Lyocell纤维的纺丝成型与后加工技术

莱赛尔纤维生产中，溶剂NMMO是一种对纤维素有着极强溶解性能的叔胺氧化物，它能够使纤维素浆粕直接溶解，而后进行纺丝后处理。工业化生产中，采用干湿法纺丝工艺纺制Lyocell纤维，不仅可提高纺丝速度和生产效率，而且可提高纤维产品质量。因此，Lyocell纤维的纺丝成型主要是研究纤维素原液的干喷湿法纺丝。

Lyocell纤维的干喷湿法纺丝是指纤维素原液经喷丝孔挤出后，经气隙吹风，再进入凝固浴进行凝固相分离，在牵伸张力的作用下形成丝条。此过程为物理过程，也是相分离成纤的过程，期间发生了纤维素纺丝原液与凝固液之间的传质、传热和相平衡的移动，致使纤维素沉析，形成具有一定凝聚态结构的纤维。其优点是可以纺制较高黏度的纤维素原液，减少溶剂的消耗，成型速度较高，所得纤维结构更均匀。

按干喷湿纺的工艺特点[43]，可将Lyocell纤维的干喷湿法纺丝成型过程分为五个区域，如图2-11所示。

Ⅰ为液流胀大区。自喷丝孔流出的液流因受到在喷丝孔中流动时产生的应力作用而胀大至2～4倍。液流胀大程度主要取决于毛细孔长度和直径、原液黏度、弹性模量、松弛时间以及原液流动性。

Ⅱ为液流在气体层中的轴向形变区。在此区域内，胀大的液流受到拉伸，根据纺丝原液的黏弹性、表面张力和液流的形变速率可拉伸至一定的倍数。

Ⅲ为液流在凝固浴中的轴向形变区。进入凝固浴中的丝条并不是立即凝固完成的，凝固需要一定时间，这取决于凝固剂与溶剂双扩散条件和发生相变的诱导期。在纤维表面形成固体皮层以前，纤维能发生显著的纵向形变，特别是在凝固作用缓和的凝固浴中。

Ⅳ为纤维固化区。此区域长度取决于丝条的运动速度和凝固剂的扩散速度，此区结束时，扩散达到纤维中心，其凝固浴浓度等于临界过饱和浓度。在此区域内主要发生纤维结构的形成和各向异性结构的固定。

Ⅴ为已成型纤维导出区。丝条在此区域中运动时继续发生双扩散，而对于莱赛尔纤维纺丝过程来说，纤维的凝聚态结构已基本成型。

（一）纺丝原液的喷丝头挤出

纤维素原液是黏弹性流体，其流动以大分子的链段运动为基础，在喷丝孔入口及孔内流动过程中，大分子链受到剪切力作用而改变构象，使得大分子链伸展，产生剪切形变；当原液离开喷丝孔时，由于剪切形变而导致的法向应力差，在喷头处出现挤出胀大的现象，即图2-11（Ⅰ区）。纺丝原液喷丝头挤出速率的高低取决于喷丝孔的直径和长度、喷丝孔入口收敛角度、原液的动态与稳态流变特性参数等多种因素。

针对NMMO溶剂法纤维素原液具有高黏度和温度敏感性、易降解等特性，需开发适于纤维素原液的干喷湿纺专用成套设备，主要包括原液输送及安全防护装置、过滤装置、纺丝箱体、纺丝组件（含喷丝板）、吹风系统、凝固浴系统等。在干喷湿纺喷丝阶段，最主要设备便是适合于高黏度纤维素原液的干喷湿纺喷丝组件（含喷丝板）。

图2-11　干喷湿法纺丝成型示意图

Lyocell纤维采用气隙吹风的干喷湿法纺丝路线，传统的熔纺喷丝组件满足不了工艺要求。据报道，现今研发的Lyocell纤维喷丝组件品种繁多，如插入式喷丝组件、组合式喷丝组件等，但国内外产业化应用的喷丝组件主要集中在长条形排布和环形排布两大类。其中，由于喷丝板孔数直接影响产能，如何在保证纺丝效果的情况下实现大容量单元位（即多孔数）的开发，关系到企业经济效益和生产竞争力，为此，工程技术开发工作者在喷丝结构的研究上付出了诸多努力。

此外，为了减少喷丝挤出原液细流在迎风面和背风面所受吹风效果差异的影响，喷丝组件（含喷丝板）需设计安装温度调控系统。对相同纤维素原液，喷丝板温度太高，影响拉伸成形；若过低，则造成纺丝组件内部压力升高过快。因此，通过喷丝板调温系统，可有效地控制喷丝板的温度变化，保证纺丝的连续稳定运行。

纺丝原液的喷丝头挤出效果直接反映为纤维的可纺性，受到诸多因素的影响。

（1）关于纤维素浓度的影响：随着纤维素浓度增加，纤维素原液越来越偏离牛顿流体，可纺性越来越差。但在实际生产中，溶液浓度越低，虽流动性好，易于加工，但生产效率低，产品质量较差，因此一般控制溶液浓度大于10%。

（2）关于纤维素浆粕聚合度的影响：随着聚合度的增加，溶液的非牛顿指数减小，稠度系数增大，零切黏度增加，结构黏度指数增加，可纺性越差；但在实际生产中，聚合度太低，纤维的物理性能指标较低，影响纤维的品质，因此聚合度控制在一定的范围内。

（3）关于α-纤维素含量的影响：纤维素的主要成分为α-纤维素，其余杂质主要为低分子量β、γ纤维素。浆粕中α-纤维素越低，低分子量的半纤维素含量相应越高。这种低分子量的半纤维素在纤维素溶液中，可起到增塑剂的作用，提高溶液的流动性能，可纺性提高。

（4）关于不同含水NMMO溶胀的影响：含水不同的NMMO主要影响纤维素能否充分溶胀，溶胀不充分的预溶液经过溶解后，溶液中可能含有凝胶粒子。凝胶粒子虽不影响溶液的流动性，但会影响纤维成型的稳定性，产生飘丝和断头。

（5）关于纺丝温度的影响：随着纺丝温度的提高，纺丝原液的可纺性有所提高，但过高时，会导致纤维素原液的黏度下降和喷丝组件压力分配不匀，造成纺丝不稳定和拉伸性能下降。

（6）关于喷丝板面温度影响：喷丝板面温度的变化直接影响纺丝过程，随着冷却吹风的连续进行，喷丝板面温度随之下降，可纺性随温度的变化而改变。有效地控制适宜板面温度及其均匀一致性，可保证纺丝稳定和纤维均一性。

（二）气隙吹风与喷头拉伸

干喷湿纺干段气隙层中，即图2-11中的Ⅰ区、Ⅱ区，由于空间溶剂含量为零，在浓度差和冷却风的作用下，纤维素原液细流中高浓度（一般为86%左右）NMMO水溶液向空间挥发，纤维素原液细流的温度降低，随着单向应力的作用，逐渐被拉伸而细化，纤维素分子链取向后进入凝固浴进行双扩散和相分离。在干喷湿纺中，单向拉力的作用主要集中在喷丝头和凝固浴液面之间的干段气隙层，相比湿法纺丝，这一过程更利于牵伸张力的施加，从而提高产能和降低成本。

在Lyocell纤维纺丝成型过程中，干段气隙层是发生物理变化的重要区域，纺丝细流在气隙中受到侧吹风和拉伸张力的作用，冷却的同时得到一定程度的拉伸取向，气隙长度、吹风条件、纺丝速度和拉伸比均对纤维性能有着显著影响。

1.气隙吹风

在Lyocell纤维纺丝工艺中，气隙条件是很重要的工艺参数，气隙长度和空气的温湿度对纤维的性能有交叉影响。气隙长度较大时，空气温湿度的减小有利于纤维模量、强度和断裂伸长的提高；气隙长度较小时，空气温湿度的增加，有利于纤维模量、强度和断裂伸长的提高。所以，合理配置气隙长度与吹风条件有利于提高Lyocell纤维的性能。

此外，气隙吹风的风速、风湿和风温直接关系到丝束的成型，在无吹风的条件下，丝束会出现断头现象，随着风速增加，其拉伸性能逐渐改善。因此，研制与喷丝部件相匹配的气隙吹风设备，实现风场的均一性，才能保证丝束成型的均一性。

图2-12　气隙结构示意图

L—喷丝板面到凝固溶液面之间的气隙高度

（1）气隙长度。从喷丝板面到凝固浴表面的气隙层影响着纤维素的纺丝成型，在此期间，丝条温度下降、丝条表面传质、丝条直径减小以及纤维素分子链取向。气隙长度一方面影响原液细流的流变态拉伸形变速率及其拉伸倍率；另一方面影响集束过程中的单丝间距，间距过小时单丝之间易相碰粘并，形成并丝。适当长度的气隙（如图2-12所示[44]，L即为气隙长度，0<L<60mm，一般为20～30mm）可使纺丝细流得到充分的冷却，取向结构也得到较好的调整，利于纤维均匀结构的形成。

在Lyocell纤维纺丝过程中，纤维素分子链需要在气隙层中经过一定时间的取向。在相同纺速下，气隙太短时，分子链来不及排列；随着气隙长度的增大，大分子取向随之增加，有利于纤维强度的提高。另外，气隙大，丝条冷却充分，在凝固浴中成型缓慢，纤维内外结构较为均匀。但当气隙大到一定程度时，丝条因张力小开始抖动、趋于断裂，影响可纺性。

（2）吹风条件。吹风条件是Lyocell纤维制备工艺的一个关键参数，除包含风速、风湿和风温等吹风参数外，还包括吹风设备结构。

①吹风设备结构。Lyocell纤维制备所需气隙吹风速度是常规熔融纺丝吹风速度的数倍乃至数十倍，开发与喷丝部位相匹配的气隙吹风设备尤为关键，现今国内普遍使用的气隙吹风窗结构主要为单层狭缝式、单排列管式等侧吹风窗式。

国外以奥地利兰精公司最为典型，其发明了环状吹风结构[45，46]（图2-13），此结构使纤维素原液通过带有多个环状分布的纺丝孔的喷丝板流出，形成环状丝束，层流气流由环形纺丝板的中心提供并径向向外吹出，可以使所形成纤维具有更加均匀的纤度和强度。

图2-13　环吹风结构示意图

②吹风参数。Lyocell纤维干喷湿法纺丝成型过程中，纺丝细流经过一定温湿度的吹风进行冷却，控制吹风的风温、风湿和风速尤为重要，它们直接影响丝束的形成过程。表2-10列出了典型国外公司的吹风参数[47]。

表2-10　Lyocell纤维吹风参数表

若吹风含湿量高，由于含有一份结晶水的NMMO极易吸水，出喷丝孔的细流吸水后延伸性变差，拉断后易与相邻丝条发生粘连，从而产生并丝，甚至无法成形；若吹风含水低或者无水，则有利于纺丝液表面水分及时蒸发，保证纺丝成型的顺利进行。

若冷却吹风温度太高，会使丝束冷却效果不够，易造成拉伸性能下降和并丝；吹风温度过低，会使冷却速度过快的表层影响丝条在后续凝固浴中的双扩散速度，使纤维素大分子解取向。

若吹风速度过高，丝束会发生抖动，易吹断丝束；而吹风速度过低，则无法完成冷却过程，同样会造成拉伸性能下降和并丝的发生。

因此，在Lyocell纤维成型工艺中，吹风条件需严格控制。

2.喷头拉伸

喷头拉伸取决于纤维素原液的挤出速度，拉伸效果受到纤维素原液特性和纺丝条件的影响。纤维素原液的特性受到纤维素浓度、浆粕聚合度、α-纤维素含量、溶胀条件等影响，进而影响喷头拉伸的效果，乃至纤维的成型和性能；当其他条件不变时，纤维素原液特性随纺丝温度变化而发生变化，在一定范围内提高纺丝温度，可提升纺丝原液的塑性，利于可纺性的提高。

喷头拉伸比对纤维成形中取向等结构的形成会产生较大影响，从而影响纤维的性能。随着喷头拉伸倍率的增加，纤维的序态可以得到改善，纤维纤度下降，纤维素大分子排列规整性变好，进而纤维晶区结构紧密并高度取向，强度提高；但随着拉伸比的继续增加，纤维初始模量和强度增加的同时，其断裂伸长也会有明显的减小。因此，过大的拉伸比会造成断丝，从而影响可纺性。

在相同泵供量下，纤维的断裂伸长率会随着纺丝速度的提高而下降；纤维的强度随纺丝速度的提高而增加，但纤维的强度达到一个峰值后，提高纺丝速度，纤维的强度反而会有所下降，如图2-14所示。

（三）初生纤维的凝固

图2-14　纺丝速度对Lyocell纤维无定形区取向的影响[48]

Lyocell纤维纺丝成形工艺中，纺丝原液在计量泵的驱动下自喷丝孔挤出，经气隙层冷却后进入凝固浴，由于纺丝流体的组分和凝固浴的组分存在浓度差，势必会发生双扩散，细流中溶剂向凝固浴扩散，凝固液中凝固剂（一般为水）向细流中扩散。随着双扩散的进行，细流中溶剂浓度逐步降低、细流中水的浓度逐渐增加，当溶剂浓度达到临界值时，纤维素从溶剂中析出，形成纤维丝条，如图2-11中的Ⅲ区、Ⅳ区所示。

在此过程中，一般要求凝固浴的液面基本平稳，如果液面波动太大，会影响纤维的成型，产生并丝等，影响丝条CV值；凝固浴的流向应与丝条运行方向一致，这样的流动状态，丝条运行阻力较小，不易形成毛丝和断丝，为此，凝固水槽采用溢流设计，保持凝固液面基本平稳，降低线密度的CV值。

凝固过程的扩散系数与凝固条件直接相关，双扩散速度太大，丝条凝固较为剧烈而易于形成皮芯结构，使纤维结构不均匀，产生较多缺陷；双扩散速度太小，则凝固不充分，非晶区取向度和结晶度较低，进而影响纤维力学性能，同时易于导致并丝。所以，凝固浴条件的控制在Lyocell纤维成型过程中尤为重要。凝固浴的浓度和温度需实现自动稳定控制，以保证纤维成型的均一性；其中，凝固浴的浓度可通过检测折射率和密度得到。此外，如上所述，凝固浴纺丝流体牵伸张力对纤维成型起到了至关重要的作用。

1.凝固浴温度

凝固浴温度是Lyocell纤维干喷湿法纺丝成型过程中的一个重要影响因素。凝固浴温度可根据其他纺丝参数进行调整，一般控制在0～25℃温度范围内[49]。凝固浴温度过高或者过低都会对纤维的成型产生影响。

较高的凝固浴温度可以增大体系中凝固剂与溶剂的双扩散速度，使凝固过程变得迅速。在凝固过程中，进入凝固浴的纺丝流体在气隙层中已发生拉伸取向，当细流进入凝固条件十分剧烈的凝固浴中时，表面会立刻发生固化，并且达到一定厚度，固化的表层基本不能再被拉伸，以至于可抵消外加牵伸力；而此时，丝条内部仍处于流体状态，原来所受到的张力得到松弛，发生解取向；此条件下易出现严重的皮芯结构，不利于纤维的均一性。

若凝固浴温度过低，则生成的表层较软，不能完全抵消外力，进一步发生一定的形变，而内层的张力基本与外层一致，从而固化后丝条取向度较高。

此外，凝固浴温度还影响最大纺丝速度。高分子流体纺丝中，任何导致延长松弛时间的纺丝条件都会使最大纺丝速度减小。随着凝固浴温度的提高，丝条中大分子的松弛时间变短，最大纺丝速度得以提高，所以并非凝固浴温度越低越好，应采用适宜的凝固浴温度。

2.凝固浴浓度

在Lyocell纤维成型过程中，凝固浴浓度会影响双扩散过程，从而影响最终纤维的强度和模量。

根据传质通量公式[50]：

式中：J——传质通量；

D——扩散系数；

ΔC/ΔX——扩散方向的浓度梯度。

凝固浴浓度适当增加时，结合Fick扩散定律及传质通量公式，扩散的驱动力浓度差越小，扩散系数越小，不利于纤维结构的快速形成，但是在一定程度上利于纤维结构的均一性形成。此外，初生丝在凝固浴中的凝固速度较慢时，纤维在未完全凝固前，大分子可以得到有效的拉伸，进而有利于提高纤维的取向。

当凝固浴浓度过高时，ΔC/ΔX较小，双扩散速度过慢，使凝固速度过慢，凝固还不充分的丝条在拉伸时容易发生分子间的滑移而断裂。另外，纤维的凝固速度太慢，会使初生丝在集束导丝时发生粘并。

当凝固浴浓度过低时，ΔC/ΔX很大，扩散速度随之增大，会使表层凝固过于剧烈而形成坚固的表皮，这层表皮不仅在拉伸过程中会产生应力集中，使纤维的可拉伸性能下降，同时过快凝固的表层阻碍了双扩散的进行，内层凝固速度变慢，使内层已经得到拉伸取向的纤维素大分子发生解取向，从而导致纤维强度下降。

因此，选择适宜的凝固浴浓度很重要，凝固浴中NMMO浓度一般为10%～30%。

3.凝固浴组成

现今，凝固浴多选用NMMO的低浓度水溶液，凝固剂一般为水，与纺丝液中NMMO溶剂浓度形成浓度差，以便进行双扩散。

凝固浴可选用水，但由于水做沉淀剂时，浓度差异大，扩散剧烈，内部多形成微孔，纤维强度也会受影响；凝固浴的组成也可是多成分溶液，据文献报道，吕阳成等[51]采用水、甲醇、乙醇和由它们配制的双组分溶液为凝固浴；张耀鹏等[52]采用乙醇、异丙醇和它们的水溶液作凝固浴等。不同凝固体系所形成的制品在形貌、结构上差异明显，这与不同凝固体系的凝固过程与机理有关。因此，通过改变凝固浴组成，可以达到调控结构的目的。

（四）普通Lyocell纤维的后加工

纤维素纺丝原液经干喷湿纺成纤后，经过一系列不同的后加工工序可制得不同规格不同特性的纤维成品。例如，通过在原液段添加功能助剂可制备如阻燃、抗菌等功能的纤维产品；通过控制纺丝工段的牵伸比可制备不同线密度、不同力学性能规格的产品；通过改变纤维的后加工工艺可制得卷曲、棉型、毛型、普通原纤化、抗原纤化等产品。

常见的Lyocell纤维后加工工艺流程如图2-15所示。其中，普通产品的加工过程中引入交联处理的工序即可获得抗原纤化的纤维产品；在水洗后直接上油，然后卷曲、烘干获得的产品为卷曲型产品。

图2-15　常见的Lyocell纤维后加工工艺流程

1.集束(www.xing528.com)

经纺丝机纺制成型的纤维，需通过集束将各个纺丝锭位的丝束汇集到一起进行水洗、切断等后道工序加工。集束工序通常由五辊或七辊牵引设备来完成。集束过程通常也施加去离子水辅助进行初步水洗。

Lyocell纤维采用干喷湿法工艺纺制而成，纤维的牵伸取向主要在气隙段完成，而丝束出凝固浴后已固化成型，纤维性能也基本定型，所以不需要进行进一步的牵伸取向。因此，在集束工段纤维只需控制好纤维集束张力，使丝束处于伸展状态，同时控制丝束避免因张力过大、摩擦加剧造成不必要的损伤。

2.水洗

经纺丝组件挤出的丝束，在经过凝固浴后基本成形，并洗去了大部分（80%左右，取决于凝固浴浓度）NMMO溶剂，还有部分溶剂有待进一步水洗。在进行水洗时，工艺上需控制几个关键的因素。

纤维水洗过程中，根据洗涤目的的不同，对洗涤水质的要求也有所不同。洗去纤维中残留溶剂所用的洗涤水，为减轻溶剂回收蒸发过程中的离子交换的压力，需要用去离子水。而对于不需要回收的水，可采用软水进行（如交联水洗水）。一般不采用自来水，因为水质不同，硬度和离子含量不同，在后续上油等工序中，若硬度偏高，所用的油剂往往会与水中钙盐、镁盐作用，生成不溶性的钙皂或镁皂，黏附在纤维表面，影响纤维品质，所以纤维水洗过程中，水质的选择对产品质量和生产成本控制极为重要。

纤维水洗过程中，循环量及水温的控制直接关系到洗涤效果。水温一般控制为（50±5）℃。温度偏高，洗涤效率快，但热能消耗增多，车间散发的蒸汽雾也增大。另外，洗涤水的循环量也很重要，循环量过大，则纤维漂洗得较干净，但必然消耗更多水和蒸汽，需要找到平衡点。为了节约用水，各道水洗的水一般都经收集、处理和循环使用。

3.切断

Lyocell纤维通常可与棉、羊毛以及其他合成纤维混纺，根据混纺纤维品种和长度的要求，需将丝束切断成相应长度的短纤。棉型短纤维切段长度为38mm，并要求均匀度好。中长纤维用来与黏胶纤维或其他纤维混纺，切段长度为51～76mm，毛型短纤维则要求纤维较长，用于粗梳毛纺的切段长度为64～76mm，用于精梳毛纺的切段长度为89～114mm。

对于短纤产品来讲，切段长度直接关系着产品的性能指标，切断不彻底导致的超长、倍长纤维直接影响后续纺纱工艺及产品的质量。因此在切断过程中应根据所需产品的要求严格进行控制。Lyocell纤维所用的切断机多为水流式切断机，单台的切断线密度最大可到400万分特。

4.上油与漂白

纤维上油是为了调节纤维的表面摩擦力，使纤维具有柔软、平滑的手感，良好的开松性和抗静电性，适当的集束性和抱合力，改善纤维的纺织加工性能。油剂的组成包括润滑剂、乳化剂、抗静电剂，有时还加入消泡剂、防腐剂等。Lyocell纤维油剂通常配成稳定的水溶液或水乳液，要求无臭、无味、无腐蚀，洗涤性好。Lyocell纤维油浴浓度通常为2～5g/L，纤维上油率一般控制在0.15%～0.3%。

纤维白度是服用纤维的一个性能指标，应用场合不同对纤维白度要求也不同，当纤维自身白度达不到要求时，需对纤维进行漂白，提高纤维白度，从而改善织物外观。漂白剂通常采用次氯酸钠、过氧化氢和亚氯酸钠等。H2O2的漂白机理为：H2O2在碱性介质中分解，释出原子态氧，将纤维上的有色杂质氧化，生成淡色或无色物质。采用H2O2作为漂白剂通常控制漂白浴液中H2O2含量为0.5～1.5g/L，pH为8～8.5，浴温25～50℃。H2O2漂白是在弱碱性介质（pH=8～8.5）中进行的，此时纤维素不发生分解。为了避免H2O2在碱性介质中分解过多，可在浴液内添加稳定剂，如水玻璃、磷酸盐、镁盐等。H2O2的漂白作用较NaClO缓和，漂白后纤维的白度不会很高，但纤维的强度降低很少。采用H2O2漂白，可与上油过程同时进行，漂白后不需再进行水洗，纤维上残留的H2O2在干燥机中的高温下会分解。

NaClO的漂白机理为：NaClO能与纤维上不饱和的有色物质起加成反应，或使其氯化，从而达到漂白效果。通常控制漂白液的pH为8～10，含活性氯1～1.2g/L，通常只需在常温下漂白即可。使用NaClO做漂白剂的优点是，它在常温下进行，配制的方法也比较简单。缺点是，NaClO溶液不稳定，在使用过程中pH容易发生变化。当pH小于8，纤维易受到损伤，NaClO会大量地分解，而且得到的纤维白度不高；当pH大于10，纤维素虽不致受破坏，但有色物质不易被氧化。此外，NaClO在弱碱性溶液中会腐蚀塑料、软橡胶等制成的机器零件。

5.烘干

切断后的短纤维或丝束状长纤维在烘干前都要先经轧辊预脱水，使其含水率由300%～400%降至120%～150%。烘干后纤维含水率6%～8%。经过回潮吸湿，产品回潮率为11%～13%。

Lyocell短纤维干燥可用多种形式，如循环热风干燥、热辊接触干燥、射频干燥等。一般多采用循环热风干燥烘干，烘干速度取决于热空气温度、湿度、循环速度、纤维层厚度和开松度，在生产上通常是调节热风温度。温度高则干燥快，但温度过高，会使部分纤维过热或烧焦，纤维强度、含油率、白度下降，故热空气通常不高于120℃；由于湿纤维的实际温度大大低于热风温度，故烘干机中带有湿纤维的区域应保持较高的温度（70～110℃），而在干纤维的区域却保持较低温度（60～70℃）。

6.打包

短纤维经烘干和干开棉后，借助气流或输送带送入打包机，打成一定规格的包，以便于运输和储存。每包纤维的重量，根据纺织厂的要求、运输的情况及打包设备的情况而定，包上应注明生产厂家、纤维规格等级、重量、批号、包号等。

（五）Lyocell纤维的原纤化及调控

1.Lyocell纤维的原纤化特性

原纤化是指纤维表面容易形成原纤的一种现象或倾向，当纤维外层开裂时，纤维会纵向分裂成直径为1～4μm的微细纤维（纤维的原纤化）[53]。纤维素纤维和再生纤维素纤维都存在不同程度的原纤化现象，而Lyocell纤维的原纤化程度更为明显。主要是由于Lyocell独特的高度结晶取向结构，微晶之间侧向连接较弱所致，原纤化主要在纤维湿态摩擦的条件下发生。Lyocell纤维原纤化形貌见图2-16的显微照片。

图2-16　Lyocell纤维外观显微照片

2.Lyocell纤维的原纤化调控

原纤化是Lyocell纤维的一个重要特性。通过合理的工艺技术控制可获得一系列性能各异的产品。原纤化控制技术主要包括原纤产生技术（初级原纤化和次级原纤化）、去原纤化技术和防原纤化技术。

（1）纤维的原纤化调控的意义。

①印染加工过程中可使纤维产生原纤。通过一定方法使织物产生均匀的、长短不一的微小纤维，充分从纤维上剥离出来，然后用化学或机械方法来去除，使织物表面光滑。

②根据产品加工风格要求，可选择不同印染加工路线。如加工桃皮绒风格产品时，应使纤维表面产生短且均匀的微小纤维，有类似结霜的外观。如加工光洁整理产品时，应彻底去除纤维表面的微小纤维。

③在服用和洗涤过程中防止或减少纤维原纤的产生，以免影响织物外观和降低使用性能。

（2）利用Lyocell纤维的原纤化特性，最主要的是进行仿桃皮和仿麂皮效果的加工，其加工过程一般包括三个阶段。

①将织物在湿碱性条件下进行机械摩擦处理，完成初级原纤化。

②用纤维素酶处理，降低表面毛羽强度，并在机械作用下使其断落除去，获得表面平整光洁的织物。

③在湿热条件下进行机械摩擦，完成次级原纤化，在织物表面生成较短原纤，通常再伴以进一步的滚筒处理，以使纤维表面的绒毛直立[54]。

Lyocell纤维的原纤化控制过程中纤维的外观形貌见图2-17。

图2-17　Lyocell原纤化控制中纤维的外观

3.非原纤化Lyocell纤维制备技术

原纤化虽是Lyocell纤维的一个基本特性，但也可在纺丝成型后加工中进行调整从而制备非原纤化的Lyocell纤维。常用的技术手段主要有通过交联剂对Lyocell纤维进行交联处理获得，或者通过外加整理剂来获得非原纤化产品。

（1）交联处理。Lyocell纤维交联处理可有效防止原纤化的产生。其防止原纤化产生的作用机理为增强垂直于纤维轴方向的作用力，防止微原纤的劈裂，作用原理如图2-18所示。该法是目前最为成熟的制备非原纤化中Lyocell纤维的技术。目前已应用于工业化的交联剂有1，3，5-三丙烯酰基-1，3，5-六氢均三嗪（TAHT），2，4-二氯-6-羟基-1，3，5-三嗪钠盐（DCHT-Na）两种。且采用在线交联技术制备非原纤化Lyocell纤维，其对应的商品名分别为Tencel A100和Lyocell LF。该技术主要由奥地利兰精公司掌握，此外，戊二醛交联体系也可以实现Lyocell纤维的抗原纤化目的，目前国内有企业引进该技术进行过试生产。但戊二醛交联处理Lyocell纤维后，纤维有发黄的迹象，需对纤维进行漂白处理。

图2-18　Lyocell纤维原纤化及其纤维交联处理原理示意图

经TAHT交联处理后的Lyocell具有优异的抗原纤化性能和染色性能，其在线交联工艺流程如图2-19所示。湿态的纤维分别施加交联剂和碱剂后在堆置过程中进行气蒸处理，交联剂在气蒸条件下与纤维反应完全后，洗涤掉碱剂和未发生反应的交联剂，得到非原纤化Lyocell纤维[55]。控制交联剂浓度、碱剂浓度以及气蒸温度和时间可得到不同抗原纤化性能的产品。

图2-19　Lyocell纤维TAHT交联工艺流程示意图

TAHT与Lyocell纤维交联反应的原理如下式所示：

奥地利兰精公司以DCHT-Na为交联体系生产的Lyocell纤维商品名称为Lyocell LF。其生产流程与普通Lyocell纤维生产流程相似，只是在后处理过程中增加了交流处理的工序。纺制成型的纤维经过水洗和切断后，湿态下的短纤维施加一定量的交联剂，并在特定反应条件下进行反应，获得具有抗原纤化性能的纤维。其生产流程如图2-20所示。

图2-20　兰精公司Lyocell LF生产流程

DCHT-Na在碱性条件下与纤维素上的羟基发生醚化反应[56]。其反应原理如下所示：

目前已经工业化的交联体系还存在一定的应用局限性，比如DCHT-Na交联处理的产品Lyocell LF不适用于酸性染整环境，在pH≤6条件下，随着pH的降低，非原纤化性能逐渐衰减直至消失。科研工作者也在不断开发新的交联体系和交联工艺，来提高抗原纤化效果和工艺的便捷性。

王蕊等[57]采用N，N-二羟甲基二羟基乙基脲以及多元羧酸类交联剂丁烷四羧酸对Lyocell纤维进行处理，使Lyocell纤维获得了良好的抗原纤化性能。

祁兴超等[58]针对Lyocell纤维出现的原纤化问题，尝试用氮丙啶基化合物作为Lyocell纤维的交联剂抑制原纤化趋势，试验证明有比较好的抗原纤化能力，并适合在线交联。经过摩擦试验等证明氮丙啶化合物能起到较好的交联作用，并且提高湿摩擦时间，对Lyocell纤维原有的力学性能影响不大。

叶金兴[59]合成的用于防止Lyocell原纤化的交联剂2，4-二丙烯酰胺苯磺酸，是一种新型的水溶性无色阴离子交联剂，纤维处理后具有良好的耐磨性，并在活性染料高温浸染条件下具有良好的键稳定性。但这种纤维与交联剂之间的键对涤纶酸性高温染色条件不很稳定，实验证明，这是由于磺酸基通过邻基参与机理使相邻的酰胺键发生了水解的缘故。

（2）Lyocell纤维后整理。制备非原纤化的Lyocell纤维，除了采用交联剂在线交联处理外，还可通过对普通Lyocell纤维进行后整理制得。用树脂或交联剂整理Lyocell纤维，可有效降低纤维的溶胀和原纤化倾向，纤维的低溶胀和纤维原纤间的交联能有效阻止纤维表面微小纤维的再形成，是有效地控制（防止）原纤化的方法。

许炯等[60]采用丁烷四酸作为无甲醛整理剂对绿色环保Tencel织物进行处理，结果证明，丁烷四酸能有效提高纺织品的抗皱性，削弱Tencel纤维原纤化倾向、起毛起球性和湿膨胀，改善手感，取得了较理想的效果。

一些其他整理剂对Tencel/真丝交织物防原纤化也有影响。朱亚伟等[61]用柔软剂、蛋白质水解液和改性2D树脂处理Tencel/真丝交织物，用原纤化等级评价纤维水洗后表面原纤化的程度，发现交联型或缩聚型整理剂能在纤维表面形成覆盖层或交联反应，有效防止Tencel/真丝交织物原纤的产生。而柔软剂对减少Tencel/真丝交织物产生原纤化的效果不理想。

（六）卷曲型Lyocell纤维的制备

卷曲性能是评价短纤维的一个重要指标。短纤维的卷曲可增加纺纱时纤维之间的摩擦力和抱合力，可以提高纤维和纺织品的弹性，改善织物的抗皱性，还能赋予织物优良的保暖性[62]。

合成短纤维和天然纤维如棉、毛纤维等具有卷曲或转曲，有利于纺纱工序的进行。传统意义上的合成长丝都具有光滑的表面，没有卷曲，无须纺纱即可直接用于织造，短纤维则需要与其他纤维进行混纺，混纺过程中抱合力不足，可通过卷曲的方式提高纤维之间的抱合力，使纺纱工序顺利进行。另外，用作填充物时，这些卷曲可提供蓬松性能和弹性。而长丝的卷曲则可获得良好的卷曲弹性，改善织物的抗皱性。卷曲的蓬松特性还能赋予织物特殊的手感风格、光泽，改善织物的保暖性能。

由于Lyocell纤维的纺制过程特殊，Lyocell纤维的截面呈圆形，而且结晶度较高，模量较大，通常具有很少或没有卷曲，在很多最终用途中卷曲是人们所需要的一种纤维特性，在制成纱线或交织的织物的过程中和该过程之后，卷曲会增加诸纤维之间的抱合力，卷曲后皱缩的纤维比未皱缩纤维更蓬松，因此卷曲在纺织材料中提供了更佳的包覆能力，并在吸收性制品中提供了更高的吸收性[63]。

卷曲Lyocell纤维的制备过程如图2-21所示，其纺制成型、水洗过程与普通Lyocell纤维相同，水洗后干净的丝束先不经过切断，而是直接上油，上油后将纤维以湿态丝束的形式经过一填塞箱式的压实设备进行卷曲，通过丝束喂入速度、气压压力调整卷曲度，丝束出填塞箱后，进入烘干机烘干定型，制得永久性褶皱，再通过切断设备切断、打包制得卷曲Lyocell纤维。

图2-21　Lyocell卷曲纤维生产工艺流程