《化學纖維成形加工原理》—濕法紡絲（一）

濕法紡絲是溶液紡絲中的一種，也是化學纖維常用的紡絲方法之一。該紡絲技術適用于不能熔融只能溶解于溶劑中的聚合物材料或對溫度敏感易降解的天然高分子、生物質材料。根據物理化學原理不同，濕法紡絲可進一步分為相分離法、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晶區的形成而固化，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。在實際的濕法紡絲中，多數是通過相分離法實施的。在相分離法中，紡絲原液經噴絲板擠入到凝固浴中，原液細流中的溶劑向外擴散，而沉淀劑向原液細流內部擴散，于是引起相變。相變的結果是溶液中出現兩相，一為聚合物濃相，一為聚合物稀相，即濕法紡絲經典的雙擴散成形理論。

濕法紡絲中溶劑-凝固劑的雙擴散過程示意圖

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，質量傳遞也十分突出，有時還伴有化學反應。當紡絲的原液細流進入凝固浴后，便與凝固浴體系不斷地發生著傳質、傳熱。而這些傳遞過程的速率大小和劇烈程度對纖維初生結構具有重要的影響。也正因如此，濕法紡絲設備都應該具有對紡絲溫度、速度和應力進行精密調節的功能，這樣才能夠對纖維成形過程及其細微觀結構進行有效的調控。

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、脫泡后通過計量泵從噴絲頭中擠出，在凝固劑的作用下，經過適當的噴絲頭拉伸而形成初生纖維。根據原料的來源不同，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處進行紡絲，兩步法紡絲是單體聚合得到的聚合物溶液經過分離、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重要的工藝過程，溶液品質的好壞將直接影響原液的紡絲性能和初生纖維的品質，一般而言濕法紡絲溶液的制備主要關注以下三個指標：

(1) 均勻性

原液均勻性中主要關注的是聚合物的溶解均勻性，但是對于多相體系而言還要重點關注體系的分散均勻性，比如有機/無機復合體系中，無機粉體在聚合物本體中是否能夠均勻分散是決定該復合體系能夠順利紡絲的關鍵因素。因此在有機/無機復合體系中，要提升紡絲溶液的品質，應該重點從材料的結構設計角度入手，增強無機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鍵。

(2) 穩定性

分散穩定性是指紡絲溶液的存放和放置過程是否會發生降解、分相、沉聚等現象。特別是無機納米材料與高分子的復合體系中往往因為界面相互作用不強而使納米粒子分散性較差，進而導致溶液的穩定性較弱。評價紡絲體系穩定性常用的表征手段是Zeta電位測量，即通過無機納米粒子在高分子稀溶液中的zeta電位數值來評價分散穩定性的好壞。其他的表征手段如復合材料的原位TEM、或者分散體系的動態激光光散射等。

(3) 可紡性

紡絲溶液通過毛細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（分子量、分子量分布）、紡絲溶液濃度、溫度、剪切強弱等因素有關。紡絲溶液的可紡性好壞也是溶液體系內部結構化程度的宏觀體現，通常利用最大噴絲頭拉伸比和結構粘度指數評價可紡性好壞。溶液的可紡性是高分子溶液流變學范疇，與溶液流動過程的參量息息相關。

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備（颯卓科技出品）

參考資料：

[1] 董紀震，孫桐，古大治等，合成纖維生產工藝學

[2] 沈新元，高分子材料加工原理

[3] 沈新元，化學纖維手冊

[4] 何平笙，新編高聚物的結構與性能