一种扁平再生纤维素纤维及制备方法
技术领域
本发明属于纤维素纤维领域，具体地说，涉及一种扁平再生纤维素纤维及制备方法。
背景技术
随着现代化生活水平的提高，越来越多的消费者在采购或穿着纺织品时不仅考虑纺织品的质量和服用性能，也开始提出了对环保、健康、功能性的消费需求，开发“绿色”功能性纺织产品成为了必然的发展趋势。粘胶短纤维属于再生纤维素纤维，由其制造的纺织品不仅穿着舒适、吸湿快干，同时还能够自然降解、绿色环保，所以功能性粘胶短纤维产品的开发也迫在眉睫。
扁平粘胶短纤维比表面积大，织成面料时，单位体积内丝条的侧表面积较大，丝条之间的接触面积大、摩擦系数大，丝条之间的摩擦力较大。因此扁平粘胶短纤维制成的面料和服装的保形性好于普通再生纤维素纤维加工的面料和服装。同时比表面积的增大，纤维表面的亲水羟基也会明显增加，从而导致纤维的稀释性、导湿性大大提高。扁平纤维与圆形等截面纤维易在纱线中构造大量空隙，纱线和织物手感柔软、导湿透气、膨松、保暖性好，穿着轻盈舒适；具有较好的强力和弹性，保暖，抗静电。
目前扁平再生纤维素纤维的生产方式有两种，第一种是用特定喷丝孔形状的进行纺丝制得，如恒天海龙新材料有限公司提出的中国申请201610142296.X，众所周知，生产扁平纤维的喷丝头一般用金铂合金、钽、铌等贵金属，而且要求加工精度极高，喷头的价格非常昂贵，因此限制了扁平丝的发展。
另一种是通过加入碳酸盐和碳酸氢盐生产而成的扁平纤维，如中国申请2012101561907提出了一种片状扁平再生纤维素纤维及其制备方法，是将碳酸盐在黄化结束后至纺丝前的胶液中。但此方法制得的扁平再生纤维素纤维横截面存在大量细孔，降低了纤维强度，同时在纺丝前加入大量的碳酸盐使制得的扁平再生纤维素纤维呈碱性，不符合生态纺织的要求。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种生产成本低，具有较高纤维强度，以及具有优良吸收性和导湿性的生态环保扁平再生纤维素纤维。
为解决上述技术问题，本发明提出一种扁平再生纤维素纤维的制备方法，以植物浆粕为原料，在溶解至纺丝前的任一工序中加入含有还原性糖的木质素磺酸盐溶液，控制所述木质素磺酸盐溶液的PH值为酸性，再经纺丝、后处理制得。
本发明中的木质素磺酸盐为植物制浆过程中的副产物，是游离的亚硫酸与木粉中的原木木质素发生磺化反应生成木质素磺酸，再通过碱中和形成木质素磺酸盐，因此，木质素磺酸盐溶液的PH值往往呈中性或弱碱性。并且木质素磺酸盐成分复杂，在木质素磺酸盐中含有还原性糖，这些还原性糖以木质素-聚糖复合体的形式存在，这些与木质素连接的糖包括：木糖、阿拉伯糖、甘露糖、普通糖、半乳糖等，统称为五碳糖和六碳糖，这些糖具有还原性。本发明通过将含有还原性糖的木质素磺酸盐溶解后，控制木质素磺酸盐溶液的PH值为酸性，木质素-聚糖复合体在酸性条件下水解，产生具有还原性的五碳糖、六碳糖单糖，然后将其加入到溶解至纺丝前的任一工序中后，经纺丝精炼等过程得到扁平再生纤维素纤维。
本发明中，所述扁平再生纤维素纤维的制备方法包括浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗和脱硫的工序，在溶解至纺丝前的任一工序中加入木质素磺酸盐溶液，优选在溶解过程中或在纺丝原液中加入木质素磺酸盐溶液。
优选的，在经黄化处理后的植物浆粕进行溶解的过程添加木质素磺酸盐溶液，随后经过滤得到纺丝原液，所得纺丝原液进行纺丝、精炼等过程得扁平到再生纤维素纤维；
或者，在黄化处理后的植物浆粕在过滤得到的纺丝原液中添加木质素磺酸盐溶液，然后经纺丝精炼等过程得到扁平再生纤维素纤维。
本发明的扁平再生纤维素纤维以植物浆粕为原料，所述的植物浆粕包括但不限于木浆、棉浆、竹浆或麻浆中的一种或两种以上的混合。本发明植物浆粕制造扁平再生纤维素纤维的过程中，除了加入木质素磺酸盐溶液之外，其它工艺过程以及工艺参数均可以采用现有技术公开的方法。所述的浸渍包括，将植物浆粕在温度为45-55℃的碱溶液中浸渍；所述的老成在老成鼓中进行，控制温度在15-60℃。所述的黄化过程中，二硫化碳的添加量为甲纤含量的25-45wt％，黄化温度为20±2℃。本发明的纺丝方法为现有技术公开的素有再生纤维素纤维的纺丝方法进行纺丝，通常的纺丝方法为纺丝原液在酸性凝固浴中析出后经牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干等过程后制得再生纤维素纤维。所述的酸性凝固浴的组成为110～150g/l硫酸，250～350g/l的硫酸钠，12.5～13.5g/L的硫酸锌组成，凝固浴温度为40～55℃。
本发明的植物浆粕的性能符合中华人民共和国防止行业标准FZ/T51001-2009,FZ/T
51002-2006。本发明的植物浆粕可以通过现有技术公开的素有制浆方法制备而成。通常，植物浆粕的制备过程中，以植物为原料，经蒸煮、漂白、酸处理等过程制备得到植物浆粕。
进一步的，控制所述木质素磺酸盐溶液的PH值为2～6.5；
优选的，控制所述木质素磺酸盐溶液的PH值控制范围为2.5～4。
本发明将PH控制在此范围内既保证木质素-聚糖复合体高度水解的前提下，又不会对纺丝设备造成腐蚀，同时在此PH值范围内，木质素磺酸盐的溶解度也是最大的。
进一步的，所述木质素磺酸盐溶液的制备方法为：将酸性试剂加入到木质素磺酸盐溶液中，控制溶液PH值为2～6.5，在60-100℃条件下反应3-6h，在此温度和时间下还原性糖的水解程度最大。优选的，控制溶液PH值为2.5～4，在70-90℃条件下反应4-5h。所述酸性试剂为硫酸溶液或盐酸溶液。
进一步的，所述木质素磺酸盐中还原性糖的含量＞粘胶甲纤含量的5wt％；优选的，所述木质素磺酸盐中还原性糖的含量≥粘胶甲纤含量的18wt％。
本发明将木质素磺酸盐中还原性糖的含量控制在大于5wt％时，制得的扁平再生纤维素纤维的产率大于80％，当还原性糖的含量控制在≥18wt％时，能获得100％产率的扁平再生纤维素纤维。
进一步的，所述木质素磺酸盐的加入量为粘胶甲纤含量的0.5-10.0wt％；
优选的，所述木质素磺酸盐的加入量为粘胶甲纤含量的1.5-2.5％。
进一步的，所述木质素磺酸盐溶液的浓度为以木质素计为5～20％；
优选的，所述加入木质素磺酸盐溶液的浓度为以木质素计为7～10％。
进一步的，所述木质磺酸盐为亚硫酸盐法制浆过程中的副产物。
进一步的，在溶解至纺丝前的步骤中加入亚硫酸盐法制浆过程中产生的废液，并调整废液的PH值为2～6.5。
进一步的，所述木质素磺酸盐包括木质素磺酸钠、木质素磺酸钾、木质素磺酸钙、木质素磺酸镁和木质素磺酸铵中的一种或多种；
优选木质素磺酸钠和木质素磺酸钙中的一种或两种的混合。
本发明还提出了一种扁平再生纤维素纤维，所述再生纤维素纤维具有扁平状截面，扁平度≥6，纤维截面光滑致密。
进一步的，所述扁平再生纤维素纤维的干断裂强度≥2.1cN/dtex，湿断裂强度≥1.3cN/dtex
本发明中将木质素磺酸盐溶液加入到溶解至纺丝前的任一工序中后，木质素磺酸盐中以木质素-聚糖复合体形式存在的还原性糖在酸性条件下被水解成还原性糖单体，在纺丝过程中，纺丝原液中的还原性糖一方面与纺丝原液中的CS2发生酯化反应后在凝固浴中析出还原性糖和CS2气体，另一方面，凝固浴中析出的还原性糖又重新与凝固浴中的硫酸发生氧化还原反应而产生SO2气体，随着CS2、SO2气体持续不断的溢出，尚未凝固的丝条破裂，然后经喷丝头跟导丝件的牵伸，蓬松的初生丝条被拉伸成片状的扁平形状，而且在扁平纤维的表面纵向形成深浅不一的褶皱。
本发明通过添加少量木质素磺酸盐(粘胶甲纤含量的0.5-10.0wt％)，即可制得扁平纤维，是因为木质素磺酸盐中的还原性糖一方面与纺丝原液中的溶剂CS2发生酯化反应后在凝固浴中析出CS2气体，同时析出的还原性糖还会与凝固浴中的硫酸发生氧化还原反应产生SO2,另一方面随初生纤维析出的还原性糖与初生纤维结构相似，根据相似相溶的原理，还原性糖渗透在初生纤维内部，产生的绝大部分气体都作用在初生纤维上，因此添加少量的木质素磺酸盐产生的气体就可使尚未凝固的丝条破裂，然后经喷丝头跟导丝件的牵伸而制得扁平纤维。同时添加少量木质素磺酸盐也不会出现因瞬间产生大量气体而导致纤维内部含有较多气孔，导致纤维致密性下降，纤维强度降低的情况。同时本发明中添加少量木质素磺酸盐，也不会使纺丝原液出现凝胶风险，不容易造成喷丝孔堵塞。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明制备的纤维，扁平形状明显，扁平度高，使得纤维表面积增大，纤维表面的亲水羟基也会明显增加，从而导致纤维的吸湿性、导湿性大大提高；纤维表面纵向具有深浅不一的纵向褶皱进一步提高吸湿性；制得的扁平再生纤维素纤维具有抗起球，抗静电，弹性好的性能，手感饱满蓬松；
2、本发明制备扁平再生纤维素纤维无需安装价格高昂的喷丝头，生产成本明显降低，同时制备扁平再生纤维素纤维与非扁平纤维素纤维可以共用纺丝设备，显著提高生产效益；
3、本发明的制法中添加少量木质素磺酸盐即可值得扁平纤维，纺丝原液中不会出现凝胶风险，不会造成喷丝孔堵塞。
4、本发明方法使用的木质素磺酸盐扩大了其应用领域，提高了植物制浆废液的利用附加值。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1和图2为采用实施例1的制备方法制得的扁平再生纤维素纤维不同显微镜倍数下的电镜图；
图3为采用比较例1的制备方法制得的再生纤维素纤维的电镜图；
图4为采用比较例2的制备方法制得的再生纤维素纤维的电镜图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接触”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例以竹浆粕为原材料，包括如下过程：浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗、脱硫等过程，其中，在黄化处理后的竹浆粕进行溶解的过程中添加浓度为10％，PH值为6.4的木质素磺酸钠溶液，所述木质素磺酸钠中的还原性糖的含量为粘胶甲纤含量的19.8wt％，木质磺酸钠的加入量为粘胶甲纤含量的2.5wt％。再经塑化牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干制备得到1.33dtex×38mm扁平再生纤维素纤维，扁平度为9.7，纤维干强为2.2cN/dtex，纤维湿强为1.3cN/dtex。
实施例2
本实施例以木浆粕为原料，包括如下过程：浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗、脱硫等过程，其中，在黄化处理后的木浆粕进行溶解的过程中添加浓度为15％，PH值为4.4的木质素磺酸铵溶液，所述木质素磺酸铵中的还原性糖的含量为粘胶甲纤含量的10wt％，木质素磺酸铵的加入量为粘胶甲纤含量的4wt％。再经塑化牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干制备得到1.38dtex×38mm扁平再生纤维素纤维，扁平度为7.9，纤维干强为2.4cN/dtex，纤维湿强为1.4cN/dtex。
实施例3
本实施例以麻浆粕为原料，包括如下过程浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗、脱硫等过程，其中，在经过滤、熟成、脱泡、过滤后的纺丝胶中使用注射泵添加浓度为10％，PH值为3的木质素磺酸镁溶液，所述木质素磺酸镁中的还原性糖的含量为粘胶甲纤含量的8.66wt％，木质素磺酸镁的加入量为浆料粘液中甲纤含量的3wt％。再经塑化牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干制备得到扁平再生纤维素纤维长丝，扁平度为9.2，纤维干强为2.6cN/dtex，纤维湿强为1.5cN/dtex。
实施例4
本实施例以棉浆粕为原料，包括如下过程：浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗、脱硫等过程，其中，在黄化处理后的竹浆粕进行溶解的过程中添加总浓度为10％，PH为5.1的木质素磺酸钠和木质素磺酸钙(二者质量比为1:1)溶液，所述木质素磺酸钠和木质素磺酸钙中的混合液中还原性糖的含量为粘胶甲纤含量的5.56wt％，木质素磺酸钠和木质素磺酸钙的加入量为粘胶甲纤含量的6wt％。再经塑化牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干制备得到1.67×38mm扁平再生纤维素纤维，扁平度为8.6，纤维干强为2.3cN/dtex，纤维湿强为1.3cN/dtex。
实施例5
本实施例以20％木浆粕和80％棉浆粕为原料，包括如下过程：浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗、脱硫等过程，其中，在经过滤、熟成、脱泡、过滤后的纺丝胶中使用注射泵添加总浓度为5％，PH为3.9的木质素磺酸钙，所述木质素磺酸钙中的还原性糖的含量为粘胶甲纤含量的15wt％，木质素磺酸钙的加入量为粘胶甲纤含量的4.5wt％。再经塑化牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干制备得到1.51×38mm扁平再生纤维素纤维，扁平度为8.8，纤维干强为2.12cN/dtex，纤维湿强为1.33cN/dtex。
实施例6
本实施例以34％木浆粕和64％麻浆粕为原料，包括如下过程：浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗、脱硫等过程，其中，在黄化处理后的竹浆粕进行溶解的过程中添加总浓度为12％，PH为3.5的木质素磺酸钠和木质素磺酸钙(二者的质量比为5:1)溶液，所述木质素磺酸钠和木质素磺酸钙的混合液中的还原性糖的含量为粘胶甲纤含量的12.2wt％，木质素磺酸钠和木质素磺酸钙的加入量为粘胶甲纤含量的2.5wt％。再经塑化牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干制备得到2.22×38mm扁平再生纤维素纤维，扁平度为7.6，纤维干强为2.22cN/dtex，纤维湿强为1.39cN/dtex。
实施例7
本实施例以竹浆粕为原材料，包括如下过程：浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗、脱硫等过程，其中，在黄化处理后的竹浆粕进行溶解的过程中添加浓度为7％，PH值为2.1的木质素磺酸钠溶液，所述木质素磺酸钠中的还原性糖的含量为粘胶甲纤含量的18wt％，木质磺酸钠的加入量为粘胶甲纤含量的1.5wt％。再经塑化牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干制备得到1.33dtex×38mm扁平再生纤维素纤维，扁平度为7.9，纤维干强为2.1cN/dtex，纤维湿强为1.3cN/dtex。
实施例8
本实施例以20％木浆粕和80％竹浆粕为原料，包括如下过程：浸渍、老成、黄化、溶解、过滤、脱泡、纺丝、水洗、脱硫等过程，其中，在在黄化处理后的竹浆粕进行溶解的过程中添加木材采用亚硫酸盐法制浆蒸煮的废液，所述废液中还原性糖的含量为粘胶甲纤含量的22wt％，调整废液的PH为3.9，所述废液的加入量以蒸发固形物来计，蒸发固形物的加入量为浆料粘液中甲纤含量的8wt％。再经塑化牵伸、切断、水洗、脱硫、上油、烘干制备得到2.35×38mm扁平再生纤维素纤维，扁平度为10.8，纤维干强为2.61cN/dtex，纤维湿强为1.5cN/dtex。
比较例1
本比较例以申请号2012101561907的制备方法制得扁平再生纤维素纤维。
比较例2
本比较例与实施例1的不同在于，在加入木质素磺酸钠溶液前不调节木质素磺酸钠溶液的PH值为酸性。
实验例1
本实验例为将实施例1与比较例1-3制得的再生纤维素纤维的外观、性能及喷丝孔更换周期进行比较，详见表1。
表1：
从实验结果可知，实施例1制得的再生纤维素纤维(如图1和图2所示)和比较例1制得的再生纤维素纤维(如图3所示)的扁平度相差不大，但实施例1的纤维干强和纤维湿强明显高于比较例1，且实施例1制得的纤维偏酸性，而比较例1制得的纤维偏碱性，比较例1中的喷丝孔更换周期比实施例1中的更换周期明显缩短。这是因为比较例1中通过在纺丝原液中添加大量的碳酸盐(占粘胶甲纤含量的30～50wt％)，碳酸盐在凝固浴中与酸反应，短时间内产生大量的二氧化碳气体，会造成纤维的致密性下降，使得纤维内部含有较多的气孔(如图3)，导致纤维的强度降低；同时大量碳酸盐的加入会使纺丝原液出现凝胶风险，在纺丝过程中易造成喷丝孔堵塞，从而使得喷丝孔的更换周期大大缩短。另外，随碳酸盐加入的大量Na+或K+或NH4+等在纤维凝固析出时被包裹在纤维中，会使得纤维偏碱性，不符合生态纺织品(PH值为5.5-7)的要求，同时Na+或K+或NH4+等的存在也会在一定程度上降低纤维强度。
而本发明通过添加少量木质素磺酸盐(粘胶甲纤含量的0.5-10.0wt％)，即可制得扁平纤维，是因为木质素磺酸盐中的还原性糖一方面与纺丝原液中的溶剂CS2发生酯化反应后在凝固浴中析出CS2气体，同时析出的还原性糖还会与凝固浴中的硫酸发生氧化还原反应产生SO2,另一方面随初生纤维析出的还原性糖与初生纤维结构相似，根据相似相溶的原理，还原性糖渗透在初生纤维内部，产生的绝大部分气体都作用在初生纤维上，从而使得尚未凝固的丝条破裂，然后经喷丝头跟导丝件的牵伸而制得扁平纤维。同时添加少量木质素磺酸盐也不会出现因瞬间产生大量气体而导致纤维内部含有较多气孔，导致纤维致密性下降，纤维强度较低情况。同时本发明中添加少量木质素磺酸盐，也不会使纺丝原液出现凝胶风险，不容易造成喷丝孔堵塞。
比较例2制得的再生纤维素纤维(如图4所示)的扁平度接近1，说明在纺丝原液中加入木质素磺酸盐溶液前不调节木质素磺酸盐溶液的PH值为酸性，木质素磺酸盐中的木质素-聚糖复合体无法被水解成还原性糖单体，无法与纺丝原液中的CS2发生反应并在凝固浴中析出CS2气体，虽然在酸性凝固浴中也会有部分木质素-聚糖复合体发生水解产生CS2气体，但气体产生的量不足以使纤维呈现扁平化，因此无法制得扁平纤维。
实验例2
本实验例为按照实施例1的制备方法加入含有不同比例还原性糖的木质素磺酸盐，制得的扁平再生纤维素纤维的产率如表2。
表2：
通过实验结果可知，当木质素磺酸盐中还原性糖的含量大于粘胶甲纤含量的5wt％时，所得的纤维素纤维中扁平纤维的含量均大于80％。并且随着还原性糖的含量增加，扁平纤维的产率也增加，当还原性糖含量大于粘胶甲纤含量的18％时，扁平纤维的产率达到100％。而当木质素磺酸盐中的还原性糖含量小于5wt％，其扁平纤维的产率均较低，这是因为木质素还原性糖含量小于粘胶甲纤含量的5wt％，在纺丝过程中产生的气体CS2气体和SO2气体太少，不能获得得较高产率的扁平再生纤维素纤维。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
