Lyocell纤维纺丝工艺对并丝量的影响

2020-12-12

纺织科学研究 2020年11期

（中国纺织科学研究院有限公司生物源纤维制造技术国家重点实验室北京 100025）

Lyocell纤维，现通常是指NMMO（N-甲基吗啉-N-氧化物）溶剂法再生纤维素纤维，即以天然纤维素为原料，NMMO 水溶液为溶剂，经过物理溶解后，采用干喷湿法纺丝制备的纤维素纤维[1]。与传统的粘胶纤维相比，Lyocell纤维的整个制备过程绿色环保，不会产生有毒有害的化学物质，且溶剂回收率达99.5%以上，是真正意义上的的绿色纤维[2-3]。

Lyocell纤维除了具有环保优势外，在其他性能方面也优于粘胶和棉纤维。Lyocell纤维的断裂强度与涤纶接近，湿强度达到干强度的85%左右，纤维湿模量较高，制成的织物在湿态条件下的收缩率较低，洗涤时不易变形[4-5]。

并丝是指两根或两根以上的单丝粘并在一起形成的“粗纤维”。纤维形成并丝后，丝束变脆发硬，会造成纤维整体强度下降。成品中的并丝相比于硬丝、胶块、柱头、僵丝等短而细，在后续加工的清花、梳棉等工序中不容易被剔除，进入到后道染色工序后将形成色结，造成了最终面料上的疵点，影响面料外观，使面料降级[6-7]。因此，注重减少或消除并丝的产生，是保证和提高Lyocell纤维质量的重要环节。

Lycoell纤维纺丝工艺采用的是干喷湿法，气隙、凝固浴、纺丝速度等均会对纤维性能产生影响[8-9]。通过对纤维素浓度、气隙吹风风速、凝固浴浓度、纺丝速度等工艺参数的调整来探究并丝形成的原因。

1 实验部分

1.1 实验样品

以NMMO 水溶液为溶剂，采用干喷湿法纺丝工艺制备的Lyocell纤维，长度为38mm。纺丝温度95℃，喷丝板规格30000 孔。

1.2 实验过程

改变纺丝工艺条件，分别取不同纺丝条件下的丝束进行并丝等级分析，并通过扫描电镜观察丝束的横截面。

1.3 测试方法

1.3.1 丝束并丝等级

首先将38mm的Lyocell纤维切成长度约5 ～6 mm的短纤维，将短纤维装入直径为200 mm，高度为300mm的透明圆筒状容器内，并在容器内加入3000 ml 去离子水和1个聚四氟乙烯转子。按500r/min的速度搅拌2min，接着用装有滤纸的过滤器进行过滤，用显微镜观察滤物[10]。以并在一起且分不开的纤维数量判定其并丝等级，表1示出并丝数量与并丝等级的对应关系。

表1 并丝等级划分

1.3.2 扫描电子显微镜（SEM）测试

利用扫描电子显微镜观察和拍摄纤维样品的截面形态。样品的制备：将Lyocell 短纤维用哈氏切片器制样，将制得的样品用双面胶粘贴于样品座上，对样品进行喷金导电处理后，放入电镜下进行观察。

2 结果分析

2.1 纤维素浓度对纤维并丝的影响

在其他纺丝工艺一定的条件下，改变纺丝液中纤维素的浓度，取不同纤维素浓度的纺丝液用旋转粘度仪进行粘度测试，对比不同纤维素浓度对纤维丝束并丝的影响。表2 示出并丝含量与纤维素浓度之间的关系。纤维素浓度为10.5%时，纺丝液粘度为2000Pa·S，并丝等级为3。随着纤维素浓度逐渐升高，纺丝液粘度逐渐变大，丝束中并丝含量逐渐减少，并丝等级提高。纤维素浓度升高到12%时，纺丝液粘度增大到3690 Pa·S，并丝等级提高至1。

这是因为纺丝原液从喷丝板挤出后，细流还没有凝固，皮层非常薄，具有很强的粘合力[11]。当原液通过喷丝孔时，流动不稳定，相邻的单丝容易粘合相碰，从而生成并丝[12]。纤维素浓度越低，纺丝液的粘度越低，原液流动越不稳定，越容易产生并丝。但纤维素浓度过高时，纺丝原液粘度过大，会造成纺丝压力过大，对喷丝板要求较高，而且纺丝液粘度太大，流动性差，不利于纤维拉伸成形。

表2 不同纤维素浓度下纤维并丝等级变化

2.2 气隙吹风流速对纤维并丝的影响

在其他纺丝工艺一定的条件下，改变气隙的吹风风速，对比不同风速对纤维丝束并丝的影响。表3 示出，并丝含量与风速的关系，可以看出：风速过高和过低均会对纤维的并丝数量产生影响，风速为30m/s 时，纤维并丝等级为2 级，风压增大至35m/s 时，并丝等级不变，直至风压增大至38m/s，并丝等级提高至1 级，风压继续增大，并丝等级降低。图1是风速38m/s 时的纤维SEM 图，可以看出纤维根与根之间是相互独立的，纤维之间没有产生粘并，图2为风速42m/s 时的纤维SEM 图，可以看出较少纤维之间产生了粘并。因此，气隙吹风速度在30～45m/s 范围内，并丝较少，在38m/s 时丝束中并丝最少。

这是因为风速过高时,风在穿透丝层的同时,多余的风力会在丝束中心形成涡流,造成丝束抖动，丝束间互相碰撞粘连一起从而形成并丝；风速过低时,风力穿不透丝层,丝束来不及冷却，由于喷丝板的“孔口胀大”现象，丝束容易粘连在一起形成并丝。

2.3 纺丝速度对纤维并丝的影响

在其他纺丝工艺一定的条件下，改变纺丝速度，对比不同纺丝速度对纤维丝束并丝的影响，列于表4。纺速低于40m/min 时，并丝等级为1 级，并丝含量较少，随着纺丝速度的增加，纤维并丝等级逐渐降低，并丝数量逐渐增多，纺速增至45m/min 时，纤维并丝等级降低至3 级。图3为纺速为45m/min 时并丝的截面SEM 图。纺丝原液从喷丝头挤出后，原液流动性不稳定，如果纺丝速度过快，流体还没有进行充分的冷却凝固，丝与丝之间容易产生粘并，进而产生并丝。

表3 不同气隙吹风速度下纤维并丝等级变化

表4 不同纺丝速度下纤维并丝等级变化

图1 风速38 m/s纤维截面的SEM 图

2.4 凝固浴浓度对纤维并丝的影响

在其他纺丝工艺一定的条件下，改变凝固浴浓度，对比不同凝固浴浓度对纤维丝束并丝的影响。表5 示出，纤维并丝等级与凝固浴浓度之间的关系。凝固浴浓度为16%时，纤维并丝等级为1 级。随着凝固浴浓度的增加，纤维并丝等级逐渐降低，并丝数量逐渐增多。凝固浴浓度升高至25%时，并丝等级降低至3 级。

图2 风速42m/s纤维截面的SEM 图

图3 纺速为45m/min 时纤维截面SEM 图

这是由于当凝固浴浓度高时，纤维素内的NMMO 和凝固浴中的水之间形成的双扩散速度变慢，使得纤维凝固速度相应变慢，凝固还不充分的丝条会容易发生粘并，进而产生并丝。当凝固浴浓度过低时，虽然并丝等级为1 级，但双扩散速度增大，会使表层凝固过于剧烈而形成坚固的表皮，这层表皮会阻碍双扩散的进行，使内层的凝固速度变慢，受到拉伸时，内层纤维来不及充分凝固，应力主要集中在表层，这样会使纤维的可拉伸性能下降，而且使内层已经得到拉伸取向的纤维素大分子发生解取向，从而导致纤维强度下降。

表5 不同凝固浴条件下纤维并丝等级变化

2.5 成品纤维质量

取不同并丝等级的纤维（不含胶块、僵丝、硬板丝），按国标GB/T14339-2008 方法A 进行疵点分析检测，并对纤维进行强度和线密度不匀率测试。根据莱赛尔短纤维纺织行业标准FZ/T 52019-2018 规定，得出了纤维的并丝等级和疵点含量之间的关系，列于表6。从表中可以看出：随着纤维并丝等级的降低，纤维的疵点检测结果逐渐增多，纤维的强度和线密度的不匀率也逐渐增大。说明纤维的并丝含量对纤维的力学性能有一定程度的影响。