纤维素直接成网的可能性

纤维素直接成网的可能性

众所周知，纤维素在非织束网的应用上的优点是众所周知的。优点主要体现在吸收性、洁净度、柔软性、不透明和生物降解能力等方面。另外,如果以人造纤维素纤维作为原料可得到连续一致的产品。进一步提高效益和成本收益的两个主要方法是:-发展纤维制造技术,由短纤加工成纤网;-直接成网。近年来在纤维素纤维制造加工方面已经取得了相当大的进展,但在直接成网方面的成果却相对非常少。本文重点讲述纤维素直接成网,这已不是什么新的构想。例如,英国的Courtaulds公司早在35年前就曾对粘胶纺丝成网工艺进行了试验。在试验机(图1)上成功生产出1m宽的纤网,但由于生产成本过高,该项目没有进行更深一步的研究。自从开发了纤维素直接成网工艺以来,已有了获得成功的一定规模的装置,特别是旭化成公司的Bemcot系列(起源于铜氨长丝工艺)。尽管如此,这些对非织造工业的总体影响还是非常有限的。相比之下,合成聚合物通过熔喷和纺粘工艺(图2)直接成网的技术已推广到主业务领域(估计2004年产量为180万t)。由于纺粘/熔喷复合纤网产品兼具了两种工艺各自的优点,所以其使用量日益增加。那么,纤维素直接成网是否具有相似的潜力呢?本文将探讨使Lyocell技术适用于纤维素直接成网的可能性。这种新技术可能会为纤维素纤网增添新的性能,因此新产品的应用领域也随之拓展。1lyocell纤维的特点Lyocell纤维素短纤的商业化生产历史已超过15年,Lenzing公司的Tencel知名度较高,该产品的优点在传统纺织和非织造应用中都得到了很好的验证,例如:-外观:舒适,柔软,透气,洁净;-性能:强力﹙特别是湿强﹚高,湿度调节,可控制的原纤化,适宜过敏皮肤使用;-环保:可生物降解,原材料和生产走可持续发展道路。Lyocell纤维的生产方法(图3)是:将纤维素木浆粕直接溶解在一种特殊的溶剂N-甲基吗啉-N-氧化物中,得到热的纺丝溶液挤出成丝,然后在一个很短的气隙中被拉伸;排放和回收剩余的溶剂,最终制得短纤维。由于溶剂回收工艺已达到很高水平,使得该生产方法对环境的影响非常小。该纺丝溶液是一种洁净的浅褐色热塑性物质,在流动性能方面与聚合物熔体相似,因此就原理而论,该物质应该可以作为直接成网工艺(例如熔喷工艺)的原料。1.2直接纺丝工艺的核心技术开发是核心熔喷工艺1996～2001年期间,Tencel和其他公司(例如Spontex,Weyerhaeuser公司)发布了关于Lyocell溶液熔喷技术的可行性研究成果。纺丝溶液中纤维素的含量最高只有约15%,成丝必须除去溶剂,因此对于核心熔喷技术必须添加Lyocell纺丝溶液/溶剂回收专门技术和纤维凝固、洗涤和干燥工序。主要的研究成果是:-具有了直接生产超细纤维素纤网的潜力(预言优质纤网的不透明性、热性质、过滤性能、湿度调节、舒适/柔软等性能)。-纤维素纤维好于合成物熔喷产品(棉状形态:自然卷曲、直径各异、表面粗糙;连续长丝:无磨脱纤维屑)。-工艺变化对纤维素产品性能的影响类似于合成聚合物产品(通过变化纤维凝固工艺能改善纤网性能)。结论是该技术可在实验室装置上生产人们感兴趣的产品,特别是微细纤维纤网,但是由Tencel公司提供的固有成本估算认为当时的产品在经济性方面不具有吸引力,因此2001年停止了该项目的研究,直至近期都很少有其进一步的报道。2关于最近的研究2.1lyocell熔喷型设备目前在世界范围内有许多新的信息公布。有几家生产成网机械的公司已在近期宣布他们正在研制适合Lyocell纺丝溶液使用的熔喷型设备:-Reicofil公司与Weyerhaeuser和Fraunhofer研究院合作。-Nanoval与TITK合作。-BiaxFiberfilm公司。上述系统中的一部分结合了创新技术,可以认为对这项技术的商业化有无限的信心。2.2lyocell熔喷工艺技术2004年Tencel并入Lenzing公司,这为组合技术专长与重新评估感兴趣的项目提供了机会。对于Lyocell熔喷技术,Lenzing公司拟定了计划以更好地了解工艺原理和赋予产品可能的特性。研究表明,对工艺条件作微小的调整就可以使纤网性能在较大范围内变化。尽管此工艺与传统的熔喷技术有很多相似之处,但其产品却与纺粘产品更为接近,保留了纤维素基质的特点。研究结果进一步阐述如下。2.3熔喷法非织造材料的拉伸性能众所周知,合成聚合物熔喷单丝的强度低于同等的短纤。据报道,以Lyocell熔喷技术为基础生产的纤维素长丝在强力方面低于同等的Tencel短纤。就实验结果来看,这大体上是正确的(实验室制得的1.7dtex长丝的强度约为25cN/tex,伸长率25%),Lenzing公司的研究已经表明,通过改进工艺条件可以得到范围很广的强度/伸长率组合(图4)。超细纤维也可以获得很好的拉伸性能,例如0.6dtex的长丝强度可达到30cN/tex,伸长率为20%。显然,对于易变的熔喷纤维很难达到同等的水平,但这些数据却是人们所关注的趋向。合成聚合物熔喷纤网的另一个普遍特征是单丝直径的可变性。当然,这也是熔喷Lyocell产品存在的问题,尽管Lenzing公司的研究结果提出在适当的工艺条件下可以获得均匀性很好的长丝(图5)。可以预计,该工艺条件有助于提高强度和长丝均匀性,同时会降低生产能力。2.4ncel水刺产品Lyocell熔喷纤网的拉伸强力低于同等的Tencel水刺产品,但已足以满足实际使用的要求(表1)。Lyocell熔喷纤网的湿度调节性能与同等Tencel水刺产品相似(表2)。2.5熔喷lyocell短纤网的结构表征Lyocell与合成聚合物熔体系统的主要不同点是:Lyocell系统的纺丝溶液中只含少量纤维素,其余大部分是必须去除(为了使纤维凝固)和循环使用的溶剂。如何去除和在何处去除初始溶剂有几个可供选择的方案(图6)。用由三种去除溶剂方案制得的纤网实例说明了这项技术的灵活性。在A例里,在纤网收集装置上或靠近纤网收集装置处去除溶剂,以使纤维高度粘结;相反在B例里,至少有部分溶剂在刚从纺丝喷嘴挤出之后被去除,使纤维的粘结程度较低。最后一个例子C是介于A和B之间的凝聚物产品。以上三个例子全部是超细纤维纤网(表3)。纤网具有不同的外观和美感。A例﹙高度粘结﹚中的纤网拥有纸一样的质地,易碎,表面具有光泽;B例(低度粘结)中的纤网外观和手感更像传统的纺织品;C例(介于A与B之间的粘结度)外观和手感也像纺织品。固态NMR(核磁共振)技术已用来评价纤维素结晶度(BrukerAvance300MHzNMR多核分光计,配备交叉偏振光电子角纺丝附件)。由于葡萄糖环围绕着不同位置的原子,NMR光谱出现了峰值。其中一些峰值,特别是C4,表现了结晶二级转移的特征。正如图7所示,低度粘结样品的结晶度与Tencel非常类似,而高度粘结样品的结晶度指标却很低。通过扫描电子显微镜(HitachiS-4000SEM,加速电压5kV)对样品进行观测,清楚地说明了产品的不同点和不同生产条件的影响。放大倍率相对较低的第一组显微照片(图8)清晰地显示了高度粘结样品(A)的纤维表面是如何融合的,有些区域表面已形成了薄膜;相反,低度粘结样品(B)和中度粘结样品(C)由由离散的单丝组成。与现有的商业化产品相比,这些照片最显著的部分是通过微细纤维达到了改善面层的目的。在较高放大倍率的显微照片(图9)中,可以看到单丝间不同的交互作用。在高粘结度的样品(A)中,在表面薄膜下面似乎存在网状的高度交叉连接的单丝;在低粘结度的样品(B)中基本上没有融合。可以预期,在中度粘结样品(C)中应该是离散的单丝通过连接点处的融合被固结。当然,由短纤制得的对照样品中不存在融合。在最高放大倍率显微照片(图10)中,可以观测到单丝的表面。所有的熔喷Lyocell短纤都具有光滑的表面和横截面呈圆形的特征。这与粘胶纤维锯齿状的横截面形成了对比。总之,这些结果强调了Lyocell技术潜在的灵活性。3结论3.1纤网性能改善-熔喷Lyocell产品一般可以同时获得纺粘产品的性能。-可生产低面密度的微细纤维网,具有高覆盖性能和连续一致性。-可提供大范围的纤网性能,包括拉伸性能、粘结性、外观和孔隙率的变化。变换初始纤维凝固工序是改善纤网性能特别有效的方法。-已经获得预期的纤维素长丝的优点,包括亲水性、吸收性、快速的芯吸作用、湿强以及非常低的绒毛率。3.2前景-Lyocell熔喷技术虽然刚刚起步,但到目前为止所获得的产品是非常令人鼓舞的。1.1基于lyocell的成本的技术评估-成功的关键将会是价格,价格是新产品吸引人的商