Lyocell纖維紡絲工藝對并絲量的影響

（中國紡織科學研究院有限公司 生物源纖維制造技術國家重點實驗室 北京 100025）

Lyocell纖維，現通常是指NMMO（N-甲基嗎啉-N-氧化物）溶劑法再生纖維素纖維，即以天然纖維素為原料，NMMO 水溶液為溶劑，經過物理溶解后，采用干噴濕法紡絲制備的纖維素纖維[1]。與傳統的粘膠纖維相比，Lyocell纖維的整個制備過程綠色環保，不會產生有毒有害的化學物質，且溶劑回收率達99.5%以上，是真正意義上的的綠色纖維[2-3]。

Lyocell纖維除了具有環保優勢外，在其他性能方面也優于粘膠和棉纖維。Lyocell纖維的斷裂強度與滌綸接近，濕強度達到干強度的85%左右，纖維濕模量較高，制成的織物在濕態條件下的收縮率較低，洗滌時不易變形[4-5]。

并絲是指兩根或兩根以上的單絲粘并在一起形成的“粗纖維”。纖維形成并絲后，絲束變脆發硬，會造成纖維整體強度下降。成品中的并絲相比于硬絲、膠塊、柱頭、僵絲等短而細，在后續加工的清花、梳棉等工序中不容易被剔除，進入到后道染色工序后將形成色結，造成了最終面料上的疵點，影響面料外觀，使面料降級[6-7]。因此，注重減少或消除并絲的產生，是保證和提高Lyocell纖維質量的重要環節。

Lycoell纖維紡絲工藝采用的是干噴濕法，氣隙、凝固浴、紡絲速度等均會對纖維性能產生影響[8-9]。通過對纖維素濃度、氣隙吹風風速、凝固浴濃度、紡絲速度等工藝參數的調整來探究并絲形成的原因。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

以NMMO 水溶液為溶劑，采用干噴濕法紡絲工藝制備的Lyocell纖維，長度為38mm。紡絲溫度95℃，噴絲板規格30000 孔。

1.2 實驗過程

改變紡絲工藝條件，分別取不同紡絲條件下的絲束進行并絲等級分析，并通過掃描電鏡觀察絲束的橫截面。

1.3 測試方法

1.3.1 絲束并絲等級

首先將38mm的Lyocell纖維切成長度約5 ～6 mm的短纖維，將短纖維裝入直徑為200 mm，高度為300mm的透明圓筒狀容器內，并在容器內加入3000 ml 去離子水和1個聚四氟乙烯轉子。按500r/min的速度攪拌2min，接著用裝有濾紙的過濾器進行過濾，用顯微鏡觀察濾物[10]。以并在一起且分不開的纖維數量判定其并絲等級，表1示出并絲數量與并絲等級的對應關系。

表1 并絲等級劃分

1.3.2 掃描電子顯微鏡（SEM）測試

利用掃描電子顯微鏡觀察和拍攝纖維樣品的截面形態。樣品的制備：將Lyocell 短纖維用哈氏切片器制樣，將制得的樣品用雙面膠粘貼于樣品座上，對樣品進行噴金導電處理后，放入電鏡下進行觀察。

2 結果分析

2.1 纖維素濃度對纖維并絲的影響

在其他紡絲工藝一定的條件下，改變紡絲液中纖維素的濃度，取不同纖維素濃度的紡絲液用旋轉粘度儀進行粘度測試，對比不同纖維素濃度對纖維絲束并絲的影響。表2 示出并絲含量與纖維素濃度之間的關系。纖維素濃度為10.5%時，紡絲液粘度為2000Pa·S，并絲等級為3。隨著纖維素濃度逐漸升高，紡絲液粘度逐漸變大，絲束中并絲含量逐漸減少，并絲等級提高。纖維素濃度升高到12%時，紡絲液粘度增大到3690 Pa·S，并絲等級提高至1。

這是因為紡絲原液從噴絲板擠出后，細流還沒有凝固，皮層非常薄，具有很強的粘合力[11]。當原液通過噴絲孔時，流動不穩定，相鄰的單絲容易粘合相碰，從而生成并絲[12]。纖維素濃度越低，紡絲液的粘度越低，原液流動越不穩定，越容易產生并絲。但纖維素濃度過高時，紡絲原液粘度過大，會造成紡絲壓力過大，對噴絲板要求較高，而且紡絲液粘度太大，流動性差，不利于纖維拉伸成形。

表2 不同纖維素濃度下纖維并絲等級變化

2.2 氣隙吹風流速對纖維并絲的影響

在其他紡絲工藝一定的條件下，改變氣隙的吹風風速，對比不同風速對纖維絲束并絲的影響。表3 示出，并絲含量與風速的關系，可以看出：風速過高和過低均會對纖維的并絲數量產生影響，風速為30m/s 時，纖維并絲等級為2 級，風壓增大至35m/s 時，并絲等級不變，直至風壓增大至38m/s，并絲等級提高至1 級，風壓繼續增大，并絲等級降低。圖1是風速38m/s 時的纖維SEM 圖，可以看出纖維根與根之間是相互獨立的，纖維之間沒有產生粘并，圖2為風速42m/s 時的纖維SEM 圖，可以看出較少纖維之間產生了粘并。因此，氣隙吹風速度在30～45m/s 范圍內，并絲較少，在38m/s 時絲束中并絲最少。

這是因為風速過高時,風在穿透絲層的同時,多余的風力會在絲束中心形成渦流,造成絲束抖動，絲束間互相碰撞粘連一起從而形成并絲；風速過低時,風力穿不透絲層,絲束來不及冷卻，由于噴絲板的“孔口脹大”現象，絲束容易粘連在一起形成并絲。

2.3 紡絲速度對纖維并絲的影響

在其他紡絲工藝一定的條件下，改變紡絲速度，對比不同紡絲速度對纖維絲束并絲的影響，列于表4。紡速低于40m/min 時，并絲等級為1 級，并絲含量較少，隨著紡絲速度的增加，纖維并絲等級逐漸降低，并絲數量逐漸增多，紡速增至45m/min 時，纖維并絲等級降低至3 級。圖3為紡速為45m/min 時并絲的截面SEM 圖。紡絲原液從噴絲頭擠出后，原液流動性不穩定，如果紡絲速度過快，流體還沒有進行充分的冷卻凝固，絲與絲之間容易產生粘并，進而產生并絲。

表3 不同氣隙吹風速度下纖維并絲等級變化

表4 不同紡絲速度下纖維并絲等級變化

圖1 風速38 m/s纖維截面的SEM 圖

2.4 凝固浴濃度對纖維并絲的影響

在其他紡絲工藝一定的條件下，改變凝固浴濃度，對比不同凝固浴濃度對纖維絲束并絲的影響。表5 示出，纖維并絲等級與凝固浴濃度之間的關系。凝固浴濃度為16%時，纖維并絲等級為1 級。隨著凝固浴濃度的增加，纖維并絲等級逐漸降低，并絲數量逐漸增多。凝固浴濃度升高至25%時，并絲等級降低至3 級。

圖2 風速42m/s纖維截面的SEM 圖

圖3 紡速為45m/min 時纖維截面SEM 圖

這是由于當凝固浴濃度高時，纖維素內的NMMO 和凝固浴中的水之間形成的雙擴散速度變慢，使得纖維凝固速度相應變慢，凝固還不充分的絲條會容易發生粘并，進而產生并絲。當凝固浴濃度過低時，雖然并絲等級為1 級，但雙擴散速度增大，會使表層凝固過于劇烈而形成堅固的表皮，這層表皮會阻礙雙擴散的進行，使內層的凝固速度變慢，受到拉伸時，內層纖維來不及充分凝固，應力主要集中在表層，這樣會使纖維的可拉伸性能下降，而且使內層已經得到拉伸取向的纖維素大分子發生解取向，從而導致纖維強度下降。

表5 不同凝固浴條件下纖維并絲等級變化

2.5 成品纖維質量

取不同并絲等級的纖維（不含膠塊、僵絲、硬板絲），按國標GB/T14339-2008 方法A 進行疵點分析檢測，并對纖維進行強度和線密度不勻率測試。根據萊賽爾短纖維紡織行業標準FZ/T 52019-2018 規定，得出了纖維的并絲等級和疵點含量之間的關系，列于表6。從表中可以看出：隨著纖維并絲等級的降低，纖維的疵點檢測結果逐漸增多，纖維的強度和線密度的不勻率也逐漸增大。說明纖維的并絲含量對纖維的力學性能有一定程度的影響。

表6 不同并絲等級對應的纖維其他性能指標

3 結論

從實驗分析看，纖維素濃度、氣隙吹風速度、紡絲速度、凝固浴濃度等均會對纖維的并絲造成影響。

（1）纖維素濃度在10.5%～12%范圍內，纖維素濃度越高，紡絲原液粘度越大，絲束中并絲含量越少，相應的并絲等級越高。纖維素質量濃度為12%時絲束中并絲最少，纖維并絲等級為1 級。

（2）氣隙吹風風速過高或過低均會對纖維并絲造成影響。在30m/s～50m/s范圍內，風速為38m/s 時絲束中并絲含量最少，并絲等級為1 級，此時吹風既可以吹透絲束，又不會造成絲束晃動產生黏連。

（3）在一定的紡速范圍內，紡速對并絲含量的影響不大，紡速低于40m/min 時，并絲等級均為1 級。超過40m/min后，紡速越大，絲束中并絲含量越高。

（4）凝固浴濃度越高，絲束中并絲的含量越高。但凝固浴濃度也不能過低，凝固浴濃度過低時，纖維在凝固浴中凝固成型劇烈，會對纖維的強度造成影響，并絲會嚴重影響纖維的品質，整體的運行穩定性也會受到影響。因此優化紡絲過程中的工藝條件，減少纖維中的并絲含量是制造高質量纖維的基礎。