纖維素直接成網(wǎng)的可能性

纖維素直接成網(wǎng)的可能性

眾所周知，纖維素在非織束網(wǎng)的應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的。優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在吸收性、潔凈度、柔軟性、不透明和生物降解能力等方面。另外,如果以人造纖維素纖維作為原料可得到連續(xù)一致的產(chǎn)品。進(jìn)一步提高效益和成本收益的兩個(gè)主要方法是:-發(fā)展纖維制造技術(shù),由短纖加工成纖網(wǎng);-直接成網(wǎng)。近年來在纖維素纖維制造加工方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展,但在直接成網(wǎng)方面的成果卻相對非常少。本文重點(diǎn)講述纖維素直接成網(wǎng),這已不是什么新的構(gòu)想。例如,英國的Courtaulds公司早在35年前就曾對粘膠紡絲成網(wǎng)工藝進(jìn)行了試驗(yàn)。在試驗(yàn)機(jī)(圖1)上成功生產(chǎn)出1m寬的纖網(wǎng),但由于生產(chǎn)成本過高,該項(xiàng)目沒有進(jìn)行更深一步的研究。自從開發(fā)了纖維素直接成網(wǎng)工藝以來,已有了獲得成功的一定規(guī)模的裝置,特別是旭化成公司的Bemcot系列(起源于銅氨長絲工藝)。盡管如此,這些對非織造工業(yè)的總體影響還是非常有限的。相比之下,合成聚合物通過熔噴和紡粘工藝(圖2)直接成網(wǎng)的技術(shù)已推廣到主業(yè)務(wù)領(lǐng)域(估計(jì)2004年產(chǎn)量為180萬t)。由于紡粘/熔噴復(fù)合纖網(wǎng)產(chǎn)品兼具了兩種工藝各自的優(yōu)點(diǎn),所以其使用量日益增加。那么,纖維素直接成網(wǎng)是否具有相似的潛力呢?本文將探討使Lyocell技術(shù)適用于纖維素直接成網(wǎng)的可能性。這種新技術(shù)可能會為纖維素纖網(wǎng)增添新的性能,因此新產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之拓展。1lyocell纖維的特點(diǎn)Lyocell纖維素短纖的商業(yè)化生產(chǎn)歷史已超過15年,Lenzing公司的Tencel知名度較高,該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)在傳統(tǒng)紡織和非織造應(yīng)用中都得到了很好的驗(yàn)證,例如:-外觀:舒適,柔軟,透氣,潔凈;-性能:強(qiáng)力﹙特別是濕強(qiáng)﹚高,濕度調(diào)節(jié),可控制的原纖化,適宜過敏皮膚使用;-環(huán)保:可生物降解,原材料和生產(chǎn)走可持續(xù)發(fā)展道路。Lyocell纖維的生產(chǎn)方法(圖3)是:將纖維素木漿粕直接溶解在一種特殊的溶劑N-甲基嗎啉-N-氧化物中,得到熱的紡絲溶液擠出成絲,然后在一個(gè)很短的氣隙中被拉伸;排放和回收剩余的溶劑,最終制得短纖維。由于溶劑回收工藝已達(dá)到很高水平,使得該生產(chǎn)方法對環(huán)境的影響非常小。該紡絲溶液是一種潔凈的淺褐色熱塑性物質(zhì),在流動性能方面與聚合物熔體相似,因此就原理而論,該物質(zhì)應(yīng)該可以作為直接成網(wǎng)工藝(例如熔噴工藝)的原料。1.2直接紡絲工藝的核心技術(shù)開發(fā)是核心熔噴工藝1996～2001年期間,Tencel和其他公司(例如Spontex,Weyerhaeuser公司)發(fā)布了關(guān)于Lyocell溶液熔噴技術(shù)的可行性研究成果。紡絲溶液中纖維素的含量最高只有約15%,成絲必須除去溶劑,因此對于核心熔噴技術(shù)必須添加Lyocell紡絲溶液/溶劑回收專門技術(shù)和纖維凝固、洗滌和干燥工序。主要的研究成果是:-具有了直接生產(chǎn)超細(xì)纖維素纖網(wǎng)的潛力(預(yù)言優(yōu)質(zhì)纖網(wǎng)的不透明性、熱性質(zhì)、過濾性能、濕度調(diào)節(jié)、舒適/柔軟等性能)。-纖維素纖維好于合成物熔噴產(chǎn)品(棉狀形態(tài):自然卷曲、直徑各異、表面粗糙;連續(xù)長絲:無磨脫纖維屑)。-工藝變化對纖維素產(chǎn)品性能的影響類似于合成聚合物產(chǎn)品(通過變化纖維凝固工藝能改善纖網(wǎng)性能)。結(jié)論是該技術(shù)可在實(shí)驗(yàn)室裝置上生產(chǎn)人們感興趣的產(chǎn)品,特別是微細(xì)纖維纖網(wǎng),但是由Tencel公司提供的固有成本估算認(rèn)為當(dāng)時(shí)的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)性方面不具有吸引力,因此2001年停止了該項(xiàng)目的研究,直至近期都很少有其進(jìn)一步的報(bào)道。2關(guān)于最近的研究2.1lyocell熔噴型設(shè)備目前在世界范圍內(nèi)有許多新的信息公布。有幾家生產(chǎn)成網(wǎng)機(jī)械的公司已在近期宣布他們正在研制適合Lyocell紡絲溶液使用的熔噴型設(shè)備:-Reicofil公司與Weyerhaeuser和Fraunhofer研究院合作。-Nanoval與TITK合作。-BiaxFiberfilm公司。上述系統(tǒng)中的一部分結(jié)合了創(chuàng)新技術(shù),可以認(rèn)為對這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化有無限的信心。2.2lyocell熔噴工藝技術(shù)2004年Tencel并入Lenzing公司,這為組合技術(shù)專長與重新評估感興趣的項(xiàng)目提供了機(jī)會。對于Lyocell熔噴技術(shù),Lenzing公司擬定了計(jì)劃以更好地了解工藝原理和賦予產(chǎn)品可能的特性。研究表明,對工藝條件作微小的調(diào)整就可以使纖網(wǎng)性能在較大范圍內(nèi)變化。盡管此工藝與傳統(tǒng)的熔噴技術(shù)有很多相似之處,但其產(chǎn)品卻與紡粘產(chǎn)品更為接近,保留了纖維素基質(zhì)的特點(diǎn)。研究結(jié)果進(jìn)一步闡述如下。2.3熔噴法非織造材料的拉伸性能眾所周知,合成聚合物熔噴單絲的強(qiáng)度低于同等的短纖。據(jù)報(bào)道,以Lyocell熔噴技術(shù)為基礎(chǔ)生產(chǎn)的纖維素長絲在強(qiáng)力方面低于同等的Tencel短纖。就實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,這大體上是正確的(實(shí)驗(yàn)室制得的1.7dtex長絲的強(qiáng)度約為25cN/tex,伸長率25%),Lenzing公司的研究已經(jīng)表明,通過改進(jìn)工藝條件可以得到范圍很廣的強(qiáng)度/伸長率組合(圖4)。超細(xì)纖維也可以獲得很好的拉伸性能,例如0.6dtex的長絲強(qiáng)度可達(dá)到30cN/tex,伸長率為20%。顯然,對于易變的熔噴纖維很難達(dá)到同等的水平,但這些數(shù)據(jù)卻是人們所關(guān)注的趨向。合成聚合物熔噴纖網(wǎng)的另一個(gè)普遍特征是單絲直徑的可變性。當(dāng)然,這也是熔噴Lyocell產(chǎn)品存在的問題,盡管Lenzing公司的研究結(jié)果提出在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下可以獲得均勻性很好的長絲(圖5)?？梢灶A(yù)計(jì),該工藝條件有助于提高強(qiáng)度和長絲均勻性,同時(shí)會降低生產(chǎn)能力。2.4ncel水刺產(chǎn)品Lyocell熔噴纖網(wǎng)的拉伸強(qiáng)力低于同等的Tencel水刺產(chǎn)品,但已足以滿足實(shí)際使用的要求(表1)。Lyocell熔噴纖網(wǎng)的濕度調(diào)節(jié)性能與同等Tencel水刺產(chǎn)品相似(表2)。2.5熔噴lyocell短纖網(wǎng)的結(jié)構(gòu)表征Lyocell與合成聚合物熔體系統(tǒng)的主要不同點(diǎn)是:Lyocell系統(tǒng)的紡絲溶液中只含少量纖維素,其余大部分是必須去除(為了使纖維凝固)和循環(huán)使用的溶劑。如何去除和在何處去除初始溶劑有幾個(gè)可供選擇的方案(圖6)。用由三種去除溶劑方案制得的纖網(wǎng)實(shí)例說明了這項(xiàng)技術(shù)的靈活性。在A例里,在纖網(wǎng)收集裝置上或靠近纖網(wǎng)收集裝置處去除溶劑,以使纖維高度粘結(jié);相反在B例里,至少有部分溶劑在剛從紡絲噴嘴擠出之后被去除,使纖維的粘結(jié)程度較低。最后一個(gè)例子C是介于A和B之間的凝聚物產(chǎn)品。以上三個(gè)例子全部是超細(xì)纖維纖網(wǎng)(表3)。纖網(wǎng)具有不同的外觀和美感。A例﹙高度粘結(jié)﹚中的纖網(wǎng)擁有紙一樣的質(zhì)地,易碎,表面具有光澤;B例(低度粘結(jié))中的纖網(wǎng)外觀和手感更像傳統(tǒng)的紡織品;C例(介于A與B之間的粘結(jié)度)外觀和手感也像紡織品。固態(tài)NMR(核磁共振)技術(shù)已用來評價(jià)纖維素結(jié)晶度(BrukerAvance300MHzNMR多核分光計(jì),配備交叉偏振光電子角紡絲附件)。由于葡萄糖環(huán)圍繞著不同位置的原子,NMR光譜出現(xiàn)了峰值。其中一些峰值,特別是C4,表現(xiàn)了結(jié)晶二級轉(zhuǎn)移的特征。正如圖7所示,低度粘結(jié)樣品的結(jié)晶度與Tencel非常類似,而高度粘結(jié)樣品的結(jié)晶度指標(biāo)卻很低。通過掃描電子顯微鏡(HitachiS-4000SEM,加速電壓5kV)對樣品進(jìn)行觀測,清楚地說明了產(chǎn)品的不同點(diǎn)和不同生產(chǎn)條件的影響。放大倍率相對較低的第一組顯微照片(圖8)清晰地顯示了高度粘結(jié)樣品(A)的纖維表面是如何融合的,有些區(qū)域表面已形成了薄膜;相反,低度粘結(jié)樣品(B)和中度粘結(jié)樣品(C)由由離散的單絲組成。與現(xiàn)有的商業(yè)化產(chǎn)品相比,這些照片最顯著的部分是通過微細(xì)纖維達(dá)到了改善面層的目的。在較高放大倍率的顯微照片(圖9)中,可以看到單絲間不同的交互作用。在高粘結(jié)度的樣品(A)中,在表面薄膜下面似乎存在網(wǎng)狀的高度交叉連接的單絲;在低粘結(jié)度的樣品(B)中基本上沒有融合。可以預(yù)期,在中度粘結(jié)樣品(C)中應(yīng)該是離散的單絲通過連接點(diǎn)處的融合被固結(jié)。當(dāng)然,由短纖制得的對照樣品中不存在融合。在最高放大倍率顯微照片(圖10)中,可以觀測到單絲的表面。所有的熔噴Lyocell短纖都具有光滑的表面和橫截面呈圓形的特征。這與粘膠纖維鋸齒狀的橫截面形成了對比?？傊?這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了Lyocell技術(shù)潛在的靈活性。3結(jié)論3.1纖網(wǎng)性能改善-熔噴Lyocell產(chǎn)品一般可以同時(shí)獲得紡粘產(chǎn)品的性能。-可生產(chǎn)低面密度的微細(xì)纖維網(wǎng),具有高覆蓋性能和連續(xù)一致性。-可提供大范圍的纖網(wǎng)性能,包括拉伸性能、粘結(jié)性、外觀和孔隙率的變化。變換初始纖維凝固工序是改善纖網(wǎng)性能特別有效的方法。-已經(jīng)獲得預(yù)期的纖維素長絲的優(yōu)點(diǎn),包括親水性、吸收性、快速的芯吸作用、濕強(qiáng)以及非常低的絨毛率。3.2前景-Lyocell熔噴技術(shù)雖然剛剛起步,但到目前為止所獲得的產(chǎn)品是非常令人鼓舞的。1.1基于lyocell的成本的技術(shù)評估-成功的關(guān)鍵將會是價(jià)格,價(jià)格是新產(chǎn)品吸引人的商