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1、国内外双组分纤维的技术发展动向本文从原料、品种、应用等方面简要介绍了双组分纤维的技术特征 ,重点论述了复合纺丝技术在开发高附加值双组分纤维产品等方面的研究动向 ,并阐明双组分纤维的实用性以及对纤维产业持续发展的意义。The article briefly introduced technology features of bicomponent fiber in terms of raw material, types as well as application, and focused on the status of composite spinning process on devel
2、oping high-value bicomponent fibers. Based on the above, the author stated the utility of bicomponent fiber and its effect on the sustainablity of fiber industry.过去 20 年间 ,复合纤维技术稳步发展,特别是在聚合物直接成网方面的应用取得了巨大成功。以 7% 年增长率高速发展的非织造工业,给复合纺丝技术和双组分纤维制品的应用提供了广阔市场。据统计 ,2007 年世界复合纤维产量达23.6 万 t,其中亚洲16.1 万 t,欧洲 3.
3、5 万 t,美国 4 万 t。日本双组分纤维的生产技术和产能均居世界前列 ,产量达 8 万 t/a。1 复合纤维的技术发展现状1.1 原料的多样化与高性能聚合物的应用复合纤维使用的原料呈多元化趋势。 通常情况下 ,组分聚合物要具备和满足双组分或多组分成形工艺与产品的特性要求 ,即一方面要考虑聚合物熔融温度和粘度等特性 ,另外还需考虑组分聚合材料边界表面的粘合强度因素。目前使用较多的聚合体主要有聚酰胺 (PA)、聚酯 (PET) 、聚丙烯 (PP)、聚丙烯腈 (PAN) 、聚氨基甲酸酯 (PUR) 、聚苯乙烯(PS)、聚四氟乙烯 (PTFE) 、聚偏二氟乙烯 (PVDF) 等。例如以高性能聚芳酯
4、 PEN 为皮组分、常规 PET 为芯 ,制得的 PEN/PET 皮芯型双组分纤维可大大降低PEN 的使用成本;日本可乐丽公司开发的 LCP/CoPET 海岛型复合长丝及短纤维 Vectran® 已商业化运营。瑞士国家材料科学技术实验室 (EMPA) 与德国 Aachen 大学纺织技术研究所合作开发的以 PPS 为皮层、普通 PET 为芯层的皮芯型双组分纤维 ,具有良好的耐化学稳定性和阻燃性能 ,已用于干态介质过滤和土工用制品。近年来 ,随着高性能聚合物的开发 ,特别是生物技术的进步和生物高分子材料的涌现 ,给复合纤维原料的选择增加了环境友好色彩。东丽公司使用杜邦生物基 PDO 合成的
5、 PTT 原料与常规 PET 的复合长丝纱已批量生产 ,并在美国、日本和中国台湾等市场推出。韩国Saehan 公司使用杜邦SoronaTM 原料生产的Iscra ?C S 三叶并列型双组分纤维亦属此类产品。台湾远东纺织使用PLA 制得的双组分纤维商品名为IngeoTM SLN2711CHS, 即为硅处理的中空复合纤维。PLA 作为热粘合纤维材料具有先天条件,即可利用 PLA 两种旋光体的性能差异 ,通过控制聚合物中右旋体P(LD)LA(75 )和左旋体 P(L)LA(178)的比例与配置 ,获得聚合物加工时不同的熔化点。这一技术特征十分有利于生产性能优良的热粘合纤维。1.2 复合纤维品种复合纺
6、丝技术主要用于熔法纺丝和溶液纺丝( 干法和湿法)。近年来 ,在静电纺丝中 ,C/S 型双组分产品的开发也取得了一些进展。实验数据显示 ,同心皮芯型静电纺丝是可行的 ,即用 PAN 为芯、 PAN 与共聚酯为皮层。成形后使用三氯甲烷溶去皮层组分,可获得单丝直径缩减48% 的纳米纤维网。鉴于成纤聚合物粘度的差异,通常在双组分熔融纺丝中,熔体粘度控制在80 1 000 Pas,纺丝板孔径0.2 2 mm;双组分干法纺丝的熔体粘度则控制在20 200Pa・s,纺丝板孔径0.15 0.25 mm 。静电纺丝中,其C/S双组分纤维网制品的单丝直径已可做到50 2 000nm。复合纺丝依据纺丝
7、专件结构的不同,可成形不同的产品,大体分3 个类型 ,即并列型 (S/S)、皮芯型 (S/C) 和基质原纤型(M/F) 。1.2.1 并列型双组分纤维并列型双组分纤维具有类似于天然纤维的三度空间卷曲性能 ,卷曲状态取决于两个组分的收缩与膨胀性能差异。通常丝条经牵伸后,于加热或湿热状态下显现卷曲。图1 为典型的并列型纤维截面。自行卷曲度变化可以通过调节两种组分的比率实现。如日本钟纺公司的 “ Belltron ”并列型双组分纤维的两组分比率为 1/99,而韩国 Samyang 公司的 “ 7?CCHS”并列型双组分纤维的组分比则为 50/50。表 1 为部分代表性双组分纤维的性能特点。1.2.2
8、 皮芯型双组分纤维皮芯型纤维以芯组分位置分布,可以分为同心和偏心型两类。后者由于组分聚合物的性能差异和应力分布因素,纤维可实现自卷曲。皮芯型复合纤维可制得具有粘合功能的低熔点纤维 ,已广泛用于梳理型非织造布生产。其部分品种如表2所示。典型的皮芯型纤维截面如图2 所示。复合纺丝方法是研制导电纤维产品的主要技术途径之一。美国 Invista( 英威达 )公司开发了商品名为Antron® 的S/S 型双组分导电纤维;韩国晓星公司名为Mipan Corona®的导电和抗静电双组分纤维系列,使用PET或PA原料添加碳粉,经复合纺丝成形为导电纤维,其PA型产品比电阻可达107 108 /c
9、m,Belt 型产品比电阻可达108 /cm。1.2.3 基质原纤型纤维M/F 型双组分纤维大多用于细旦或超细旦纤维的生产。海岛型双组分纤维,岛组分数可做到600,纤维直径最小达0.3 µm 。裂片型纤维生产中,裂片数在4 36 之间 ,最小的裂片宽度 0.5 µm, 目前已研究出直径 1 µm 的纤维可分成 4 个裂片。多层型纤维也可用于超细纤维生产 ,已有一些品种投放市场。如韩国 Huvis( 汇维仕 )公司的 FPN 即为多层型双组分纤维。该纤维选用 PET 和 PA 为原料 ,组分比为 55/45,总计 13层,层组分纤度仅为 0.22 dtex。表
10、 3 为部分典型的 M/F 型复合纤维产品的技术特征。 典型 M/F 型纤维截面如图 3 所示。1.3 复合纺丝技术在化纤生产中的应用双组分纺丝技术发展至今 ,拓展了越来越多的工业用途。虽然与常规纤维比较 ,其加工成本要高 20% 40%, 但依然稳步发展。目前 ,双组分纺丝技术几乎涉及合成纤维中所有的纤维品种 ,是名副其实的实用化技术。20 世纪 50 年代 ,杜邦公司开发了并列型双组分PAN 纤维Orlon®, 其优良的性能和手感赢得了消费者的好评。在一些大型 PAN 纤维厂家的生产中,复合 PAN 产品大多占10%以上。60年代末,日本钟纺公司采用双组分纺丝工艺,经剥离制得超细长
11、丝;东丽公司采用海岛型双组分纺丝方法,成功制得高性能人造麂皮。美国 Tech Consultant 公司将 PA 或 PET 树脂添加到PP 中制得双组分长丝 ,这种 M/F 双组分膨体连续长丝纱的蓬松性、包覆性、耐磨性、手感等近10 项指标要优于单组分BCF 产品。近年来 Oerlikon Neumag( 欧瑞康纽马格 )公司开发的双组分 BCF 纺丝装备已投放市场。德国 Reimotec 公司的双组分单丝的成形模头可加工3种不同的聚合物,并可使两种不熔合的聚合体借助第三组分进行粘结。 这种三组分单丝具有非常好的耐磨性、抗紫外性、抗污性和优良的回弹性,是高档人造草坪用纱的极佳选择。Reimo
12、tec 公司开发了一种以PA6 为芯、线性低密度聚乙烯(LLDPE) 为皮组分的皮芯型单丝 ,可作热粘合单丝使用 ;另一种使用回收 PET 作芯的皮芯型单丝 ,可明显降低成本。目前 ,复合纺丝技术在短纤维和聚合物直接成网生产中取得了巨大成功。低熔点纤维、双组分纺丝成网和熔喷非织造布产量稳步增长。 依据 INDEX 2008 统计 ,2008 年全球双组分纺丝成网非织造布产量达16 万 t,约占非织造布总产量的6%,并将以每年12% 的速率递增。1.3.1 双组分短纤维纺丝技术在双组分短纤维生产中,冷却成形有侧吹风与放射型冷却两种方式 ,后者又分为放射型内环吹(In?Cflow) 和放射型外环吹
13、 (Out?Cflow) 。后处理工序的设备有传统的两段法工艺、连续一步法工艺以及紧凑型生产线。提供传统的两段法双组分短纤维生产设备的厂家较多,如英国 ESL 公司、 PFE 公司 ,美国 Hills( 希尔 )公司 ,日本大和纺公司 ,瑞士 EMS?CFischer 等。而 Oerlikon Neumag 公司双组分短纤维生产线的产能占比最大 ,运转中的产能已达 450t/d,生产线可生产S/S、S/C 和 M/F 型双组分短纤维,组分比从20/80 80/20,产品品质好 ,且具有较好的生产弹性。表 4 所示为 Oerlikon Neumag 设备加工的部分双组分短纤维品种的技术特征及用途。意大利 Fare(法瑞 )公司采用紧凑设计的双组分短纤
