二醋酸纤维丝束纺丝工艺与性能的研究进展*

李鹏翔 吴韶华 杨占平 黄建新 王跃飞 覃小红

(1.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，纺织学院，上海，201620;2.南通醋酸纤维有限公司，南通，222600)

醋酸纤维是再生纤维素纤维中仅次于黏胶纤维的第二大品种，其分子式为［C6H7O2(OCOCH3)x(OH)3—x］n，n=200～400。醋酸纤维素又称为纤维素乙酰醋，是由纯化的纤维素木浆粕与醋酸酐在浓硫酸作催化剂的条件下反应生成的纤维素醋酸酯，其反应的实质是纤维素葡萄糖环中的醇羟基(—OH)被醋酸酐中的乙酰基(—COCH3)取代［1］。纤维素乙酰醋进一步经干法纺丝可制得醋酸纤维素纤维。通常，醋酸纤维素纤维根据羟基取代度的不同可分为二醋酸纤维素纤维(羟基取代度为74%～92%)和三醋酸纤维素纤维(羟基取代度为92% 以上)［2-3］。

三醋酸纤维素纤维的成型性能较差，但成膜性能较好，常用于胶片的片基以及液晶显示屏偏光镜的支持体等方面。而二醋酸纤维素纤维的性能相对较好，因此具有更为广阔的用途。一方面，二醋酸纤维素纤维具有非晶态开孔结构，能将水分排出体外，制作的织物手感柔软顺滑、干爽挺括、透气性好、快干、无静电吸附，并且安全环保，目前已受到世界知名服装设计大师的青睐［4］。另一方面，二醋酸纤维素纤维具有无毒、无味、吸阻小、热稳定性好、截滤效率高、不易燃烧等特点，使其成为烟用滤嘴棒的首选材料。经验证，二醋酸纤维素纤维能显著降低烟气中的焦油及亚硝酸胺等有害成分［5］。

1 醋酸纤维的主要生产工艺

醋酸纤维的生产是将纤维素(木浆粕或棉浆粕)与无水醋酸(醋酸酐)在反应釜中汇合经乙酰化制成三醋酸纤维素，然后将三醋酸纤维素溶解在二氯甲烷中，经干法纺丝制成三醋酸纤维素纤维。如果将三醋酸纤维素水解，则可生成二醋酸纤维素，将二醋酸纤维素溶解在丙酮溶剂中进行抽丝，可制得二醋酸纤维素纤维。

二醋酸纤维素纤维的生产工艺包括醋片单元、稀醋酸回收单元、丝束单元和丙酮回收单元。其生产主要流程［6］如图1所示。

1.1 醋片单元

目前世界上醋酸纤维的生产广泛采用醋酸均相法工艺，其主要流程为：首先，经粉碎后的木浆粕(硬木浆或软木浆)与冰醋酸在预处理器中进行活化;经过活化后的木浆在催化剂硫酸的作用下，在醋化器内与醋酸酐发生相应的酯化反应，发生完酯化反应的浆液，每个葡萄酐中发生取代的乙酰基数略小于3;然后，在水解器内进行水解作用，使醋酸纤维素的醋化度降到所需产品要求的范围内，当乙酰基数平均值为2.4时，生成二醋酸纤维素［7］;最后进行水洗分离，使醋片沉析出来。

图1 醋酸纤维的生产流程

1.2 稀醋酸回收单元

具体工艺［8］为：回收的稀醋酸进入过滤器，加一定量硫酸水解，除去杂质和纤维;然后加入氢氧化钠溶液将硫酸中和;最后过滤后的稀醋酸进入萃取塔，利用萃取剂将水中的醋酸萃取出来，萃取物在蒸馏塔内实现萃取剂与醋酸的分离。

由于醋酸溶液浓度不同，对于低浓度的醋酸溶液，以胺为溶剂的萃取法是合适的分离方法;而对浓度较高的醋酸溶液，则宜选择低沸点溶剂和共沸携带剂精馏联合法来分离回收醋酸。一般而言，采用溶剂萃取和共沸携带剂精馏联合法回收醋酸，经持续工艺改进，能够达到更好的节能减排效果［9］。

1.3 丝束单元

在烟用醋酸纤维工业中，主要采用干式纺丝法生产二醋酸纤维丝束。其主要生产工艺为：首先，将二醋片溶解于丙酮溶液中，在二醋片进行溶解的同时，将助滤剂及消光剂加入溶液中;然后对溶液进行多级压缩过滤处理，去除纺丝液中的胶质及固体杂质，利用计量泵以固定的流量将纺丝液从喷丝头喷出形成丝束，丝束再进入卷曲机卷曲;最后再进入干燥机，加热蒸发掉残余的丙酮和水分，形成干燥的丝束。

1.4 丙酮回收单元

丙酮回收单元是为了将喷丝过程中从丝束中蒸发出的丙酮进行回收处理，从而防止由于浓度过高引起爆炸。主要有三种回收方法：固体吸收剂吸附法、液体吸收法和冷凝法。通过试验发现，冷凝法的回收效率比较低，故一般工厂采用吸收法和吸附法。经过统计验证，吸附法的丙酮回收率最高可达99%［6］，因此在醋酸纤维工业中广泛采用吸附法进行丙酮回收。

2 二醋酸纤维及其飞花的性能研究

二醋酸纤维具有很多优点，但由于其本身的结构，导致了在强力、稳定性等方面存在一定的缺陷。在二醋酸纤维的制造过程中，在部分工艺上还存在能耗过大和环保问题，尤其是在制造和后续加工中产生的飞花给二醋酸纤维及其产品带来了很大的影响。经过探究，发现二醋酸纤维在其本身性质、加工原料、制造方法以及在制造工艺中出现的问题，还有很大的研究和改进空间。自二醋酸纤维开始工业化生产以来，国内外研发人员就一直致力于寻找改善的方法。

使用干法纺丝生产二醋酸纤维过程中，由于二醋酸纤维素纤维的断裂强度及延伸率较低，导致纤维损坏而产生短纤维及纤维屑，这称之为飞花［10］。飞花是用来评价二醋酸纤维丝束品质好坏的一个重要指标，它不仅会增大纤维丝束开松以及滤棒成型时的负担和加工难度，还会在丝束表面产生溶孔及硬接，使丝束的强力和质量受到影响。目前普遍采用徐冬元［11］提出的检测方法，具体是通过称取30 min内成型机上产生的飞花质量，进行飞花指标的衡量，从而评定二醋酸纤维的品质。

2.1 二醋酸纤维素浆粕、添加剂与飞花的关系

由于二醋酸纤维素纤维在生产过程中可以选择不同的原料和添加剂，这就需要建立一系列的检测方法对不同原料及生产过程中的二醋酸纤维进行检测评价。曹建国等［12-14］采用X射线荧光光谱法测试了二醋片丙酮浆液中的TiO2含量，与燃烧法进行对比分析和不确定度的评定。试验结果表明：该法的相对标准偏差为1.15%，扩展不确定度为0.028%，适合快速分析批量二醋片丙酮浆液中的TiO2含量。他还利用相对黏度仪测试了二醋片丙酮浆液的黏度，由于具有快速、准确、方便、自动化程度高的特点，使其具有极大的实际应用价值。此外，他还成功采用GPC/RI/LALLS/DV技术准确地测试了二醋片的分子量，并得出以软木浆和短棉绒为原料生产的二醋片的分子量较高。

二醋酸纤维在生产过程中，由于原料及纺丝溶液等原因导致了丝束本身的强力及拉伸断裂性能降低，同时添加剂分布不匀也会导致纤维出现不稳定性。杨占平等［15］利用等效过滤模型法成功实现了浆液过滤的精细化，将纤维丝束的断头率降到0.39次/t以下。吴超平等［16］通过分析醋酸纤维的纺丝生产流程，探索纺丝原液细流成型条件对生产过程及产品质量的影响，使纺丝速度由之前的535 m/min提高到600 m/min，并且改善了二醋酸纤维的产品质量。王军等［17］分析了主要工艺参数如醋片黏度、浆液水分、浆液状态等对飞花的影响，提出醋片低黏度时飞花细而小，丝束飞花随浆液含水量的增加而减小，并且浆液中的气泡和不溶颗粒会导致飞花增加。曹建华［18］对单丝线密度、浆液含水量进行了探究，提出飞花随着线密度的增加而减少，同时浆液含水量需要控制在4.0%～5.0%。李有为［19］对飞花与凝胶的关系进行了研究，指出影响二醋酸纤维断裂的因素除了可控的外在因素外，还有纤维的内部结构缺陷等内在因素，而引起纤维结构缺陷加剧的主要因素是纤维中的凝胶类杂质，因此在丝束生产过程中尽可能降低纺丝浆液中的凝胶量是控制飞花的重要手段。黄建新等［20］分析了烟用二醋酸纤维丝束生产过程中原材料木浆粕、浆液过滤以及消光剂TiO2对飞花产生的影响，结果表明，木浆粕的特性及不同批次之间的物理和化学性能差异是导致飞花无法根除的原因，同时TiO2需要保持流动状态才能更好地减少飞花的产生。马晓龙等［10］指出飞花的形成机理主要有：二醋片的分子量过低或过高，纺丝浆液中存在微小的气泡，TiO2颗粒在纤维表面形成团聚效应，卷曲、拉伸过程中的机械应力损伤，醋酸纤维素分子链上存在部分葡萄糖基环上的羟基未被充分醋化。

2.2 二醋酸纤维丝束的卷曲工艺与飞花的关系

由于在纺丝过程中容易出现纤维断裂现象，从而产生飞花。通常情况下纤维的断裂有一部分是由于物理应力过大等因素造成的。马孝田等［21］指出二醋酸纤维的弹性与涤纶、羊毛接近，回弹性比黏胶纤维高;二醋酸纤维的湿强与黏胶纤维长丝相近，但干强稍低，弹性伸长比涤纶高，而弹性模量比较低，并且二醋酸长丝纱的可挠曲性比黏胶长丝纱好。杨占平等［15］成功研发出YH02型卷曲机，与进口的CP-8型卷曲机相比，其在传动结构等方面得到较大的改进，成功将丝束的卷曲稳定性提高了39%，并减少了断头的产生。王军等［17］通过建立力学模型，分析了卷曲压力对丝束飞花的影响，提出适当降低丝束超喂率，减小卷曲机反压力，有助于减少丝束飞花的形成。曹建华［18］对卷曲机的压辊压力、反压力对丝束产生飞花的影响进行了研究，提出在保证丝束质量技术指标的前提下，尽可能地减少丝束的各种破坏与损伤。黄建新等［20］分析了烟用二醋酸纤维丝束生产过程中丝束张力、卷曲机运行工况对飞花的影响，指出通过降低丝束超喂率和丝束张力，调节卷曲机压板压力及对辊压力，飞花能够得到有效改善。

2.3 二醋酸纤维的截面形态与飞花的关系

二醋酸纤维为Y型纤维，纤维比表面积大，有利于烟气的过滤，同时由于是异形纤维，单丝截面的异形度可以直接反映单丝比表面积的大小。单丝的可纺性能以及丝束在纺丝甬道中的成型质量，将直接决定纤维的截面异形度。Y型二醋酸纤维的纵向表面光滑，有明显沟槽，截面呈苜蓿叶形，无皮芯结构，具有晶态和非晶态共存的两相结构，结晶度为 21.98%［22］。杨占平等［15］为了解决喷丝后纤维的粘连问题，改善单纤截面异形度，通过对喷丝系统研究后，成功研发出高温闪蒸高密度醋纤喷丝技术，将滤棒吸阻稳定性提高了12.5%。通过分析生产过程中的浆液水分、喷丝帽使用时间、喷丝帽孔径与单丝截面异形度的关系，以及浆液水分、甬道拉伸比DDR与单丝断裂强度和断裂伸长率的关系得到：浆液水分高，单丝的截面积大，截面异形度低，单丝断裂强度低，断裂延伸性能好，纤维卷曲后的损伤较小［23］。

2.4 二醋酸纤维的上油工艺与飞花的关系

在烟用二醋酸纤维素丝束进入卷曲机之前，需要通过上油对纤维表层进行柔软处理，因此纤维表面油剂的均匀性以及油剂乳化液的物化性能对丝束飞花的形成具有较大的影响。曹建国等［24］提出了应用低场脉冲核磁共振(NMR)测定二醋酸纤维素丝束油剂的新方法，对使用NMR法测量二醋酸纤维素丝束油剂不确定度进行了评估，并且给出利用NMR法测定二醋酸纤维素丝束油剂含量时参考的标准曲线。当纤维油剂含量过高时，卷曲后的纤维卷曲角容易松弛，同时干燥定型后的纤维卷曲稳定性较差，影响滤棒的过滤效率;如果纤维未上油或者油剂较少，在卷曲时纤维内外表层都会受到较大程度的破坏，从而形成大量飞花［17］。研究结果表明，保持上油辊的油槽液位不低于上油辊的二分之一处［18］，纤维的稳定性得到提高;同时，保证上油槽乳液的回流量，不使乳液分层，缩短油剂的存放时间，可以更好地保证纤维上油的均匀性［20］。

2.5 二醋酸纤维飞花的防护

在二醋酸纤维生产过程中产生的飞花会弥漫在生产车间的空气中，这样的生产环境不仅会影响滤棒的质量及生产设备的电气线路、机械运动部件的寿命，而且也对车间工人的身心健康造成了威胁，因此必须对飞花加以防护。毕国进［25］设计了一种滤棒成型机防飞花装置，在纤维滤棒成型机组上增加了一套专门的防飞花装置，不仅能够有效防止飞花的飘移，而且也起到了收集、运输、过滤飞花的作用，降低了飞花黏附在丝束表面的可能性，提高了滤棒的稳定性;同时，减少空气中飞花的含量也减少了机器及线路的受损，提高了设备的有效利用率，保证了车间的安全，改善了工人和机器的工作环境。

3 结语

醋酸纤维是再生纤维素纤维中仅次于黏胶纤维的第二大品种，越来越多的研究人员和企业开始从事醋酸纤维相关领域的研究，尤其是二醋酸纤维在烟用滤嘴方面的应用，但目前仍不能完全满足国内的需求。由于我国对二醋酸纤维的研究起步较晚，有些关键技术由国外垄断企业控制，因此我们需要投入更多的科研人员从事二醋酸纤维相关方面的研究工作，提高二醋酸纤维的性能，克服其缺点。烟用二醋酸纤维最大的问题在于飞花，飞花不仅影响生产环境，对人身体健康不利，难以清理，还会影响丝束的质量，甚至造成丝束缺陷。为此对不同飞花值的二醋酸纤维的特性研究，以及通过不同飞花值的二醋酸纤维来探究产生飞花的因素，并且提出一套准确的表征方法和评定标准来认识飞花及减少飞花，将是二醋酸纤维及其相关领域的研究重点。

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