《化學(xué)纖維成形加工原理》—濕法紡絲（一）

濕法紡絲是溶液紡絲中的一種，也是化學(xué)纖維常用的紡絲方法之一。該紡絲技術(shù)適用于不能熔融只能溶解于溶劑中的聚合物材料或?qū)囟让舾幸捉到獾奶烊桓叻肿印⑸镔|(zhì)材料。根據(jù)物理化學(xué)原理不同，濕法紡絲可進(jìn)一步分為相分離法、凍膠法（凝膠法）和液晶法。在液晶法中，溶致性聚合物的液晶溶液通過在溶液中固體結(jié)晶區(qū)的形成而固化，如凱夫拉纖維的成形。凍膠法中，聚合物溶液通過在溶液中分子間鍵的形成而固化，如超高分子量聚乙烯纖維的成形。在實(shí)際的濕法紡絲中，多數(shù)是通過相分離法實(shí)施的。在相分離法中，紡絲原液經(jīng)噴絲板擠入到凝固浴中，原液細(xì)流中的溶劑向外擴(kuò)散，而沉淀劑向原液細(xì)流內(nèi)部擴(kuò)散，于是引起相變。相變的結(jié)果是溶液中出現(xiàn)兩相，一為聚合物濃相，一為聚合物稀相，即濕法紡絲經(jīng)典的雙擴(kuò)散成形理論。

濕法紡絲中溶劑-凝固劑的雙擴(kuò)散過程示意圖

濕法紡絲過程與熔融紡絲過程不同，濕法成形過程中不僅有熱量傳遞，質(zhì)量傳遞也十分突出，有時(shí)還伴有化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)紡絲的原液細(xì)流進(jìn)入凝固浴后，便與凝固浴體系不斷地發(fā)生著傳質(zhì)、傳熱。而這些傳遞過程的速率大小和劇烈程度對(duì)纖維初生結(jié)構(gòu)具有重要的影響。也正因如此，濕法紡絲設(shè)備都應(yīng)該具有對(duì)紡絲溫度、速度和應(yīng)力進(jìn)行精密調(diào)節(jié)的功能，這樣才能夠?qū)w維成形過程及其細(xì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)控。

濕法紡絲工藝過程一般是先將成纖高聚物配制成濃溶液（原液），然后把原液過濾、脫泡后通過計(jì)量泵從噴絲頭中擠出，在凝固劑的作用下，經(jīng)過適當(dāng)?shù)?span style="color: rgb(0, 68, 253); box-sizing: border-box;">噴絲頭拉伸而形成初生纖維。根據(jù)原料的來源不同，濕法紡絲工藝又分為一步法紡絲和兩步法紡絲。一步法紡絲是將單體聚合得到的聚合物溶液直接輸送到紡絲機(jī)處進(jìn)行紡絲，兩步法紡絲是單體聚合得到的聚合物溶液經(jīng)過分離、干燥制得固體聚合物，然后將固體聚合物再溶解后再進(jìn)行紡絲。

濕法紡絲中的“一步法"與“兩步法"工藝流程說明

溶液的配制是濕法紡絲工藝的一個(gè)重要的工藝過程，溶液品質(zhì)的好壞將直接影響原液的紡絲性能和初生纖維的品質(zhì)，一般而言濕法紡絲溶液的制備主要關(guān)注以下三個(gè)指標(biāo)：

(1) 均勻性

原液均勻性中主要關(guān)注的是聚合物的溶解均勻性，但是對(duì)于多相體系而言還要重點(diǎn)關(guān)注體系的分散均勻性，比如有機(jī)/無機(jī)復(fù)合體系中，無機(jī)粉體在聚合物本體中是否能夠均勻分散是決定該復(fù)合體系能夠順利紡絲的關(guān)鍵因素。因此在有機(jī)/無機(jī)復(fù)合體系中，要提升紡絲溶液的品質(zhì)，應(yīng)該重點(diǎn)從材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度入手，增強(qiáng)無機(jī)納米材料與高分子本體間的界面相互作用是提高分散均勻性的關(guān)鍵。

(2) 穩(wěn)定性

分散穩(wěn)定性是指紡絲溶液的存放和放置過程是否會(huì)發(fā)生降解、分相、沉聚等現(xiàn)象。特別是無機(jī)納米材料與高分子的復(fù)合體系中往往因?yàn)?span style="color: rgb(0, 68, 253); box-sizing: border-box;">界面相互作用不強(qiáng)而使納米粒子分散性較差，進(jìn)而導(dǎo)致溶液的穩(wěn)定性較弱。評(píng)價(jià)紡絲體系穩(wěn)定性常用的表征手段是Zeta電位測(cè)量，即通過無機(jī)納米粒子在高分子稀溶液中的zeta電位數(shù)值來評(píng)價(jià)分散穩(wěn)定性的好壞。其他的表征手段如復(fù)合材料的原位TEM、或者分散體系的動(dòng)態(tài)激光光散射等。

(3) 可紡性

紡絲溶液通過毛細(xì)孔擠出后是否具有拉絲成纖的能力稱之為溶液的可紡性。可紡性的高低與高分子本體性質(zhì)（分子量、分子量分布）、紡絲溶液濃度、溫度、剪切強(qiáng)弱等因素有關(guān)。紡絲溶液的可紡性好壞也是溶液體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)化程度的宏觀體現(xiàn)，通常利用最大噴絲頭拉伸比和結(jié)構(gòu)粘度指數(shù)評(píng)價(jià)可紡性好壞。溶液的可紡性是高分子溶液流變學(xué)范疇，與溶液流動(dòng)過程的參量息息相關(guān)。

常用濕法紡絲成形的體系有：聚丙烯腈纖維（腈綸）、粘膠纖維、萊賽爾纖維、氨綸、氯綸、芳綸、殼聚糖纖維、海藻纖維、無機(jī)纖維（CNT纖維、石墨烯纖維、MXene纖維）等。

科研用小微型濕法紡絲設(shè)備（颯卓科技出品）

參考資料：

[1] 董紀(jì)震，孫桐，古大治等，合成纖維生產(chǎn)工藝學(xué)

[2] 沈新元，高分子材料加工原理

[3] 沈新元，化學(xué)纖維手冊(cè)

[4] 何平笙，新編高聚物的結(jié)構(gòu)與性能