湿法纺丝工艺：海藻酸盐纤维生产过程详解

海藻酸盐纤维的生产过程是一个典型的湿法纺丝过程。纺丝液脱泡过滤后，通过喷丝孔挤入含二价金属离子（一般为钙离子）的凝固浴中，由于凝固液中的二价离子（如Ca2+、Zn2+、Cu2+等）与纺丝液中钠离子的交换，使不溶于水的海藻酸钠以海藻酸钙丝条的形式沉淀后得到初生纤维，再经过拉伸、水洗、干燥和卷绕等加工过程后得到海藻酸盐纤维（图4-31）。

图4-31　湿法纺丝流程图

（一）纺丝工艺设计

根据湿法纺丝的基本原理，海藻酸钠湿法纺丝工艺过程主要包括：溶解、过滤、脱泡、计量喷丝、凝固、水洗、牵伸、定型、上油、干燥及切断等工序。

（1）溶解：采用预溶解、溶解及改性等过程，在一定的温度下高速搅拌溶解，最后控制溶液的黏度在一定范围内。

（2）过滤：采用滤布进行过滤，过滤压力一般控制在2～3kg。

（3）脱泡：脱泡釜中真空脱泡。

（4）计量泵：采用黏胶长丝齿轮泵进行纺丝。

（5）喷丝板：采用长丝喷丝板。

（6）凝固浴：温度控制在25～50℃，采用二价金属离子水溶液或水、醇混合溶液作为凝固浴。

（7）水洗：纤维经过热水洗涤，去除残留黏附的无机盐。

（8）牵伸：牵伸比例控制在100%～200%。

（9）卷绕：采用变频卷绕机卷绕。

（10）后处理：通过分散、上油、烘干、切断等后处理工序。(www.xing528.com)

（二）影响纤维性能的主要因素分析

在此以海藻酸钠溶液纺丝举例。在海藻酸钠湿法纺丝的整个过程中，影响纤维的力学性能的因素众多，人们主要通过控制以下因素来调节纤维的性能：原料的结构、纺丝液的浓度与温度、凝固浴浓度与温度、纺丝速度与牵伸比例、上油与烘干等。

1.原料的结构

海藻酸钠有M单元和G单元两种结构，随着海藻酸钠M/G值的升高，海藻纤维的断裂强力急剧下降。这是因为海藻酸钠大分子中G单元的空间构象有利于固着住钙离子，而M单元对钙离子的结合力较差，所以海藻酸钠样品中G单元的含量越高越有利于海藻酸钠大分子和钙离子的结合，增加海藻纤维的断裂强力，但是G含量过高影响海藻纤维的其他性能，因此需要根据纤维的用途选择合适的M/G值。另外海藻纤维的断裂强力与海藻酸钠原料的相对分子质量及其分布密切相关，只有相对分子质量及其分布在一定范围内的海藻酸钠原料才适合制备高强度的海藻纤维，且相对分子质量及其分布在这个范围内的原料，G含量越高制备的纤维断裂强度才越高，否则没有可比性。

2.纺丝液的浓度与温度

纺丝液浓度对纤维力学性能的影响可以从溶液流变性能及纺丝速度来分析。从纺丝效率上来讲应该尽可能地提高纺丝液的浓度，但由第二章的黏度实验结果可以看出，随着纺丝液浓度的增加其流变性能变差，且对温度变化敏感，而在纺丝过程中则表现为极易断丝，无法正常纺丝。兼顾到以上两点可采用浓度为4%～6%的海藻酸钠溶液作为纺丝液，并将温度控制在50～55℃，因为它在这一温度范围内基本能够表现出稳定的流变学特征，适合纺丝。

3.凝固浴的浓度与温度

凝固浴的浓度直接影响着纤维的成型结构及性能，随着凝固浴浓度的增大海藻纤维的断裂强度先增加到最大值，然后急剧下降。这可能是因为随着浓度的增加，当凝固浴中的钙离子和海藻酸钠纺丝液中的钠离子交换达到平衡时，海藻酸钠大分子结合的钙离子数量逐渐增大，使得海藻纤维的断裂强度逐渐升高。但是凝固浴浓度过高时，钙离子与纤维表层的大分子就会反应剧烈，在纤维表层迅速形成一层致密的海藻酸钙皮层，阻碍了钙离子向纤维内部的扩散，反而降低了海藻酸钠大分子所能结合的钙离子的数量，这种“皮芯结构”的存在使得海藻纤维的断裂强度急剧下降。因此，除了严格控制凝固浴的浓度外，在其中添加一定量的钠离子或醇类物质可以调控纤维的离子交换速度，改善纤维的强度和弹性。

随着凝固浴温度升高，海藻纤维的断裂强度也是先增大后减小，在40℃左右达到最大值。这是因为温度的升高使得凝固浴中的钙离子向海藻酸钠大分子的扩散速率增加，加快了钙离子和钠离子之间的交换，同时升高温度海藻酸钠大分子对钙离子的结合能力常数与吸附容量都有所增加。所以随着温度的升高，当离子交换达到平衡时，海藻纤维结合的钙离子数量不断增多，断裂强度也逐渐升高。但当温度过高时，反而会使钙离子与纤维表层的大分子反应剧烈，形成“皮芯结构”，反而使断裂强度下降。

4.纺丝速度与牵伸比

纺丝速度的调节在整个纺丝过程中应该是最复杂的，它要兼顾到纺丝前后所有的工艺参数，与纺丝液的性质、计量泵的喷丝速度、凝固浴的浓度和温度及整个过程的牵伸密切相关。通常丝条在凝固过程中采用零牵伸或负牵伸，而后再在热水中进行多次牵伸，至于牵伸比的大小要根据纤维的最终用途来调节。在各个牵伸过程中，每一道的牵伸比都要适当，不能太小或太大，太小了起不到牵伸效果，会给后续牵伸带来困难；而太大了又会造成部分断丝或整个丝条的断裂，也会给以后的处理带来困难，同时也会大大地增加工作量。因此，从初生纤维到纤维的最终形成通常要经过2～3道牵伸工序，再经过牵伸定型，以达到所需要的牵伸比。而海藻纤维的总牵伸率通常在100%～200%之间，这也要根据纤维的用途来确定。

另外随着纤维后处理温度的升高，海藻纤维的断裂强度下降，脆性增加。在空气中放置一段时间后，强力有所提高，柔软有弹性。这是因为烘干过程中，海藻纤维内部的水分子会逐渐向外扩散，且随着纤维烘干温度的升高扩散作用逐渐增强。这种强烈的扩散作用会影响到纤维的超分子结构，在纤维内部形成大量的气孔，成为纤维的弱点，当海藻纤维受到外力作用时，弱点处易产生应力集中，从而降低纤维的断裂强力。在空气中放置后的纤维通过吸收空气中的水分，可部分消除纤维中存在的弱点而增大纤维的断裂强力。