雙組分紡粘技術(shù)在超纖非織造材料領(lǐng)域的應(yīng)用進展

王俊南，錢曉明，張 恒，劉 沖，梁繼源

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津300387;2.山東天鼎豐非織造布有限公司，山東德州251500;3.寧夏中銀絨業(yè)股份有限公司，寧夏靈武750000)

超細纖維非織造材料作為最近幾年發(fā)展最快的一種非織造材料［1］，由于其獨特的致密結(jié)構(gòu)、高比表面積、手感柔軟等特性，在工業(yè)領(lǐng)域(高溫過濾、汽車內(nèi)飾等)、個人護理(擦拭布、口罩等)和合成革等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［2－4］。目前生產(chǎn)超細纖維非織造材料的方法主要有:靜電紡絲技術(shù)、熔噴技術(shù)以及雙組分紡粘非織造技術(shù)［5］。雙組分紡粘非織造技術(shù)相較于其他兩種生產(chǎn)方法，具有生產(chǎn)速度快、產(chǎn)品強力大等特點，并且已經(jīng)成功地商業(yè)化應(yīng)用。較為典型的實例是德國Freudenberg公司的Evolon?產(chǎn)品和廊坊中紡新元無紡材料有限公司的Fintex?產(chǎn)品。作者對雙組分紡粘非織造技術(shù)在超細纖維非織造材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展進行綜述，包括雙組分紡粘纖維的成形、開纖以及固網(wǎng)方式和產(chǎn)品的特點，以期拓展雙組分紡粘非織造技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

1 雙組分紡粘纖維網(wǎng)的成形

雙組分紡粘非織造技術(shù)是傳統(tǒng)雙組分熔體紡絲技術(shù)和紡粘非織造技術(shù)的結(jié)合。雙組分紡粘非織造材料的生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括:熔體紡絲、冷卻、拉伸、分絲鋪網(wǎng)和負壓抽吸等系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，兩種干燥的熱塑性聚合物切片，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚己內(nèi)酰胺(PA6)分別經(jīng)過料斗喂入到螺桿擠壓機內(nèi)，在高溫、擠壓的作用下軟化、熔融形成聚合物熔體。經(jīng)熔體過濾器去除雜質(zhì)的兩種聚合物熔體在計量泵的擠出作用下定量喂入到雙組分紡絲組件中，并從噴絲孔按照一定的比例和排列形式擠出。此后，聚合物熔體在拉伸和冷卻作用下細化，形成具有一定細度和強力的雙組分長絲。最后，雙組分長絲在分絲鋪網(wǎng)系統(tǒng)作用下均勻鋪放成雙組分纖維網(wǎng)［6］。

2 雙組分紡粘非織造材料的分類

雙組分紡粘非織造材料可按照其原料、纖維截面形態(tài)、加固方式及其應(yīng)用方式等分類(見圖1)。通常主要習(xí)慣于按原料及截面形狀分類。

圖1 雙組分紡粘非織造材料的分類Fig.1 Variety of bicomponent spun-bonded nonwoven material

2.1 按原料分類

雙組分紡粘非織造技術(shù)的纖維成形工藝源自于傳統(tǒng)的雙組分熔體紡絲技術(shù)，因此在纖維原料選擇時首先考慮的是兩種組分的可紡性，其次考慮的是纖維的開纖性和功能性［7］。20世紀90年代德國R.Groten等［8］采用紡絲溫度較為接近的PET和PA6作為原料，利用橘瓣形紡粘-水刺開纖方法制備Evolon;2002年日本可樂麗(R.Kuraray)［9］公司利用一種名為 ExcevalTM可生物降解的可溶性聚合物與PP，PE或PA6等進行復(fù)合紡絲-水洗的方式制備超細纖維非織造布。此后，N.Fedorova［10］探究了利用 PLA-PA6 海島型紡粘-水刺開纖方法制備超細纖維非織造布的可行性，以期獲得更容易分裂的雙組分纖維。

隨著水刺開纖技術(shù)和聚合物技術(shù)的發(fā)展，國外研究人員的目光開始集中到各種聚合物組合方式的雙組分紡粘技術(shù)，比如:N.Anantharamaiah等［11］探討了PE-PA6海島型雙組分紡粘非織造材料利用水刺開纖制備超細纖維非織造材料的可行性，并分析了不同配比的雙組分纖維對非織造材料力學(xué)性能的影響。此后研究人員開始研究PEPA6海島型雙組分紡粘-水刺非織造材料的各種應(yīng)用特性，如:B.Y.Yeom 等［12］研究了不同島的數(shù)量對PE-PA6海島型紡粘-水刺開纖方法制備的超細纖維非織造材料的過濾性能的影響，F(xiàn).Suvari等［13］則探討了 PE-PA6海島型紡粘-水刺非織造材料隔音吸聲特性。

目前市場上比較常見的用于生產(chǎn)超細纖維的雙組分紡粘聚合物的種類包括:PET/PA6，PA6/PE，PP/PE，PLA/PA6，另外，PET/PE，PA6/PP 也可以用作生產(chǎn)超細纖維的原料。但不同的原料所適用的場合有所不同［14］。

2.2 按截面形態(tài)分類

雙組分紡粘非織造技術(shù)在超細纖維領(lǐng)域的應(yīng)用，首先考慮的是其截面形態(tài)的可分裂性，如圖2所示是各種異形截面的雙組分纖維。圖2b為Evolon產(chǎn)品，選用的是橘瓣形纖維結(jié)構(gòu)［15］。為了獲得更好的機械開裂能力，F(xiàn)intex產(chǎn)品采用了中空-橘瓣形的結(jié)構(gòu)(圖2c)［16］。為了獲得更細的纖維，N.Fedorova［10］進行了海島型(圖 2d)雙組分紡粘超細纖維的制備，隨后國外許多的研究者將其目光投向利用海島型雙組分紡粘技術(shù)來制備超細纖維。A.Durany等［17］利用海島型雙組分紡粘-水刺工藝制備具有高比表面積的超細纖維，并對纖維的島的數(shù)目對非織造材料的物理性能的影響進行了分析。此后，有更多的研究人員對海島型雙組分紡粘纖維的島的數(shù)量對非織造材料性能的影響進行了探討。如:B.Y.Yeom等［12］分析了纖維的島數(shù)目對非織造材料的孔隙率(小)以及過濾性能(大)的影響，而 F.Suvar等［13］則探討了海島型雙組分紡粘材料中雙組分纖維的島的數(shù)量對材料吸聲性能的影響。

同時，有研究者對雙組分紡粘非織造技術(shù)制備的超細纖維非造材料的結(jié)構(gòu)特征以及雙組分紡粘技術(shù)做了更深層次的研究和分析，如:E.Shim等［18］利用數(shù)字立體成像技術(shù)研究了橘瓣形雙組分紡粘在高壓水射流作用下的開纖效果、纏結(jié)情況以及3D 結(jié)構(gòu)［17］。

圖2 雙組分纖維的截面形狀示意Fig.2 Cross section shape of bicomponent fiber

3 開纖方式

國外于1994年開始了雙組分紡粘非織造材料開纖技術(shù)的研究，T.Nakajima等［19］在出版的Advanced Fiber Spinning Technology(Woodhead Publishing)中，首次提出了利用分裂型雙組分長絲技術(shù)/水刺技術(shù)制備超細纖維非織造材料的方式。隨后研究者將目光集中到如何利用各種開纖方式獲得各類型的超細纖維材料上。1999年R.Groten等［8］利用雙組分長絲成網(wǎng)技術(shù)制備超細纖維非織造材料，開發(fā)了Evolon產(chǎn)品。為了進一步研究高壓水射流對非織造材料的拉伸性能和開纖效果的影響，Mbwana Suleiman Ndaro 等［20］對海島型雙組分紡粘材料的水刺開纖工藝進行了探究。與此同時，N.Fedorova等［10］采用化學(xué)開纖的方式制備出了超細纖維。

開纖方式不同，其開纖效果也會有所差異，每種開纖方式既有其優(yōu)勢又存在其不足。從圖3可以看出，利用水刺開纖方式雙組分紡粘非織造材料具有較致密的結(jié)構(gòu)，針刺開纖工藝相對于水刺開纖工藝、化學(xué)開纖工藝會形成較為清晰的“夾心層”結(jié)構(gòu)，并認為這與針刺開纖的工藝有很大的關(guān)系［21］。

圖3 PET/PA6中空-橘瓣形纖維開纖效果電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of splitting effect of hollow segmented-pie PET/PA6 fiber

4 紡粘超細纖維非織造材料的應(yīng)用

利用雙組分紡粘非織造技術(shù)生產(chǎn)的超細纖維非織造材料，因其手感柔軟、機械性能好、比表面積高等許多優(yōu)良的特性［22］，廣泛應(yīng)用于過濾材料、革基布、隔音材料等領(lǐng)域。

(1)過濾材料

相較于傳統(tǒng)的過濾材料，經(jīng)開纖后形成的雙組分紡粘超細纖維非織造材料在結(jié)構(gòu)和工藝上都具有明顯的優(yōu)勢，因此國內(nèi)外的研究者紛紛對雙組分紡粘超細纖維非織造材料在過濾領(lǐng)域的應(yīng)用進行開發(fā)研究。B.Y.Yeom 等［12］研究了 PA6-PET海島型雙組分紡粘非織造材料通過水刺開纖后的結(jié)構(gòu)特征與氣溶膠過濾性能的關(guān)系，并研究分析了島的數(shù)目對過濾效率和過濾阻力的影響，結(jié)果表明纖維的島數(shù)目對非織造材料的孔隙率影響很小，但對氣溶膠過濾性能影響很大。與此同時，國內(nèi)也有研究者對雙組分紡粘超細纖維非織造材料在過濾材料方面的應(yīng)用進行了研究，盧延蔚等［22］研究橘瓣形雙組分非織造材料的開纖技術(shù)及過濾性能，當纖維線密度很小的情況下繼續(xù)減小纖維的直徑能夠提高濾材的過濾效率，雙組分紡粘超細纖維非織造材料在過濾材料領(lǐng)域應(yīng)用具有纖維線密度和纖維截面的優(yōu)勢。張恒等［23－24］則闡述了基于水刺開纖的不同規(guī)格的PET-PA6中空-橘瓣形雙組分非織造材料在氣溶膠過濾領(lǐng)域的應(yīng)用。

(2)革基布

隨著世界各地人們環(huán)保意識的增強，真皮制品的開發(fā)已經(jīng)受到限制。因此，革基布取代真皮已經(jīng)成為必然。雙組分紡粘纖維經(jīng)開纖后形成的超細纖維具有手感豐滿、機械性能好、透氣性好等優(yōu)點，因此可以用于革基布的生產(chǎn)［25］。

國內(nèi)利用雙組分紡粘非織造技術(shù)生產(chǎn)革基布的研究很多，如，金敬業(yè)等［26］研究了海島復(fù)合纖維的聚氨酯(PU)革基布堿法開纖工藝，研究發(fā)現(xiàn)開纖率提高，PU革基布的透氣性顯著增加，彎曲長度減小。

(3)隔音材料

噪聲污染不僅對人類身心造成危害，還會加速建筑物、機械設(shè)備的老化。因此，對隔音材料的研究迫在眉睫。雙組分紡粘纖維經(jīng)開纖后形成的超細纖維具有高孔隙率、柔軟、多孔的特性，是隔音吸聲較好的材料［27］。

近年來國內(nèi)外對于隔音材料的研究絡(luò)繹不絕，例如，F(xiàn).Suvari等［13］研究了 PA6/PE 海島型雙組分紡粘-水刺材料中雙組分纖維的島的數(shù)目對于材料的吸聲性能的影響，并研究了多層復(fù)合的雙組分紡粘-水刺材料與加入了高蓬松的雙組分紡粘非織造材料的吸音性能的差異。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)108島的多層復(fù)合非織造材料在近一半的吸聲頻率范圍內(nèi)具有較好的表現(xiàn)。

5 結(jié)語

目前，利用雙組分紡粘非織造技術(shù)生產(chǎn)超細纖維非織造材料的技術(shù)關(guān)鍵是雙組分纖維的開纖，各種開纖形式和應(yīng)用領(lǐng)域都存在著一定的局限性，因此，對于雙組分紡粘纖維的研究要從最開始的制備工藝、開纖工藝和產(chǎn)品的物理機械性能的研究逐漸地轉(zhuǎn)移到雙組分產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能性應(yīng)用研究。今后雙組分紡粘非織造技術(shù)的發(fā)展趨勢具有以下特點:(1)多技術(shù)復(fù)合。利用雙組分纖維的特性結(jié)合現(xiàn)有的非織造加工技術(shù)進行復(fù)合，生產(chǎn)出具有結(jié)構(gòu)差異、性能不同的新型非織造材料。如雙組分紡粘成網(wǎng)技術(shù)和水刺開纖加固技術(shù)、針刺開纖加固技術(shù)、化學(xué)開纖加固技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用;(2)聚合物種類及纖維復(fù)合的形式多樣化。隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的用于生產(chǎn)超細纖維的雙組分紡粘非織造材料的原料和截面形態(tài)的異形纖維已經(jīng)無法滿足人們對多樣化的需求。因此，聚合物種類及纖維復(fù)合形式的多樣化是雙組分紡粘技術(shù)用于超細纖維生產(chǎn)領(lǐng)域的必然趨勢;(3)應(yīng)用領(lǐng)域廣。雙組分紡粘非織造材料不僅能用于過濾材料、高級生態(tài)合成革基布、隔音材料，經(jīng)過開纖后形成的超細纖維還可用做高級擦拭布防護、口罩、床上用品以及印刷媒介的原料［28］。

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