[科普中國]-液晶紡絲

液晶紡絲（liquid crystal spinning），處在液晶狀態(tài)下的成纖維聚合物紡制成纖維的工藝過程。

高聚物的液晶狀態(tài)是在一定溶劑中，通過控制溫度或調節(jié)濃度來獲得的。最早工業(yè)化的液晶紡絲是在制造芳綸（芳香族聚酰胺，美國商品名Kevlar）過程中實現(xiàn)的。芳綸大分子具有剛性鏈結構，在80，20%（質量百分比）的硫酸溶液中呈液晶狀態(tài)。在該狀態(tài)下的溶液粘度不太高，經(jīng)紡絲后可得高取向、高強度、高模量的芳綸。

簡介液晶紡絲

將具有各向異性的液晶溶液（或熔體）經(jīng)干－濕法紡絲、濕法紡絲、干法紡絲或熔體紡絲紡制纖維的方法。這是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型紡絲工藝，可以獲得斷裂強度和模量極高的纖維。液晶紡絲的特點是紡絲的溶液或熔體是液晶，這時剛性鏈聚合物大分子呈伸直棒狀，有利于獲得高取向度的纖維，也有利于大分子在纖維中獲得最緊密的堆砌，減少纖維中的缺陷，從而大大提高纖維的力學性能。

液晶紡絲主要采用干濕法紡絲，通過空氣層時，液晶大分子進行自身取向，不一定要經(jīng)過拉伸就可得到高取向狀態(tài)，但紡絲后要經(jīng)過較高溫度的熱處理，熱處理一般在氮氣氛下進行。液晶紡絲是可形成液晶聚合物制取高強高模、耐高溫纖維的有效方法。1

液晶紡絲工藝具有剛性分子結構的聚合物在適當?shù)娜芤簼舛群蜏囟认拢梢孕纬筛飨虍愋匀芤夯蛉垠w。在纖維制造過程中，各向異性溶液或熔體的液晶區(qū)在剪切和拉伸流動下易于取向，同時各向異性聚合物在冷卻過程中會發(fā)生相變形成高結晶性的固體，從而可以得到高取向度和高結晶度的高強纖維。

溶致性聚合物的液晶紡絲通常采用干濕法紡絲工藝。由下圖可見，各向異性溶液從噴絲孔擠出時，液晶區(qū)在剪切力作用下在流動的方向上取向。因紡絲原液的黏彈性，噴絲孔出口處液晶區(qū)的取向略有散亂。然而這種散亂在氣隙中隨紡絲張力引起的紡絲線變細而迅速恢復正常，變細的紡絲線在保持高取向的狀態(tài)下凝固，從而形成高結晶、高取向性的纖維結構。

由干濕法紡絲得到的溶致性聚合物纖維一般不再進行拉伸，但在高溫、高張力下進行熱定型可進一步提高纖維的結晶性和結晶取向性。

熱致性聚合物的液晶紡絲可采用熔體紡絲工藝。洗凈的聚合物熔融后從噴絲孔中擠出形成纖維。利用這種傳統(tǒng)技術，熱致性聚合物可在90～180mm/min速度下紡絲。

熔融溫度為275～375℃、熱分解溫度為350～450℃的熱致性聚合物可進行穩(wěn)定的紡絲。未經(jīng)處理的熱致性聚合物纖維通常要在高溫下進行熱定型。

考慮到熱致性聚合物的熔融溫度高、熔體黏度大，此外，為了使添加劑在纖維中充分分散，
熱致性聚合物的液晶紡絲也可采用溶液紡絲工藝。

芳香族聚酰胺的液晶紡絲已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，其中美國杜邦公司的聚對苯二甲酰對苯二胺纖維在1972年以“Kevlar”的商品名問世。芳族共聚酯“Vectran”纖維也已在1986年開發(fā)成功。2

類型晶型按其分子排列的結構不同，可以分為三種類型：①向列型液晶；②膽甾型液晶；③近晶型液晶。某些剛性鏈聚合物在特定條件下能形成液晶，如全對位的芳香族聚酰胺能溶解在濃硫酸中，當聚合物濃度達到臨界濃度以上時，聚合物分子在局部區(qū)域便沿著同一方向排列而呈一維有序的向列型液晶。這時隨著聚合物濃度的增加，溶液的粘度反而下降。但是隨著聚合物濃度的進一步增大，溶液在室溫下將凍結成固體，因此必須相應提高溫度以便得到適合于液晶紡絲要求的溶液。根據(jù)液晶的這種特性，可用剛性鏈聚合物配成高濃度的液晶紡絲溶液。這種紡絲溶液從噴絲孔擠出后，經(jīng)高倍噴頭拉伸，大分子及其聚集體易于沿纖維拉伸方向取向，然后采用低溫凝固浴，使取向的液晶結構快速固定，由此得到高度取向的高強度高模量的纖維。除全對位芳香族聚酰胺外，芳香族聚酰肼在有機溶劑和水中也形成液晶；某些纖維素衍生物在有機溶劑中或水中生成液晶；芳香族聚酯、聚甲亞胺、瀝青等熔融態(tài)液晶都能紡絲。剛性鏈的芳香聚酯經(jīng)液晶態(tài)熔體紡絲和多段拉伸熱處理，也能得到高強度、高模量的纖維。

一種濕法靜電紡液晶紡絲原液及其應用本發(fā)明的液晶紡絲原液為一種離子液，由5～10wt%的LiCl和90～95wt%的砜、亞砜或DMAc組成。本發(fā)明的液晶紡絲原液可用于濕法靜電紡，尤其適合于芳香族聚酰胺或纖維素的濕法靜電紡。采用本發(fā)明的液晶紡絲原液進行濕法靜電紡，不但可以解決傳統(tǒng)工藝問題而且可以有利于在納米級纖維的制成，設備投資費用低，導電性強，有利于靜電紡絲，溶劑不揮發(fā)，不易燃，且可循環(huán)回收利用，同時，價格相對便宜，而且容易制備。由此可見，本發(fā)明的液晶紡絲原液具有十分廣闊的工業(yè)化應用前景。3

化學纖維紡絲包括紡絲熔體或溶液的制備、纖維成形和卷繞以及后處理過程。后處理過程則有初生纖維的拉伸、熱定形到成品包裝等一系列工序。

紡絲方法成纖聚合物在溶劑中溶解成溶液，或將成纖聚合物切片在螺桿擠出機中加熱熔融成熔體，經(jīng)紡前準備工序后入紡絲機，用紡絲泵（計量泵）將紡絲溶液或熔體定量、連續(xù)、均勻地從噴絲頭的細孔壓出，這種細流在水、凝固液或空氣中固化，生成初生纖維，此過程即纖維成形。在紡絲過程中，成纖聚合物要發(fā)生幾何形態(tài)和物理形態(tài)的變化，如聚合物的溶解或熔化，紡絲流體的流動和形變，絲條固化過程中的膠凝、結晶、二次轉變和拉伸流動中的大分子取向，以及過程中的擴散、傳熱和傳質等。紡制人造纖維（粘膠纖維、銅氨纖維）時，還發(fā)生化學結構的變化。這些變化彼此影響，故改變紡絲條件，可在一定范圍內改變所得纖維的物理機械性能。

常用紡絲方法 有熔體紡絲和溶液紡絲兩類。通常在熔融狀態(tài)下不發(fā)生顯著分解的成纖聚合物采用熔體紡絲，例如聚酯纖維、聚酰胺纖維等。熔體紡絲過程簡單，紡絲速度高。溶液紡絲法適用于熔融時要分解的成纖聚合物，將成纖聚合物溶解在溶劑中制得粘稠的紡絲液，然后進行紡絲。按從噴絲孔擠出的紡絲液細流的凝固方式，溶液紡絲又分為濕法紡絲和干法紡絲兩種。溶液紡絲紡速較低，尤其是濕法紡絲。為提高紡絲能力，需采用孔數(shù)很多的噴絲頭。干法紡絲的紡速高于濕法紡絲，但遠低于熔體紡絲。4

新型紡絲方法 在工業(yè)上應用的新型紡絲方法，主要有干噴濕紡法、乳液或懸浮液紡絲法、膜裂紡絲法。

①干噴濕紡法 又稱干濕法紡絲，是干法與濕法相結合，將紡絲液從噴絲頭壓出，先經(jīng)過一段空間，然后進入凝固浴槽，從凝固浴槽導出初生纖維。

與一般濕法紡絲比較，干噴濕紡法的紡絲速度要高若干倍，還可采用孔徑較大（0.5～0.3mm）的噴絲頭，同時采用濃度較高、粘度較大的紡絲溶液，顯著提高了紡絲機的生產(chǎn)能力。目前，這種紡絲方法已在聚丙烯腈纖維、芳香族聚酰胺纖維等生產(chǎn)中得到應用。②乳液紡絲法 又稱載體紡絲法，是將聚合物分散于某種可紡性較好的物質（作載體）中呈乳液狀態(tài)，然后按載體常用的方法紡絲。載體常用粘膠或聚乙烯醇水溶液，所以乳液紡絲工藝類似于濕法紡絲。得到的初生纖維經(jīng)拉伸后在高溫下燒結，載體炭化，聚合物顆粒在接近粘流溫度下被粘連形成纖維。適宜于乳液紡絲的成纖聚合物應具有高于分解溫度的熔點，沒有合適的溶劑使其溶解或塑化，因而無法制成熔體和紡絲溶液。目前，該法在聚四氟乙烯纖維等的生產(chǎn)中已得到應用。

③膜裂紡絲法 是將聚合物先制成薄膜，然后經(jīng)機械加工方式制得纖維。根據(jù)機械加工方式不同，所得纖維又分為割裂纖維和撕裂纖維兩種。割裂纖維又稱為扁絲，其加工方式是將薄膜切割成一定寬度的條帶，再拉伸數(shù)倍，并卷繞在筒子上得到成品。撕裂纖維的加工方式是將薄膜沿縱向高度拉伸，使大分子沿軸向充分取向，同時產(chǎn)生結晶，再用化學和物理方法使結構松弛，并以機械作用撕裂成絲狀，然后加捻和卷曲獲得成品。前者纖維較粗,用于代替麻類作包裝材料。后者纖維稍細，用于制作地毯和繩索。目前，應用于聚丙烯纖維等生產(chǎn)。

此外，為紡制具有特殊性能纖維的需要，還發(fā)展了若干其他紡絲方法，例如：凍膠紡絲法（將濃聚合物溶液或塑化的凍膠從噴絲頭細孔擠出到某氣體介質中，細流冷卻，伴隨溶劑揮發(fā)，聚合物固化得到纖維，又稱半熔體紡絲）；相分離紡絲法（以聚合物溶液作為紡絲原液，通過改變溫度使紡絲液細流固化）；閃蒸紡絲法（聚合物在高溫高壓下溶解于特殊溶劑中，原液細流出噴絲頭時溶劑閃蒸而形成纖維）；噴霧凝固紡絲法（紡絲溶液被壓入封閉室內，受噴入室內的霧狀凝固劑作用形成纖維）；靜電紡絲法（聚合物熔體或其在揮發(fā)性溶劑中的溶液在靜電場中形成纖維）；液晶紡絲法（用處于液晶狀態(tài)的溶液紡絲），等等。4

初生纖維的后處理在紡絲工序得到的未經(jīng)拉伸的絲條，統(tǒng)稱初生纖維。其結構尚不完善和穩(wěn)定，物理-機械性能也差，尚不宜于紡織加工。因此，必須經(jīng)過后處理工序，其流程隨纖維品種和類型（長絲、短纖維等）而異。拉伸和熱定形直接影響成品纖維結構和性能，是后處理各種流程中不可缺少的主要工序。用濕法紡絲得到的纖維還要經(jīng)過水洗，以除去附著的凝固浴液和溶劑；生產(chǎn)短纖維時需要進行卷曲和切斷；生產(chǎn)長纖維則需要進行加捻、絡筒等。這些工序對纖維超分子結構的改變不大，因而對性能的影響較小。為賦予纖維以某些特殊的性能，如抗皺、耐熱水、蓬松、回彈等性能，還需在后處理過程中進行一些特殊加工。

拉伸 又稱纖維二次成形。后處理過程中最重要的工序。紡絲后得到的卷繞絲或經(jīng)集束后的大股絲束在拉伸機上進行拉伸，使大分子沿纖維軸向取向排列，同時發(fā)生結晶，以進一步提高初生纖維的結晶度，或改變晶型結構,形成一定的超分子結構,從而顯著提高纖維強度。

生產(chǎn)短纖維時，拉伸在幾臺速度不同的拉伸機之間進行。隨纖維品種不同，拉伸方式有：一道拉伸和多道拉伸、冷拉伸和熱拉伸、濕熱拉伸和干熱拉伸等。拉伸介質可用空氣、蒸汽、水浴、油浴或其他浴液。拉伸溫度、拉伸介質、拉伸速度和多級拉伸配比等工藝條件對所得纖維的結構和性能有很大影響，常需正確選擇。另外，為了得到纖度和其他物理-機械性能均勻的纖維，拉伸點（絲條上細頸開始出現(xiàn)的位置）必須固定。否則會形成拉伸不足或未拉伸纖維，所得纖維粗細不一，染色不勻。4

生產(chǎn)長絲時，卷繞絲經(jīng)存放平衡后，在拉伸-加捻機上進行拉伸。根據(jù)不同品種的要求,拉伸-加捻機有單區(qū)拉伸和雙區(qū)拉伸兩類。如生產(chǎn)滌綸、高強力錦綸，采用雙區(qū)拉伸，頭道拉伸發(fā)生在喂入輥與上拉伸盤之間，稱為常溫拉伸；二道拉伸則發(fā)生在上下拉伸盤之間，稱為熱拉伸。上拉伸盤也稱熱盤，上下拉伸盤之間有加熱板或縫式加熱器，拉伸后絲條穿過導絲鉤、鋼領圈而卷繞于插在鋼領板的雙錐筒子上。

熱定形 是合成纖維生產(chǎn)中特有的工序。熱定形的目的：一是提高纖維的形狀穩(wěn)定性（用纖維在沸水中的剩余收縮率來衡量）；二是進一步改善纖維的物理-機械性能，以及固定卷曲度（對短纖維）或捻度（對長絲）；三是改善纖維的染色性能。在某些情況下，通過熱定形可使纖維發(fā)生熱交聯(lián)（如聚乙烯醇縮甲醛纖維），或借以制取高收縮性和高蓬松性的纖維，賦予纖維及其紡織制品以波紋、褶襞或高回彈性等效果。

熱定形可在張力或無張力下進行。前者稱緊張熱定形（包括定張力熱定形和定長熱定形）；后者稱松弛熱定形。兩者的工藝條件以及所得纖維的結構、性能均不同。

此外，合成纖維長絲（特別是聚酯纖維和聚酰胺纖維）可用于制造彈力絲（見化學纖維）。彈力絲的加工方法很多，有假捻法、填塞箱法、賦形法、空氣噴射法等，其中假捻法應用最廣泛，它可一次完成絲條的加捻、定形和退捻。此法工藝簡單，所得絲條具有三維的螺旋形卷曲，質量好。

有一種新的紡絲- 后處理加工方法，是紡絲直接成條法。該法將紡絲、拉伸和熱定形后的絲束，經(jīng)過直接成條機（牽切機）做成條子，（可省去常規(guī)紡織加工的梳理、并條和精梳工序），然后與羊毛等天然纖維或其他化學纖維混紡成紗，適用于聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇縮甲醛纖維等合成纖維品種。4

本詞條內容貢獻者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學