二醋酸纖維絲束紡絲工藝與性能的研究進(jìn)展*

李鵬翔 吳韶華 楊占平 黃建新 王躍飛 覃小紅

(1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，紡織學(xué)院，上海，201620;2.南通醋酸纖維有限公司，南通，222600)

醋酸纖維是再生纖維素纖維中僅次于黏膠纖維的第二大品種，其分子式為［C6H7O2(OCOCH3)x(OH)3—x］n，n=200～400。醋酸纖維素又稱為纖維素乙酰醋，是由純化的纖維素木漿粕與醋酸酐在濃硫酸作催化劑的條件下反應(yīng)生成的纖維素醋酸酯，其反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是纖維素葡萄糖環(huán)中的醇羥基(—OH)被醋酸酐中的乙酰基(—COCH3)取代［1］。纖維素乙酰醋進(jìn)一步經(jīng)干法紡絲可制得醋酸纖維素纖維。通常，醋酸纖維素纖維根據(jù)羥基取代度的不同可分為二醋酸纖維素纖維(羥基取代度為74%～92%)和三醋酸纖維素纖維(羥基取代度為92% 以上)［2-3］。

三醋酸纖維素纖維的成型性能較差，但成膜性能較好，常用于膠片的片基以及液晶顯示屏偏光鏡的支持體等方面。而二醋酸纖維素纖維的性能相對(duì)較好，因此具有更為廣闊的用途。一方面，二醋酸纖維素纖維具有非晶態(tài)開孔結(jié)構(gòu)，能將水分排出體外，制作的織物手感柔軟順滑、干爽挺括、透氣性好、快干、無靜電吸附，并且安全環(huán)保，目前已受到世界知名服裝設(shè)計(jì)大師的青睞［4］。另一方面，二醋酸纖維素纖維具有無毒、無味、吸阻小、熱穩(wěn)定性好、截濾效率高、不易燃燒等特點(diǎn)，使其成為煙用濾嘴棒的首選材料。經(jīng)驗(yàn)證，二醋酸纖維素纖維能顯著降低煙氣中的焦油及亞硝酸胺等有害成分［5］。

1 醋酸纖維的主要生產(chǎn)工藝

醋酸纖維的生產(chǎn)是將纖維素(木漿粕或棉漿粕)與無水醋酸(醋酸酐)在反應(yīng)釜中匯合經(jīng)乙酰化制成三醋酸纖維素，然后將三醋酸纖維素溶解在二氯甲烷中，經(jīng)干法紡絲制成三醋酸纖維素纖維。如果將三醋酸纖維素水解，則可生成二醋酸纖維素，將二醋酸纖維素溶解在丙酮溶劑中進(jìn)行抽絲，可制得二醋酸纖維素纖維。

二醋酸纖維素纖維的生產(chǎn)工藝包括醋片單元、稀醋酸回收單元、絲束單元和丙酮回收單元。其生產(chǎn)主要流程［6］如圖1所示。

1.1 醋片單元

目前世界上醋酸纖維的生產(chǎn)廣泛采用醋酸均相法工藝，其主要流程為：首先，經(jīng)粉碎后的木漿粕(硬木漿或軟木漿)與冰醋酸在預(yù)處理器中進(jìn)行活化;經(jīng)過活化后的木漿在催化劑硫酸的作用下，在醋化器內(nèi)與醋酸酐發(fā)生相應(yīng)的酯化反應(yīng)，發(fā)生完酯化反應(yīng)的漿液，每個(gè)葡萄酐中發(fā)生取代的乙?；鶖?shù)略小于3;然后，在水解器內(nèi)進(jìn)行水解作用，使醋酸纖維素的醋化度降到所需產(chǎn)品要求的范圍內(nèi)，當(dāng)乙?；鶖?shù)平均值為2.4時(shí)，生成二醋酸纖維素［7］;最后進(jìn)行水洗分離，使醋片沉析出來。

圖1 醋酸纖維的生產(chǎn)流程

1.2 稀醋酸回收單元

具體工藝［8］為：回收的稀醋酸進(jìn)入過濾器，加一定量硫酸水解，除去雜質(zhì)和纖維;然后加入氫氧化鈉溶液將硫酸中和;最后過濾后的稀醋酸進(jìn)入萃取塔，利用萃取劑將水中的醋酸萃取出來，萃取物在蒸餾塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)萃取劑與醋酸的分離。

由于醋酸溶液濃度不同，對(duì)于低濃度的醋酸溶液，以胺為溶劑的萃取法是合適的分離方法;而對(duì)濃度較高的醋酸溶液，則宜選擇低沸點(diǎn)溶劑和共沸攜帶劑精餾聯(lián)合法來分離回收醋酸。一般而言，采用溶劑萃取和共沸攜帶劑精餾聯(lián)合法回收醋酸，經(jīng)持續(xù)工藝改進(jìn)，能夠達(dá)到更好的節(jié)能減排效果［9］。

1.3 絲束單元

在煙用醋酸纖維工業(yè)中，主要采用干式紡絲法生產(chǎn)二醋酸纖維絲束。其主要生產(chǎn)工藝為：首先，將二醋片溶解于丙酮溶液中，在二醋片進(jìn)行溶解的同時(shí)，將助濾劑及消光劑加入溶液中;然后對(duì)溶液進(jìn)行多級(jí)壓縮過濾處理，去除紡絲液中的膠質(zhì)及固體雜質(zhì)，利用計(jì)量泵以固定的流量將紡絲液從噴絲頭噴出形成絲束，絲束再進(jìn)入卷曲機(jī)卷曲;最后再進(jìn)入干燥機(jī)，加熱蒸發(fā)掉殘余的丙酮和水分，形成干燥的絲束。

1.4 丙酮回收單元

丙酮回收單元是為了將噴絲過程中從絲束中蒸發(fā)出的丙酮進(jìn)行回收處理，從而防止由于濃度過高引起爆炸。主要有三種回收方法：固體吸收劑吸附法、液體吸收法和冷凝法。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冷凝法的回收效率比較低，故一般工廠采用吸收法和吸附法。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，吸附法的丙酮回收率最高可達(dá)99%［6］，因此在醋酸纖維工業(yè)中廣泛采用吸附法進(jìn)行丙酮回收。

2 二醋酸纖維及其飛花的性能研究

二醋酸纖維具有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于其本身的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了在強(qiáng)力、穩(wěn)定性等方面存在一定的缺陷。在二醋酸纖維的制造過程中，在部分工藝上還存在能耗過大和環(huán)保問題，尤其是在制造和后續(xù)加工中產(chǎn)生的飛花給二醋酸纖維及其產(chǎn)品帶來了很大的影響。經(jīng)過探究，發(fā)現(xiàn)二醋酸纖維在其本身性質(zhì)、加工原料、制造方法以及在制造工藝中出現(xiàn)的問題，還有很大的研究和改進(jìn)空間。自二醋酸纖維開始工業(yè)化生產(chǎn)以來，國內(nèi)外研發(fā)人員就一直致力于尋找改善的方法。

使用干法紡絲生產(chǎn)二醋酸纖維過程中，由于二醋酸纖維素纖維的斷裂強(qiáng)度及延伸率較低，導(dǎo)致纖維損壞而產(chǎn)生短纖維及纖維屑，這稱之為飛花［10］。飛花是用來評(píng)價(jià)二醋酸纖維絲束品質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，它不僅會(huì)增大纖維絲束開松以及濾棒成型時(shí)的負(fù)擔(dān)和加工難度，還會(huì)在絲束表面產(chǎn)生溶孔及硬接，使絲束的強(qiáng)力和質(zhì)量受到影響。目前普遍采用徐冬元［11］提出的檢測(cè)方法，具體是通過稱取30 min內(nèi)成型機(jī)上產(chǎn)生的飛花質(zhì)量，進(jìn)行飛花指標(biāo)的衡量，從而評(píng)定二醋酸纖維的品質(zhì)。

2.1 二醋酸纖維素漿粕、添加劑與飛花的關(guān)系

由于二醋酸纖維素纖維在生產(chǎn)過程中可以選擇不同的原料和添加劑，這就需要建立一系列的檢測(cè)方法對(duì)不同原料及生產(chǎn)過程中的二醋酸纖維進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。曹建國等［12-14］采用X射線熒光光譜法測(cè)試了二醋片丙酮漿液中的TiO2含量，與燃燒法進(jìn)行對(duì)比分析和不確定度的評(píng)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：該法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.15%，擴(kuò)展不確定度為0.028%，適合快速分析批量二醋片丙酮漿液中的TiO2含量。他還利用相對(duì)黏度儀測(cè)試了二醋片丙酮漿液的黏度，由于具有快速、準(zhǔn)確、方便、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，使其具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。此外，他還成功采用GPC/RI/LALLS/DV技術(shù)準(zhǔn)確地測(cè)試了二醋片的分子量，并得出以軟木漿和短棉絨為原料生產(chǎn)的二醋片的分子量較高。

二醋酸纖維在生產(chǎn)過程中，由于原料及紡絲溶液等原因?qū)е铝私z束本身的強(qiáng)力及拉伸斷裂性能降低，同時(shí)添加劑分布不勻也會(huì)導(dǎo)致纖維出現(xiàn)不穩(wěn)定性。楊占平等［15］利用等效過濾模型法成功實(shí)現(xiàn)了漿液過濾的精細(xì)化，將纖維絲束的斷頭率降到0.39次/t以下。吳超平等［16］通過分析醋酸纖維的紡絲生產(chǎn)流程，探索紡絲原液細(xì)流成型條件對(duì)生產(chǎn)過程及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，使紡絲速度由之前的535 m/min提高到600 m/min，并且改善了二醋酸纖維的產(chǎn)品質(zhì)量。王軍等［17］分析了主要工藝參數(shù)如醋片黏度、漿液水分、漿液狀態(tài)等對(duì)飛花的影響，提出醋片低黏度時(shí)飛花細(xì)而小，絲束飛花隨漿液含水量的增加而減小，并且漿液中的氣泡和不溶顆粒會(huì)導(dǎo)致飛花增加。曹建華［18］對(duì)單絲線密度、漿液含水量進(jìn)行了探究，提出飛花隨著線密度的增加而減少，同時(shí)漿液含水量需要控制在4.0%～5.0%。李有為［19］對(duì)飛花與凝膠的關(guān)系進(jìn)行了研究，指出影響二醋酸纖維斷裂的因素除了可控的外在因素外，還有纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷等內(nèi)在因素，而引起纖維結(jié)構(gòu)缺陷加劇的主要因素是纖維中的凝膠類雜質(zhì)，因此在絲束生產(chǎn)過程中盡可能降低紡絲漿液中的凝膠量是控制飛花的重要手段。黃建新等［20］分析了煙用二醋酸纖維絲束生產(chǎn)過程中原材料木漿粕、漿液過濾以及消光劑TiO2對(duì)飛花產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明，木漿粕的特性及不同批次之間的物理和化學(xué)性能差異是導(dǎo)致飛花無法根除的原因，同時(shí)TiO2需要保持流動(dòng)狀態(tài)才能更好地減少飛花的產(chǎn)生。馬曉龍等［10］指出飛花的形成機(jī)理主要有：二醋片的分子量過低或過高，紡絲漿液中存在微小的氣泡，TiO2顆粒在纖維表面形成團(tuán)聚效應(yīng)，卷曲、拉伸過程中的機(jī)械應(yīng)力損傷，醋酸纖維素分子鏈上存在部分葡萄糖基環(huán)上的羥基未被充分醋化。

2.2 二醋酸纖維絲束的卷曲工藝與飛花的關(guān)系

由于在紡絲過程中容易出現(xiàn)纖維斷裂現(xiàn)象，從而產(chǎn)生飛花。通常情況下纖維的斷裂有一部分是由于物理應(yīng)力過大等因素造成的。馬孝田等［21］指出二醋酸纖維的彈性與滌綸、羊毛接近，回彈性比黏膠纖維高;二醋酸纖維的濕強(qiáng)與黏膠纖維長(zhǎng)絲相近，但干強(qiáng)稍低，彈性伸長(zhǎng)比滌綸高，而彈性模量比較低，并且二醋酸長(zhǎng)絲紗的可撓曲性比黏膠長(zhǎng)絲紗好。楊占平等［15］成功研發(fā)出YH02型卷曲機(jī)，與進(jìn)口的CP-8型卷曲機(jī)相比，其在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等方面得到較大的改進(jìn)，成功將絲束的卷曲穩(wěn)定性提高了39%，并減少了斷頭的產(chǎn)生。王軍等［17］通過建立力學(xué)模型，分析了卷曲壓力對(duì)絲束飛花的影響，提出適當(dāng)降低絲束超喂率，減小卷曲機(jī)反壓力，有助于減少絲束飛花的形成。曹建華［18］對(duì)卷曲機(jī)的壓輥壓力、反壓力對(duì)絲束產(chǎn)生飛花的影響進(jìn)行了研究，提出在保證絲束質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡可能地減少絲束的各種破壞與損傷。黃建新等［20］分析了煙用二醋酸纖維絲束生產(chǎn)過程中絲束張力、卷曲機(jī)運(yùn)行工況對(duì)飛花的影響，指出通過降低絲束超喂率和絲束張力，調(diào)節(jié)卷曲機(jī)壓板壓力及對(duì)輥壓力，飛花能夠得到有效改善。

2.3 二醋酸纖維的截面形態(tài)與飛花的關(guān)系

二醋酸纖維為Y型纖維，纖維比表面積大，有利于煙氣的過濾，同時(shí)由于是異形纖維，單絲截面的異形度可以直接反映單絲比表面積的大小。單絲的可紡性能以及絲束在紡絲甬道中的成型質(zhì)量，將直接決定纖維的截面異形度。Y型二醋酸纖維的縱向表面光滑，有明顯溝槽，截面呈苜蓿葉形，無皮芯結(jié)構(gòu)，具有晶態(tài)和非晶態(tài)共存的兩相結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度為 21.98%［22］。楊占平等［15］為了解決噴絲后纖維的粘連問題，改善單纖截面異形度，通過對(duì)噴絲系統(tǒng)研究后，成功研發(fā)出高溫閃蒸高密度醋纖噴絲技術(shù)，將濾棒吸阻穩(wěn)定性提高了12.5%。通過分析生產(chǎn)過程中的漿液水分、噴絲帽使用時(shí)間、噴絲帽孔徑與單絲截面異形度的關(guān)系，以及漿液水分、甬道拉伸比DDR與單絲斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系得到：漿液水分高，單絲的截面積大，截面異形度低，單絲斷裂強(qiáng)度低，斷裂延伸性能好，纖維卷曲后的損傷較小［23］。

2.4 二醋酸纖維的上油工藝與飛花的關(guān)系

在煙用二醋酸纖維素絲束進(jìn)入卷曲機(jī)之前，需要通過上油對(duì)纖維表層進(jìn)行柔軟處理，因此纖維表面油劑的均勻性以及油劑乳化液的物化性能對(duì)絲束飛花的形成具有較大的影響。曹建國等［24］提出了應(yīng)用低場(chǎng)脈沖核磁共振(NMR)測(cè)定二醋酸纖維素絲束油劑的新方法，對(duì)使用NMR法測(cè)量二醋酸纖維素絲束油劑不確定度進(jìn)行了評(píng)估，并且給出利用NMR法測(cè)定二醋酸纖維素絲束油劑含量時(shí)參考的標(biāo)準(zhǔn)曲線。當(dāng)纖維油劑含量過高時(shí)，卷曲后的纖維卷曲角容易松弛，同時(shí)干燥定型后的纖維卷曲穩(wěn)定性較差，影響濾棒的過濾效率;如果纖維未上油或者油劑較少，在卷曲時(shí)纖維內(nèi)外表層都會(huì)受到較大程度的破壞，從而形成大量飛花［17］。研究結(jié)果表明，保持上油輥的油槽液位不低于上油輥的二分之一處［18］，纖維的穩(wěn)定性得到提高;同時(shí)，保證上油槽乳液的回流量，不使乳液分層，縮短油劑的存放時(shí)間，可以更好地保證纖維上油的均勻性［20］。

2.5 二醋酸纖維飛花的防護(hù)

在二醋酸纖維生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的飛花會(huì)彌漫在生產(chǎn)車間的空氣中，這樣的生產(chǎn)環(huán)境不僅會(huì)影響濾棒的質(zhì)量及生產(chǎn)設(shè)備的電氣線路、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的壽命，而且也對(duì)車間工人的身心健康造成了威脅，因此必須對(duì)飛花加以防護(hù)。畢國進(jìn)［25］設(shè)計(jì)了一種濾棒成型機(jī)防飛花裝置，在纖維濾棒成型機(jī)組上增加了一套專門的防飛花裝置，不僅能夠有效防止飛花的飄移，而且也起到了收集、運(yùn)輸、過濾飛花的作用，降低了飛花黏附在絲束表面的可能性，提高了濾棒的穩(wěn)定性;同時(shí)，減少空氣中飛花的含量也減少了機(jī)器及線路的受損，提高了設(shè)備的有效利用率，保證了車間的安全，改善了工人和機(jī)器的工作環(huán)境。

3 結(jié)語

醋酸纖維是再生纖維素纖維中僅次于黏膠纖維的第二大品種，越來越多的研究人員和企業(yè)開始從事醋酸纖維相關(guān)領(lǐng)域的研究，尤其是二醋酸纖維在煙用濾嘴方面的應(yīng)用，但目前仍不能完全滿足國內(nèi)的需求。由于我國對(duì)二醋酸纖維的研究起步較晚，有些關(guān)鍵技術(shù)由國外壟斷企業(yè)控制，因此我們需要投入更多的科研人員從事二醋酸纖維相關(guān)方面的研究工作，提高二醋酸纖維的性能，克服其缺點(diǎn)。煙用二醋酸纖維最大的問題在于飛花，飛花不僅影響生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)人身體健康不利，難以清理，還會(huì)影響絲束的質(zhì)量，甚至造成絲束缺陷。為此對(duì)不同飛花值的二醋酸纖維的特性研究，以及通過不同飛花值的二醋酸纖維來探究產(chǎn)生飛花的因素，并且提出一套準(zhǔn)確的表征方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)來認(rèn)識(shí)飛花及減少飛花，將是二醋酸纖維及其相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

［1］王玉仙，李德嫻.醋酸絲綢的織造與染整［M］.北京：紡織工業(yè)出版社，1988：3-22.

［2］ISO 2076：1999 Textile—Manmade fiber—Generic Names，1999.

［3］陳士琢.二/三醋酸纖維絲束的定性鑒別［J］.廣東化纖，1992(9)：55-56.

［4］侯慶華，戴玲.紡織用醋酸長(zhǎng)絲的產(chǎn)品性能及應(yīng)用［J］.合成纖維，2006(2)：1-5.

［5］李麗，湯平濤，周少琴.醋酸纖維濾嘴對(duì)香煙主流煙氣的濾除效果及意義［J］.衛(wèi)生毒理學(xué)雜志，1994(8)：188-199.

［6］馬孝田.醋酸纖維的制造［J］.廣東化纖，1994(2)：27-34.

［7］趙美玲.國外二醋酯及其纖維的應(yīng)用［J］.合成纖維，1983，12(1)：21-24.

［8］溫力，崔克清.煙用二醋酸纖維生產(chǎn)工藝及安全技術(shù)［J］.現(xiàn)代化工，2003，23(S1)：239-241.

［9］姚杰，陸書明，高春紅，等.稀醋酸回收技術(shù)及其應(yīng)用［J］.精細(xì)化工原料及中間體，2010(4)：11-13.

［10］馬曉龍，曹建華，楊愛軍，等.煙用二醋酸纖維生產(chǎn)過程中飛花的定性表征［J］.煙草科技，2007(4)：13-17.

［11］徐冬元.醋纖絲束中飛花的測(cè)試方法［J］.煙草科技，2000(2)：30.

［12］曹建國.二醋酸纖維素片丙酮漿液中TiO2的X射線熒光光譜分析［J］.煙草科技，2000(9)：31-33.

［13］曹建國.用相對(duì)黏度儀測(cè)試二醋酸纖維素片丙酮溶液的黏度［J］.理化檢驗(yàn)，2000，36(11)：519-520.

［14］曹建國，顧海兵.多檢測(cè)GPC測(cè)試二醋片的分子量及其特性黏度［J］.煙草科技，2008(10)：21-24.

［15］楊占平，徐坦，曹建華，等.二醋酸纖維素漿液精細(xì)過濾及高密度生產(chǎn)技術(shù)研究［J］.中國煙草學(xué)報(bào)，2006，12(3)：27-30.

［16］吳超平，周文燦.醋酸纖維高速紡絲成型工藝研究［J］.合成纖維，2010，29(4)：32-34.

［17］王軍，楊占平，曹建華.煙用二醋酸纖維素絲束飛花的研究［J］.中國煙草學(xué)報(bào)，1997，3(4)：7-14.

［18］曹建華.煙用絲束飛花產(chǎn)生原因的分析［J］.合成纖維，1995，24(1)：42 －44.

［19］李有為.淺析煙用二醋酸纖維素絲束飛花形成機(jī)理［C］.中國煙草學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)，湖北武漢，2004.

［20］黃建新，馬曉龍，楊占平，等.煙用二醋酸纖維絲束飛花的影響因素及改善對(duì)策［J］.煙草科技，2008(8)：17-21.

［21］馬孝田，鄒玉玲.醋酸纖維特性及其加工應(yīng)用［J］.廣東化纖，1999(4)：42-47.

［22］王石磊，張建波，董朝紅，等.醋酸纖維的結(jié)構(gòu)及理化性能［J］.印染助劑，2010(9)：24-28.

［23］楊占平，曹建華，楊愛軍.煙用二醋酸纖維素絲束單絲截面異形度等影響因素的研究［J］.合成纖維，2004，33(1)35-37.

［24］曹建國，司有銀，季松蘭.低場(chǎng)脈沖核磁共振測(cè)定二醋酸纖維素中油劑［J］.理化檢驗(yàn)，2005，41(3)：172-176.

［25］畢國進(jìn).纖維濾棒成型機(jī)防“飛花”裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(3)：13.