠的熟成。燒堿中的錳和鐵等金屬雜質(zhì)，在堿纖維素的老化過程中起催化作用，造成工藝難控制，并且使粘膠過濾困難，由于鐵易被氧化成氧化物使纖維產(chǎn)生色斑，從而影響纖維的光澤度及質(zhì)量。

1.2.2二硫化碳

二硫化碳是由含碳物質(zhì)在高溫下與硫黃蒸氣進行反應(yīng)而生成的氣體，再經(jīng)冷凝、精制后得到純凈的液體二硫化碳。用于再生纖維素纖維生產(chǎn)的二硫化碳為分析純，要求純度較高，需蒸餾提純。

1.2.3硫酸

用于生產(chǎn)再生纖維素纖維的硫酸要求為分析純，純度較高。因為硫酸中的金屬雜質(zhì)對紡絲凝固浴速度和纖維產(chǎn)品色澤的鮮艷程度有影響。

1.2.4水

再生纖維素纖維的生產(chǎn)需要耗用大量的水，并且對水質(zhì)的要求極高，因為，水質(zhì)量對纖維的生產(chǎn)過程和成品質(zhì)量影響極大。在生產(chǎn)過程中，水有兩種用途：一般用水，用于冷卻、清洗等，是經(jīng)過凝聚和過濾的潔凈水；工藝用水，用于溶液配制、纖維洗滌等，是潔凈水經(jīng)過軟化處理的軟水，硬度不超過0.1～0.3度。

2 紡絲原液的性能測試與分析

2.1 原料

紡絲原液(再生纖維素)——棉漿與木漿的混合漿液。

2.2 主要儀器設(shè)備

KKF型過濾器；塑料燒杯；YT821型漏斗式粘度計；FC-1型秒表。

2.3 性能測試與分析

2.3.1酸堿性測試與分析

測試方法：pH試紙直接測試法。

用pH試紙對紡絲原液進行酸堿性測試，測試的pH值為14，堿性達到最大。由此可知，紡絲原液對香精的耐堿性能要求比較高，要求其具有極強的耐堿性。

2.3.2黏度測試與分析

測試條件：檢測孔板為3號，孔徑為5.8 mm。

測試方法：利用漏斗式粘度計對紡絲原液進行黏度測試。測試三次，取平均值，其測試結(jié)果見表1。

表1 紡絲原液黏度測試

由表1可以得知：紡絲原液的平均黏度為39.3 s。一般情況下，普通粘膠纖維的紡絲黏度控制在30～50 s，當黏度低于20 s時，粘膠的可紡性能會變差，導(dǎo)致成型困難；當黏度超過160 s時，需要對某些成型參數(shù)做相應(yīng)地調(diào)整，否則紡絲困難[2-3]。

2.3.3過濾性能測試與分析

測試方法：用塑料燒杯稱取1 L的經(jīng)過脫泡后的粘膠試樣，然后倒入過濾器容器中，擰緊端蓋，打開壓縮空氣截止閥，當濾孔有粘膠濾出時，用塑料燒杯接住，按工藝要求分兩個時間階段來盛膠，前階段為開始的20 min，后階段為隨后的40 min，分別稱量好兩階段的膠重P1，P2，其測試結(jié)果見表2，根據(jù)公式(1)計算kW值。

kW = (2-P2÷P1)÷(P1+P2)×100000

(1)

由表2可知：紡絲原液的kW值在85左右，對于上下波動不大的紡絲原液均可以適應(yīng)紡絲。對于再生纖維素的性能，紡絲原液的pH值為14，屬于強堿性；其平均黏度為39.3 s，處于30～50 s之間[4-5]，非常適合于紡絲用；紡絲原液的過濾性能kW為85左右，符合紡絲要求。

3 芳香纖維的制備

3.1 原料與試劑

漿粕：棉漿粕和木漿粕的混合漿粕，燒堿：工業(yè)級為99%，分析純；二硫化碳：工業(yè)級為99%，分析純；硫酸：工業(yè)級為98.08%，分析純；蒸餾水：純度為100%。

3.2 主要生產(chǎn)設(shè)備

R091型喂粕機；60 m3的一次浸漬桶；H1054A型一次壓榨機；CGHR072A型粉碎機；ZHR118型老成桶；CGHR133A型黃化機；70 m3的溶解桶；快速脫泡塔；KKF型過濾器；10 m3的紡絲機；MTB3SH4-40-D-CW型頭道五輥集束機，18.5 kW，速比：40；MTB3SH5-40-D-CW型二道五輥集束機，22 kW，速比：40；LXY450型切斷機；給纖槽：7200×1800×1000；H1583-SM型烘干機。

3.3 工藝流程

漿粕→浸漬→壓榨→粉碎→堿纖維素→老成→黃化→纖維素黃原酸酯→溶解→粘膠→混合→過濾→熟成→脫泡(添加香精微膠囊)→紡絲→切斷→水洗→脫硫→水洗→漂白→水洗→酸洗→水洗→上油→脫水→濕開松→再生纖維素長絲→切割→烘干→干開松→打包→再生纖維素短纖維。

3.4 制備步驟

芳香型再生纖維素纖維的生產(chǎn)包括芳香型紡絲原液的制備、紡絲成型以及纖維的后處理。

首先，在大浴比下對纖維素進行浸漬并使其堿化成堿纖維素，這樣有利于半纖維素等雜質(zhì)的溶出；對漿粕的適應(yīng)性較強，不僅可以處理片狀漿粕，還可以使用濕度較高的散漿。壓除多余的堿液和溶于堿液中的半纖維素，降低纖維素中的半纖維素含量；堿纖維素粉碎成細小的微粒，粒徑在0.1～0.5 mm之間，可以增大反應(yīng)的表面積，提高黃化反應(yīng)的速度和均勻性，制得溶解性能和過濾性能良好的紡絲原液[6-7]。

其次，將粉碎后的堿纖維素在恒定的溫度下，在空氣中保持一定時間進行氧化降解，使聚合度下降至工藝要求并達到老成，調(diào)節(jié)粘膠的黏度和成品纖維的聚合度。纖維素與CS2反應(yīng)生成纖維素黃原酸酯，增強其在水中的溶解性，將纖維素黃原酸酯分散在稀堿溶液中，制得具有一定組成和良好性能的溶液，即為紡絲原液。將制備的香精微膠囊加入到紡絲原液中，充分攪拌使其分散均勻，進行脫泡，可以制得芳香型的紡絲原液。

然后，將脫泡后的芳香型紡絲原液進行紡絲。紡絲原液由計量泵定量送入，通過燭行濾器再次濾去粒子雜質(zhì)，并由曲管送入噴絲頭組件。紡絲原液在壓力下通過噴絲孔，形成眾多粘膠細流。在凝固浴的作用下，粘膠細流發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)和物理變化，凝固和分解再生，最終初生絲條。初生絲條由導(dǎo)絲盤送去集束拉伸，在塑化浴中，初生絲條經(jīng)受拉伸的同時，最終完成分解再生過程，纖維的結(jié)構(gòu)和性能基本定型。

最后，對制得的纖維進行后處理，除去纖維表面及內(nèi)部的硫酸、硫酸鹽和膠態(tài)硫磺等雜質(zhì)，進一步完善纖維的物理-力學(xué)性能和紡織加工性能[8-9]。

4 工藝參數(shù)對纖維性能的影響及優(yōu)選

4.1 黃化溫度對原液過濾性能的影響及優(yōu)選

測試條件：采用22℃、27℃、32℃、37℃和42 ℃五種不同的黃化溫度對紡絲原液進行黃化處理，通過觀察不同溫度下的過濾性能得出最佳黃化時間(見表3)。

表3 黃化溫度對紡絲原液過濾性能的影響

由表3得知：隨著黃化溫度的升高，黃化時間也隨之減少，酯化度也呈下降趨勢。但是紡絲原液的過濾性先是降低，后又呈上升趨勢，變化不一。由此說明，黃化溫度不能過大也不能過小。在實際生產(chǎn)過程中，一般情況下干法黃化的溫度為26～35℃，濕法黃化的溫度為18～24℃。

4.2 香精微膠囊與紡絲原液不同配比對紡絲原液過濾性能的影響

測試方法：將質(zhì)量為600 g、900 g和1200 g的香精微膠囊分別加入到15 L的紡絲原液中，充分攪拌均勻。抽取1000 mL的紡絲原液倒入容器中，測試方法同2.3.2，根據(jù)公式(1)計算kW值，測試結(jié)果見表4。

表4 香精微膠囊的加入量對紡絲原液過濾性能的影響

由表4得知：香精微膠囊加入量的不同，對紡絲原液過濾性能的影響不同，隨著香精微膠囊加入量的增加，其過濾性能逐漸降低，由測試結(jié)果可知其比較合適的加入量為900 g，即濃度為60 g/L。濃度過低，紡絲原液的香味不夠；濃度過大，紡絲原液的過濾性能降低，影響紡絲原液的黏度，最終妨礙紡絲的順利進行。

4.3 香精微膠囊對紡絲原液黏度的影響

測試條件：檢測孔板為3號，孔徑為5.8mm。

測試方法：分別將600 g、900 g和1200 g的香精微膠囊加入體積同為15 L的紡絲原液中，充分攪拌至香精微膠囊分散均勻，采用漏斗式粘度計直接測試其黏度，其測試結(jié)果見表5。

表5 紡絲原液黏度測試

由表5得知：未加入香精微膠囊的紡絲原液的平均黏度為39.3 s，加入600 g香精微膠囊的紡絲原液平均黏度為41.3 s，加入900 g的平均黏度為44 s，加入1200 g的平均黏度為66.7 s。即，隨著香精微膠囊加入量的增加，紡絲原液的黏度也隨之增大。但是，紡絲原液的黏度過大會造成紡絲困難，在實際生產(chǎn)過程中，普通粘膠纖維的紡絲黏度控制在30～50 s，當黏度低于20 s時，粘膠可紡性變差，成型困難；當黏度超過160 s時，需對某些成型參數(shù)做相應(yīng)地調(diào)整，否則紡絲困難。

4.4 黏度對噴絲頭拉伸率的影響

測試條件：利用測試儀對噴絲頭的拉伸性能進行直接測試。

采用不同黏度的紡絲原液對其進行拉伸測試其最大噴絲頭的拉伸速率。紡絲原液的黏度對噴絲頭拉伸率也有較大的影響，其測試結(jié)果見圖1。

圖1 紡絲原液的黏度對噴絲頭拉伸率的影響

由圖1得知：最大噴絲頭拉伸率隨著黏度的增加先增大后減小。當紡絲原液的黏度增大到50 s時，最大噴絲頭的拉伸率也增大到最大值，當超過50 s時，最大噴絲頭拉伸率則隨著黏度的上升而急劇下降。在黏度較低(≤50 s)的情況下，最大噴絲頭拉伸率隨著黏度的增加而迅速上升。因此紡絲原液的最適合黏度為30～50 s。

5 結(jié)論

近年來，各種新型再生纖維素纖維特別引人注目，尤其是具有功能性的纖維，這一類纖維既保持了一般纖維素纖維吸濕、透氣、柔軟、舒適的特點，又克服了天然纖維素纖維和傳統(tǒng)再生纖維素纖維生產(chǎn)和使用中的諸多難點，同時具有一些新性能、新功能。目前，各種新型纖維素纖維的開發(fā)正成為紡織業(yè)的一個熱點，具有良好的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1] 袁小紅，葉遠靜.芳香型纖維的制備與紡織品開發(fā)[J].紡織科技進展，2007，(3):14—17.

[2] 李振華，吳宏仁.共混熔體流變性能和成絲過程的研究[J]. 合成纖維，1999，(2):13—18.

[3] 李光.高分子材料加工工藝學(xué)[M].北京：中國紡織出版社，2010.

[4] 刑聲遠，吳宏仁.紡織纖維[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5] R.Arshady.Microspheres and microcapsules, a survey of Manufacturing Techniques [J].Polymer Engineering and Science, 1990, 30(15):915—924.

[6] 王蝶，沈蘭萍，奚柏君.香精微膠囊與再生纖維素的相容性[J].合成纖維，2012,41(1):23—26.

[7] 徐亞平.芳香型纖維及其應(yīng)用[J].合成纖維，2006,(1):23—26.

[8] 王潮霞，陳水林.芳香保健紡織品的研究與應(yīng)用[J].染整技術(shù)，2005,27(3):1—4.

[9] Lincoln B. Frictional and elastic properties of high polymeric materials [J].British Journal of Applied Physics, 1952, 3(8):260—263.