人造纖維的一個主要品種。由天然纖維素經鹼化而成堿纖維素,再與二硫化碳作用生成纖維素黃原酸酯,溶解於稀堿液內得到的粘稠溶液稱粘膠,粘膠經濕法紡絲和一系列後處理工序(見化學纖維後加工)即成粘膠纖維。

  品種分類 根據製造工藝、纖維結構和性能的不同,粘膠纖維分成如下一些品種:

粘膠纖維分成如下一些品種

  性質與用途 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,穿著舒適,染色後色澤鮮艷、色牢度好。適宜於制做內衣、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。

  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、濕模量高和耐堿性等特點,基本上克服瞭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。波裡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,彈性回復率高,因此織物的尺寸穩定性較好。

  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,如帆佈、塑料塗層織物等。

  改性粘膠纖維具有多種用途,如與聚丙烯腈或聚乙烯醇復合的粘膠纖維具有毛型感和膨松性,適於制做西裝、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,可用在高溫和防火的工業部門。粘膠纖維經處理後還可制成止血纖維,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,粘膠纖維經處理而制得的碳纖維和石墨纖維具有高強度和高模量,與環氧樹脂等制成復合材料可用作空間技術的燒蝕材料;由粘膠和矽酸鈉混紡的原絲,經處理後制成的陶瓷纖維作為耐高溫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。

幾種纖維素纖維的力學性質

  基本成分 粘膠纖維的基本成分是纖維素。纖維素是許多植物性材料經提煉除去木質素後所殘餘的碳水化合物,是一種多醣類物質,分子有足夠的長度,在水、稀堿或稀酸中不溶解,分子的構成單位是失水d-葡萄糖,具有六環結構,構成單位間的鍵合是1位和4位碳原子間的d-葡萄糖甙鍵。

  纖維素與其他高分子化合物一樣,聚合度並不是完全相同的。天然纖維素的聚合度可高達數千甚至超過1萬,水解後聚合度可降至 50~200,仍然保持纖維素的特性。纖維素按其聚合度的大小可分為 α-纖維素、β-纖維素、γ-纖維素和半纖維素。把纖維素在17.5%的氫氧化鈉水溶液中在20℃下處理45分鐘,不溶解的部分稱為α-纖維素,聚合度約在 200以上,溶液用醋酸中和,沉淀的部分稱為β-纖維素,聚合度約為50~200,不沉淀部分稱為γ-纖維素,聚合度在50以下。β-纖維素和γ-纖維素又稱半纖維素。

  漿粕 纖維素在植物中是與木質素、多縮戊糖、果膠、脂肪蠟質等雜質共生在一起的。通過化學精制方法把纖維素分離出來,制成具有一定聚合度和反應能力的漿粕,用以制造粘膠纖維。用作漿粕的原料主要有木材,棉短絨以及蘆葦、麥桿、甘蔗渣等草類纖維,尤以前兩者為主。木材中以含纖維素較多、樹脂較少的針葉樹如雲杉和冷杉最為適宜。闊葉樹的多縮戊糖含量較高,纖維較短,也可作為漿粕原料。棉短絨是剝去皮棉後附在棉籽上的短絨,長度在2~6毫米之間,是一種很純粹的纖維素材料,雜質含量較低,制漿工藝較簡單,漿粕的得率較高。草類纖維中纖維素含量較低,灰分和多縮戊糖等雜質含量較高。

  制造漿粕的主要方法因纖維素材料的不同而異。差別在於使用不同的化學藥品和不同的工藝參數分離除掉纖維素以外的雜質。有亞硫酸鹽法、苛性鈉法、硫酸鹽法和預水解硫酸鹽法等。苛性鈉法制漿粕的工藝流程如圖1所示。

  纖維制造 纖維素是典型的剛性分子,分子間的作用力很強,不溶於常見的溶劑,因此必須先把纖維素轉化成酯類,再溶解成紡絲溶液,經紡絲成形後再生成纖維素纖維。

  ①粘膠的制備:包括浸漬、壓榨、粉碎、老化、黃化、溶解、熟成、過濾、脫泡等工序。漿粕經濃度為18%左右的氫氧化鈉水溶液浸漬,使纖維素轉化成堿纖維素,半纖維素溶出,聚合度部分下降;再經壓榨除去多餘的堿液。塊狀的堿纖維素在粉碎機上粉碎後變為疏松的絮狀體,由於表面積增大使以後的化學反應均勻性提高。堿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溫度、時間有關。老化後將堿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堿液中的溶解性能大為提高。把固體纖維素黃酸酯溶解在稀堿液中,即是粘膠。剛制成的粘膠因粘度和鹽值較高不易成形,必須在一定溫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著改變。在熟成的同時應進行脫泡和過濾,以除去氣泡和雜質。

  制備粘膠的設備主要有古典法、連續浸漬壓榨粉碎(圖2)和五合機等三種形式。

  ②紡絲成形:采用濕法紡絲。粘膠通過噴絲孔形成細流進入含酸凝固浴,粘膠中堿被中和,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。

  ③後處理:成形後纖維含有硫酸及其鹽類會使纖維泛黃、手感差,幹燥後易受損傷,因此需經過水洗、脫硫、酸洗、上油和幹燥等後處理加工。水洗是除去附在纖維表面的硫酸及其鹽類和部分硫。脫硫可在氫氧化鈉、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系數,減少靜電效應,改善纖維手感,提高纖維的可紡性能。上油後的絲條經過幹燥即可包裝出廠。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佈,對纖維的外觀無特殊要求,隻需用熱水洗去纖維上硫酸及其鹽類,經上油、幹燥後即可,後處理可在紡絲機上進行。

  粘膠纖維的結構 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(圖3),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。波裡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。波裡諾西克纖維成形時的主要特點是盡量避免纖維素的降解,使天然纖維素結構盡可能在溶解和凝固過程中保持不變,采用緩和而均勻的凝固條件,如低酸、低鹽、低溫和低紡速。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。其韌性低於強力絲而高於波裡諾西克,剛性則高於強力絲低於波裡諾西克,是一種結合波裡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裡諾西克,而高於強力絲。其成形特點基本與強力絲相近似。永久卷曲粘膠纖維的橫截面形狀不對稱、皮層厚度分佈不均勻,在橫截面各部分存在著大小不等的內應力。永久卷曲粘膠纖維的工藝特點是提高粘膠的熟成指數,凝固浴中硫酸的濃度偏低、硫酸鈉濃度較高、浴溫較高,適當地增加拉伸倍數,特別是在塑化拉伸後再增加一段空氣拉伸,有利於增加纖維的卷曲性。