基于廢舊粘膠面料的再生纖維素長絲制備及性能研究

趙書琪 陳岳燕 陳艷華

摘 要：選用廢舊粘膠面料（纖維素含量>99%）進行了濕法紡絲研究。采用DMAc/LiCl體系直接溶解面料，通過不同的濕法紡絲工藝生產再生纖維素長絲。通過對長絲直徑、形貌及力學性能的分析發現，最適合的紡絲工藝是二次凝固二次拉伸工藝，且第二次凝固時間120min。此方法工藝流程短，且制備的長絲較好的保留了面料溶解前具有的色澤，省去了染色工藝。

關鍵詞：廢舊粘膠面料;再生纖維素;長絲;濕法紡絲

中圖分類號：TQ341.9? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：C? ? ? ? ? ?文章編號：1674-2346（2019）01-0008-05

1? ? 前言

我國每年都有超過2000萬噸的廢舊紡織品產生，但僅有300多萬噸被再次利用，綜合利用率約為15%。按理論計算，我國的廢舊紡織品若能全部得到回收利用，那么每年可提供的化學纖維和天然纖維相當于節約原油2400萬噸。

目前，我國廢舊紡織品再利用方法有直接法[1-3]和間接法[4-5]兩種。直接法就是將回收的廢舊紡織品，譬如適合再次穿著的服裝，經過消毒和清潔處理，通過二手服裝交易市場、二手服裝專賣店、網絡二手服裝交易平臺或者捐贈等方式直接使用，達到再利用的目的。[6]但是由于交易規范尚不完善，而且受人們傳統意識影響，導致我國二手服裝交易進展緩慢，捐贈仍是直接再利用的主要方式。直接法的優點在于，可以避免紡織品從原料生產、印染、成衣生產到服裝銷售等整個過程所產生的能量消耗。間接法是指不適合被直接再次使用的廢舊紡織品經過一系列的物理或化學處理而達到再利用的目的。間接法主要包括物理法[7]和化學法[8-9]。本研究試圖通過化學法，實現廢舊粘膠面料的再生纖維素長絲的制備，并對長絲的性能進行分析。

2? ? 實驗部分

2.1? ? 原料

紅色廢舊粘膠面料，纖維素含量>99%，聚合度300～500;N，N-二甲基乙酰胺（DMAc），分析純，購買于國藥化工試劑有限公司;氯化鋰（LiCl），分析純，購買于阿拉試劑（上海）有限公司;奧妙洗衣液，聯合利華公司。

2.2? ? 廢舊粘膠面料的清潔解構

使用奧妙洗衣液對織物的油污進行清洗，鼓風干燥，溫度設為60€癈。人工對清潔后纖維素纖維織物碎片化解構，碎片尺寸控制在5mm€？mm左右。

2.3? ? 纖維素溶液的制備

將干燥后的樣品加入到一定量的二甲基乙酰胺DMAc溶劑中，在N2氣氛下150～165℃處理20～30min，然后冷卻至100℃后，加入預先稱量的LiCl，接著在80€癈下連續攪拌10～40min至纖維素完全溶解。由于得到的纖維素溶液含有雜質和氣泡，經過過濾和脫泡處理制得透明的紅色纖維素溶液，其中的纖維素質量分數為3%，LiCl的質量分數為8%。

2.4? ? 纖維素長絲的制備

將纖維素溶液喂到計量泵中，調整擠出量參數，經過噴絲頭噴出后直接進入凝固浴，并牽伸、卷繞、干燥，形成纖維素長絲;凝固浴中深度為50mm，凝固浴的溫度為25℃，凝固浴的組成為H2O。通過改變纖維成型工藝參數（如表1所示）制備一系列長絲樣品。

2.5? ? 纖維性能測試

纖維形貌觀察：用光學顯微鏡（型號為Olympus BX51）觀察纖維表面形貌;纖維微觀形貌用日本日立公司S-4800型掃描電子顯微鏡觀察。將纖維樣品用雙面膠粘在樣品架上，在真空鍍膜儀中將纖維表面鍍金，增加其導電性，然后觀察。

線密度（Tt）測試：所用儀器為纖維細度儀（XD-1型，上海東華凱利新材料科技有限公司），環境溫度為（20€？）℃，相對濕度為（65€？）%，每個樣品測試20次，取平均值。

纖維直徑測試：用纖維細度綜合分析儀（CU-1型，北京和眾視野科技有限公司）直接測量纖維直徑，每個樣品測量20個不同位置的點，取平均值。

力學性能測試：斷裂比強度是相對強度的一種，是指1tex纖維所能承受的最大拉伸力，又稱斷裂強度，用表示，單位為N/tex或cN/dtex，計算式如公式（1）所示：

纖維拉伸時產生的伸長占原來長度的百分率稱為伸長率或延伸率，拉伸至斷裂時的伸長率為斷裂伸長率，它表示纖維承受拉伸變形的能力。斷裂伸長率的計算式如公式（2）所示：

采用單紗強力儀（型號YM065，萊州元茂儀器有限公司）測試再生纖維素纖維的力學性能，在隔距500mm、拉伸速度500mm/min、預加張力10cN的測試條件下，測試10次，取平均值。按公式（1）和公式（2）所示計算纖維的斷裂強度和斷裂伸長率。

3? ? 結果與討論

3.1? ? 不同工藝對纖維表面形貌的影響

纖維素在LiCl/DMAc溶劑體系中溶解過后的成纖性能良好，可以得到形態均一的紅色再生纖維素長絲。

分別為不同工藝制備的再生纖維素長絲的縱向掃描電鏡圖和橫截面掃描電鏡圖。

不同工藝紡制的纖維表面均有溝槽結構。主要是因為紡絲過程中紡絲液經過噴絲板與凝固浴發生接觸時產生劇烈擴散效應，即凝固液與紡絲液由于相互之間巨大的濃度差，產生雙向擴散效應。在初生纖維的形成過程中，紡絲原液進入凝固浴之后，由于“液柱”表層最先接觸凝固浴，所以最先發生擴散效應，即“液柱”中的溶劑向外擴散，而凝固劑向“液柱”內擴散，纖維素高聚物由外向內不斷析出，逐漸形成固相纖維素纖維。但是，由于表層最先凝固而形成稍微致密的結構，導致芯層“液柱”凝固時表層會向芯層牽引，使纖維表層出現褶皺狀凹痕。其中b和d纖維表面褶皺溝槽相對較小，而a和c纖維表面溝槽較大，表面相對較粗糙。從纖維表面形態上分析， b和d纖維優于a和c纖維。從表1中可以看出， b和d纖維相比a和c纖維，在凝固浴中停留時間更長，為120min，這樣導致凝固浴含有從“液柱”內置換出來的微量DMAc溶劑，使凝固浴成分發生改變，由于DMAc不利于纖維凝固，使其凝固過程進行緩慢，表層纖維素再生與芯層纖維素再生時間差縮小，所形成的纖維結構變化小，纖維表面平滑，溝槽較細而均勻，而后再經過牽伸、烘干處理，最終得到表面外觀性能較好的結果。

a和d纖維長絲的橫截面呈圓形， b纖維長絲為橢圓形， c纖維長絲橫截面近似圓形但不規整。這主要是因為第二種制備工藝中液柱進入第一浴后停留120min，因為沒有經過牽伸，液柱較粗，本身的重力導致與凝固槽接觸的面積變大，最后經過長時間凝固表面變成平面，在后續的牽伸中并沒有改變此形貌。c纖維長絲樣品因為其纖維內部結構疏松，易產生斷裂，所以導致橫截面形貌不規整，但接近圓形。

3.2? ? 不同工藝對纖維直徑的影響

表2列出了不同工藝制備的纖維直徑的測量值。

從表2中可以看出，纖維直徑分布在40～60 m之間，a和c纖維直徑相對較粗，約為55 m左右。a和b纖維都是先在凝固浴中凝固，再牽伸卷繞，不同在于：a纖維在凝固浴中停留10min，而b纖維凝固浴中停留120min，這樣導致纖維的直徑大不相同，相差約10 m。a纖維在凝固浴中停留10min便牽伸卷繞，凝固時間較短，不足以使纖維內部的溶劑充分置換，纖維內部溶劑的存在使纖維內部致密性較低，牽伸后致使纖維直徑較粗;b纖維在凝固浴中停留120min后才牽伸卷繞，凝固時間較長，足以使纖維內部的溶劑完成置換，纖維在牽伸后內部致密性較高，致使纖維直徑相比較細。c纖維采取二次凝固二次牽伸工藝，第一凝固浴中停留時間為10min，第二凝固浴中停留時間也為10min，纖維在第一浴中外層已經凝固充分，牽伸力的作用使得纖維內部大分子發生取向，再進入第二凝固浴，停留10min，二次牽伸使得纖維內部大分子再次發生取向，但是由于兩次凝固時間短并沒有使纖維內部溶劑置換完全，所以仍存在纖維內部致密性較低的情況，使制成的纖維直徑較粗。d纖維采取二次凝固二次牽伸工藝，第一凝固浴中停留時間為10min，第二凝固浴中停留時間為120min，纖維在第一浴中外層已經凝固充分，牽伸力的作用使得纖維內部大分子發生取向，再進入第二凝固浴，停留120min，二次牽伸使得纖維內部大分子再次發生取向，但是由于兩次凝固使纖維內部溶劑基本置換完成，纖維內部致密性較高，制成的纖維直徑較細。

3.3? ? 纖維力學性能分析

從表2可以看出，本研究利用廢舊粘膠面料所制備的纖維干態強度為1.5～2.3 cN/dtex，干態斷裂伸長率為7%～10%之間;而普通粘膠長絲的干態強度為1.5～2.0 cN/dtex，干態斷裂伸長率為10%～24%。

利用廢舊粘膠面料所制備的纖維干態強度值較普通粘膠略高，干態斷裂伸長率比普通粘膠低。產生這種情況的原因可能與原料本身的染色有關，粘膠纖維適用的染料有直接染料、活性染料、硫化染料、還原染料、不溶性偶氮染料，但由于還原染料和不溶性偶氮染料染色復雜且受設備限制等原因，在粗梳毛紡織廠，若無特殊指標要求及客戶（尤指外商）指定，粘膠纖維染色基本不用這2種染料，常用的是直接染料、活性染料和硫化染料，染料與纖維主要通過范德華力、氫鍵、離子鍵和共價鍵結合。不同型的染料對不同種類的纖維有不同的親和力。本研究所選用的廢舊粘膠面料為染色面料（紅色），考慮到溶解后溶液中仍然有染料存在，并且染料在纖維定型烘干后仍然與纖維素分子之間存在著一定的范德華力、氫鍵、離子鍵或共價鍵，對纖維強度的提高仍有貢獻，因此本研究制備的纖維干態強度略高于普通粘膠纖維。

所制備的纖維干態強度值基本接近，干態斷裂伸長率相差較大。纖維的斷裂伸長率是決定纖維加工條件及其制品使用性能的重要指標之一。斷裂伸長率大的纖維手感比較柔軟，在紡織加工時可以緩沖所受到的力，毛絲、斷頭較少;但斷裂伸長率也不宜過大，否則織物易變形。普通紡織纖維的斷裂伸長率為10%～30%，對于工業用強力絲則一般要求斷裂強度高、斷裂伸長率低，使其最終產品不易變形。

廢舊面料再生纖維素長絲與普通粘膠長絲斷裂伸長率差值較大，與兩種纖維的大分子結構、取向度、結晶度，以及形態結構有關，大分子的平均聚合度越小，大分子結合力就越小，容易產生滑移，則纖維強度較低而伸度較大;反之，大分子的平均聚合度越大，大分子結合力就越大，不易產生滑移，所以纖維的強度就較高而伸度較小。取向度越高，大分子排列越平行，在拉伸中受力的大分子根數越多，纖維的強度越大，斷裂伸長率減少。在DMAc/LiCl體系中溶解粘膠面料屬于直接溶解，并沒有發生化學反應，因此纖維素的分子結構等并沒有發生變化;然而普通粘膠長絲溶解到紡絲全過程要經過一系列的化學反應，對纖維素的結構破壞較嚴重。因此，DMAc/LiCl體系濕法生產的廢舊面料再生纖維素纖維的力學性能較優于普通粘膠。

4? ? 結論

本研究是對廢舊粘膠纖維面料（纖維素含量>99%）進行再利用研究。采用DMAc/LiCl體系直接溶解面料，通過不同的濕法紡絲工藝生產的廢舊面料再生纖維素長絲。通過對長絲直徑、形貌及力學性能的分析發現，最適合的紡絲工藝是二次凝固二次拉伸工藝，且第二次凝固時間120min較好。采用直接溶解法溶解使纖維素原料溶解工藝流程縮短，此種工藝對原料要求不高，廢舊纖維素紡織品均能有效溶解，且無中間物產生，溶液穩定性好，有利于長絲制備;同時因為原料均為廢舊纖維素類紡織品，所以也為廢舊紡織品的循環再利用提供了較好的思路和方法。

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