高原纤化Lyocell纤维的制备及其性能

黄 伟， 程春祖， 张嘉煜， 张晨曦， 程 敏， 徐纪刚， 刘云崇

(中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点实验室， 北京 100025)

目前，人们对面料的功能性和舒适性要求越来越高，传统合成纤维吸湿性差，而棉纤维保水性较强，因此，导湿纤维及其织物的出现解决了部分因传统合成纤维及棉纤维润湿膨胀诱发的实际问题[1-2]。Lyocell纤维作为新型再生纤维素纤维，因其制备过程绿色环保，产品性能综合了棉纤维的舒适性、涤纶的强拉伸性、蚕丝的光滑手感和粘胶纤维的悬垂感[3-4]，且Lyocell纤维在加工过程中不产生任何纤维素衍生物及有害物质，溶剂N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)的有效回收利用率高达99.7%[5]等特点，引起了研究者的广泛关注[6]。

原纤化是Lyocell纤维最大的特征，即在湿润状态下，因其较高的溶胀性能，纤维中非晶态或无定形区的纤维素吸收大量水而膨胀，部分氢键受到破坏，结合力减弱；加之连续摩擦力的作用，原纤纵向上分裂成1～4 μm的超细纤维。原纤化曾一度被消费者认为是该纤维的瑕疵，但随着研究人员及纺织行业相关企业对Lyocell纤维原纤化研究的深入，现在逐步被认同为在特定应用领域的一大优势，原纤与主纤保持强的结合力时，可生产具有高强度、低空气阻力、较高的吸水性粒子固定性等多重功能效果的终端产品[7]。对Lyocell纤维而言，有效控制和利用原纤化这一特点为其多样化产品的开发提供了广阔的发展前景，且原纤化程度较高的Lyocell纤维因具备良好的导湿性能，已在过滤织物、覆盖面料及吸收衬垫等领域得到了应用。

目前，对于高原纤化Lyocell纤维的制备技术研究及生产理论较为匮乏，且原纤化对纤维结构及力学性能影响的系统研究更为少见。本文从提高Lyocell纤维原纤化的角度出发，详细研究了NaClO溶液浓度、热处理时间对Lyocell纤维结构与性能的影响，为后续高原纤化Lyocell纤维在导湿材料方面的应用提供理论基础和前期准备。

1 实验部分

1.1 实验材料

标准型Lyocell纤维，线密度为1.3 dtex，长度为38 mm，中国纺织科学研究院绿色纤维股份有限公司；次氯酸钠(NaClO)，分析纯，北京市通广精细化工公司。

1.2 原纤化Lyocell纤维的制备

首先称取一定量的Lyocell纤维进行润湿，并配制不同浓度的NaClO溶液，分别将一定量的Lyocell纤维(含水量为100%)分散于NaClO溶液中浸泡30 s；然后，将浸泡后的Lyocell纤维放置在HD101 A-2型电热鼓风烘箱(南通宏大实验仪器有限公司)中，在95 ℃条件下热处理一定时间；最后，将处理后的Lyocell纤维用去离子水清洗干净，放入50 ℃的烘箱进行烘干处理，直至质量恒定。处理条件如表1所示。

表1 Lyocell纤维处理条件Tab.1 Treatment conditions of Lyocell fiber

1.3 性能测试与表征

1.3.1 形态结构测试

取少量处理后的纤维置于TL-08X型无菌均质器(江苏天翔仪器有限公司)中，对纤维进行连续处理20 min，采用JSM6360型扫描电镜(日本电子株式会社)对处理后的Lyocell纤维进行观察。

1.3.2 保水值测试

参照GB/T 29286—2012《纸浆 保水值的测定》，取少量干燥后的纤维称取质量为m0(g)，然后将其置于去离子水中浸泡一段时间直至吸水饱和；将样品取出后置于离心机(扬州市洁神机械设备有限公司研制)内以3 000 r/min 的转速离心180 s，然后称取质量为m1(g)，重复5次取平均值。保水值计算公式为

1.3.3 纤维聚合度测试

参照GB/T 1548—2016《纸浆 铜乙二胺(CED)溶液中特性粘度值的测定》，采用HSY-50010A型特性黏度测量仪(上海欣高仪器有限公司)测定纤维的聚合度。

1.3.4 耐磨性测试

参照FZ/T 52019—2018《莱赛尔短纤维》，采用湿磨损测试仪(中国纺织科学研究院有限公司)，施加一定张力将Lyocell纤维与表面包覆有湿润的粘胶长丝织物的轴接触(见图1)，测定在润湿状态下，空心轴旋转直至纤维断裂的时间表征耐磨性。

图1 Lyocell纤维湿磨损测试仪示意图Fig.1 Schematic diagram of Lyocell fiber wet wear tester

1.3.5 结晶结构分析

采用X′Pert Pro MPD型X射线衍射仪(荷兰帕纳科公司研制)测试纤维的结晶结构，扫描速度为0.5(°)/min；并采用 Peakfit软件进行分峰处理计算纤维的结晶度。

1.3.6 力学性能测试

参照 GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》，采用XQ-1C1型纤维强伸度仪(上海利浦应用科学技术研究所)在试样隔距为20 mm、速度为10 mm/min的条件下测试纤维力学性能。

2 结果与讨论

2.1 不同条件下Lyocell纤维形貌结构分析

2.1.1 不同质量分数NaClO溶液处理的纤维形貌

图2为热处理时间为180 s，不同质量分数NaClO溶液处理条件下Lyocell纤维的扫描电镜照片。

图2 不同浓度NaClO处理Lyocell纤维的扫描电镜照片(×1 000)Fig.2 SEM images of Lyocell fibers treated with different concentrations of NaClO(×1 000)

从图2可看出，Lyocell纤维在未处理前表面光滑，无任何沟槽等缺陷，存在极少量原纤。而经NaClO溶液处理后，纤维表面产生明显沟槽，在纤维主体结构表面形成了不同长度和直径的原纤。在相同热处理时间条件下，原纤化程度随NaClO溶液质量分数的增加而增大，且原纤的数量和长度也呈现增大的趋势，当NaClO溶液中有效Cl-质量分数为1.50%时，纤维原纤分布比较均匀，数量达到最大，且产生显著的二次原纤现象。这主要是由于Lyocell纤维在NaClO溶液中发生显著溶胀效应，此时碱溶液进入大分子的无定形区，增加分子间距使分子间作用力减弱，相互摩擦时沿纤维轴向劈裂形成原纤。但当有效Cl-质量分数继续增大至2.25%时，微纤数量有一定程度降低，原纤分布不均匀且易聚集在同一位置。这主要是由于NaClO溶液浓度增大，NaClO溶液可能破坏无定形区内分子间氢键，或进入具有缺陷的结晶区，从而破坏高取向、高结晶结构，最终降低原纤化。

以上结果表明，经过NaClO溶液处理后的Lyocell纤维原纤化程度有显著提高，当有效Cl-质量分数为1.50%时，Lyocell纤维的原纤化程度最高，均匀性最好。

2.1.2 不同热处理时间处理的纤维形貌

图3示出在有效Cl-质量分数为1.50%，不同热处理时间条件下Lyocell纤维的扫描电镜照片。可明显看出，在相同质量分数条件下，纤维原纤化程度随热处理时间的增加而提高：当热处理时间为180 s时，可明显看到纤维主体结构上原纤数量达到最大，原纤化分布较均匀；当热处理时间延长至300 s 时，虽然原纤数量仍较多，但整体分布不均匀，原纤易出现在某一部位，对其造成过度损耗；热处理时间为180 s时，得到的Lyocell纤维原纤化效果相对密集和均匀。

图3 不同热处理时间Lyocell纤维的微观形貌照片(×1 000)Fig.3 Microstructure of Lyocell fibers after different heat treatment time(×1 000)

以上结果表明：随着热处理时间的增加，Lyocell纤维原纤化程度不断提高；当热处理时间为180 s时，Lyocell纤维的原纤化程度最高，均匀性最好。

2.2 保水性能分析

表2示出在有效Cl-质量分数为1.50%，不同热处理时间条件下Lyocell纤维保水值(WWRV)、磨损时间和聚合度的变化。保水值一定程度上反映了纤维均质化和细纤维化程度，是纤维润胀的体现，与纤维主体及原纤数量、表面积相关。从表2中可明显看出，经NaClO溶液处理后纤维保水值均有明显升高，热处理时间越长，保水值越大，但时间过长(>180 s)保水值则出现下降的趋势，当热处理时间为180 s时，保水值比未处理纤维提高了135.8%。可能是经NaClO溶液处理，纤维主体产生大量原纤，比表面积增大，导致纤维保水值不断升高。

表2 NaClO处理前后Lyocell纤维性能比较Tab.2 Properties of Lyocell fibers before and after NaClO treatment

2.3 耐磨性测试分析

由于纤维在轴向的取向较高，而原纤的横向结合效果相对较差，因此，当纤维吸水后高度膨胀，使得其横向结合更弱，进而导致纤维在摩擦过程中，皮层纤维极易脱落，因此，原纤化程度越高，纤维在相同作用力下越易被磨断，即耐磨性越低。由表2可明显看出：未处理Lyocell纤维的磨损时间为8.67 s；经NaClO溶液处理后，纤维的磨损时间普遍降低，并随热处理时间的增加呈现逐渐下降的趋势，间接证明纤维原纤化程度愈发明显。这主要是由于NaClO溶液中ClO-水解生成OH-导致的，Lyocell纤维在NaClO溶液中溶胀作用明显，使纤维由表面轻微断裂逐渐被破坏到芯层，导致更多的原纤分离[8-9]，原纤化程度不断提高。

2.4 纤维聚合度测试分析

据文献[10]报道，通过后处理可使纤维中纤维素的聚合度降低，从而达到提高原纤化的目的。由表2分析可知，未处理前的Lyocell纤维聚合度较高，为614，经NaClO溶液处理后纤维的聚合度显著降低，且热处理时间越长，聚合度降低越明显，当热处理时间为300 s时，纤维聚合度降至最低为224。这主要是由于NaClO的氧化作用，使Lyocell纤维产生了强烈的原纤化，且热处理时间越长，氧化作用效果越明显，从而有可能使Lyocell纤维分子产生断链，相对分子质量也进一步降低，最终使聚合度逐渐降低[11]。

2.5 结晶结构分析

图4 NaClO处理前后Lyocell纤维结晶谱图Fig.4 XRD patterns of Lyocell fibers before and after NaClO treatment

为进一步研究NaClO溶液对纤维结晶性能的影响，采用Peakfit软件计算纤维的结晶度可知，未处理纤维的结晶度为73.6%，随热处理时间延长，3#～5#纤维的结晶度分别为78.9%、82.3%和80.7%。可知，NaClO处理后的Lyocell纤维的结晶度均有一定提升，当热处理时间为180 s时，纤维结晶度达到最大值82.3%。可能是NaClO溶液处理后，碱溶液进入Lyocell纤维准晶区，此时准晶体发生解体和再生长，因此会有一部分准晶区演变为晶区，从而使纤维结晶度略有增长。

2.6 力学性能测试分析

表3示出有效Cl-质量分数为1.50%，NaClO溶液处理前后Lyocell纤维的断裂强度和断裂伸长率变化。

表3 NaClO处理前后Lyocell纤维的断裂强度和伸长率变化Tab.3 Changes of breaking strength and elongation at break of Lyocell fibers before and after NaClO treatment

可明显看出：与处理前的Lyocell纤维相比，经NaClO溶液处理的纤维断裂强度有一定程度的下降，且热处理时间越长，纤维的强度越低，当热处理时间为300 s时，纤维断裂强度降至最低3.02 cN/dtex。这主要是因为润湿的Lyocell纤维中的非晶体和无定形区因吸收大量碱溶液而膨胀，纤维的连续溶胀作用使结晶单元间的氢键逐渐断裂，减弱了纤维间的结合力，易在纤维表面形成原纤，热处理时间越长，原纤化程度越高，纤维强度越低。另外，聚合度降低会使纤维素纤维的拉伸力学性能降低，从表中可明显看出NaClO溶液处理前后的Lyocell纤维断裂伸长率有一定程度降低，但降低不明显，不会影响其应用领域的拓展。

3 结 论

以NaClO溶液为氧化剂，采用汽蒸加热方法处理纤维，通过控制NaClO溶液的浓度和热处理时间探究了制备高原纤化Lyocell纤维的工艺，得到以下结论。

1)在相同热处理时间条件下，纤维经NaClO溶液处理后，表面劈裂出不同长度和数量的原纤，原纤化程度得到显著提高；当NaClO溶液(有效Cl-质量分数)为1.50%时，Lyocell纤维主体结构上原纤数量最多，分布最均匀，原纤化程度最高。

2)在相同浓度 NaClO溶液处理条件下，热处理时间越长，纤维的原纤越多；处理后的Lyocell纤维湿磨损数值、聚合度和强度均随热处理时间的增大而逐渐降低；当处理时间为180 s时，纤维原纤分布最均匀，原纤化程度最高。

3)当NaClO溶液(有效Cl-质量分数)为1.50%，热处理时间为180 s时，Lyocell纤维湿磨损数值为3.73 s，纤维保水值为387.9%，断裂强度为3.69 cN/dtex，断裂伸长率为11.32%，基本保持较高力学性能。