粘胶的基础知识2

粘胶的基础知识

一类是天然纤维(Natural fiber)，如棉、麻、羊毛、蚕丝等；另一类为化学纤维(Chemical fiber)。化学纤维是指用天然的或合成的高聚物为原料，经过化学方法和机械加工制成的纤维。

一、化学纤维的分类

化学纤维的种类繁多，分类方法也有很多种，根据原料来源、化学组成、形态结构

和纤维性能差别等分类如下：

（一）按原料来源分类

分为再生纤维(Regenerated fibre)和合成纤维(Synthetic fibres)两大类。

1．再生纤维再生纤维也称人造纤维，是利用天然聚合物或失去纺织加工价值的纤

维原料经过一系列化学处理和机械加工而制得的纤维，其纤维的化学组成与原高聚物基本相同。包括再生纤维素纤维(Regenerated cellulose fibre)（如粘胶纤维、铜氨纤维）、再生蛋白质纤维(Regenerated protein fibre)（如大豆蛋白纤维、花生蛋白纤维）、再生无机纤维（如玻璃纤维、金属纤维）和再生有机纤维（如甲壳素纤维，海藻胶纤维）。 2．合成纤维合成纤维是以石油、煤、石灰石、天然气、食盐、空气、水以及某些农副产品等天然的低分子化合物作原料，经化学合成和加工制得的纤维。常见的合成纤维有七大类品种：聚酯纤维（涤纶）、聚酰胺纤维（锦纶）、聚丙烯腈纤维（腈纶）、聚乙烯醇缩甲醛纤维（维纶）、聚丙烯纤维（丙纶）、聚氯乙烯纤维（氯纶）和聚氨酯弹性纤维（氨纶）等。

（二）按形态结构分类

按照化学纤维的形态结构特征，通常分成长丝(Continuous filament)和短纤维(Staple

fibre)两大类。

1．长丝在化学纤维制造过程中，纺丝流体（熔体或溶液）经纺丝成形和后加工工

后，得到的长度以千米计的纤维称为化学纤维长丝。化纤长丝可分为单丝(monofil)、复

丝(multifilaments)、捻丝、复捻丝、帘线丝和变形丝(Textured filament)。

单丝：长度很长的连续单根纤维。

复丝：两根或两根以上的单丝并合在一起组成的丝条。化学纤维的复丝一般由8～100

根以下单纤维组成。

捻丝：复丝加捻成为捻丝。

复捻丝：两根或两根以上的捻丝再合并加捻就成为复捻丝。

帘线丝：由一百多根到几百根单纤维组成，用于制造轮胎帘子布的丝条。

变形丝：化学纤维原丝经过变形加工使之具有卷曲、螺旋、环圈等外观特性而呈现蓬松性、伸缩性的长丝。

2．短纤维化学纤维的产品被切断成几厘米至十几厘米的长度，这种长度的纤维称为短纤维。根据切断长度的不同，短纤维可分成棉型、毛型和中长型短纤维。

棉型纤维(Cotton type fibre)的长度为30～40mm，线密度为1.67dtex左右，纤维较细，类似棉花；毛型纤维(Wool type fibre)的长度为70～150mm，线密度为3.3～7.7dtex，纤维较粗，类似羊毛；中长纤维(Mid fibre)的长度为51～65mm，线密度为2.2～3.3dtex，介于棉型和毛型之间。

（三）按纤维制造方法分类

化学纤维按基本的制造方法不同，可分为两类，即熔体纺丝纤维、溶液纺丝纤维（即干法纺丝纤维、湿法纺丝纤维）。

熔体纺丝(Melt spinning)是高分子熔体从喷丝孔压出，熔体细流在周围空气（或水）中凝固成丝的方法；干法纺丝(Dry-spinning)是高分子浓溶液从喷丝孔压出，形成细流，在热介质中溶剂迅速挥发而凝固成丝的方法；湿法纺丝(Wet-spinning)是高分子浓溶液由喷丝孔压出，在凝固浴中固化成丝的方法。

（四）按单根纤维内的组成分类

按照单根纤维内的组成分为单组分纤维和多组分纤维。

由同一种高聚物组成的纤维称单组分纤维，大多数常规纤维为单组分纤维，如涤纶。由两种或两种以上高聚物组成的纤维称多组分纤维，如腈纶。若各组分沿纤维轴向有规则地排列并形成连续的界面的纤维，称为复合纤维。若各组分随机分散或较均匀混合的纤维，则称为共混纤维。

（五）按纤维性能差别分类

这一类化学纤维主要有三类：差别化纤维(Differential fibre)、功能纤维(Functional fibre)和高性能纤维(High-performance fibre)。

1．差别化纤维指经过化学或物理变化从而不同于常规纤维的化学纤维。如异形纤维、复合纤维、超细纤维、易染纤维、阻燃纤维、亲水性合成纤维、着色纤维和抗起球纤维等。

2．功能纤维指在纤维现有的性能之外，再同时附加上某些特殊功能的纤维。如导电纤维、光导纤维、离子交换纤维、含陶瓷粒子纤维、调温保温纤维、防辐射纤维、生物活性纤维、生物降解性纤维、可产生负离子纤维、抗菌除臭纤维等。

3．高性能纤维指强度17.7cN/dtex，模量441.5cN/dtex以上的特种纤维。如碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯硫醚纤维及超高分子量聚乙烯纤维等。二、化学纤维命名

人造纤维的短纤维一律叫“纤”（如粘纤、富纤），合成纤维的短纤维一律叫“纶”（如锦纶、涤纶）。如果是长纤维，就在名称末尾加“丝”或“长丝”（如粘胶丝、涤纶丝、腈纶长丝）。

三、化学纤维的主要品种

目前世界上生产的化学纤维品种繁多，据统计有几十种，一些新品种还在陆续问世。表1-1 化学纤维主要品种[2]

粘胶纤

维

涤纶

nylon 锦纶

锦纶

66

腈纶

维纶

丙纶

乙纶

氯纶

氨纶

芳纶

1313

芳纶

1414

纤维素的结构与性能

再生纤维素纤维是以棉短绒、木材、竹子、甘蔗渣、芦苇等天然纤维素为原料，经过化学处理和机械加工而成[1]。在化学纤维中，粘胶纤维（Viscose）、莫代尔纤维（Modal）、莱塞尔纤维（Lyocell）、三醋酯纤维（Triacetate）、波里诺西克纤维（Polynosic）、铜氨纤维（Cupro）和竹纤维等属于再生纤维素纤维的范畴，它们具有纤维素（cellulose）的结构和性能。

一、植物纤维原料及其化学成分

植物纤维（plant fibre）是制造浆粕（pulp）的原料，浆粕是生产再生纤维素纤维的原料。所谓植物纤维是植物的一种细胞。植物细胞由细胞膜、细胞壁、细胞质和细胞核组成。在植物细胞形成过程中，首先是在原生质体的外表面形成细胞膜，细胞膜很快生长加厚形成细胞壁。当细胞壁形成后，其原生质体消失，在细胞的中心形成细胞腔，其中充满水和空气，这时细胞已变成了中空细长的形态，称为植物纤维[2]。纤维素是植物中含量最广泛、最普遍的物质之一，它是构成植物细胞壁的基础物质。它常和半纤维素、果胶物质、木质素等混合在一起构成植物纤维的主体。

二、纤维素的结构

由于再生纤维素纤维的化学组成是纤维素，故纤维素的结构就是再生纤维素纤维的结构。

化学纤维的制造可概括为以下四个工序：

（1）原料制备。高分子化合物的合成（聚合）或天然高分子化合物的化学、物理处理和机械加工。

（2）纺丝熔体或纺丝溶液的制备。

（3）化学纤维的纺丝成型。

（4）化学纤维的后加工。

粘胶纤维概述

一、粘胶纤维的品种及发展概况

粘胶纤维是以天然纤维素（浆粕）为基本原料，经转化为纤维素黄酸酯溶液再纺制而成的再生纤维素纤维。

粘胶纤维是一类历史悠久、技术成熟、产量巨大、品种繁多、用途广泛的化学纤维。粘胶纤维工业化生产已经一百年了，在这一百年里，生产技术不断进步，从普通型纤维发展到强力型纤维、高湿模量型纤维。目前世界粘胶纤维的产量约占化学纤维总产量的12%左右。

我国化学纤维工业的建立是从粘胶纤维开始的。从20世纪50年代开始，我国先后建了粘胶纤维的生产厂，如丹东化学纤维厂、保定化学纤维厂等。50年来粘胶纤维稳步发展，从20世纪90年代起我国粘胶纤维工业快速发展，产量以平均每年10%以上的

速度增长，2004年我国粘胶产量达90万吨，占世界总产量的1/3，保持粘胶纤维第一生产大国的地位。粘胶纤维在我国发展潜力巨大，有以下几个原因：

（1）粘胶纤维前景依旧看好：粘胶纤维本身具有优良的染色、吸湿、抗静电等性能，其织物穿着舒适、卫生、潇洒、鲜艳，具有许多种纤维所不及的性能，这也是粘胶纤维遭受合成纤维冲击而未被淘汰的根本原因。随着国内人民生活水平的提高，人们在衣着及家居装饰上的消费观念更趋于“回归自然”，以及成衣向欧美市场出口看好，都将相应地带动粘胶纤维需求的增长。因此可以预见，粘胶纤维仍将继续是纺织品的重要原料，随着发达国家逐步退出粘胶纤维的生产，会让出更多的市场空间，这对我国粘胶纤维无疑是一次历史性机遇。

（2）我国发展粘胶产业的优势：我国粘胶行业生产集中度比较高，单厂平均产能达到2万吨以上，部分龙头企业如新乡化纤、吉林化纤、山东海龙已接近国际水平；粘胶纤维的原料为棉浆粕、木浆粕等天然物质，我国棉短绒(棉浆粕原料)资源非常丰富，完全可以就地取材，对企业降低生产成本极为有利；由于发达国家粘胶纤维产量逐年降低，为我国粘胶长丝出口提供空间。

然而，我国粘胶纤维生产也面临着以下几方面的问题需要解决：

（1）环保问题：粘胶纤维生产存在对环境的污染问题，主要是硫化氢、二硫化碳对周围大气的污染及废水中有机物、硫酸盐对水质的污染。由于环保原因，发达国家逐渐退出粘胶纤维生产领域，产能向发展中国家转移，其中，中国、印度与印尼发展最快。如果传统粘胶纤维的生产在污染治理方面措施合理，尽管工艺复杂、投资大，但粘胶纤维仍然有它的生命力。我国发展粘胶纤维工业不能以牺牲环境为代价，要积极消化吸收国外粘胶纤维生产企业(如英国的Acordis公司、芬兰的Kemira公司、奥地利的Lenzing公司等)在治理有害物质排放方面取得的最新成果和成功经验，发达国家企业对有害物质的回收率均在85%左右，Lenzing的联合装置系统对有害气体的回收率达90%[2]。

（2）差别化粘胶纤维：国内粘胶纤维品种还十分单一，以常规品种为主，化纤差别率只有25%左右，更缺乏在非服用领域的开发研究。而国际粘胶纤维的发展趋势是高性能、差别化、功能化与环保化等新型纤维的开发应用，下游产品风格因此而更加丰

富多样。远红外、超细纤维、中空纤维、负氧离子、抗菌、阻燃等多功能复合粘胶纤

维的开发应用则进一步推进了面料档次的提高，使其向保健、舒适、功能化、特色化、高仿真、高附加值方向发展。粘胶纤维除了应用于服用领域之外，在非服用领域的发展空间也极为广阔，例如非织造布、工业丝、工程建设、国防等领域，这些领域都是

中国纺织工业协会确定的纺织行业重点投资方向。

二、粘胶纤维生产工艺流程

各种粘胶纤维，不论采用何种浆粕原料和生产设备，其基本生产工艺流程都是相同的（如图4-2、4-3、4-4），都经下列三个过程：

（1）粘胶的制备：包括浆粕的准备、碱纤维素的制备及老成、纤维素黄酸酯的制备及溶解、粘胶的纺前准备（包括粘胶的混合、过滤、脱泡及熟成）。

（2）粘胶纤维的成形：包括纺丝及纤维的拉伸。

（3）粘胶纤维的后处理：包括水洗、脱硫、漂白、酸洗、上油、干燥等。粘胶长丝还需进行加捻、络丝分级包装等加工；粘胶短纤维则需经切断、打包等。

注l．为粘胶制造、纺丝等条件与普通短纤维不相同

2．二硫化碳的回收，只在短纤维制造时进行

粘胶纤维生产用原料

粘胶纤维的基本原料是纤维素（浆粕），生产过程中还需用多种化工材料，如烧碱、二硫化碳、硫酸、硫酸钠、硫酸锌、硫化钠、水、油剂、消光剂及各种助剂。

一、浆粕

（一）浆粕的结构特点

浆粕是生产粘胶纤维的主要原料，按原料来源，分为木浆、棉浆和草浆（甘蔗渣、芦苇、竹子）。纤维素是浆粕的主要成分。目前生产粘胶纤维的主要原料是木浆和棉浆。

（二）浆粕的质量控制

粘胶浆粕的重要指标是α－纤维素含量、灰分、树脂含量、粘度、吸碱性能和反应性能。

1．α－纤维素含量工业上通常用α－纤维素和半纤维素来表征浆粕的纯度。即浆粕浸渍在20℃、17.5%NaOH水溶液中，在45min内不溶解的部分称为α－纤维素，溶解部分为半纤维素。

提高浆粕的α－纤维素含量，不仅可提高成品纤维的得率，提高设备生产能力，降低化工原料消耗量和简化浸渍碱液回收，而且还能提高成品纤维质量。半纤维素含量高，影响到其后的浸渍、老成、黄化、过滤、熟成等工艺过程，也降低了成品纤维的品质。

2．灰分指浆粕经高温灼烧后的残余物，主要成分是SiO2、铁、镁、钙等，它们使粘胶的粘度增高，并能与酸生成不溶性盐如CaSO4，MgSO4，从而降低酸浴的透明度或堵塞喷丝头，而且硅酸盐颗粒易将纤维切断，降低纤维的强力；灰分中的铁、铜、锰等能加速碱纤维素的老成降解，使工艺不稳定，最终影响粘胶纤维的强度和色泽。

灰分的来源主要有两个方面：原料本身；各种溶剂、水、环境条件。

3．树脂浆粕中含有少量树脂，有利于过滤；树脂含量过多，会影响黄化反应的均匀性，使粘胶变得浑浊，堵塞喷丝孔。

4．聚合度要求纤维素聚合度适中，聚合度分布分散性小。随着聚合度的增加对纤维的断裂强度、延伸度以及疲劳性能都有好处，故制备高强度、高聚合度纤维（如强力粘胶纤维、高性能粘胶纤维），要求较高聚合度。但聚合度过高，则因制得的粘胶粘度过高而致过滤困难，或者需要延长碱纤维素的老成。各种粘胶纤维浆粕中纤维素的聚合度差异较大，其聚合度通常为500～1000。实践证明，聚合度大于1200的纤维素由于黄化性能和黄酸酯的溶解性能差会造成粘胶过滤困难；聚合度小于200的纤维素，由于其半纤维素特征，亦会使粘胶过滤困难，且纤维的强度、耐磨性能和耐疲劳性能下降。

5．吸碱性吸碱性通常是以吸碱值（浆粕吸碱后重量增加的百分比）、膨润度（浆粕吸碱后体积增加的百分比）和吸碱厚度（将浆粕条一端浸入17.5%%NaOH水溶液中，5min碱液被吸上的mm数）来表示。

浆粕吸碱值过低，则浆粕浸渍时易上浮，采用连续浸渍压榨机时，投料困难，浆粥浓度不均匀；浆粕吸碱值过高，则浆粕表面迅速膨润，使纤维毛细管很快被堵塞，碱液渗透困难，碱纤维素不均匀。

生产上，如果浆粕吸碱值过低，应采取降低浸渍温度，降低浸渍碱液浓度进行调整，还可以在浸渍时加入0.3%（对α－纤维素）的渗透剂（如聚氧乙烯脂肪胺类）来提高浆粕浸渍时的吸碱能力；如果浆粕吸碱值过高，应采取提高浸渍温度，提高浸渍碱液浓度进行调整，以防止过度膨润。

6．反应性反应性指浆粕在碱化、黄化及生成的黄酸酯的溶解等性能。它表示浆粕在消耗合理数量的NaOH和CS2之后，是否能得到溶解性良好的纤维素黄酸酯和易于过

滤的粘胶。反应性能好，NaOH和CS2的消耗量少，溶解性能和过滤性能好，所得到的粘胶可纺性好。

二、其它化工原料

（一）烧碱

烧碱俗称固碱、苛性钠、烧碱、火碱，学名氢氧化钠。无色透明结晶体，吸湿性强，易溶于水，溶解时放出大量热。暴露空气中吸湿后呈粘稠状液体，也溶于甘油、乙醇，不溶于乙醚和丙酮。腐蚀性强，能破坏纤维和有机组织。高温下能腐蚀碳钢。吸收空气中二氧化碳后，生成碳酸氢钠和碳酸钠，能与酸类中和成盐。

烧碱制造方法有：苛化法、水银电解法和隔膜电解法。其中，水银电解法和采用离子交换膜的隔膜电解法所生产的产品纯度高，适宜粘胶纤维生产用料。

粘胶纤维生产对烧碱质量要求很高，含杂质越少越好。盐类杂质，如NaCl、Na2CO3等，影响浆粕浸渍时膨润不匀，使碱纤维素黄化不正常；盐类又是强电解质，使粘胶熟成过快；烧碱中的铁和锰等杂质，能使碱纤维素老成加快；此外。铁质还影响粘胶过滤，或者受氧化作用生成有色物质，斑染纤维。

（二）二硫化碳

外观为无色或淡黄色透明油状液体，易燃、有毒，有恶臭，但纯CS2并无恶臭，只有微弱芳香味，CS2恶臭来自于无机的或有机的硫化物杂质。

CS2沸点46.4℃，是一种优良溶剂，也是一种无色易挥发的可燃液体。CS2气体与空气混合后有强烈爆炸性。CS2对人体有毒性，能通过呼吸系统和皮肤进入人体，因此，在生产、运输、贮存和使用等过程中应采取特别相应的安全措施。

CS2在水中溶解度很小（20℃时0.2%），比重又大，因此运输、贮存时多用水封。 CS2是由含碳物质（如木炭、焦炭、甲烷、丙烯、石油混合气等）与硫磺蒸气在高温下反应生成。根据加热方式不同，又分为电炉法、外烧炉法、沸腾床法和等离子法。CS2在粘胶纤维生产中用于碱纤维素黄化，生成的纤维素黄酸盐，用稀碱溶解制成粘胶。

（三）硫酸

纯硫酸是无色、透明的油状液体，密度1.834g/cm3，沸点338℃，凝固点10℃，硫

酸是强酸、强氧化剂和腐蚀剂，硫酸与水混溶时放出大量热量，使用时特别注意。

粘胶生产用硫酸要有较高的纯度，而且其中氧化氮、铁、铅等杂质不能过多。粘胶纤维生产用硫酸主要配置粘胶纤维凝固浴。

（四）硫酸钠

硫酸钠（Na2SO4·10H2O）又名芒硝，无色晶体，带苦咸味。相对密度1.462，熔点324℃；100℃时失去全部结晶水转化为晶体。工业用无水硫酸钠又名元明粉，含硫酸钠90～97%。粘胶纤维生产用硫酸钠主要配置粘胶纤维凝固浴。

（五）硫酸锌

硫酸锌（ZnSO4·7H2O）又名白矾，无色晶体，相对密度1.966，是粘胶纤维凝固浴组分。

（六）水

粘胶纤维生产耗用的水量大，水质要求高，根据用途的不同，粘胶纤维用水通常分为工艺用水（用于溶液配制、纤维洗涤等）和一般用水（用于冷却、洗涤等）。一般用水是经过混凝和过滤处理的清净水；而工艺用水则需经过混凝、过滤并经软化处理的软水，其硬度不超过0.1～0.3。

粘胶的制备

一、粘胶制备基本过程、方法及工艺流程

粘胶的制备又称原液制备或纺丝液制备。其目的就是通过化学反应将浆粕制成可供纺丝用的粘胶（纺丝原液），一般包括碱化和黄化两个主要化学过程。

碱化：纤维素（浆粕）+氢氧化钠→碱纤维素

黄化：碱纤维素+二硫化碳→纤维素黄酸酯

纤维素不能直接与二硫化碳发生反应，必须将纤维素先制成碱纤维素，才能与二硫化碳发生化学反应，生成纤维素黄酸酯。而纤维素黄酸酯能溶于稀碱溶液，制成粘胶（纺丝原液）。

生产上，粘胶制备按下列三个步骤进行：①浆粕浸渍于烧碱溶液中，生成碱纤维素，经压榨、粉碎、老成，制成一定聚合度的碱纤维素；②碱纤维素与二硫化碳进行反应，生成纤维素黄酸酯。③纤维素黄酸酯溶于稀碱液中，制成粘胶，再经过过滤、脱泡和熟成，送往纺丝机[3]。