第三节　纤维的成形加工

天然纤维由生物体自身完成纤维成形，而不需人工所为，但要满足纺织加工要求，须进行初加工，详见第八章。因此，纤维的成形加工是指人工形成纤维体的加工，为化纤工业。

一、化学纤维制造概述

纤维的制造方法是人类从蚕吐丝过程中得到的启示，是以纤维成形为目的加工。其制造过程主要分为三部分。

1.纺丝熔体或纺丝液的制备

化学纤维一般为高聚物，即须用有机物。对再生纤维而言，高分子原料是从自然界生物质中获取，但须进行分离和提纯；对合成纤维而言，则需通过合成的方式生成高聚物。同时，固态的高聚物须变成液态进行纺丝。将固态高聚物转变成液态可采用溶液法或熔融法，这取决于高聚物的可溶或熔融性，对熔点低于分解温度的高聚物，一般采用清洁低耗的熔融，亦有采用溶剂的溶解，但高耗、污染。对分解温度低于熔点的高聚物，须采用溶剂溶解或先将聚合物制成可溶性中间体，再溶解成纺丝液。

2.化学纤维的纺丝成形

模仿蚕吐丝过程，将纺丝熔体或纺丝液通过喷丝孔挤出后凝固成丝条的过程称为纺丝。纺丝可分为熔融纺丝法（熔体纺丝）和溶液纺丝法。

熔融纺丝法的纺丝液是熔体，纺出的丝在空气中固化。熔融纺丝的纺丝速度高，目前一般的纺丝速度为1000～2000m/min，采用高速纺丝时，可达3000～6000m/min或更高。熔融纺丝加工干净、无污染、成本低，通常丝的截面为圆形。涤纶、锦纶、丙纶等均采用此法。

溶液纺丝法的纺丝液是溶解的高聚物溶液。按纺出丝的固化方式，分为湿法与干法两种。湿法纺丝纺出的丝在溶液中固化，纺丝速度低，一般为18～380m/min。湿法纺丝易污染环境且加工成本较高，纺出丝的截面多为非圆形，有皮芯结构。再生纤维素类纤维、腈纶、维纶、氯纶等纤维多采用此法，亦有用干法纺丝。干法纺丝纺出的丝在空气中固化，纺丝速度一般为200～500m/min，高者可达1000～1500m/min，成丝的品质好，但溶剂挥发极易污染环境且成本高。

3.化学纤维的一般后整理

纺丝成形得到的丝称为初生丝。初生丝强度低、伸长大、沸水收缩率大，往往不能直接用于纺织加工，因此，初生丝还需经过一系列的后加工。后加工随化学纤维品种、纺丝方法和产品要求而异，其中主要的工序是牵伸和热定形。

牵伸可改变纤维的取向度，进而改变纤维的力学性质，如增加模量，提高断裂强度，降低塑性变形。牵伸的方式有多种，按牵伸次数分，有一道牵伸和多道牵伸；按牵伸介质分，有干牵伸、蒸汽牵伸和湿牵伸；按牵伸温度又可分为冷牵伸和热牵伸。总牵伸倍数是各道牵伸倍数的乘积。一般熔纺纤维的总牵伸倍数为3～7倍，湿纺纤维可达8～12倍。生产高强度纤维时，牵伸倍数更高，甚至达数十倍。熔体纺丝加工中还可引入假捻法变形加工制造变形丝，见第八章。

干燥为除去水分与定形；热定形为消除纤维内应力和提高结晶度，以达纤维结构与尺寸的稳定和减少蠕变及沸水收缩率。热定形可以在张力下进行，也可在无张力下进行，前者称为张力热定形，后者称为松弛热定形。热定形的方式和工艺条件不同，所得纤维的结构和性能也不同。

在化学纤维生产中，无论是纺丝还是后加工都需进行上油，上油的目的是提高纤维的平滑性、柔软性和抱合力，减小摩擦和防止静电的产生，改善化学纤维本身成形和后道纺织加工的性能。不同品种和规格的纤维需采用不同的专用纺丝油剂和纺织油剂。

除上述工序外，在生产短纤维时，需要进行卷曲和切断。其目的都是为了仿生（仿毛、仿棉）和方便后道加工与改变纺织品风格。在生产长丝时，需要进行加捻和络筒。加捻的目的是使复丝中各根单纤维紧密地抱合，避免在纺织加工时发生毛丝或紊乱现象，并提高丝束（或复丝）强度。络筒是将长丝卷绕在柱形或锥形纸管上，成“双”形堆砌的大卷装长丝饼、筒或宝塔筒，以便运输。在生产变形丝时，需进行变形加工。在生产网络丝时，需加装喷射气流的喷嘴，使丝束相互缠结而呈周期性网络点。为了赋予纤维某些功效，还可在纺丝后加工中进行某些特殊处理，如提高纤维的抗皱性、耐热水性、阻燃性等。

随着化纤纺程技术的发展，纺丝及其后加工已从间歇的多道工序发展为连续、高速一步法的工艺，如超高速纺丝（纺速5500m/min以上）生产的全取向丝（FOY）；聚酯全拉伸丝（FDY）可在纺丝—牵伸联合机上生产等，均为成品纤维。

二、静电纺丝和自生长纤维

1.静电纺丝（electrospinning）

静电纺丝或称电纺的历史可追溯到19世纪末，Lord Rayleigh把静电纺丝作为电喷射的报道。1902年Cooley和Morton申请了世界上第一项静电纺丝专利。1934年，美国人Formhals发明了用静电制备聚合物纤维的实验装置，并申请了一组专利。1966年Simons申请了由静电纺丝法制备超薄、超细非织造膜的专利。同时，在20世纪60～70年代对电纺溶液的非牛顿流体射流研究的深入，尤其是Taylor锥与电纺原理的建立，使人们在近30年中，开始对该技术进行广泛的实验和理论研究，并进入实用性小试生产。

静电纺丝的主体是溶液干法纺丝，其原理装置如图1-19所示。喷丝头可有单或多针头式、平面或柱面多孔式、单或多伞锥面式、多元盘或滚筒式、金属丝或弹簧式、串珠链式等；亦可无喷丝头的自由液面式，即对自由液面的交变磁场扰动、超声波扰动或气泡破裂扰动产生Taylor锥射流。收集装置有接收板、转筒等。溶液电纺纤维的直径一般在亚微米尺度，很少有纳米尺度。静电纺也有熔体纺丝，因需高温且熔体的低黏度和极化受限，故起步和发展缓慢。虽熔体微分（微量分段）静电纺技术可将电纺丝直径细到0.5～0.8μm，但熔体电纺要比溶液电纺的纤维粗一个数量级。

2.自生长纤维

自生长纤维目前绝大多数为纤维状的单晶体，故主要为无机晶须，但亦含高聚物，如前述的角蛋白、膜醋菌纤维素等晶须。这些晶须均属高强高模的纳米纤维，但其长径比均≤102。

自生长纤维可以通过气相沉积、溶液生长和熔体生长等方法获得。最早被人们发现的银晶须自生长现象是在17世纪中叶，随后纤维状氧化锌也被发现。而到20世纪60年代初，人们已在实验室中研制成功近百种晶须体，其中包括金属单质、各种氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物、卤化物、硫酸盐、高聚物等；且Shyne和Milswski突破传统的晶体生长理论，提出了新的晶须生长的VLS（Vapor-Liquid-Solid）机理。直到1965年，人们将Al2O3晶须对金属铝基和塑料基增强，制得的复合材料的强度比金属Al高6倍，比塑料高10倍，才真正进入实用阶段。

①气相沉积法。按原料气化方式可分为物理和化学两种气相沉积。物理气相沉积是在真空条件下，将固体或液体表面气化成原子、分子或离子，然后引到低温区气相凝聚成核并生长成晶须，亦称蒸发—凝聚法，适于熔点较低的金属。化学气相沉积是将气体发生化学反应或物质燃烧，其产物在低温区的生长成晶须，可制备氧化物、氮化物及碳化物等陶瓷晶须和碳纳米管与石墨烯。

②溶液生长法。使溶液中溶质达到过饱和，并引入定向生长机制促使晶须的生长。定向机制中最主要和常用的是温度差（梯度）机制，故又称水热法。其按附加作用又可细分为水热氧化还原法、水热沉淀（重力）法、水热水解法、水热重结晶法等。溶液生长法可制得分散的单晶晶须。

③熔体生长法。使反应物为熔体后，经化学反应成核并连续生长而制得晶须体。但其晶须间为无序区和缺陷，故相互粘连，较气相法差，无法与溶液法相比。熔体生长法包括直接熔融法、助熔剂法（熔体中引入助熔剂）和熔盐法（加一种或数种低熔点的盐类作为反应介质）。三种方法以熔盐法的晶须产物相对较优。