二醋酸纖維絲束紡絲工藝與性能的研究進展*

李鵬翔 吳韶華 楊占平 黃建新 王躍飛 覃小紅

(1.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，紡織學院，上海，201620;2.南通醋酸纖維有限公司，南通，222600)

醋酸纖維是再生纖維素纖維中僅次于黏膠纖維的第二大品種，其分子式為［C6H7O2(OCOCH3)x(OH)3—x］n，n=200～400。醋酸纖維素又稱為纖維素乙酰醋，是由純化的纖維素木漿粕與醋酸酐在濃硫酸作催化劑的條件下反應生成的纖維素醋酸酯，其反應的實質是纖維素葡萄糖環中的醇羥基(—OH)被醋酸酐中的乙酰基(—COCH3)取代［1］。纖維素乙酰醋進一步經干法紡絲可制得醋酸纖維素纖維。通常，醋酸纖維素纖維根據羥基取代度的不同可分為二醋酸纖維素纖維(羥基取代度為74%～92%)和三醋酸纖維素纖維(羥基取代度為92% 以上)［2-3］。

三醋酸纖維素纖維的成型性能較差，但成膜性能較好，常用于膠片的片基以及液晶顯示屏偏光鏡的支持體等方面。而二醋酸纖維素纖維的性能相對較好，因此具有更為廣闊的用途。一方面，二醋酸纖維素纖維具有非晶態開孔結構，能將水分排出體外，制作的織物手感柔軟順滑、干爽挺括、透氣性好、快干、無靜電吸附，并且安全環保，目前已受到世界知名服裝設計大師的青睞［4］。另一方面，二醋酸纖維素纖維具有無毒、無味、吸阻小、熱穩定性好、截濾效率高、不易燃燒等特點，使其成為煙用濾嘴棒的首選材料。經驗證，二醋酸纖維素纖維能顯著降低煙氣中的焦油及亞硝酸胺等有害成分［5］。

1 醋酸纖維的主要生產工藝

醋酸纖維的生產是將纖維素(木漿粕或棉漿粕)與無水醋酸(醋酸酐)在反應釜中匯合經乙酰化制成三醋酸纖維素，然后將三醋酸纖維素溶解在二氯甲烷中，經干法紡絲制成三醋酸纖維素纖維。如果將三醋酸纖維素水解，則可生成二醋酸纖維素，將二醋酸纖維素溶解在丙酮溶劑中進行抽絲，可制得二醋酸纖維素纖維。

二醋酸纖維素纖維的生產工藝包括醋片單元、稀醋酸回收單元、絲束單元和丙酮回收單元。其生產主要流程［6］如圖1所示。

1.1 醋片單元

目前世界上醋酸纖維的生產廣泛采用醋酸均相法工藝，其主要流程為：首先，經粉碎后的木漿粕(硬木漿或軟木漿)與冰醋酸在預處理器中進行活化;經過活化后的木漿在催化劑硫酸的作用下，在醋化器內與醋酸酐發生相應的酯化反應，發生完酯化反應的漿液，每個葡萄酐中發生取代的乙酰基數略小于3;然后，在水解器內進行水解作用，使醋酸纖維素的醋化度降到所需產品要求的范圍內，當乙酰基數平均值為2.4時，生成二醋酸纖維素［7］;最后進行水洗分離，使醋片沉析出來。

圖1 醋酸纖維的生產流程

1.2 稀醋酸回收單元

具體工藝［8］為：回收的稀醋酸進入過濾器，加一定量硫酸水解，除去雜質和纖維;然后加入氫氧化鈉溶液將硫酸中和;最后過濾后的稀醋酸進入萃取塔，利用萃取劑將水中的醋酸萃取出來，萃取物在蒸餾塔內實現萃取劑與醋酸的分離。

由于醋酸溶液濃度不同，對于低濃度的醋酸溶液，以胺為溶劑的萃取法是合適的分離方法;而對濃度較高的醋酸溶液，則宜選擇低沸點溶劑和共沸攜帶劑精餾聯合法來分離回收醋酸。一般而言，采用溶劑萃取和共沸攜帶劑精餾聯合法回收醋酸，經持續工藝改進，能夠達到更好的節能減排效果［9］。

1.3 絲束單元

在煙用醋酸纖維工業中，主要采用干式紡絲法生產二醋酸纖維絲束。其主要生產工藝為：首先，將二醋片溶解于丙酮溶液中，在二醋片進行溶解的同時，將助濾劑及消光劑加入溶液中;然后對溶液進行多級壓縮過濾處理，去除紡絲液中的膠質及固體雜質，利用計量泵以固定的流量將紡絲液從噴絲頭噴出形成絲束，絲束再進入卷曲機卷曲;最后再進入干燥機，加熱蒸發掉殘余的丙酮和水分，形成干燥的絲束。

1.4 丙酮回收單元

丙酮回收單元是為了將噴絲過程中從絲束中蒸發出的丙酮進行回收處理，從而防止由于濃度過高引起爆炸。主要有三種回收方法：固體吸收劑吸附法、液體吸收法和冷凝法。通過試驗發現，冷凝法的回收效率比較低，故一般工廠采用吸收法和吸附法。經過統計驗證，吸附法的丙酮回收率最高可達99%［6］，因此在醋酸纖維工業中廣泛采用吸附法進行丙酮回收。

2 二醋酸纖維及其飛花的性能研究

二醋酸纖維具有很多優點，但由于其本身的結構，導致了在強力、穩定性等方面存在一定的缺陷。在二醋酸纖維的制造過程中，在部分工藝上還存在能耗過大和環保問題，尤其是在制造和后續加工中產生的飛花給二醋酸纖維及其產品帶來了很大的影響。經過探究，發現二醋酸纖維在其本身性質、加工原料、制造方法以及在制造工藝中出現的問題，還有很大的研究和改進空間。自二醋酸纖維開始工業化生產以來，國內外研發人員就一直致力于尋找改善的方法。

使用干法紡絲生產二醋酸纖維過程中，由于二醋酸纖維素纖維的斷裂強度及延伸率較低，導致纖維損壞而產生短纖維及纖維屑，這稱之為飛花［10］。飛花是用來評價二醋酸纖維絲束品質好壞的一個重要指標，它不僅會增大纖維絲束開松以及濾棒成型時的負擔和加工難度，還會在絲束表面產生溶孔及硬接，使絲束的強力和質量受到影響。目前普遍采用徐冬元［11］提出的檢測方法，具體是通過稱取30 min內成型機上產生的飛花質量，進行飛花指標的衡量，從而評定二醋酸纖維的品質。

2.1 二醋酸纖維素漿粕、添加劑與飛花的關系

由于二醋酸纖維素纖維在生產過程中可以選擇不同的原料和添加劑，這就需要建立一系列的檢測方法對不同原料及生產過程中的二醋酸纖維進行檢測評價。曹建國等［12-14］采用X射線熒光光譜法測試了二醋片丙酮漿液中的TiO2含量，與燃燒法進行對比分析和不確定度的評定。試驗結果表明：該法的相對標準偏差為1.15%，擴展不確定度為0.028%，適合快速分析批量二醋片丙酮漿液中的TiO2含量。他還利用相對黏度儀測試了二醋片丙酮漿液的黏度，由于具有快速、準確、方便、自動化程度高的特點，使其具有極大的實際應用價值。此外，他還成功采用GPC/RI/LALLS/DV技術準確地測試了二醋片的分子量，并得出以軟木漿和短棉絨為原料生產的二醋片的分子量較高。

二醋酸纖維在生產過程中，由于原料及紡絲溶液等原因導致了絲束本身的強力及拉伸斷裂性能降低，同時添加劑分布不勻也會導致纖維出現不穩定性。楊占平等［15］利用等效過濾模型法成功實現了漿液過濾的精細化，將纖維絲束的斷頭率降到0.39次/t以下。吳超平等［16］通過分析醋酸纖維的紡絲生產流程，探索紡絲原液細流成型條件對生產過程及產品質量的影響，使紡絲速度由之前的535 m/min提高到600 m/min，并且改善了二醋酸纖維的產品質量。王軍等［17］分析了主要工藝參數如醋片黏度、漿液水分、漿液狀態等對飛花的影響，提出醋片低黏度時飛花細而小，絲束飛花隨漿液含水量的增加而減小，并且漿液中的氣泡和不溶顆粒會導致飛花增加。曹建華［18］對單絲線密度、漿液含水量進行了探究，提出飛花隨著線密度的增加而減少，同時漿液含水量需要控制在4.0%～5.0%。李有為［19］對飛花與凝膠的關系進行了研究，指出影響二醋酸纖維斷裂的因素除了可控的外在因素外，還有纖維的內部結構缺陷等內在因素，而引起纖維結構缺陷加劇的主要因素是纖維中的凝膠類雜質，因此在絲束生產過程中盡可能降低紡絲漿液中的凝膠量是控制飛花的重要手段。黃建新等［20］分析了煙用二醋酸纖維絲束生產過程中原材料木漿粕、漿液過濾以及消光劑TiO2對飛花產生的影響，結果表明，木漿粕的特性及不同批次之間的物理和化學性能差異是導致飛花無法根除的原因，同時TiO2需要保持流動狀態才能更好地減少飛花的產生。馬曉龍等［10］指出飛花的形成機理主要有：二醋片的分子量過低或過高，紡絲漿液中存在微小的氣泡，TiO2顆粒在纖維表面形成團聚效應，卷曲、拉伸過程中的機械應力損傷，醋酸纖維素分子鏈上存在部分葡萄糖基環上的羥基未被充分醋化。

2.2 二醋酸纖維絲束的卷曲工藝與飛花的關系

由于在紡絲過程中容易出現纖維斷裂現象，從而產生飛花。通常情況下纖維的斷裂有一部分是由于物理應力過大等因素造成的。馬孝田等［21］指出二醋酸纖維的彈性與滌綸、羊毛接近，回彈性比黏膠纖維高;二醋酸纖維的濕強與黏膠纖維長絲相近，但干強稍低，彈性伸長比滌綸高，而彈性模量比較低，并且二醋酸長絲紗的可撓曲性比黏膠長絲紗好。楊占平等［15］成功研發出YH02型卷曲機，與進口的CP-8型卷曲機相比，其在傳動結構等方面得到較大的改進，成功將絲束的卷曲穩定性提高了39%，并減少了斷頭的產生。王軍等［17］通過建立力學模型，分析了卷曲壓力對絲束飛花的影響，提出適當降低絲束超喂率，減小卷曲機反壓力，有助于減少絲束飛花的形成。曹建華［18］對卷曲機的壓輥壓力、反壓力對絲束產生飛花的影響進行了研究，提出在保證絲束質量技術指標的前提下，盡可能地減少絲束的各種破壞與損傷。黃建新等［20］分析了煙用二醋酸纖維絲束生產過程中絲束張力、卷曲機運行工況對飛花的影響，指出通過降低絲束超喂率和絲束張力，調節卷曲機壓板壓力及對輥壓力，飛花能夠得到有效改善。

2.3 二醋酸纖維的截面形態與飛花的關系

二醋酸纖維為Y型纖維，纖維比表面積大，有利于煙氣的過濾，同時由于是異形纖維，單絲截面的異形度可以直接反映單絲比表面積的大小。單絲的可紡性能以及絲束在紡絲甬道中的成型質量，將直接決定纖維的截面異形度。Y型二醋酸纖維的縱向表面光滑，有明顯溝槽，截面呈苜蓿葉形，無皮芯結構，具有晶態和非晶態共存的兩相結構，結晶度為 21.98%［22］。楊占平等［15］為了解決噴絲后纖維的粘連問題，改善單纖截面異形度，通過對噴絲系統研究后，成功研發出高溫閃蒸高密度醋纖噴絲技術，將濾棒吸阻穩定性提高了12.5%。通過分析生產過程中的漿液水分、噴絲帽使用時間、噴絲帽孔徑與單絲截面異形度的關系，以及漿液水分、甬道拉伸比DDR與單絲斷裂強度和斷裂伸長率的關系得到：漿液水分高，單絲的截面積大，截面異形度低，單絲斷裂強度低，斷裂延伸性能好，纖維卷曲后的損傷較小［23］。

2.4 二醋酸纖維的上油工藝與飛花的關系

在煙用二醋酸纖維素絲束進入卷曲機之前，需要通過上油對纖維表層進行柔軟處理，因此纖維表面油劑的均勻性以及油劑乳化液的物化性能對絲束飛花的形成具有較大的影響。曹建國等［24］提出了應用低場脈沖核磁共振(NMR)測定二醋酸纖維素絲束油劑的新方法，對使用NMR法測量二醋酸纖維素絲束油劑不確定度進行了評估，并且給出利用NMR法測定二醋酸纖維素絲束油劑含量時參考的標準曲線。當纖維油劑含量過高時，卷曲后的纖維卷曲角容易松弛，同時干燥定型后的纖維卷曲穩定性較差，影響濾棒的過濾效率;如果纖維未上油或者油劑較少，在卷曲時纖維內外表層都會受到較大程度的破壞，從而形成大量飛花［17］。研究結果表明，保持上油輥的油槽液位不低于上油輥的二分之一處［18］，纖維的穩定性得到提高;同時，保證上油槽乳液的回流量，不使乳液分層，縮短油劑的存放時間，可以更好地保證纖維上油的均勻性［20］。

2.5 二醋酸纖維飛花的防護

在二醋酸纖維生產過程中產生的飛花會彌漫在生產車間的空氣中，這樣的生產環境不僅會影響濾棒的質量及生產設備的電氣線路、機械運動部件的壽命，而且也對車間工人的身心健康造成了威脅，因此必須對飛花加以防護。畢國進［25］設計了一種濾棒成型機防飛花裝置，在纖維濾棒成型機組上增加了一套專門的防飛花裝置，不僅能夠有效防止飛花的飄移，而且也起到了收集、運輸、過濾飛花的作用，降低了飛花黏附在絲束表面的可能性，提高了濾棒的穩定性;同時，減少空氣中飛花的含量也減少了機器及線路的受損，提高了設備的有效利用率，保證了車間的安全，改善了工人和機器的工作環境。

3 結語

醋酸纖維是再生纖維素纖維中僅次于黏膠纖維的第二大品種，越來越多的研究人員和企業開始從事醋酸纖維相關領域的研究，尤其是二醋酸纖維在煙用濾嘴方面的應用，但目前仍不能完全滿足國內的需求。由于我國對二醋酸纖維的研究起步較晚，有些關鍵技術由國外壟斷企業控制，因此我們需要投入更多的科研人員從事二醋酸纖維相關方面的研究工作，提高二醋酸纖維的性能，克服其缺點。煙用二醋酸纖維最大的問題在于飛花，飛花不僅影響生產環境，對人身體健康不利，難以清理，還會影響絲束的質量，甚至造成絲束缺陷。為此對不同飛花值的二醋酸纖維的特性研究，以及通過不同飛花值的二醋酸纖維來探究產生飛花的因素，并且提出一套準確的表征方法和評定標準來認識飛花及減少飛花，將是二醋酸纖維及其相關領域的研究重點。

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