第四節 普通粘膠短纖維

一、凝固浴的組成和作用

1.凝固浴的組成

凝固浴是由硫酸、硫酸鈉和硫酸鋅按一定比例組成的溶液。單獨的硫酸水溶液雖然也能用于粘膠纖維成形，但所得纖維的質量很差，主要是因為纖維素黃原酸酯的分解速度過快，大分子還來不及經受足夠的拉伸定向，纖維素已經再生出來，使得纖維的結構疏松，內外層結構不勻，強度低，纖維無實用價值。故一般要用組合凝固浴。纖維品種不同，凝固浴組成及成形溫度等也不同。

2.凝固浴的作用

（1）硫酸的作用：在成形過程中硫酸的作用，一是使纖維素黃酸鈉分解，再生出纖維素和CS₂；二是中和粘膠中的NaOH，使粘膠凝固；三是使黃化時產生的副產物分解。

酸的濃度要根據成形參數的波動而進行適當調整。凝固浴中硫酸的濃度除與生產纖維品種有關外，還與粘膠的熟成度、粘膠的組成、紡絲速度以及噴絲頭大小等有關。

（2）硫酸鈉的作用：硫酸鈉的主要作用是抑制硫酸的離解，從而延緩纖維素黃酸鈉的再生速度。硫酸鈉是一種強電解質，能促使粘膠脫水而凝固，這些作用能改善纖維的力學性能。

（3）硫酸鋅的作用：當凝固浴中只含有硫酸和硫酸鈉時，雖能制得強度較高的纖維，但因其剛性太高，不能全面符合紡織加工的要求。硫酸鋅的加入，可改進纖維的成形效果，使纖維具有較高的韌性和較優良的耐疲勞性能。

硫酸鋅除具有與硫酸鈉相同的作用外，還有兩個特殊的作用：一是能與纖維素黃原酸鈉作用生成穩定的中間產物——纖維素黃原酸鋅，這種中間產物的分解速度比纖維素黃原酸鈉慢得多，有利于拉伸，從而得到強度較高的纖維；二是纖維素黃原酸鋅具有交聯結構，能形成結晶中心，生成均勻而細小的結晶，避免大塊結晶體的形成，從而使纖維結構均勻，強度、延伸度和鉤接強度都可得到適當提高。

二、紡絲成形工藝

1.粘膠短纖維的成形特點

（1）噴絲頭的選用：采用直徑較大或組合式噴絲頭，單頭孔數上千乃至數萬，合并后的絲束總線密度在百萬分特以上，紡絲機的單臺生產能力較大。

（2）成形條件：由于噴絲頭孔數較多，所以除要求噴絲孔有合理的排列與分布外，還要求酸浴的分配和流向更加均勻合理。短纖維的成形條件比普通長絲要緩和，紡絲浴組成中硫酸含量略低，而硫酸鈉含量稍高。因此，在塑性狀態下絲條能經受較大的拉伸。

（3）雙浴成形：經凝固成形后，絲束還要在專門的塑化槽中進行拉伸，纖維素在此完全再生，即雙浴成形。從一浴中紡出的絲束，合并成絲束后，在95～100℃的二浴中進行60%～100%的拉伸，并充分分解成為水化纖維素。

2.成形過程中的化學及物理化學變化

粘膠纖維紡絲是將粘膠溶液通過多孔噴絲頭擠出進入凝固浴中，使纖維素黃原酸酯凝固成為絲條，然后再分解成為水化纖維素。凝固和分解兩個過程往往是同時發生的，只是前后程度有所不同。

（1）成形過程中的化學變化：

①纖維素黃原酸酯遇酸的分解反應：

2C₆H₉O₄OCS₂Na+H₂SO₄2C₆H₁₀O₅+Na₂SO₄+2CS₂↑

②粘膠中堿與酸的中和反應：

2NaOH+H₂SO₄Na₂SO₄+2H₂O

③纖維素黃酸鈉和硫酸鋅的過渡反應：

④粘膠中雜質與酸的各種副反應：

Na₂CS₃+H₂SO₄Na₂SO₄+H₂S↑+CS₂↑

Na₂S+H₂SO₄Na₂SO₄+H₂S↑

Na₂S_x+H₂SO₄Na₂SO₄+H₂S↑+（x-1）S↓

Na₂S₂O₃+H₂SO₄Na₂SO₄+H₂O+SO₂+S↓

（2）成形過程中的物理化學變化：當粘膠經過噴絲孔道時，在切向力作用下成為各向異性的粘膠細流。粘膠細流和凝固浴各組分的雙擴散結果，使纖維素黃原酸酯被分解而析出再生纖維素。細流被離析成雙相，即以纖維素網絡結構為主的凝膠相和以低分子物質為主的液相。在初生的凝膠纖維中，原來在粘膠中已形成的結晶粒子首先析出。結晶粒子進一步結合其他大分子或締合體而不斷增大，并逐漸形成較大的結晶區域。由于纖維素大分子活動性小，故結晶過程比較緩慢。另外，溶劑的擴散速度常低于反應速度，所以在纖維的表面首先形成皮膜，溶劑通過皮膜向內部滲透，形成截面結構不均勻的皮芯層結構。

3.拉伸在粘膠短纖維成形中的意義

粘膠短纖維的成形過程是在兩個浴內完成的，由于凝固纖維所處的狀態不同，所以不同部位拉伸所獲得的效果亦不同。短纖維拉伸一般由噴絲頭拉伸、導盤拉伸和塑化拉伸三個階段組成。

（1）噴絲頭拉伸：噴絲頭拉伸率是指第一紡絲導盤的線速度與粘膠從噴絲頭噴出速度之間的比值。

粘膠從噴絲頭噴出時，粘膠細流尚處于粘膠態，不宜施加過大的噴絲頭拉伸，否則容易造成斷頭和毛絲。纖維品種不同，酯化度不同，噴絲頭拉伸率有較大差異。棉型短纖維控制一定的正拉伸，而高濕模量粘膠短纖維因酯化度較高，故常采用噴絲頭負拉伸。

（2）導盤拉伸：亦稱空氣浴拉伸，它在導盤與第一集束輥之間進行。此時絲束上附著有一部分凝固浴液，纖維素黃原酸酯繼續凝固并分解，大分子活動能力降低。經拉伸的纖維素大分子可以沿軸向達到一定程度的排列。但這一階段的拉伸率較小。

（3）塑化拉伸：塑化拉伸在第一集束輥和第二集束輥之間進行。纖維絲束在高溫酸性塑化浴中一方面得到完全再生，另一方面使絲條處于可塑狀態，大分子鏈有較大的活動余地，加以強烈的拉伸，就能使大分子和締合體沿拉伸方向取向。在拉伸的同時，纖維素基本全部再生，使拉伸效果得到鞏固。塑化拉伸是拉伸中最有效的部分。

三、粘膠短纖維的后處理

1.后處理方式及工藝流程

短纖維紡絲機紡出的纖維經集束、塑化拉伸后，纖維含有一系列雜質，其中包括絲條所帶出的酸性殘余浴液、成形過程中生成的膠態硫黃及附著在纖維上的鈣、鎂等金屬鹽類。這些雜質的存在對纖維質量及其紡織加工有很大影響，必須加以清除。根據絲束是否被切斷，后處理可以分成四種方式，如表2-6所示。

表2-6 粘膠短纖維后處理方式

目前，很多生產廠采用切斷后再進行后處理的方法，其工藝流程：水洗→脫硫→水洗→漂白→水洗→酸洗→水洗→上油→烘干→打包。

2.后處理各工序的作用

（1）水洗：用清水可洗去纖維上的硫酸、硫酸鹽及部分硫黃。每一次化學處理后還需進行水洗，以除去化學處理藥液及生成的雜質。為提高水洗效果，水洗溫度要適當。為減少用水量，除第一次洗水排放外，其余各道洗水一般都回收利用，并采用逆流方式，后一道洗水送至前一道使用。此外，硬水會在纖維上產生粘著的沉淀物，上油時易生成不溶性鈣皂粘附在纖維表面，所以后處理過程必須使用軟水。

（2）脫硫：附著在纖維上的硫黃會使纖維帶有淡黃色，并使纖維手感粗糙，而且在以后的紡織加工中產生灰塵，惡化車間環境。

一般纖維表面的硫黃在熱水中容易被洗掉，而內部的膠質硫黃卻難以洗去。為此，需要借助化學藥劑。常用的脫硫劑有：NaOH、NaOH與Na₂S的混合液及Na₂SO₃，它們能和不溶性的硫黃生成可溶于水的多硫化物和硫代硫酸鹽而被除去。

（3）漂白：由于原料和生產中帶入的各種色素，使纖維的白度較低，如果要求纖維較白時，就需漂白。一般采用次氯酸鈉和過氧化氫作為漂白劑，它們能氧化色素使纖維變白。

（4）酸洗：酸洗是為了除去纖維在處理過程中生成的不溶性氫氧化鐵及其他重金屬，以免影響纖維的質地和外觀。常用的酸為鹽酸或硫酸。

（5）上油：上油的目的在于改善粘膠纖維的紡織加工性能，調節纖維的表面摩擦力，使纖維既具有柔軟、平滑的手感，又具有適當的抱合力。

纖維的上油率直接影響上油效果，通常上油率控制在0.15%～0.3%為宜。作為纖維用油劑，除要求能改善纖維的紡織加工性能外，其穩定性以及水乳液的穩定性要好，并且要求油劑應無臭，無腐蝕性，洗滌性好，價廉易得。

（6）切斷：為使粘膠短纖維能像毛、棉纖維一樣進行紡織加工，或能與毛、棉纖維及合成纖維進行混紡，就要將它切斷成與毛、棉纖維相近的長度。

棉型纖維的長度為38mm左右，毛型纖維的長度通常為76～114mm，中長型纖維的長度為51～76mm。

（7）烘干：纖維在烘干前要先進行脫水，使含水率由300%～400%降至130%～150%。一般短纖維用軋輥脫水機脫水。烘干通常采用熱風烘干，烘干速度取決于熱空氣的溫度、濕度、循環速度以及纖維厚度、開松程度。烘干后纖維含水率一般為6%～8%，產品回潮率控制在8%～13%。

（8）打包：短纖維經烘干和干開棉后，借助氣流或輸送帶被送入打包機，打成一定規格的包，以便運輸和儲存。成包重量一般為100～200kg。包上應注明生產廠家、纖維規格等級、重量、批號和包號等。