不同原材料的粘膠纖維及其形態(tài)結(jié)構(gòu)

張大省　趙莉

摘要

本文重點(diǎn)介紹了常規(guī)粘膠纖維、莫代爾、漢麻粘膠纖維、竹粘膠纖維、阻燃粘膠纖維以及萊賽爾等再生纖維素纖維的簡(jiǎn)要生產(chǎn)方法及其結(jié)構(gòu)與性能。

關(guān)鍵詞：粘膠纖維；原料；結(jié)構(gòu)

1 粘膠纖維的基本原材料

粘膠纖維是再生纖維素纖維之一，此外，纖維素類纖維還包括銅氨纖維及醋酯纖維等半合成纖維。凡是富含纖維素的天然植物幾乎都可以作為再生纖維素纖維與半合成纖維的原材料，如圖1所示為棉短絨、棉稈皮，針葉樹(shù)與闊葉樹(shù)的樹(shù)干、樹(shù)枝，竹子莖，榨完糖后的甘蔗殘?jiān)?、蘆葦莖以及漢麻、亞麻及苧麻等各種麻類的稈莖等的一部分。

2 粘膠纖維的生產(chǎn)工藝及常規(guī)

通常粘膠纖維的制造是先將前述富含纖維素的天然植物材料進(jìn)行化學(xué)精煉，去除其中的木質(zhì)素、蠟質(zhì)、灰分等，制成以分子量較高的α-纖維素為主要成分的漿粕——木漿、棉漿、竹漿或麻漿等。將漿粕用NaOH堿化處理制成堿纖維素，并經(jīng)過(guò)壓榨去除可溶于18%濃度的堿液，分子量較低的半纖維素（β及γ-纖維素）。再在規(guī)定的溫度和時(shí)間條件下，在空氣存在的氛圍使纖維素的聚合度適度降低，并使其分子量分布均勻化，被稱為“老成化”處理。而后用二硫化碳與堿纖維素進(jìn)行黃酸化反應(yīng)制成可溶解于稀堿溶液中的纖維素磺酸鈉，繼而在堿液中完成溶解—熟成—過(guò)濾—脫泡等過(guò)程制成可供紡絲的溶液——粘膠。而后采用濕法紡絲工藝，將從噴絲板小孔中吐出的紡絲原液（粘膠）細(xì)流擠入到由硫酸、硫酸鈉、硫酸鋅等組成的凝固浴中，纖維素磺酸鈉遇硫酸后脫出硫酸鈉，重新再生為纖維素而凝固。凝固浴中的硫酸鈉和硫酸鋅的加入是起鹽析作用，除去初生纖維中的水分和延緩再生纖維素成形過(guò)程的作用，用以控制初生纖維的結(jié)構(gòu)均勻性，成形過(guò)程的條件對(duì)于粘膠纖維的結(jié)構(gòu)與性能有重要影響。初生纖維再經(jīng)拉伸—水洗—上油—干燥等工序得到成品粘膠纖維。

粘膠纖維的成形過(guò)程包括了化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)與傳熱過(guò)程和凝膠化的物理化學(xué)過(guò)程。其起始原材料為纖維素，經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)和物理的加工后得到纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)仍然是纖維素，只是其分子量及其分布、取向度、結(jié)晶度等超分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，再生纖維素纖維的名稱也因此而得。復(fù)雜成形過(guò)程的不均勻性會(huì)使粘膠纖維的斷面呈無(wú)規(guī)則狀，結(jié)構(gòu)松散，纖維內(nèi)部有孔洞，縱向表面顯示出無(wú)規(guī)則的褶皺與溝槽狀（如圖2）。

纖維素是由纖維貳糖結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，每個(gè)纖維貳糖有6個(gè)親水性羥基（如圖3），從而使其具有優(yōu)良的吸濕性、易染，但是其模量低，強(qiáng)度較低，尤其是濕模量和濕強(qiáng)度低。

粘膠纖維依用途不同有長(zhǎng)絲及短纖維之別，依性能又有常規(guī)粘膠纖維、高強(qiáng)纖維、高濕模量纖維及高強(qiáng)-高模纖維等品種，它們對(duì)原料及成形加工工藝均有特殊要求。近年來(lái)又涌現(xiàn)出了阻燃粘膠纖維、抗菌防臭粘膠纖維、珍珠粘膠纖維、相變粘膠纖維等功能性粘膠纖維。

3 莫代爾（model）纖維

莫代爾纖維只是粘膠纖維的一個(gè)品種，是高濕模量粘膠纖維的商品名之一，跟普通粘膠纖維相比，莫代爾纖維改善了在潤(rùn)濕狀態(tài)下的低強(qiáng)度、低模量的不足，故常稱為高濕模量粘膠纖維。不同生產(chǎn)廠家的同類商品還有不同稱法，例如波利諾西克、富強(qiáng)纖維、虎木棉及紐代爾（Newdal）等品名。

高濕模量粘膠纖維和普通粘膠纖維的生產(chǎn)過(guò)程主要有以下不同：（1）纖維素漿粕具有較高的平均聚合度（約為450）；（2）制備的紡絲原液具有較高的濃度；（3）不同的凝固浴組成（如提高其中硫酸鋅的含量）并降低凝固浴溫度，以延緩纖維成形速度，利于得到如圖4所示內(nèi)部無(wú)微孔、無(wú)明顯皮、芯層較均勻的致密結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較高。纖維橫截面趨于腰圓形，縱向表面無(wú)褶皺、光滑。該纖維即使在濕態(tài)下也有較高強(qiáng)度和模量。

4 漢麻稈粘膠纖維

如圖5（a）所示，從漢麻稈韌皮得到的中空天然漢麻纖維，可以直接用于紡織材料，從圖中可以見(jiàn)到，單纖維硬挺、表面不光滑、內(nèi)部有中空孔洞，這可能是麻纖維吸濕排汗性能好的緣故。漢麻稈含有大量纖維素，經(jīng)化學(xué)及物理方法處理去除其中的木質(zhì)素、膠質(zhì)及灰分等化學(xué)雜質(zhì)和機(jī)械雜質(zhì)后，可以獲得以α-纖維素為主體制造粘膠纖維的原材料——漿粕，如圖5（b）、（c），圖中可見(jiàn)它由許多扁平且扭曲的微細(xì)纖維組成。利用一般粘膠纖維生產(chǎn)工藝，便可以制成如圖5（d）、（e）所示的粘膠纖維。漢麻粘膠纖維的橫截面呈現(xiàn)出帶有許多褶皺、完全無(wú)規(guī)則的非圓形截面，褶皺狀的縱向側(cè)表面表現(xiàn)出許多溝槽狀結(jié)構(gòu)。與天然漢麻纖維的斷面結(jié)構(gòu)以及縱表面結(jié)構(gòu)完全不同，與棉漿、木漿、竹漿等其他粘膠纖維斷面及縱表面結(jié)構(gòu)相似，但是斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)顯得比較密實(shí)，無(wú)微孔結(jié)構(gòu)。

天然漢麻稈加工成漢麻粘膠纖維的過(guò)程要經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)和物理加工，結(jié)構(gòu)與性能上受到很大損傷：強(qiáng)力降低、結(jié)晶度降低、大分子排列較稀疏、回潮率提高，原有的一些天然特性遭到破壞，纖維的除臭、抗菌、防紫外線功能必然會(huì)有不同程度的下降。

5 竹漿粕及竹粘膠纖維

以天然竹莖為原料經(jīng)化學(xué)及物理加工去除其中的木質(zhì)素、膠質(zhì)及灰分等化學(xué)雜質(zhì)及機(jī)械雜質(zhì)，制成高α-纖維素含量的漿粕，如圖6（a）、（b）所示。竹漿粕的形態(tài)結(jié)構(gòu)不同于漢麻稈漿粕，它由許多微細(xì)的纖維組成。利用一般粘膠纖維生產(chǎn)工藝便可制成如圖6（c）、（d）所示的粘膠纖維。竹粘膠纖維的橫截面呈現(xiàn)出完全無(wú)規(guī)則，具有許多褶皺的非圓形、縱向側(cè)表面帶有許多溝槽狀的結(jié)構(gòu)?？v、橫向結(jié)構(gòu)類似于漢麻粘膠纖維，與原竹單纖維的斷面結(jié)構(gòu)以及縱表面結(jié)構(gòu)完全不同。

天然竹莖加工成的竹粘膠纖維也稱再生纖維素纖維。池田善光[1]對(duì)竹粘膠纖維的抗菌性能研究報(bào)告表明，由竹莖制成的竹漿粕試樣已不具有抗菌性能，而市售的竹粘膠纖維制品卻具有一些抗菌效果。對(duì)抗菌的竹粘膠纖維制品檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中含有粘膠纖維生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物——硫磺成分存在，并非是原竹中固有的抗菌成分竹醌。因此認(rèn)為竹粘膠纖維織物的抗菌效果可能來(lái)自硫磺，硫元素是由于粘膠纖維生產(chǎn)過(guò)程中未被洗凈所致。市場(chǎng)上往往出現(xiàn)一些所謂抗菌性能優(yōu)異的竹纖維產(chǎn)品，其實(shí)絕大多數(shù)都是此類竹粘膠纖維，市場(chǎng)上真正的原竹纖維極少。endprint

6 阻燃粘膠纖維

阻燃性能的優(yōu)劣通常是采用極限氧指數(shù)（L.O.I）來(lái)表征。L.O.I數(shù)值越高，材料的阻燃性能越好，一般認(rèn)為纖維材料的L.O.I值高于27%時(shí)才可稱為阻燃纖維。有些纖維材料其自身即具有阻燃功能，如芳綸1313、芳綸1414一類芳香族聚酰胺纖維及聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑（PBO）纖維等。普通粘膠纖維具有可燃性，如圖7（a）所示， 燃燒后會(huì)形成圖7（b）的煙灰狀物。可設(shè)法將粘膠纖維賦予阻燃功能，例如將焦磷酸酯類磷系有機(jī)阻燃劑，或?qū)⒐柘禑o(wú)機(jī)高分子阻燃劑前驅(qū)體預(yù)先制備成溶膠，與粘膠紡絲原液紡前共混，使其在纖維素大分子中以互穿網(wǎng)絡(luò)形式存在，經(jīng)處理后的粘膠纖維遇火后便不會(huì)燃燒，如圖7（c）所示，而是形成如圖7（d）所示的致密碳化層令其與氧氣隔絕，保護(hù)了纖維而離火自熄。由于纖維素纖維本身不熔融，故阻燃粘膠纖維還同時(shí)兼具無(wú)熔滴的功效。目前市場(chǎng)上，也有將易燃的化學(xué)纖維與阻燃粘膠纖維混紡使用，可以改善該類易燃化學(xué)纖維的阻燃性能。

7 萊賽爾（Lyocell）纖維

圖8（a）所示的萊賽爾（Lyocell）纖維本不屬于粘膠纖維家族，但由于它也是以纖維素為原料制成的再生纖維素纖維，在此就順便介紹。Lyocell纖維是由英國(guó)考陶爾公司發(fā)明，專利轉(zhuǎn)讓瑞士藍(lán)精公司后生產(chǎn)的商品名為T(mén)encell，在中國(guó)的商品名是其諧音“天絲”。在尚未找到可直接溶解纖維素的溶劑之前，以纖維素為原料生產(chǎn)的再生纖維素纖維多是采用粘膠纖維生產(chǎn)技術(shù)制造。也有像醋酯纖維是將纖維素制成可溶性的醋酸酯類衍生物，而后制成紡絲原液，再制成纖維素酯纖維。

萊賽爾纖維的生產(chǎn)是以無(wú)毒的N-甲基氧化嗎琳（NMMO）的水溶液為溶劑，可以直接將纖維素漿粕溶解而得到紡絲溶液，再采用濕法紡絲或干-濕法紡絲方法，以更高水含量的NMMO-H2O（此處的H2O為凝固劑）溶液為凝固浴使纖維凝固成形，再將紡得的初生纖維經(jīng)拉伸—水洗—上油—干燥而制得的一種纖維素纖維，最初始也曾稱為新纖維素纖維。與通常的粘膠纖維生產(chǎn)技術(shù)相比較的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)毒的NMMO可直接溶解纖維素，因此紡絲原液的生產(chǎn)工藝流程大大縮短、簡(jiǎn)化，且生產(chǎn)過(guò)程幾無(wú)環(huán)境污染。由于生產(chǎn)過(guò)程中是在作為凝固劑的H2O中添加了適量的溶劑NMMO，以此來(lái)控制纖維成形過(guò)程較緩慢，加之NMMO優(yōu)良的溶解性能，制備的紡絲液濃度高，纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)完全不同于粘膠纖維，截面結(jié)構(gòu)均勻且呈圓形，見(jiàn)圖8（b），無(wú)皮芯層之分，縱向表面光滑無(wú)任何溝槽，見(jiàn)圖8（c），故具有比粘膠纖維優(yōu)異的物理機(jī)械性能。以可再生且可降解的纖維素為原料制造的萊賽爾（Lyocell）纖維，加之它生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)保性，決定著它具有很好的發(fā)展前景。

（作者單位：北京服裝學(xué)院）endprint