粘胶纤维(Viscose fibre)又被称为黏胶纤维、粘纤,主要组成物质是纤维素,是人造纤维的一个主要品种。可以分为普通纤维、高湿模量纤维、强力纤维、特种纤维四种,其生产过程通常包括三大部分:粘胶的制备、纺丝成型和纤维的后处理。
粘胶纤维不仅可以在数量上补充天然纤维之不足,而且在吸湿性、易染色、强度高、耐热性好和能够进行化学改性等方面优于天然纤维和合成纤维。
氨纶不仅可以作为衣着用料,丰富纺织品的花色品种,而且在食品、工业、医学、航空航天等方面都有广泛的用途,食品领域中可用于饮料的除菌澄清、果汁的浓缩和精制及回收各种精果、蛋白质等;工业上可以用于制作轮胎、绳索、运输带、帆布、塑料涂层织物、阻燃剂、帐篷、船帆等;医学上可以用于制作纱布、绷带、人工肾血液透析器、防感染医用器具等;航空航天领域可用于制造火箭马达、喷气机喷嘴和空间重返大气层装置的防热罩等。
发现历史
粘纤是古老的纤维品种之一。在1891年,克罗斯(Cross)、贝文(Bevan)和比德尔(Beadle)等首先以棉为原料制成了纤维素磺酸钠溶液,由于这种溶液的粘度很大,因而命名为“粘胶”。粘胶遇酸后,纤维素又重新析出。根据这一原理,1893年发展成为一种制造纤维素纤维的方法,这种纤维就叫做“粘胶纤维”。到1905年,米勒尔(Muller)等发明了一种稀硫酸和硫酸盐组成的凝固浴,实现了粘胶纤维的工业化生产。因此,粘胶纤维的名称是其工艺过程中间产物的状态,其实粘胶纤维是一种由天然木纤维提取出来的纤维素纤维。
20世纪三十年代末期,出现了强力粘胶纤维;五十年代初期,高性能(高湿模量类)粘胶纤维实现工业化;到了六十年代初期,粘胶纤维的发展达到了高峰,其产量曾占化学纤维总产量的80%以上。从六十年代中期起,它的发展已趋平缓,到1968年,其产量开始落后于合成纤维。到八十年代,世界上已建有约180个较大规模的粘胶纤维厂,年产量达360~380万吨,约占化学纤维总产量的24%。
分类及结构特征
粘胶纤维是用粘胶法制成的再生纤维素纤维,是人造纤维的一个主要品种。根据制造工艺、纤维结构和性能不同可以分为普通纤维、高湿模量纤维、强力纤维、特种纤维四种。普通纤维包括长丝和短纤维,高模湿量纤维包括富强纤维、高湿模量纤维、高卷曲纤维,强力纤维包括普通型强力纤维和超强力型纤维,特种纤维包括高性能纤维和功能纤维。
粘胶纤维的主要组成物质是纤维素,其分子结构式与棉纤维相同,聚合度低于棉,一般250~550。粘胶纤维由湿法纺丝制成,其横截面边缘为不规则的锯齿形,纵向平直有不连续的条纹。纤维外层的纤维素大分子受到较强拉伸,分子取向度较高,结晶粒度小,数量较多,结构比较均一;内层中的纤维素大分子受到的拉伸效果较小,取向度低,结晶粒度大,结构较为疏松,这种结构称为皮芯结构。一般湿法纺丝的化学纤维均具有皮芯结构。各种类型的粘胶纤维结构如下图所示。
普通纤维
普通粘胶纤维吸湿性能好,易于染色,不易起静电,有较好的纺织加工性能。短纤维可以纯纺,也可以与其他纺织纤维混纺,织物光滑、柔软、透气性良好,穿着舒适,染色后色泽鲜艳、色牢度好。粘胶短纤维织物适于制作内衣、外衣和各种装饰用品。长丝织物质地轻薄,除适于作衣料外,还可织制被面和装饰织物。普通粘胶纤维的缺点是牢度较差、湿模量较低缩水率较高而且容易变形,弹性和耐磨性较差。
普通粘胶纤维结构的规整性和均一性较差。纤维素分子链取向度较低,侧序低,具有中等的结晶程度,结晶粒子粗大;纤维的横截面星不规则的锯齿状,有明显的皮一芯层差异。
高湿模量纤维
高湿模量粘胶纤维是一种新型粘胶纤维,它适当降低了强度和湿模量,提高了纤维的钩接强度、伸度和耐磨性,在生产工艺上的特点为粘胶中加入变性剂。由于高湿模量粘胶纤维制造工艺简单,生产成本低,生产效率高,纤维性能好,得到了较高速度的发展,被人称之为“粘胶纤维的新一代”。
高湿模量粘胶纤维具有强度高、延伸度低、湿模量高、耐碱性良好等特点,其与棉的混纺织物可进行丝光化处理,基本上克服了普通粘胶纤维的缺陷,其织物的牢度、耐水洗性、形态稳定性均与优质棉相近。
高湿模量纤维中的富纤的分子取向度高,结晶度高,结晶粒子粗大,侧序较高而分布较分散;纤维横截面呈均匀的圆形。
强力纤维
利用特殊的纺丝工艺,可获得厚皮层或全皮层的强力粘胶纤维,强力粘胶纤维的强度高,抗多次变形性特别好,可用作轮胎帘子线、传送带和三角皮带的帘子线、绳索、各种工业用织物,如帆布、塑料涂层织物等。
强力粘胶纤维结构的规整性和均一性较好,具有较高的取向度,较低的结晶度、晶区小而分布均匀,侧序较低,侧序分布较集中;纤维的横截面为均匀的圆形或圆滑的豆形。
特种纤维
所谓特种纤维并无绝对的定义,它是相对于占合成纤维产量99%的大品种而言的。特种合成纤维由于它们的化学组成、分子结构、物理化学性能、加工方法的特殊矛盾和特殊本质,才构成了这样一个种类繁多的“大家庭”。
特种纤维的分类可以按纤维的特殊性能来分,也可以根据化学组成、分子结构或加工方法来分。纤维的性能反映了内部结构的特殊性,如耐高温纤维、防火纤维、抗燃纤维等,此外,粘胶纤维经热处理和活化处理而制得的碳纤维和石墨纤维,具有高强度和高模量,与环氧树脂等制成的复合材料,可用作空间技术的烧蚀材料;由粘胶和硅酸钠共混而纺得的原丝,经处理后制成的陶瓷纤维作为耐高温树脂的增强材料,可用于液态火箭发动机和喷气发动机的喷嘴以及空间装置重返大气层的防热罩等。
主要特性
吸湿性和染色性
粘胶纤维的吸湿性是化学纤维中最好的,标准大气条件下(20℃,相对湿度65%)的平衡回潮率为12%~15%,相对湿度95%时的回潮率约30%。纤维在水中润湿后,截面积膨胀率可达到50%-140%。粘胶纤维的染色性能良好,染色色谱全,色泽鲜艳,染色牢度也较好。
机械性质
粘胶纤维的强度一般在1.6~2.7dN/tex,断裂伸长率为16%~22%,润湿后的粘胶纤维强力下降,其湿干强度比为40%~50%。在剧烈的洗涤条件下,粘胶纤维织物易受损伤。粘胶纤维在小负荷下容易变形,且变形后不易恢复,弹性差,织物容易起皱,耐磨性差。
拉伸性能
粘胶纤维的结晶度、取向度和聚合度都较低,分子链之间的作用力较弱,在外力拉伸时,分子链或其他结构单元之间的相对滑移导致纤维断裂。粘胶纤维润湿后,由于水分子的作用削弱了大分子间的作用力,有利于分子链或其他结构单元之间的相对滑移,导致润湿状态下的拉伸性能比干燥状态下低得多。
服用性能
从服用的角度看,粘胶纤维的主要优点是吸湿性强、染色性好、发色性好、不易产生静电、可纺性好、能与各种纤维包括天然纤维及化学纤维混纺和交织。而且富纤和高湿模量纤维已基本上克服了普通粘胶纤维湿强低、易伸长、弹性差、塑性大、伸长回复率低等缺点,达到了棉纤维性能的水平,有些还超过了棉纤维。
从织物的角度来看,粘胶纤维织物,不论是长丝织物还是短纤维织物,虽有吸湿好、色彩鲜艳、穿着舒适等长处,但都具有易皱、易缩、易伸长、易变形、不耐磨、湿强低、不宜机洗等致命弱点。
耐热性能
纤维素纤维的耐热性较好,不会因温度升高而发生软化、粘连及力学性能的严重下降。实验证明,在一定温度范围内,粘胶纤维的耐热性优于棉纤维。
化学性质
粘胶纤维的化学性质同其他纤维素纤维一样,对酸和氧化剂的抵抗力差,而对碱的抵抗力较强,但对碱的稳定性低于天然纤维素纤维,碱液会破坏粘胶纤维的聚合度和结晶度,导致纤维失重,力学性能下降,因此,提高纤维的聚合度和结晶度可提高纤维的耐碱性。当然,纤维失重和力学性能下降的程度还取决于碱液的浓度和温度,纤维失重率随碱液浓度的降低和温度的升高而减小。
耐日光性
长时间日光照射,粘胶纤维的强力降低,稍变黄。粘胶纤维对光化学作用的稳定性略低于天然纤维素纤维,在日光照射下,棉纤维经940h,强度损失50%,而同样强度损失粘胶纤维约为900h。
应用领域
粘胶纤维具有优良的吸湿性能、易染色、强度高、耐热性好和能够进行化学改性等特点,被广泛的用于织物制造,随着科学技术的不断进步,各个领域为了得到性能更好的粘性纤维,常对粘性纤维进行改性,如表面接枝改性、增加助剂改性、物理改性等方法,既可以提升已有应用的性能,也可拓宽其应用领域,如工业、医学、国防和科学研究等领域。
织物方面
粘胶纤维可以纯纺,也可以与棉、毛、麻、丝以及各种合成纤维混纺或交织。普通粘胶短纤维的各种织物,穿着舒适,透气性好,质地细密柔软,手感光滑,染色或印花后,色泽鲜艳,色牢度好,宜于做内衣、外衣及各种装饰织物。
粘胶纤维经变性处理后也提高了许多性能,如和聚丙烯睛或聚乙烯醇复合的粘胶纤维,具有毛一样的手感和膨体特性,适用于制造西服、毛毯、地毯和装饰织物;具有扁平形状和粗糙手感的“稻草丝”和空心纤维,有比重小、覆盖力大和膨体特性,适用于编织女帽、提包及各种装饰用具。
工业方面
粘胶纤维在工业方面的应用,主要是利用它具有强度高、耐热性好和能够进行化学改性等特性。如粘胶粘胶帘子线的强度高,受热后强度损失少,特别适用于制造辐射状结构的轮胎;强力粘胶纤维还可用于制造绳索、输送带及各种工业用织物,如帆布、塑料涂层织物等;与丙烯酸接枝的粘胶纤维具有很高的离子交换能力,可用于从废液中回收贵重金属如金、银和汞等。
粘胶纤维在后处理过程中加入阻燃剂,在经过染色,常被用于大型客机和高级饭店装饰用布、消防部门传统的石棉和帆布作业服、耐热的绝缘材料、过滤空气的滤材、耐烫织物和防热装饰品等。
医学方面
在医疗卫生部门,常用粘胶纤维制成止血纤维、纱布、被服等。中国还首先使用粘胶中空纤维制成人工肾血液透析器,作为肾衰竭病人的治疗器具,还可用作抢救重伤员、防止血液感染的医用器具。
航空航天方面
粘胶纤维在国防和科研等部门主要是利用它来制造具有特殊性能的新型纤维。经过3000℃碳化处理的粘胶纤维,具有强度高、模量高的优点,与ep复合之后,可用于代替高性能喷气式飞机和空间技术中所用的大部分金属;粘胶和硅酸钠共纺的原丝,制得的耐火纤维可用于液体推进火箭马达、喷气机喷嘴和空间重返大气层装置的防热罩等。
食品方面
食品工业上可用于饮料的除菌澄清、果汁的浓缩和精制及回收各种精果、蛋白质等。
其他方面
粘胶纤维还可制成光导纤、超导纤,抗紫外线粘纤,防X光粘纤等。
生产过程
粘胶纤维的生产通常包括三大部分:粘胶的制备、纺丝成型和纤维的后处理。
粘胶(纺丝原液)的制备
由于纤维素是典型的刚性分子,分子间的作用力很强,不溶于普通的溶剂,故必须把纤维素转化成类,再溶解成纺丝溶液,经再生成型为再生纤维素纤维。粘胶纤维纺丝原液的制备包括浸渍、压榨、粉碎、老化、黄化、溶解、熟成、过滤、脱泡等工序。
纺丝成型
粘胶通过一定的机械设备及凝固浴,转变成为具有一定性能的固态纤维,这一过程称为纤维的成型,又称为纺丝。
按照纺丝浴槽的数量及要求不同,粘胶纤维纺丝方法通常分为一浴法和二浴法,个别情况还采用三浴法。一浴法纺丝是粘胶的凝固和纤维素黄原酸酯的分解都在同一浴槽内完成(如普通粘胶长丝成型);二浴法纺丝则是粘胶的凝固主要在第一浴,纤维素黄原酸酯分解主要在第二浴(如强力粘胶纤维)。
纤维的后处理
经成型拉伸后的初生粘胶纤维,必须经过后处理,粘胶纤维后处理的主要项目有水洗、脱硫、漂白、酸洗、上油以及烘干等过程。以便除去纤维中含有的杂质,并进一步完善纤维的物理力学性能和纺织加工性能。
生产后处理
粘胶纤维生产过程中需要大量的化工原料,如:浆柏(主要含纤维素)、氢氧化钠、二硫化碳、硫酸、硫酸锌等。这些化工原料只参与工艺过程,并不形成产品的组成,其中60%的化工原料将转变成废物,污染水体。并且纤维素黄酸酯分解时能放出大量CS2和H2S容易对大气造成污染。生产后还会有固体废弃物的产生,如废丝、污泥和废渣等。
解决粘胶纤维生产中的三废问题,最根本的途径是减少或消除污染源,主要是:
(1)采用新工艺以降低CS2的用量。目前应用的新工艺有碱纤维素二次费法连续黄化法和低温黄化法等。采用新工艺方法,将CS2用量从30%~35%降低至20%~25%,有效地减少废气的排放。
(2)研究并采用少锌或无锌凝固浴纺丝减少或消除:ZnSO4对环境的污染。
(3)建立强化的回收循环和密闭的生产系统。加强水、CS2、碱和酸浴的循环回收及再利用,降低化工料的单耗量;采用碱纤的连续黄化、粘胶连续过滤、连续纺丝、酸浴连续过滤、蒸发和结晶,减少散发,加强回收,以减少污染源。
毒性
粘胶纤维生产过程中用到了二硫化碳作为磺化剂,该物质是亲神经、亲血管的全身性毒物,对神经、心血管、生殖、胃肠道、泌尿等系统的毒性作用均有报道。短期接触大量二硫化碳可导致急性中毒性脑病,长期接触较低浓度二硫化碳主要表现为周围神经病,还能导致作业工人的视觉障碍。
研究表明利用二硫化碳染毒建立了大鼠视神经损伤模型,给予NGF治疗后,视觉电位恢复正常。提示NGF对二硫化碳的神经毒性有治疗作用。用新西兰白兔制作二硫化碳视神经损害模型,经口给入复方山楂饮(由山楂、枸杞、大枣等抗氧化中药组成),结果表明治疗组实验兔视网膜的视细胞外段无异常改变,色素上皮细胞部分异常,说明该药对二硫化碳所致的视网膜毒性损害有一定的保护作用。用刺五加注射液对慢性二硫化碳中毒患者进行治疗,与常规治疗比较患者头晕、头痛、心悸病、易躁、失眠、多梦明显改善,肢体麻木明显减轻。
安全生产
粘胶纤维生产中,二硫化碳是用量较多而且火灾危险性最大的物质。从二硫化碳车间到原液、纺丝车间,几乎都有一定数量的二硫化碳存在,二硫化碳是一级易燃液体,闪点-35.5℃,爆炸极限2%~32%,自燃点112℃,遇到微小的火星就能爆炸着火,受高热或日晒能自燃、着火后容易蔓延,燃烧热值高,为14031kJ/kg、火焰温度达2195℃。二硫化碳是电介质,在设备系统中流动时能带电、静电放电火花有引起火灾的危险。
原料浆粕、棉短绒以及粘胶纤维产品也是可燃物质,特别是棉短绒在150℃左右的着火源作用下就能起火燃烧。粘胶纤维的燃点235℃,自燃点462℃,接触
火焰不熔融而迅速分解燃烧,有烧纸的气味。
黄化反应要使用大量的二硫化碳,而且反应本身是放热的,若反应过程中搅拌停止,冷却失常,就有发生冲料起火的危险。从设备不严密处泄漏的二硫化碳遇到火星会发生燃烧、爆炸。纤维素钠中若混入金属杂物,在黄化机内进行搅拌时由于撞击和摩擦会进出火星,引起二硫化碳蒸气着火或爆炸。
在纺织机和集束机运转时都有相当数量的二硫化碳和硫化氢释放出来,若不及时回收或排放到大气中去,触及蒸汽管道或其他着火源,就会着火、爆炸。
干燥机在运转时也常会发生火警或火灾;由于风机等机械摩擦或轴承摩擦过热会引起附着的或缠绕着的纤维着火;机内加热器上长期积存的纤维屑受热会自燃:烘干温度由于调控失常,超过粘胶纤维的自燃点而失火。
黄化机应配备安全阀、压力表、温度计等安全装置,并注意维修校验,黄化机的盖应用铝皮或其他不易产生火花的材料衬垫,其操作台和工具也应用不易产生火花的材料制造。
浆粕预碎机以及老化鼓和黄化机之间,宜安装磁铁分离器,以剔除铁质杂物。浆粕粉碎时,应通水冷却,防止因摩擦产生热量而引起火灾。
烘于机内可加装自动控制蒸汽压力装置和灭火系统,以防纤维产品在机内着火蔓延。