不同原材料的粘膠纖維及其形態結構

張大省　趙莉

摘要

本文重點介紹了常規粘膠纖維、莫代爾、漢麻粘膠纖維、竹粘膠纖維、阻燃粘膠纖維以及萊賽爾等再生纖維素纖維的簡要生產方法及其結構與性能。

關鍵詞：粘膠纖維；原料；結構

1 粘膠纖維的基本原材料

粘膠纖維是再生纖維素纖維之一，此外，纖維素類纖維還包括銅氨纖維及醋酯纖維等半合成纖維。凡是富含纖維素的天然植物幾乎都可以作為再生纖維素纖維與半合成纖維的原材料，如圖1所示為棉短絨、棉稈皮，針葉樹與闊葉樹的樹干、樹枝，竹子莖，榨完糖后的甘蔗殘渣、蘆葦莖以及漢麻、亞麻及苧麻等各種麻類的稈莖等的一部分。

2 粘膠纖維的生產工藝及常規

通常粘膠纖維的制造是先將前述富含纖維素的天然植物材料進行化學精煉，去除其中的木質素、蠟質、灰分等，制成以分子量較高的α-纖維素為主要成分的漿粕——木漿、棉漿、竹漿或麻漿等。將漿粕用NaOH堿化處理制成堿纖維素，并經過壓榨去除可溶于18%濃度的堿液，分子量較低的半纖維素（β及γ-纖維素）。再在規定的溫度和時間條件下，在空氣存在的氛圍使纖維素的聚合度適度降低，并使其分子量分布均勻化，被稱為“老成化”處理。而后用二硫化碳與堿纖維素進行黃酸化反應制成可溶解于稀堿溶液中的纖維素磺酸鈉，繼而在堿液中完成溶解—熟成—過濾—脫泡等過程制成可供紡絲的溶液——粘膠。而后采用濕法紡絲工藝，將從噴絲板小孔中吐出的紡絲原液（粘膠）細流擠入到由硫酸、硫酸鈉、硫酸鋅等組成的凝固浴中，纖維素磺酸鈉遇硫酸后脫出硫酸鈉，重新再生為纖維素而凝固。凝固浴中的硫酸鈉和硫酸鋅的加入是起鹽析作用，除去初生纖維中的水分和延緩再生纖維素成形過程的作用，用以控制初生纖維的結構均勻性，成形過程的條件對于粘膠纖維的結構與性能有重要影響。初生纖維再經拉伸—水洗—上油—干燥等工序得到成品粘膠纖維。

粘膠纖維的成形過程包括了化學反應、傳質與傳熱過程和凝膠化的物理化學過程。其起始原材料為纖維素，經過一系列的化學和物理的加工后得到纖維的化學結構仍然是纖維素，只是其分子量及其分布、取向度、結晶度等超分子結構發生了變化，再生纖維素纖維的名稱也因此而得。復雜成形過程的不均勻性會使粘膠纖維的斷面呈無規則狀，結構松散，纖維內部有孔洞，縱向表面顯示出無規則的褶皺與溝槽狀（如圖2）。

纖維素是由纖維貳糖結構單元構成，每個纖維貳糖有6個親水性羥基（如圖3），從而使其具有優良的吸濕性、易染，但是其模量低，強度較低，尤其是濕模量和濕強度低。

粘膠纖維依用途不同有長絲及短纖維之別，依性能又有常規粘膠纖維、高強纖維、高濕模量纖維及高強-高模纖維等品種，它們對原料及成形加工工藝均有特殊要求。近年來又涌現出了阻燃粘膠纖維、抗菌防臭粘膠纖維、珍珠粘膠纖維、相變粘膠纖維等功能性粘膠纖維。

3 莫代爾（model）纖維

莫代爾纖維只是粘膠纖維的一個品種，是高濕模量粘膠纖維的商品名之一，跟普通粘膠纖維相比，莫代爾纖維改善了在潤濕狀態下的低強度、低模量的不足，故常稱為高濕模量粘膠纖維。不同生產廠家的同類商品還有不同稱法，例如波利諾西克、富強纖維、虎木棉及紐代爾（Newdal）等品名。

高濕模量粘膠纖維和普通粘膠纖維的生產過程主要有以下不同：（1）纖維素漿粕具有較高的平均聚合度（約為450）；（2）制備的紡絲原液具有較高的濃度；（3）不同的凝固浴組成（如提高其中硫酸鋅的含量）并降低凝固浴溫度，以延緩纖維成形速度，利于得到如圖4所示內部無微孔、無明顯皮、芯層較均勻的致密結構，結晶度較高。纖維橫截面趨于腰圓形，縱向表面無褶皺、光滑。該纖維即使在濕態下也有較高強度和模量。

4 漢麻稈粘膠纖維

如圖5（a）所示，從漢麻稈韌皮得到的中空天然漢麻纖維，可以直接用于紡織材料，從圖中可以見到，單纖維硬挺、表面不光滑、內部有中空孔洞，這可能是麻纖維吸濕排汗性能好的緣故。漢麻稈含有大量纖維素，經化學及物理方法處理去除其中的木質素、膠質及灰分等化學雜質和機械雜質后，可以獲得以α-纖維素為主體制造粘膠纖維的原材料——漿粕，如圖5（b）、（c），圖中可見它由許多扁平且扭曲的微細纖維組成。利用一般粘膠纖維生產工藝，便可以制成如圖5（d）、（e）所示的粘膠纖維。漢麻粘膠纖維的橫截面呈現出帶有許多褶皺、完全無規則的非圓形截面，褶皺狀的縱向側表面表現出許多溝槽狀結構。與天然漢麻纖維的斷面結構以及縱表面結構完全不同，與棉漿、木漿、竹漿等其他粘膠纖維斷面及縱表面結構相似，但是斷面結構內顯得比較密實，無微孔結構。

天然漢麻稈加工成漢麻粘膠纖維的過程要經過一系列化學和物理加工，結構與性能上受到很大損傷：強力降低、結晶度降低、大分子排列較稀疏、回潮率提高，原有的一些天然特性遭到破壞，纖維的除臭、抗菌、防紫外線功能必然會有不同程度的下降。

5 竹漿粕及竹粘膠纖維

以天然竹莖為原料經化學及物理加工去除其中的木質素、膠質及灰分等化學雜質及機械雜質，制成高α-纖維素含量的漿粕，如圖6（a）、（b）所示。竹漿粕的形態結構不同于漢麻稈漿粕，它由許多微細的纖維組成。利用一般粘膠纖維生產工藝便可制成如圖6（c）、（d）所示的粘膠纖維。竹粘膠纖維的橫截面呈現出完全無規則，具有許多褶皺的非圓形、縱向側表面帶有許多溝槽狀的結構。縱、橫向結構類似于漢麻粘膠纖維，與原竹單纖維的斷面結構以及縱表面結構完全不同。

天然竹莖加工成的竹粘膠纖維也稱再生纖維素纖維。池田善光[1]對竹粘膠纖維的抗菌性能研究報告表明，由竹莖制成的竹漿粕試樣已不具有抗菌性能，而市售的竹粘膠纖維制品卻具有一些抗菌效果。對抗菌的竹粘膠纖維制品檢測發現，其中含有粘膠纖維生產過程中的副產物——硫磺成分存在，并非是原竹中固有的抗菌成分竹醌。因此認為竹粘膠纖維織物的抗菌效果可能來自硫磺，硫元素是由于粘膠纖維生產過程中未被洗凈所致。市場上往往出現一些所謂抗菌性能優異的竹纖維產品，其實絕大多數都是此類竹粘膠纖維，市場上真正的原竹纖維極少。endprint

6 阻燃粘膠纖維

阻燃性能的優劣通常是采用極限氧指數（L.O.I）來表征。L.O.I數值越高，材料的阻燃性能越好，一般認為纖維材料的L.O.I值高于27%時才可稱為阻燃纖維。有些纖維材料其自身即具有阻燃功能，如芳綸1313、芳綸1414一類芳香族聚酰胺纖維及聚對苯撐苯并雙噁唑（PBO）纖維等。普通粘膠纖維具有可燃性，如圖7（a）所示， 燃燒后會形成圖7（b）的煙灰狀物。可設法將粘膠纖維賦予阻燃功能，例如將焦磷酸酯類磷系有機阻燃劑，或將硅系無機高分子阻燃劑前驅體預先制備成溶膠，與粘膠紡絲原液紡前共混，使其在纖維素大分子中以互穿網絡形式存在，經處理后的粘膠纖維遇火后便不會燃燒，如圖7（c）所示，而是形成如圖7（d）所示的致密碳化層令其與氧氣隔絕，保護了纖維而離火自熄。由于纖維素纖維本身不熔融，故阻燃粘膠纖維還同時兼具無熔滴的功效。目前市場上，也有將易燃的化學纖維與阻燃粘膠纖維混紡使用，可以改善該類易燃化學纖維的阻燃性能。

7 萊賽爾（Lyocell）纖維

圖8（a）所示的萊賽爾（Lyocell）纖維本不屬于粘膠纖維家族，但由于它也是以纖維素為原料制成的再生纖維素纖維，在此就順便介紹。Lyocell纖維是由英國考陶爾公司發明，專利轉讓瑞士藍精公司后生產的商品名為Tencell，在中國的商品名是其諧音“天絲”。在尚未找到可直接溶解纖維素的溶劑之前，以纖維素為原料生產的再生纖維素纖維多是采用粘膠纖維生產技術制造。也有像醋酯纖維是將纖維素制成可溶性的醋酸酯類衍生物，而后制成紡絲原液，再制成纖維素酯纖維。

萊賽爾纖維的生產是以無毒的N-甲基氧化嗎琳（NMMO）的水溶液為溶劑，可以直接將纖維素漿粕溶解而得到紡絲溶液，再采用濕法紡絲或干-濕法紡絲方法，以更高水含量的NMMO-H2O（此處的H2O為凝固劑）溶液為凝固浴使纖維凝固成形，再將紡得的初生纖維經拉伸—水洗—上油—干燥而制得的一種纖維素纖維，最初始也曾稱為新纖維素纖維。與通常的粘膠纖維生產技術相比較的最大優點是無毒的NMMO可直接溶解纖維素，因此紡絲原液的生產工藝流程大大縮短、簡化，且生產過程幾無環境污染。由于生產過程中是在作為凝固劑的H2O中添加了適量的溶劑NMMO，以此來控制纖維成形過程較緩慢，加之NMMO優良的溶解性能，制備的紡絲液濃度高，纖維的形態結構完全不同于粘膠纖維，截面結構均勻且呈圓形，見圖8（b），無皮芯層之分，縱向表面光滑無任何溝槽，見圖8（c），故具有比粘膠纖維優異的物理機械性能。以可再生且可降解的纖維素為原料制造的萊賽爾（Lyocell）纖維，加之它生產過程的環保性，決定著它具有很好的發展前景。

（作者單位：北京服裝學院）endprint