再生纤维

第七章再生纤维•概述：化纤制造的基本过程•第一节基于碱溶液法的再生纤维素纤维•第二节基于铜氨溶液法的再生纤维素纤维•第三节基于有机溶剂法的再生纤维素纤维•第四节纤维素改制再生的衍生物纤维•第五节再生甲壳质纤维与壳聚糖纤维Back棉短绒、木材、芦苇等天然高聚物煤、石油、天然气、农副产品等低分子材料成纤高聚物纺丝液初生纤维短纤维长丝提纯合成热熔化学溶解纺丝后加工化纤制造的基本过程（一）成纤高聚物的提纯或聚合•天然高聚物：含有杂质和色素，须去除、提纯。制造粘胶、铜氨、醋酯等。低分子合成高聚物：经化学合成，成为制造涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶等合成纤维的高聚物。Back（二）纺丝液制备•熔体法：将高聚物加热熔融成粘性流动的纺丝液体•条件：加热熔融而不发生分解的高聚物可采用此法•溶液法：借助某种无机或有机溶剂将高聚物溶解成具有一定粘度的纺丝液•条件：溶剂必须价廉易得，毒性小，易于回收Back（三）纺丝•1．干法纺丝•2．湿法纺丝•3．融体纺丝Back（四）纺丝后加工•短纤维后加工工序：上油剂、集束、拉伸、卷曲、热定型、切断、成品包装等。•长丝后加工工序：拉伸、加捻、热定型、络丝等。•如有特殊要求，还可以进行消光、变形、网络等处理Back1．拉伸（牵伸）•拉伸后纤维变细，纤维内部结构明显改变，使纤维的物理机械性能大幅度改善，实用价值提高。•拉伸倍数过高，会造成毛丝、断头及其他疵点。•2.加捻或网络•化纤长丝由多根单丝组成复丝•加捻或网络的目的：提高单丝间抱合性能，增强化纤长丝的耐磨性和强度，防止丝条起毛、断裂，提高织物等级。•3．热定型•经拉伸（或其他处理）后的纤维，放在定型装置中，一定温度、介质和张力条件下，处理一段时间。•目的：使纤维获得的结构相对稳定，消除纤维中存留的内应力，提高合纤的尺寸和形态稳定性，进一步改善和提高纤维物理、机械性能。•4．卷曲•对象：化学短纤维——表面光滑无卷曲，可纺性差•目的：获得与棉、毛等天然纤维相似的波纹（即卷曲），提高可纺性，同时改善织物手感。•方法：化学、物理或机械方法。•如：依靠喷丝孔内恻结构的不同（如粗糙程度不同、摩擦力不同）造成牵伸时丝的侧向取向不同，而使纤维卷曲。市场上的云丝被，就是采用的三维卷曲纤维。•5．切断•化学短纤维或混纺、或纯纺，混纺时各种纤维长度必须接近，根据不同用途，将化纤长丝束切断成不同长度的短纤维。•6．上油剂•目的：防止或消除纺丝或纺织加工过程中因不断磨擦而产生的静电，赋予纤维柔软、平滑的特性，改善化纤织物的服用性能。•如为特殊需要，还可提高化纤抗氧化性能、防霉抗菌性能、耐高温性能等。•7．消光•消除有光纤维的刺目光泽，制成半光和无光化纤长丝。•常用消光剂：二氧化钛粉末•8．成品包装•做成丝绞、丝筒或丝饼。第一节基于碱溶液法的再生纤维素纤维•常见品种：•普通粘胶纤维•短纤维——俗称“人造棉”，“人造毛”•长丝——俗称“人造丝”•高湿模量富强粘胶纤维•强力粘胶纤维•各种改性粘胶纤维一、碱溶液法再生纤维素纤维的结构•（一）普通粘胶纤维的结构•1．粘胶纤维的化学组成•主要组成物质是纤维素，其分子式为[C6H10O5]n。普通粘胶长丝纤维和短纤维的聚合度为300-500。•2．粘胶纤维大分子的空间结构•椅式构型•3．粘胶纤维的结晶结构•纤维素的晶胞是由5个平行排列的纤维素大分子在两个六元环链节上组成的。纤维素的晶胞至少有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种晶胞类型。其中天然纤维的晶胞为Ⅰ型结构，单斜晶系，晶胞参数为a=8.35Å，b＝10.36Å，c=7.90Å，β=84°；粘胶纤维的晶胞为Ⅱ型结构，单斜晶系，晶胞参数为a=8.14Å，b=10.36Å，c=9.14Å，β=62°。•比较纤维素Ⅰ和纤维素Ⅱ晶胞结构，可以看出它们有显著差别。粘胶纤维属再生纤维素纤维，因已经历碱液处理，虽然晶胞的b轴尺寸不变，但a轴、c轴的尺寸和β角均已改变，分子面转动，晶胞发生倾斜。粘胶纤维晶胞结构的这种变化，使它的性质和天然纤维有很大的不同，如因晶胞倾斜导致粘胶纤维结晶度和取向度降低，引起纤维强度降低、伸长率增加等性质的变化。甚至水分子也能少量（不到1%）进入纤维素的结晶部分，而对天然纤维来说，水分子是不能进入结晶区的。•4．粘胶纤维的聚集态结构•适于用“缨状原纤结构模型”来表述。•具有典型的原纤结构。•普通粘胶纤维的平均聚合度较低，内部晶粒较小。•5．粘胶纤维的形态结构特征•横截面：有不规则的锯齿形边缘，有皮芯层的芯鞘结构。•纵向表面：有平行于纤维轴的条纹。（二）差别化粘胶纤维的结构•1．强力粘胶纤维•轮廓较圆滑、均匀，主要是皮层结构•2.高湿模量粘胶纤维•主要是芯层结构二、碱溶液法再生纤维素纤维的性能•（一）普通粘胶纤维的性能•1．纤维的线密度•一般dpf=3.3～5.5dtex•长丝纱：每根约含纤维15～200根：如132dtex／30f；短纤维：每束可含12000～40000根单纤维。•粘胶短纤维的线密度：棉型1.8～2.0dtex、毛型3.3～4.0dtex•2．纤维的比重：1.52，较高。•3．吸湿性•仅次于羊毛。标准回潮率约13～15％，强力粘胶长丝纤维约12.5～14.5％，富强纤维约12～13.5％。粘胶纤维在水中会产生很大的膨润。•吸湿好原因：亲水性基因（每个六元环上存在3个羟基）、纤维素Ⅱ型晶格、较低的结晶度。•4．机械性质•（1）强伸度：强力低于棉纤维，伸长则大于棉纤维。在湿态条件下，湿强度降低50%，伸长率也增加较多。•（2）初始模量和弹性：初始模量不高（57～75cN/tex），吸湿后下降很大；弹性回复能力与其他纤维相比也较差。•5．耐热性•耐热性比棉纤维差（在1000C以下）（分子量比棉低得多），加热到150℃左右时强力降低得比棉慢，在180～200℃时，产生热分解。•6．光学性质•光泽很强，长丝有极光，欠柔和•消光处理：不含TiO2的称有光纤维，含0.5～1％的称半光纤维，含3％以上的称无光纤维。•双折射率比天然纤维素纤维低，说明分子取向度比棉、麻低。•耐光性比棉纤维差。•7．耐酸碱性能•耐碱不耐强酸。在室温下，59％的硫酸溶液即可将粘胶纤维溶解。•8．染色性能•染色性好（分子量和结晶度均比棉低，且在水中易膨润），但容易引起染色不均匀。•（二）差别化粘胶纤维的性能•以高湿模量粘胶纤维为例：•富强纤维断裂强度已接近合成纤维，在湿态下的强度损失较小，断裂伸长率较低，弹性回复率高，尺寸稳定性较好，较耐褶皱；初始模量与棉纤维相近，在小负荷下产生的变形不大；水洗收缩率与棉纤维相似，比普通粘胶纤维小一倍；勾结强度较差（棉纤维的一半），纤维的脆性较大；抗碱性是所有粘胶纤维中最高的，与棉混纺的织物能经受丝光处理。•Modal纤维也属以高湿模量纤维，但湿模量仅比普通粘胶高出一倍左右，湿态下强度损失仍有40%，断裂伸长较小，弹性恢复能力略高，有较好的尺寸稳定性能，有一些高湿模量的特征，与普通粘胶相比有一定优势，也可以经受丝光处理。第二节基于铜氨溶液法的再生纤维素纤维•一、铜氨纤维的制造原理•原料：纤维素和铜氨溶液。•铜氨溶液制备：将氢氧化铜溶于浓氨水中。•纺丝液制备：将棉短绒（或木材）浆粕溶解在铜氨溶液中，制得铜氨纤维素纺丝液，纺丝液中含铜约4%、NH3约29%、纤维素约10%。•纺丝：湿法纺丝。纺丝液从喷丝头细孔压出后，首先被从喷水漏斗喷出的急流水抽伸（抽伸倍数约为300倍），纺丝液一边变细，一边凝固。凝固丝通过稀酸浴（常采用5%H2SO4），即还原再生成铜氨纤维。二、铜氨纤维的结构•dpf可小至0.44～1.44dtex。•横截面：无皮芯结构，圆形。•平均聚合度较粘胶纤维高，可达450～550。三、铜氨纤维的性能•（一）机械性质•干强2.6～3.0cN／dtex，湿干强比约65～70％，耐磨性和耐疲劳性比粘胶纤维好。•原因：聚合度较高，且经高度抽伸，分子取向性较好。•（二）光泽和手感•单纤维很细，织物手感柔软；光泽柔和，有真丝感。•（三）吸湿性•标准回潮率约为12%～13.5%，吸水量比粘胶纤维高20%左右。•（四）染色性•无皮层结构，上色较快，上染率较高。•（五）化学性质•能被热稀酸和冷浓酸溶解，遇强碱会发生膨化及使纤维的强度降低，直至溶解。一般不溶于有机溶剂，而溶于铜氨溶液。第三节基于有机溶剂法的再生纤维素纤维•一、Lyocell纤维的结构•（一）形态结构•截面：接近圆形•有明晰的巨原纤结构特征，并有尺寸从5~100nm不等的空隙与裂缝，有皮芯层结构，皮层比例较粘胶纤维小，在5%以下。（二）纤维的聚集态结构•属于单斜晶系的纤维素Ⅱ型晶胞，使用干湿法纺丝，牵伸主要是在干态（空气中）条件下进行，分子取向度和结晶度都高于普通粘胶纤维，晶粒长而薄，无定形区的取向程度也高。•Lyocell是一种直接从基原纤到巨原纤的“缨状巨原纤”结构，原纤化的效果比原纤层次完整的纤维还理想。•原因：Lyocell纤维分子取向度和结晶度比较高这一特点，导致纤维中巨原纤的结晶化程度高并更趋向于沿纤维轴向排列，这样，从结晶区中延曳出来缚结非晶区分子的机率相应要减小一些，必然会在纤维轴方向和直径方向产生连结力的明显差异，所以当纤维受到外界因素，诸如连续的摩擦和振动的应力作用后，一旦外力将薄薄的皮层破坏，芯层的巨原纤就会沿径向分离，并通过分裂出来的巨原纤形成原纤化效果。（三）纤维结构的形成•采用干湿法纺丝成形工艺：纺丝液以一定的速度从喷丝板喷出后，先在气隙中，一方面挥发溶剂，一方面接受牵伸，然后进入凝固溶脱去溶剂，出浴后再干燥并继续接受牵伸与脱去非溶剂物质。•纤维成形规律：•1．纺丝液进入喷丝孔前是各向同性的，通过喷丝孔时分子排列逐渐顺直，数据表明，出喷丝孔时纤维直径与喷丝孔径相同。•2．纺丝液在气隙中进行干纺时，纤维直径减小增大，说明取向程度已大为改善。•3．被牵伸细化的塑性纺丝液进入凝固浴后，纺丝液中的溶剂全部脱去，纤维分子得到足够接近的机会，相互作用并生成结晶，但仍含有大量非溶剂成份——水份，属溶胀状态，分子取向度在脱溶凝固的过程中有了很大提高，说明纤维已经基本成形。•4．在干燥过程中，纤维脱去所含以水为主的非溶剂成份，使结构进一步收缩，适量牵伸形成有良好取向的原纤化构造。二、Lyocell纤维的性能•1.相对强度较高•40cN/tex，湿强30cN/tex，高于棉的湿强26～30cN/tex（棉是湿强大于干强的纤维）。•2.初始模量较高•为普通粘胶长丝干态模量的数倍，湿态时仍能保持很高的模量值。•3.吸湿性能良好•回潮率11%以上。膨化的异向性特征十分明显•4.有与粘胶相近的染色性能•5.有突出的原纤化特征•原纤化特征：指可以沿纵向将纤维从更微细的层次上剖离。第四节纤维素改制再生的衍生物纤维•一、醋酯纤维的纤维素衍生物特征•纤维素的衍生物主要有：纤维素酯和纤维素醚等。•理论上，这两类纤维素衍生物都能溶于有机溶剂，都有纤维化可能。但实际工业生产中只有纤维素醋酸酯才能用于制造纤维，由纤维素醋酸酯制成的纤维称为醋酯纤维。•根据酯化程度不同分：二醋酯纤维和三醋酯纤维。•置换度（X）——纤维素每个六元环上的3个羟基中，平均有多少羟基被醋酸化；•酯化度（γ）一一纤维素每100个羟基中，平均被醋酸化的羟基数。%1003X酯化度：二醋酯75～80%，三醋酯93～100％。二醋酯发展较早，于1894年开始工业化生产。近年来三醋酯得到较快发展，性能优于二醋酯。二、醋酯纤维的制造过程三、醋醋纤维的结构•聚集态结构•二醋酯纤维分子的对称性和规整性较差，且基本上是非结晶的，故二醋酯纤维结晶度很低，聚合度约200～300。•三醋酯纤维分子结构的对称性和规整性比二醋酯好，纤维结晶度比二醋酯高，聚合度为300～400。形态结构截面：耳形和多瓣形，无皮芯层结构纵向：1~2道沟槽四、醋酯纤维的性能•1.化学性质•主要成分：纤维素醋酸酯•二醋酯化度低，耐碱不耐浓酸，耐无机稀酸；三醋酯化度高，耐无机稀酸，不耐碱•2.比重和回潮率•比重：二醋1.32，三醋1.30；回潮率：二醋6~7%，三醋3.2%左右；吸水量为二醋31%，三醋17%•3.力