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粘膠纖維

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粘膠纖維(Viscose fibre), [1]  簡稱粘纖,又名黏膠絲,人造纖維的一種。 [2]  粘膠纖維是人造纖維的主要品種,是中國產量第二大的化纖品種,其主要原料是化學漿粕,包括棉漿粕和木漿粕兩種,通過化學反應將天然纖維素分離出來再生而成,國內所用原料主要是棉漿粕 [3] 
粘膠纖維吸濕性好,易於染色,不易起靜電,有較好的可紡性能,被廣泛應用於各類紡織服裝等領域。 [1] 
中文名
粘膠纖維 [1] 
外文名
Viscose fibre [1] 
別    名
粘纖
別    名
黏膠絲 [2] 
性    質
人造纖維 [2] 
用    途
紡織、服裝 [1] 

粘膠纖維歷史

粘纖是古老的纖維品種之一。1891年,克羅斯(Cross)、貝文(Bevan)和比德爾(Beadle)等首先以棉為原料製成了纖維素磺酸鈉溶液,由於這種溶液的粘度很大,因而命名為“粘膠”。粘膠遇酸後,纖維素又重新析出。根據這一原理,1893年發展成為一種製造纖維素纖維的方法,這種纖維就叫做“粘膠纖維”。1905年,米勒爾(Muller)等發明了一種稀硫酸和硫酸鹽組成的凝固浴,實現了粘膠纖維的工業化生產。 [4] 

粘膠纖維分類

粘膠纖維屬纖維素纖維。它是以天然纖維木纖維棉短絨)為原料,經鹼化、老化、磺化等工序製成可溶性纖維素黃原酸酯,再溶於稀鹼液製成粘膠,經濕法紡絲而製成。採用不同的原料和紡絲工藝,可以分別得到普通粘膠纖維,高濕模量粘膠纖維和高強力粘膠纖維等。普通粘膠纖維具有一般的物理機械性能和化學性能,又分棉型、毛型和長絲型,俗稱人造棉人造毛人造絲。高濕模量粘膠纖維具有較高的聚合度、強力和濕模量。這種纖維在濕態下單位線密度每特可承受22.0cN的負荷,且在此負荷下的濕伸長率不超過15%,主要有富強纖維。高強力粘膠纖維具有較高的強力和耐疲勞性能。 [5] 
粘膠纖維可分為普通粘膠纖維、高濕模量粘膠纖維、強力粘膠纖維和改性粘膠纖維。強力型粘膠纖維中,幹態強度超過30.0cN/tex的長絲稱強力絲;超過38.0cN/tex的稱超強力絲;超過44.1cN/tex的稱二超強力絲;超過48.5cN/tex的稱三超強力絲;超過53.0cN/tex的稱四超強力絲。高性能粘膠纖維中,在濕態下彈性模量較高的纖維,稱波里諾西克纖維,也稱高濕模量纖維,中國稱富強纖維,簡稱富纖。濕模量介於普通型纖維和波里諾西克纖維之間,但具有較高勾結強度、脆性較小的纖維,稱改良型高濕模量纖維。 [6] 

粘膠纖維結構

普通粘膠纖維的結晶度和取向度較低,橫截面為不規則的鋸齒狀,有明顯不均勻的皮芯結構,皮層較薄。強力粘膠纖維有微細而均勻的微晶結構,取向度適中,橫截面為均勻、輪廓圓滑的全皮結構。波里諾西克纖維為具有較高的結晶度、較大的晶區尺寸以及較高的取向度,橫截面近似圓形的全芯層結構。波里諾西克纖維成形時的主要特點是儘量避免纖維素的降解,使天然纖維素結構儘可能在溶解和凝固過程中保持不變,採用緩和而均勻的凝固條件,如低酸、低鹽、低温和低紡速。變化型高濕模量纖維屬於厚皮層的皮芯結構,橫截面外緣比較圓滑。皮層提供韌性而芯層保持剛性。其韌性低於低於強力絲而高於波里諾西克,剛性則高於強力絲低於波里諾西克,是一種結合波里諾西克和強力絲特點的纖維。纖維的結晶度、晶粒尺寸和取向度都低於波里諾西克,而高於強力絲。其成形特點基本與強力絲相近似。永久捲曲粘膠纖維的橫截面形狀不對稱、皮層厚度分佈不均勻,在橫鼓面各部分存在君大小不等的內應力。永久捲曲粘膠纖維的工藝特點是提高粘膠的熟成指數,凝固路中硫酸的濃澱偏低、梳酸鈉濃度較高、浴温較高,適當地增加拉伸倍數,特別是在塑化控伸後再增加一段空氣拉伸,有利於增加纖維的捲曲性。 [1] 

粘膠纖維特點

粘膠纖維的基本組成是纖維素(C6H10O5n普通粘膠纖維的截面呈鋸齒形皮芯結構,縱向平直有溝橫。而富纖無皮芯結構,截面呈圓形。 [5] 
粘膠纖維具有良好的吸濕性,在一般大氣條件下,回潮率在13%左右。吸濕後顯著膨脹,直徑增加可達50%,所以織物下水後手感發硬,收縮率大。 [5] 
普通粘膠纖維的斷裂強度比棉小,約為1.6~2.7cN/dtex;斷裂伸長率大於棉,為16%~22%;濕強下降多,約為幹強的50%,濕態伸長增加約50%。其模量比棉低,在小負荷下容易變形,而彈性回覆性能差,因此織物容易伸長,尺寸穩定性差。富纖的強度特別是濕強比普通粘膠高,斷裂伸長率較小,尺寸穩定性良好。普通粘膠的耐磨性較差,而富纖則有所改善。 [5] 
粘膠纖維的化學組成與棉相似,所以較耐鹼而不耐酸,但耐鹼耐酸性均較棉差。富纖則具有良好的耐鹼耐酸性。同樣粘膠纖維的染色性與棉相似,染色色譜全,染色性能良好。此外粘膠纖維的熱學性質也與棉相似,密度接近棉為1.50~1.52g/cm3 [5] 
纖維素的大分子的羥基易於發生多種化學反應,因此,可通過接枝等方法,對粘膠纖維進行改性,提高粘膠纖維性能,並生產出各種特殊用途的纖維。 [5] 
普通粘膠纖維吸濕性好,易於染色,不易起靜電,有較好的可紡性能。短纖維可以純紡,也可以與其他紡織纖維混紡,織物柔軟、光滑、透氣性好,穿着舒適,染色後色澤鮮豔、色牢度好。適宜於製做內衣、外衣和各種裝飾用品。長絲織物質地輕薄,除適用作衣料外還可織制被面和裝飾織物。這類粘膠纖維的缺點是牢度較差,濕模量較低,縮水率較高而且容易變形,彈性和耐磨性較差。 [1] 

粘膠纖維主要品種

粘膠短纖維 [7] 
(1)粘膠棉型短纖維,切斷長度35~40mm,纖度1.1~2.8dtex(1.0~2.5旦)與棉混紡可做細布、凡立丁、華達呢等。 [7] 
(2)粘膠毛型短纖維,切斷長度51~76mm,纖度3.3~6.6dtex(3.0~6.0旦),可純紡,也可與羊毛混紡,可做花呢,大衣呢等。 [7] 
富強纖維 [7] 
(1)是粘膠纖維的改良品種。 [7] 
(2)純紡可做細布府綢等。 [7] 
(3)與棉、滌等混紡,生產各種服裝。 [7] 
(4)耐鹼性好,織成織物挺括,洗滌後不會收縮和變形,較為耐穿耐用。 [7] 
粘膠絲 [7] 
(1)可做服裝、被面牀上用品和裝飾品。 [7] 
(2)粘膠絲與棉紗交織,可做羽紗,線綈被面。 [7] 
(3)粘膠絲與蠶絲交織,可做喬其紗,織錦緞等。 [7] 
(4)粘膠線與滌、錦長絲交織,可做晶綵緞、古香緞等。 [7] 
粘膠強力絲 [7] 
(1)強力比普通粘膠絲高一倍。 [7] 
(2)加捻織成簾子布,用於汽車、拖拉機、馬車輪胎。 [7] 
高捲曲高濕模量粘膠纖維 [8] 
該纖維具有較高的強度和濕模量,良好的捲曲性能,纖維性能較接近優質長紡棉和羊毛,可以代替部分長絨棉紡制高支紗,代替部分羊毛用於精、粗毛紡。因該纖維價柞較廉,染色性能好,有一定的經濟效益。普通粘膠纖維廠通過適當技術改造即可生產該纖維。 [8] 
該纖維具有較高的強度和濕模量,良好的捲曲性能,纖維性能較接近優質長紡棉和羊毛,可以代替部分長絨棉紡制高支紗,代替部分羊毛用於精、粗毛紡。因該纖維價柞較廉,染色性能好,有一定的經濟效益。普通粘膠纖維廠通過適當技術改造即可生產該纖維。 [8] 

粘膠纖維生產方法

由纖維素原料提取出純淨的α-纖維素(稱為漿粕),用燒鹼、二硫化碳處理,得到橙黃色的纖維素黃原酸鈉,再溶解在稀氫氧化鈉溶液中,成為粘稠的紡絲原液,稱為粘膠。粘膠經過濾、熟成(在一定温度下放置約18~30h,以降低纖維素黃原酸酯的酯化度)、脱泡後,進行濕法紡絲,凝固浴由硫酸、硫酸鈉和硫酸鋅組成。粘膠中的纖維素黃原酸鈉與凝固浴中的硫酸作用而分解,纖維素再生而析出,所得纖維素纖維經水洗、脱硫、漂白、乾燥後成為粘膠纖維。 [9] 
工藝流程
① 粘膠的製備:包括浸漬、壓榨、粉碎、老化、黃化、溶解、熟成、過濾、脱泡等工序。漿粕經濃度為18%左右的氫氧化鈉水溶液浸漬,使纖維素轉化成鹼纖維素半纖維素溶出,聚合度部分下降;再經壓榨除去多餘的鹼液。塊狀的鹼纖維素在粉碎機上粉碎後變為疏鬆的絮狀體,由於表面積增大使以後的化學反應均勻性提高。鹼纖維素在氧的作用下發生氧化裂解使平均聚合度下降,這個過程稱為老化。聚合度下降的程度與温度、時間有關。老化後將鹼纖維素與二硫化碳反應生成纖維素黃酸酯稱黃化,使大分子間的氫鍵進一步削弱,由於黃酸基團的親水性,使纖維素黃酸酯在稀鹼液中的溶解性能大為提高。把固體纖維素黃酸酯溶解在稀鹼液中,即是粘膠。剛製成的粘膠因粘度和鹽值較高不易成形,必須在一定温度下放置一定時間稱為熟成,使粘膠中纖維素黃酸鈉逐漸水解和皂化,酯化度降低,粘度和對電解質作用的穩定性也隨着改變。在熟成的同時應進行脱泡和過濾,以除去氣泡和雜質。 [1] 
製備粘膠的設備主要有古典法、連續浸漬壓榨、粉碎和五合機等三種形式。 [1] 
粘纖工藝流程 粘纖工藝流程
② 紡絲成形:採用濕法紡絲。粘膠通過噴絲孔形成細流進入含酸凝固浴,粘膠中鹼被中和,細流凝固成絲條,纖維素黃酸酯分解再生成水化纖維素。凝固和分解可同時發生,也可先後進行。在同一浴中完成凝固和分解的方法稱單浴法紡絲。粘膠長絲用單浴法紡絲。在一浴內凝固而在另一浴中分解再生的方法稱二浴法紡絲。強力絲或短纖維一般用二浴法紡絲。為改善纖維的某些性能,也有采用三浴法、四浴法甚至五浴法的。凝固浴是硫酸和硫酸鋅的水溶液,各組分的含量因纖維品種而不同。  [1] 
③ 後處理:成形後纖維需經過水洗、脱硫、酸洗、上油和乾燥等後處理加工。水洗是除去附在纖維表面的硫酸及其鹽類和部分硫。脱硫可在氫氧化鈉亞硫酸鈉或硫化鈉的水溶液中進行。金屬離子可用鹽酸處理去除。上油可降低纖維的摩擦係數,減少靜電效應,改善纖維手感,提高纖維的可紡性能。上油後的絲條經過乾燥即可包裝出廠。粘膠短纖維的切段工序通常在後處理以前進行。強力絲主要作為輪胎或運輸帶的簾子布,對纖維的外觀無特殊要求,只需用熱水洗去纖維上硫酸及其鹽類,經上油、乾燥後即可,後處理可在紡絲機上進行。 [1] 

粘膠纖維應用範圍

粘膠纖維是最早投入工業化生產的纖維素纖維之一。由於吸濕性好,穿着舒適,可紡性優良,常與棉、毛或各種合成纖維混紡、交織、用於各類服裝及裝飾用紡織品。高強力粘膠纖維還可用於輪胎簾子線運輸帶等工業用品。粘膠纖維是一種應用較廣泛的纖維素纖維。 [5] 
20世紀50年代發展的高濕模量粘膠纖維具有強度高、延伸度低、濕模量高和耐鹼性等特點,基本上克服了普通粘膠纖維的缺陷。其織物牢度、耐水洗性、形態穩定性均接近於優質棉。波里諾西克纖維就是高強高濕模量粘膠纖維的一種,又稱富強纖維或富纖,它在水中的溶脹度低,彈性回覆率高,因此織物的尺寸穩定性較好。 [1]  強力粘膠纖維的強度高,抗多次變形性好,可用作輪胎簾子線、傳送帶、三角皮帶、繩索和各種工業用織物,如帆布、塑料塗層織物等。 [1] 
改性粘膠纖維具有多種用途,如與聚丙烯腈聚乙烯醇複合的粘膠纖維具有毛型感和膨鬆性,適於製做西裝、毛毯和裝飾織物。有扁平形狀和粗糙手感的“稻草絲”(即扁絲)和空心粘膠纖維比重小,覆蓋能力大並有膨體特性,適用於編制女帽、提包和各種裝飾用具。用丙烯酸接枝的粘膠纖維有很高的離子交換能力,可用以從廢液中回收金、銀、汞等貴重金屬。含有各種阻燃劑的粘膠纖維,可用在高温和防火的工業部門。粘膠纖維經處理後還可製成止血纖維,中空粘膠纖維有透析作用可用作人工腎臟,含鋇的粘膠長絲適宜做醫用縫線。此外,粘膠纖維經處理而製得的碳纖維石墨纖維具有高強度和高模量,與環氧樹脂等製成複合材料可用作空間技術的燒蝕材料;由粘膠和硅酸鈉混紡的原絲,經處理後製成的陶瓷纖維作為耐高温酚醛樹脂的增強材料,可用於液體火箭發動機噴氣發動機的噴咀和空間重返大氣層裝置的防熱罩。 [1] 

粘膠纖維生產過程環境污染

黏膠纖維生產中主要污染是嚴重的廢水污染。 [10] 
黏膠纖維生產過程中的廢水主要包括酸性和鹼性廢水兩大類,其中酸性廢水主要來源於紡絲車間和酸站,包括塑化浴溢流水、洗紡絲機水、酸站過濾器洗滌水、洗絲水和後處理酸洗水等:鹼性廢水主要來源於鹼站排水、原液車間廢水膠槽及設備洗滌水、濾布洗滌水、換噴絲頭時的帶出水和後處理的脱硫廢水體。黏膠纖維生產過程中的廢水主要含酸、鋅離子及少量有機物。 [10] 
黏膠纖維生產混合廢水中的特徵污染物為硫酸、硫化物、鋅鹽和纖維素。其中硫酸、硫化物(主要是H2S、CS2等)和鋅鹽污染主要來自黏膠成型工段廢水,且鋅鹽主要以硫酸鋅和纖維素磺酸鋅的形式存在:纖維素主要是由鹼性廢水中的黏膠纖維素與酸性廢水混合後酸析而產生。 [10] 
黏膠纖維生產過程中老成、黃化過程會有含CS2、H2S等的廢氣產生和泄漏,造成廢氣污染,並可能產生安全問題。 [10] 
黏膠纖維生產過程中會使用大量蒸汽,鍋爐會排放大量燃料燃燒產生的煙氣。 [10] 
參考資料
  • 1.    中國大百科全書出版社編輯部中國大百科全書總編輯委員會《紡織》編輯委員會.中國大百科全書 紡織:中國大百科全書出版社,1992.04:199
  • 2.    馬世昌.化學物質辭典:陝西科學技術出版社,1999.04:695
  • 3.    《廣東省志》編纂委員會編,廣東省志 1979-2000 10 工業卷,方誌出版社,2014.08,第326頁
  • 4.    逄奉建.新型再生纖維素纖維:遼寧科學技術出版社,2009.03:48
  • 5.    姜懷.紡織材料學 第2版:中國紡織出版社 ,1996.11:84-85
  • 6.    中國大百科全書出版社編輯部.中國大百科全書 化工:中國大百科全書出版社,1992.04:478
  • 7.    紡織工業部化學纖維工業局.化學纖維產品目錄:紡織工業出版社,1987.09:179-181
  • 8.    中國技術成果大全編輯部.中國技術成果大全 1989 第5期 總第25期:中國技術成果大全編輯部,1989:283
  • 9.    王建國.新知識圖書館 纖維世界:安徽師範大學出版社,2012.04:63
  • 10.    毛應淮.工業污染核算:中國環境科學出版社,2014.12:207