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香港纺织及成衣研发中心：再生纤维素纤维制备

作者: 高分子学习研究

2024-12-15

制备再生纤维素纤维的专利（CN 119137318 A）由香港纺织及成衣研发中心有限公司的张俊伟、陈学聪、冼文丽、陈嘉祺、黄曦彤、杨旻熹、黄耀升、侯敬姸等成功开创此创新制备方法。

技术背景

纤维素基材料长期以来在众多领域发挥关键作用，但传统来源及制备工艺存在诸多弊端。棉花作为常见天然纤维素纤维，其生产严重依赖杀虫剂、大量消耗水资源并占据广袤土地，致使环境负担沉重。再生纤维素纤维虽可从木浆提取制备，然而传统制备工艺普遍涉及有毒化学品及副产品。

例如，硫酸盐制浆法在处理过程中使用 H₂S 分解木质素、半纤维素与纤维素间的键合，这一过程易引发严重污染。人造丝生产流程中，纤维素先与氢氧化钠反应生成碱性纤维素，随后与剧毒的二硫化碳反应形成黄酸纤维素，经后续处理制成再生纤维素纤维，此过程中剧毒化学品的使用带来极大环境风险与安全隐患。

与此同时，康普茶近年来市场规模迅速扩张，其发酵过程中产生的细菌和酵母共生菌落（SCOBY）菌膜蕴含丰富的细菌纤维素。此细菌纤维素纯度高、聚合度与结晶度良好，且不含木质素、半纤维素及果胶等杂质，为纤维素纤维生产提供极具潜力的替代资源。在此背景下，研发一种环保、高效且能充分利用该资源的再生纤维素纤维制备方法成为当务之急，以填补行业需求空缺、推动纺织行业可持续发展转型、减轻对传统高污染工艺的依赖，进而为全球资源与环境问题提供切实可行的解决方案。

技术要点

原料预处理： 自康普茶发酵液采集 SCOBY 菌膜后，借由碱性水溶液（如 NaOH 溶液，pH 13 - 14）热浴处理、多次温水漂洗中和及低温真空或冷冻干燥、粉碎研磨工序，深度精制得优质细菌纤维素粉末，为后续工序筑牢根基。

纤维素溶解体系氢氧化季铵体系（QAH）： 择取四甲基氢氧化铵等氢氧化季铵化合物（NR₄OH），依 20 - 60% w/w 浓度调配，借由离子结构与纤维素羟基构建氢键及范德华力，于 25 - 50°C 适度搅拌时程内瓦解纤维素分子间氢键网络，实现高效溶解，所制浆料稳定性优、浓度高，试剂可循环利用。

氢氧化季铵 - 尿素复合体系（QAH / 尿素）： 于 QAH 体系添入 0.1 - 0.5% w/w 尿素，尿素依范德华力聚于纤维素疏水区域，协同增强纤维素 - 溶剂交互，提升溶解度与溶液稳定性，削减 QAH 用量、降本增效，优化溶解条件，拓展工艺适用域。

金属络合物体系： 拣选含铝、铜、镍等金属络合物（如双（乙二胺）氢氧化铜（II）），控其浓度于 0.5 - 2M、温度 75 - 90°C，借金属络合物与纤维素特定基团配位键合及热驱动解离达成溶解，突破传统氢键溶剂溶解度瓶颈，所制浆料质优、杂质寡，益于精准把控纤维成型品质。

湿法纺丝工艺凝固浴设计： 构建初级拉丝浴与次级拉丝浴协同体系，以 0.25M - 1M 硫酸为核心凝固剂并佐以适量硫酸钠优化离子强度与凝固速率，精准调控 pH 于 0 - 1 酸性区间，塑造理想凝固梯度，借离子扩散诱导纤维素分子链聚集沉淀与定向拉伸，精准调控纤维微观结构及宏观性能。

纺丝参数优化： 依计算流体力学与流变学原理，精密调控齿轮泵挤出速率（3 - 12 米 / 分钟）、喷丝头规格（单丝或多丝、孔径 20 - 60μm）及拉丝比（1 - 2%）等关键参数，借实时监测反馈依浆料流变特性与凝固浴工况动态优化参数，确保纺丝稳定、丝条成型精准、纤维品质一致。

纤维后处理： 纺丝纤维历经 60 - 80°C 温水浴脱盐除杂、40 - 70°C 精准干燥控水及按需实施化学交联、表面接枝、物理共混等功能化处理，提升纤维耐水、抗菌、阻燃等性能，拓展应用范畴、增附产品价值。

实施例

细菌纤维素培养： 煮沸 3L 水，搅拌融入 12% w/w 蔗糖及 0.6% w/w 红茶叶，煮沸 15 分钟至 1 小时后冷却、除茶包，接种 33% w/w SCOBY 培养物，于 31°C 孵育 14 天，收获纤维素菌膜。

碱处理与粉末制备： 移取菌膜，以 12g/L NaOH 溶液 60°C 处理 1 小时并多次温水漂洗至 pH 6 - 8，得白色 BC 菌膜，经真空 60°C 干燥 12 小时、切割研磨成细粉。

纺丝浆料制备TBAH 体系： 置 4.5g BC 粉末于 95.5g 55% TBAH 水溶液，25°C 搅拌 12 小时溶解、离心脱气，成黄色溶液，测其流变黏度 50 - 120Pa・s，不同 BC 含量下获相应线密度与韧性指标。

TBAH / 尿素体系： 向 55% TBAH 水溶液添 0.1g/g 尿素，室温搅拌 30 分钟溶后入 4.5g BC 粉末，同条件处理得黄色溶液，测定性能指标。

金属络合物体系： 将 4g BC 粉末置于 96g 1M Cu (en)₂(OH)₂ 溶液，80°C 搅拌 1 - 2 小时溶解、离心脱气，成粘性深蓝色溶液。

湿法纺丝再生纤维： 借 FET - 200LAB 湿法纺丝机，室温挤出 1000mL 纤维素溶液（经上述体系制备）过特定喷丝头，于初级（0.75M 硫酸与 0.75 - 0.825M 硫酸钠）及次级（0.375M 硫酸与 0.375 - 0.412M 硫酸钠）拉丝浴依 1.7% 拉丝比拉伸，60°C 水洗、40 - 70°C 干燥 4 - 8 小时得再生纤维，制品性能优异、结构规整。

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