海藻酸盐分子结构单元上有羟基和醚键。在海藻纤维制备过程中,经常会发生不同纤维上海藻酸盐大分子间的有羟基和醚键与相邻水分子产生分子间氢键的吸引,从而造成多根纤维形成紧密堆积。在常规拉伸和水洗过程中,此类纤维会粘连现象,俗称“并丝”。如图4-32所示,用不同溶剂浸泡的海藻纤维丝束烘干后,分散效果有着明显的不同。丙酮处理后的纤维分散效果最好,蒸馏水处理后的纤维分散效果最差,甲醇比乙醇处理后的纤维分散效果略好。纤维的分散性与纤维之间的结合力有着密切的关系,主要有化学键力、范德瓦耳斯力、表面张力、氢键作用等,考虑到这几种力的作用范围和强度,纤维表面的氢键相互作用可能是造成纤维并丝现象的主要原因。
图4-32 海藻纤维在不同溶剂处理干燥分散后形貌
图4-33 海藻纤维氢键产生机理示意图
如图4-33所示,氢键形成机理如下:随着溶剂分子的蒸发,溶剂之间的氢键会发生相应的迁移、破坏,同时会有新的氢键生成。蒸馏水溶剂中有氢键缔合结构,氢键作用较强,大量的水分子在海藻纤维表面形成氢键,干燥过程中会促使纤维并拢,最后海藻纤维表面之间通过氢键相互作用连接在一起,因此有比较严重的并丝现象。在乙醇溶剂中,氢键作用较弱,会有少数的乙醇分子在海藻纤维表面形成氢键,然后再与溶剂分子产生氢键作用,干燥后,会有少量的海藻纤维表面之间通过氢键作用连接在一起。这里特别需要指出的是甲醇分子和水分子能形成团聚物,致使甲醇和水的相互作用要强于乙醇和水的相互作用,因此甲醇处理的纤维分散效果要比乙醇好。与前三者不同,因为丙酮分子之间没有氢键作用,所以丙酮分子在海藻纤维表面形成氢键后,不会与溶剂分子发生氢键作用,纤维表面无法通过氢键连接,所以干燥后的纤维分散效果最好。
并丝现象会导致纤维在后期干燥后粘连为块状固体。此类无法取得分散的纤维丝束,会严重影响海藻纤维的制备和性能,也会影响其后序的加工性能,因此需要开展专用的后处理工艺。
海藻纤维的后处理方式,可分两种,一种是丝束后处理:另一种是散状短纤维后处理。丝束后处理一般采用较少,这里介绍散状短纤维后处理情况。
1.水洗
水洗是后处理的第一步,可除去纤维上的氯化钙。在进行水洗时,工艺上控制下列因素:
(1)水温:一般控制为20~50℃。因重洗氯化钙不需要较高温度。温度高,杂质去除较干净,但热能消耗增多,车间散发的蒸汽雾增大。
(2)水循环量:洗水量大,则纤维漂洗得较干净,但必然消耗更多水。为了节约用水,需进行水回收循环使用。
2.分纤
湿法纺丝中纤维分纤,常用的方法为上油或脱水剂(乙醇、丙酮等)分纤。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。纤维油剂通常配成稳定的水溶液或水乳液,要求无色、无臭、无味、无腐蚀,洗涤性好,相关机理如图4-34所示。针对医用纤维,通常采用脱水剂分纤,传统工艺使用乙醇将纤维内外的水分子置换下来,借助乙醇分子间力小、易挥发的特点可以将纤维分开。但乙醇是一类易挥发、易燃、易爆物质,使用乙醇分纤操作环境和设备密封要求十分严格,纤维制造成本高。青岛大学夏延致研究团队根据海藻纤维用途不同,开发了纤维改性分纤和物理机械分纤技术,该技术实现了海藻纤维快速分纤,淘汰了海藻纤维大量使用乙醇、丙酮等有机脱水剂的分纤技术,降低了成本,提高了生产的安全性。(www.xing528.com)
图4-34 纤维上油分丝机理示意图
3.烘干
经过烘干后,得到产品的回潮率为11%~13%。
4.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。综上,根据海藻纤维用途不同,其后处理工艺可归纳为下述四种:
(1)纺织服装用途后处理(干切):水洗→分纤→烘干→切断→打包
(2)纺织服装用途后处理(湿切):水洗→切断→分纤→烘干→打包
(3)生物医用和卫生护理用途(干切):水洗→分纤→烘干→切断→打包
(4)生物医用和卫生护理用途(湿切):水洗→切断→分纤→烘干→打包
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