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国际超细纤维开发动向及发展趋势

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2016-07-28 10:35:00【

  超细纤维的制造工艺

 
  超细纤维的品种有超细粘胶丝、超细锦纶丝、超细涤纶丝、超细丙纶丝等等。利用不同的技术,可制造出不同纤度、种类及用途的超细纤维。其生产技术与制造工艺大致可分为直接纺丝改良法、高分子相互并列纺丝法、剥离型复合纺丝法、多层型复合纺丝法、共混分割法和海岛法等。
 
  1.直接改良纺丝法(DSP)
 
  直接纺丝改良法又称常规纺丝改良法,是指用常规纺丝方法改良其工艺设备直接制造微细纤维的方法。目前可以用POY或FDY纺丝机,在工艺设计上稍加改进就可适用于超细纤维生产:
 
  ⑴.螺杆挤压机要有一个低温混合头(LTM),以保证熔体的均匀一致;
 
  ⑵.要有高质量,纯净的不含凝胶粒子和颗粒状杂质的熔体,因此要有熔体预过滤器;
 
  ⑶.组件要求下装式,以防烟囱效应,保证喷丝板组件温度均匀;
 
  ⑷.喷丝板设计中要注意“无湍流”的孔间距及排列方式;
 
  ⑸.丝条要充分均匀冷却以降低Uster值;
 
  ⑹.喷丝板面至侧吹风距离尽可能短;
 
  ⑺.上油系统在喷丝板下面约300~600mm处;
 
  ⑻.纺丝甬道比常规纤维短,一般为300~500mm,以降低纺程张力;
 
  ⑼.采用锭子式卷绕头纺POY用沟槽筒,FDY用双转子式横动装置;
 
  ⑽.加热器和假捻变形器之间的丝路要直,否则会造成毛丝和降低纤维强度;
 
  ⑾.摩擦盘要采用聚氨酯盘,以减少纤维表面磨损。
 
  用POY和FDY纺丝机生产微细纤维,最大优点是可直接获得单一组分的超细纤维,不需象复合纺丝或共混纺丝那样进行双组分的剥离或溶解,一般可稳定生产0.7~1.0dtex的纤维,因此成本较低。如果熔体质量和机器性能好,可生产最细至0.44dtex的微细纤维。若是生产单丝纤度低于0.44dtex纤维要用复合纺丝机。
 
  2.直接优化纺丝法(DSOM)
 
  通过优化纺丝工艺对传统纺丝方法的改进,在熔体纺丝时要适当降低聚合物粘度、提高熔体纯净度,降低喷丝板下方的环境温度使冷却加速并提高冷却吹风的均匀程度。利用直接纺丝无须化学或机械处理即可直接获得单一组分的超细纤维,生产成本低,产品质量稳定。目前通过直接纺丝法所制得的最细商业化产品为单丝线密度为0.165dtex的PET纤维。与常规纺丝法比较,聚酯超细长丝的纺丝方法需作如下优化改进:
 
  ⑴.适当降低聚合物黏度。可通过降低聚合物分子量或提高纺丝温度来达到目的,这些措施可防止因液滴型挤出而断丝。
 
  ⑵.喷丝板上的喷丝孔应呈同心圆均匀排列,使丝条均匀冷却。
 
  ⑶.降低喷丝板下方的环境温度,使丝条迅速冷却,并在喷丝板下方20~70cm处集束、卷绕,以获得未拉伸丝。
 
  ⑷.使纤维经受4~6倍的后拉伸。在特定的条件下可进行10~20倍的拉伸,但技术条件不稳定,而且范围较窄,故未获得应用。
 
  ⑸.通过高精度过滤以提高纺丝熔体的纯净度。
 
  ⑹.减少熔体的挤出量。
 
  这种DSOM工艺生产效率高,成本低,是当前超细纤维发展主要趋势。西欧,美国主要采用这种工艺生产超细旦纤维。用于做仿丝绸和做高密织物(功能性服装)。POY工艺中最经济的方法是POY直接上整经机,即WD或WDS的方法,直接做超细旦的大经轴。意大利ValLesina公司已用此工艺制造单丝纤度为0.5dtex的超细纤维用于仿真丝的经纱,但这适合于大规模生产。
 
  3.复合纺丝法
 
  采用复合纺丝机生产超细纤维最早是在日本开发成功的。早在1970年由东丽公司开发的超细纤维用于仿麂皮。1972年由钟纺公司开发仿真丝织物,1981年由钟纺公司开发了超高密织物,同年东丽公司又开发了第二代仿皮革产品,1985年钟纺公司又开发了高性能洁净布。
 
  复合纺丝制造超细纤维根据不同的工艺又分为剥离型和海岛型两大类。剥离型超细纤维是将两种互不相容但熔体粘度相近的高聚物熔体进行复合纺丝,复合纤维织造和染整后,经剥离得到超细纤维。剥离方法有机械法,溶剂溶脓法和溶解法。海岛型超细纤维是两组分中一组分为海,另一组分为岛,岛分布在海组分中。海组分要选用易溶性高聚物,如聚苯乙烯,这种纤维织成织物后用溶剂将海组分溶解,留下岛组分,用此方法可制得单丝纤度为0.001dtex的超细纤维。
 
  复合纺丝法工艺复杂,技术要求高,大量的复合熔体细流组成一根超细纤维,不仅需要有特殊的技术设计与复杂的熔体分配方式,而且制造纺丝组件和配件都必须相应配置,还要利用两种或多种组份纤维不同的物理化学特性,在织造后采取不同的整理手段才能得到各种各样的产品。根据不同的工艺,利用复合纺丝法制造超细纤维又分为剥离型和海岛型两大类。
 
  A.机械剥离型复合纺丝法
 
  该方法是将两种化学结构上完全不同、亲和性有差异但熔体粘度相近的高聚物熔体,按一定比例通过复合纺丝制备成橘瓣型、米字型、中空形等复合纤维,利用两组分的相容性和界面粘结性较差的特点采用机械剥离得到超细纤维。剥离方法有机械法,溶剂溶解法等。日本钟纺、帝人等化纤公司制作超细纤维用的主流工艺就是机械剥离型复合纺丝法。
 
  B.海岛剥离型复合纺丝法
 
  海岛剥离型复合纺丝法又称“溶解(或水解)剥离复合纺丝法”。这种超细复合纤维是70年代初开发的一种新型纤维,从纤维的横截面看是一种微细而分散的岛组分被另一种海组分包围着,海组分与岛组分在纤维轴向上是连续、均匀的,将所得复合纤维采用合适的溶剂溶解或水解除去其中的海成分即可得到只保留岛成分的超细纤维。
 
  早期的海岛型复合纤维采用PET或PA作为岛组分,海组分大多采用PS或PE,然后用苯、甲苯等有机溶剂除去海组分,但这样带来了环境污染、易燃易爆等问题,限制了它的发展。90年代以来人们致力于水溶性聚酯(COPET)的研究,用其作为海组分,在热水或热碱液中即可水解,避免了使用有机溶剂,减少了环境污染。目前在海岛剥离型复合纺丝法中主要有“定岛型”与“不定岛型”两种工艺:
 
  a.定岛型复合纺丝法
 
  定岛法较复合纺丝法的熔体分配体系和纺丝组件更复杂,技术要求更高。其“海”组分与“岛”组分分别由单独的螺杆挤压机进行熔融,然后到纺丝组件进行复合。在纺丝成形过程中海岛间不分离,保持单丝形态,同时岛组分在成型过程中不粘连(单丝内岛与岛之间良好的分离)。复合纺丝后是以常规纤度存在,即所得纤维截面为海组分的皮芯包围岛组分的芯层,只有将“海”成分溶解得到“岛”组分的芯层,才可真正制成超细纤维。
 
  ①.根据钟纺、帝人、东洋与杜邦、Hills、库拉雷等大公司的经验报告:岛成分在纤维的长度方向上是连续均匀分布的,岛数固定且纤度一致,一般只能达到0.1~0.05dtex左右。但目前已能生产980岛或更多岛的海岛型超细复合纤维。
 
  ②.据杜邦公司披露,目前适用于制造海岛型超细纤维的聚合物有:聚苯乙烯-聚酯;聚苯乙烯-聚酰胺;聚乙烯醇-聚烯烃等;其纤维中的岛组分有PET、PA、PP2等;海组份有聚苯乙烯、聚乙烯(有机溶剂可溶)、聚酯/间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物(热碱溶液可溶)和聚烯醇(热水可溶)等。例如杜邦公司“HPF”产品以聚酯为岛组分、聚苯乙烯为海组分,制得超细聚酯纤维的纤度为0.001dtex,截面呈圆形,直径为0.1μm。也可以整个复合丝的形态加工成织物,在后加工时除去海组分,在纤维间出现微孔隙而容易相互滑移,作人造革特别合适。
 
  ③.根据日本钟纺、帝人的报告:定岛法可自由变化海岛比例,控制超细旦纤维的纤度和截面形状为降低成本,可减少可溶性组份的比例,减少溶解量,同时对可溶性聚合物的选择需综合考虑各种因素。
 
  ④.库拉雷公司也认为,在不可镕聚合物纺丝温度下,可溶性聚合物必须热稳定性好,在纺丝过程中两者要有和谐的流变学性能不可溶聚合物价格适宜,且溶解过程应当无污染,无毒,无腐蚀。
 
  ⑤.该工艺的定岛技术正在不断开发中,例如制造眼镜洁净布的超多岛技术、岛组分表面的凹凸化、岛组分异纤化混合排列、岛组分混合不同聚合物的技术等都已得到实际应用。
 
  b.非定岛型复合纺丝法
 
  “非定岛型复合纺丝法”也称为“高分子相互并列体纺丝法”。该技术是通过不相容聚合物共混纺丝制得,纺丝后也是以常规纤度存在。与定岛纤维不同的是,在不定岛纤维中岛的大小、数量、分布及其长度都在一定范围内存在随机性。岛的数量很多,所以平均线密度更小,用溶剂萃取海组分后纤维呈束状,单纤纤度一般在0.01~0.001dtex左右,甚至可达0.0001dtex,因而与胶原纤维更相似。
 
  ①.根据钟纺、帝人、东洋等公司的报告,采用非定岛技术生产海岛纤维,对设备的依赖性要比定岛技术的依赖性要弱些,但是对工艺技术控制方面要更复杂。如海岛组分间的分散与拉伸情况,粒子尺寸与分布,熔融流体在纺丝过程中剪切粘度的匹配与控制等。这些因素都直接影响到岛组分纤维的纤度、长度、数量、分布均匀程度、分离效果等。
 
  ②.杜邦、Hills、库拉雷等大公司的经验报告:非定岛技术是利用非相容高聚物体系共混纺丝,由于两组分组成比与熔体的粘度比有一定的关系,可使一种组分形成分散相,另一种组分形成连续相,分散相以微纤状分散在基体相中,即所谓“不定岛”式海岛型共混纤维,将其中海组分溶解或水解掉即可得到超极细纤维。
 
  4.其他纺丝法
 
  目前,国际化纤大公司开发超细短纤维的制造方法有很多,举二种具有代表性的方法供参考。
 
  A.喷射纺丝法(或熔喷法)
 
  该方法是从刀口状喷丝板端开出的一排细孔,熔融的聚合物从众多微小喷丝孔中吐出,再用热风吹散的方法。由于该方法采用吹散熔融聚合物的形式,因此主体是细纤维。但也适用于制造粗细不均匀的短纤维相互熔融粘着的薄片。将细纤维与粗纤维同时喷出制成混合物,可得到蓬松性和保湿性优良的薄片。从制造方法上可以知道该方法的缺点是纤维的分子取向低。
 
  在此基础上,美国Al-banyinternational公司新开发的静电熔喷纺丝法,是聚合物溶液或熔体在静电作用下,以适宜的溶液喷射量及撚度参数,运用于纱线成型中进行喷射拉伸而获得纳米级超细纤维的纺丝方法。
 
  B.闪蒸纺丝法
 
  闪蒸法是纺粘法的一种,属于溶液纺丝。该纺丝法是将聚合物溶解于低沸点的的溶剂(如液化气等)中,加热、加压从喷丝板瞬间气化喷出制成纤维。这种瞬间高压喷射出来的聚合物,喷丝速度每分钟可达到1万米,形成的纤维直径一般在0.1μm~10μm之间,可得到0.01dtex的超细纤维,属于纳米级超细纤维。所以,也有人把闪蒸法称为“闪纺”或“急骤纺丝”,在非织造布方面的需求迅速增长,可用于装饰材料和信封等各种包装材料。此外,在聚乙烯中加入抗静电剂、透明颜料并利用超声波粘合工艺等是当前杜邦公司发展闪蒸纺丝法的一大趋势。
 
  其他纺丝法还有:离心纺丝法,湍流成形法,冻胶纺丝法,原纤细化法,超高速牵伸法,湍流成形法。
 
  超细纤维新技术新产品
 
  超细纤维被称为新一代合成纤维,它是高性能,高品质与高档次的纺织原料,是化学纤维向高技术、高仿真化方向发展的新合纤的典型代表。国际各大化纤公司都在竞争开发超细纤维的新技术与新产品(NT/NP):
 
  NT/NP-1、“regenerate”超细纤维。美国Al–banyinternational公司在超柔软拒水性超细纤维“primaloft”的基础上,新开发出性能更优异的超细纤维“PrimaLoftRegenerate”。该纤维为直径0.2×0.05~0.001dtex的超细纤维,由50%以上的再生材料及专利微纤维制成,结合超细纤维及专利的特别处理程序,成就难以置信的柔软、质轻、及防泼水性。而且符合严格的测试标准,其特色是高保温效果、快干性能佳、轻量化、透气性佳、手感柔软、膨松度佳、拒水性佳等功能。其吸水性为一般纤维的1/3,在干燥时的保暖效果多14%,在潮湿时的保暖度多24%。
 
  NT/NP-2、“Super clean”超细纤维。韩国SilverSta公司近期开发了名为“Super clean”新型超细纤维织物,因其具有超强的洁净能力,洗涤时不需使用化学清洁剂,其产品在市场极受欢迎。Super clean的纤维材料采用PET、PA及PA6新式配制,经裂变分解织造而成;该纤维细度为真丝1/20,头发丝的1/360。该超细纤维另一特点是在成丝中采用Orange flap技术将长丝分成多瓣型,使纤维比表面积增大,织物中孔隙增多,借助毛细管芯吸效应使吸水能力极强,经久耐用,可经过大约600次水洗。而其特殊的横断面能更有效地捕获小至几微米的尘埃颗粒,大增强除污去油效果十分明显。
 
  NT/NP-3、“Beli -effect”超细纤维。日本钟纺公司的“Beli -effect”为一种阳离子可染型的复合聚酯超细纤维。Beli -effect是将原先70%聚酯/30%尼龙混纺的“Belimax”,改良聚丙烯与聚酯的部分而开发新型超细纤维。Beli -effect在开纤中采用24瓣分裂水刺工艺,剥离后单丝细度为0.1dtex~0.05dtex,开纤率可达80% 以上。Beli -effect为高收缩高密度处理织物,因而其制品有良好的柔软性、弹性及蓬松性,主要用途包括外套、女衫、夹克、椅套、袋子、鞋子等。
 
  NT/NP-4、“Trevor biyou”超细纤维。旭亿成公司最近开发生产的“Trevor biyou”仿真丝超细纤维新产品,是采用“RCT技术”将涤纶/聚酯相配复合,使两种聚合物的结合比例和形状都控制成无规则的,在用溶剂溶去一种聚合物后,剩下的另一种聚合物长丝细度为0.1dtex~0.01dtex,其形状仍是无规则的。采用Trevor biyou超细纤维所制的织物表面具有复杂的凹凸形状,能产生细小的不规则的漫反射,呈现出不同角度的不同光泽,穿着舒适且采用了异收缩混纤技术,手感好且丰满,适用于女罩衫,礼服等。
 
  NT/NP-5、“WSLR”超细纤维。东丽公司生产的“WSLR”是具有丝鸣效应的仿丝超细纤维。WSLR采用聚合物“潜在多级高收缩”技术,其纤维经高压水刺开纤后单丝细度可达0.11 dtex。同时采用“多层花瓣型截面”技术在三花瓣的各顶端刻有0.1µm的沟槽,能捕捉0.4~0.8Fm的可见光线,所以其产品发色性优良,通过微缝之间的摩擦产生“丝鸣”,该产品主要用于女罩衣,套装,茄克衫。
 
  NT/NP-6、“RominaIII”超细纤维。尤尼吉卡公司创新开发的“RominaIII”超细纤维,是采用改性聚丙烯/聚酯两种材料制成的0.01~0.05dtex的超细纤维。其创新技术是在纺丝时采用一根丝条组成:即在微小区里单丝间具有丝长差与复杂的结构功能,这样就形成了超细纤维复杂的多层结构形态,具有有凹凸和丝圈绒效应,使织物具有合成纤维所没有的自然风格即光滑性和膨松性,具有柔软纤细的手感,是天然纤维所不及的。
 
  NT/NP-7、“Natural light”超细纤维。美国肖氏产业公司最近开发的“Natural light”超细纤维,是以聚苯乙烯作海组分,以聚酯作岛组分的共混双组分复合纤维。Natural light用作新一代人造革基布时,先以针刺法制成非织造布,溶掉聚苯乙烯后成为单丝纤度为0.00011dtex超细纤维。Natural light还采用了Cut down新技术,从而改变纤维断面具有自然光泽的产品,这种新断面反射出不同于传统聚酯纤维的光泽,减低产品亮度造成更接近自然的光泽。杜邦公司服装事业部部门经理Tonya Farrow披露。Natural light将被大量应用于裤类、裙子等服装,具有竞争力很大的市场潜力。
 
  NT/NP-8、“Super Beaver”超细纤维。美国Hills公司研发制成的新型透气防水超细纤维“Super Beaver”,是以尼龙/聚酯两种聚合物开纤分裂的桔瓣形超细纤维,其单丝细度达到0.01 dtex~0.001 dtex。其关键技术是在开纤分裂中采用了“异纹斜截”工艺,使纤维细胞壁上的纹孔、胞间联丝等结构以实现细胞之间水分及其他物质的输导和流通,从而具有超级仿海猩皮的结构。这种超细纤维经过织造加工过程后具有不规则的弯曲在织物上显得非常细密,可防止外来的水珠并可让汗液排出,可用于泳衣、户外服装等产品。
 
  NT/NP-9、“Thermostat”超细纤维。美国库拉雷公司新开发的“Thermostat”超细纤维,其纤度可在0.01 dtex~0.005 dtex之间选择。Thermostat是一种异形截面型记忆适温纤维。其工艺是运用高分子合成改性技术,对聚异戊二烯材料进行分子组合及分子结构调整制成能自动调温的化学纤维,它对周围的温度反应将特别敏感,可随温度的变化而变化,使服装内形成一个小气候环境。酷暑时该纤维的异形截面自行收缩使编织物的孔眼张开而通风透气,大大提高服装散热能力;寒冬中该纤维的异形截面又自行膨胀,使编织物的孔眼闭合而阻止空气流通,从而提高了服装的保暖能力。
 
  NT/NP-10、“SABK”超细纤维。库拉雷公司从南美蝴蝶王的翅膀结构获得启示,开发出一种深色效应的超细纤维“SABK”。为了探究南美蝴蝶王翅膀的眩幻彩色效应,库拉雷公司研究了蝴蝶翅膀因光干涉所产生的颜色变化和光泽,并通过利用复合纺丝技术,即把热收缩率不同的聚酯相互组合在一起,制成了扭曲型横截面具有驼峰特性的超细纤维,其纤度达到0.05 dtex~0.001 dtex,从而使这种深色效应纤维具有与南美蝴蝶王同样的微观成色效果。
 
  超细纤维开发动向与发展趋势
 
  超细纤维是化学纤维发展的一大突破,它的开发带来了纺织工业“划时代”的新产品。随着全球经济快速发展,能源危机与环境污染越来越受到人们的关注。如何保持经济的可持续发展是目前需要迫切解决的问题,而超细纤维的持续发展以及超细纤维材料在常规和高性能产品的日益拓展,将会不断进入更多新的应用领域。
 
  根据美国纺织纤维产业联盟(USTIA)的最新预测报告指出,超细纤维材料研究的发展与社会、经济和资源、环境的发展紧密相关,所以新的生长点和交叉点将会不断涌现,这既促进了超细纤维的发展又丰富了新材料科学的内涵。其开发动向与发展趋势有:
 
  一是恢复生态的替代措施。进入21世纪以后,世界各国加大了环境保护的力度,实行了退耕还林、退牧还草等恢复生态的措施,致使天然皮革产量年年下降。在这种形势下,一是为了弥补天然皮革的不足,二是为了满足人们更高层次的需求,超细纤维合成革被逐步用来替代一部分真皮。在日本等一些国家和地区,技术的发展使得超细纤维合成革已大量取代了资源不足的天然皮,而一些采用人造革及合成革做成的箱包、服装、鞋以及车辆和家具的装饰,也日益获得市场的肯定,其应用范围之广、数量之大、品种之多,传统天然皮革根本无法做到。
 
  二是研发范围不断扩大。未来超细纤维材料研究与相关学科不断交叉、渗透,新的学科增长点不断出现,从传统的化纤学科及其相关的物理、化学学科渗透到材料学科、能源学科、复合材料学等领域。
 
  三是更加注重仿生态环保性能。自然界生物在长期进化过程中,利用最简单的成分、最普通的条件获得了最稳定的微观材料结构,人们可以从这种微观分级结构中得到启发,通过生物拟态或者仿生设计制备出性能更优越的超细纤维及其复合材料,充分发挥仿生超细纤维可再生、可降解利用的优势,特别是节约、降耗、降能是未来超细纤维发展的必然趋势。
 
  四是更加重视基本性基与功能设计。超细纤维的最大特点是其优异的基本性基与功能;未来的超细纤维及其材料的开发研究不但注重其基本性基的改进,还注重赋予其新的功能,注重复合化、高性能化、功能化。
 
  五是第三次热潮的产业用途。超细纤维的开发今后肯定会在所有的产业领域内得到发展。这种先导型的高技术纤维,将会成为一种重要的材料。预计若第三次热潮来临,重点将是在产业用途方面。产业用领域、装饰用领域对高功能和多功能的不断追求,都将成为超细纤维产品不断拓展、不断开发研究的驱动力。预计在不久的将来超细纤维产品将会大量用于工业、农业、航天、海洋等领域。
 
  六是服用领域的主导产品。对于现代服装,已经进入了一个以材质取胜的时代,采用新型超细纤维开发的面料可以极大提高服装的附加值。关注科技纤维的发展,把握其特性,实现面料的科技新和高档化,将成为服用领域纺织产品的突破口。与普通纤维相比,超细纤维具有柔软、光泽柔和、织物覆盖力极强及服装生理效果好等优点。服用纤维领域对新品质、新风格、新功能的不断追求,必然是超细纤维将成为“服用新合纤”的主导产品之一。

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