低熔點(diǎn)纖維的研究進(jìn)展

陳佳月，張北波，王 樺，陳麗萍，覃 俊，岳海生

(1.四川省紡織科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072)

低熔點(diǎn)纖維的研究進(jìn)展

陳佳月1,2，張北波1，王 樺1,2，陳麗萍1,2，覃 俊1,2，岳海生1,2

(1.四川省紡織科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072)

低熔點(diǎn)纖維是熱熔粘合工藝生產(chǎn)非織造布所需的重要原料，是非織造布行業(yè)的新技術(shù)。介紹了低熔點(diǎn)纖維的定義、作用機(jī)理、成型過程及其在國內(nèi)外的發(fā)展概況和應(yīng)用開發(fā)，并對(duì)我國未來在該領(lǐng)域的發(fā)展前景進(jìn)行了展望和建議。

低熔點(diǎn)纖維；熱粘合；共聚酯；共聚酰胺；復(fù)合紡絲

非織造布的固結(jié)一直是非織造布生產(chǎn)過程中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，其中熱粘合法具有生產(chǎn)速度高、耗能低、無污染的特點(diǎn)，是一個(gè)通過加熱、變形、熔融、流動(dòng)和固化達(dá)到成布的過程，主要利用粘合材料受熱熔融的特性，將主體纖維交叉點(diǎn)相互粘結(jié)在一起，再經(jīng)過冷卻使熔融聚合物得以固化，從而生產(chǎn)出熱粘合非織造布。低熔點(diǎn)纖維是熱粘合工藝所需粘合劑中的一種纖維粘合劑，是一種新技術(shù)，在國外的開發(fā)研究已經(jīng)成熟，但在國內(nèi)，自主產(chǎn)品還處于產(chǎn)業(yè)化起步階段，尚面臨著諸多技術(shù)難點(diǎn)有待攻克。

1 低熔點(diǎn)纖維

低熔點(diǎn)纖維一般是指一種加熱到110～150 ℃，皮層即可融化并產(chǎn)生粘結(jié)的皮芯或并列結(jié)構(gòu)纖維，是利用熱粘合工藝生產(chǎn)非織造布的重要原料。加工前，將低熔點(diǎn)纖維與主體纖維按一定比例充分混合，經(jīng)開松、梳理等工序，鋪成具有一定厚度的纖維網(wǎng)。加工時(shí)，在低于主體纖維熔點(diǎn)的溫度下，低熔點(diǎn)纖維部分融化在交叉點(diǎn)進(jìn)行均勻而有效的熔融粘合，使主體纖維彼此粘結(jié)起來，而主體纖維保持原狀，在低熔點(diǎn)纖維的作用下彼此粘結(jié)。如此，既維持了非織造布固有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，又充分發(fā)揮了主體纖維的物理化學(xué)性能，因而正逐漸取代化學(xué)粘合劑廣泛應(yīng)用于熱粘合工藝。

低熔點(diǎn)纖維大體可分為3類，即聚烯烴類低熔點(diǎn)纖維、聚酰胺類低熔點(diǎn)纖維和聚酯類低熔點(diǎn)纖維，聚烯烴類低熔點(diǎn)纖維一般是指以低熔點(diǎn)聚烯烴作皮層，熔點(diǎn)較高的其他纖維作芯層的復(fù)合纖維，目前有PP/PE、PE/PET、PE/PLA等品種；聚酰胺類低熔點(diǎn)纖維則是指多元(三元或四元)共聚酰胺纖維，常見的有PA6/66/12、PA6/612/12、PA6/610/12、PA6/66/69、 PA6/66/610 、PA6/66/610/12、 PA6/66/69/12等品種[1]；而聚酯類低熔點(diǎn)纖維，則是以低熔點(diǎn)共聚酯為原料制成的纖維，有純組分纖維也有復(fù)合纖維，比較常見的有LPET/PET、PET/PBT等品種。

2 低熔點(diǎn)纖維的成型

目前低熔點(diǎn)纖維主要通過熔融紡絲法制得，因此，低熔點(diǎn)聚合物的制備和低熔點(diǎn)纖維的制備成為得到成品的關(guān)鍵步驟，現(xiàn)簡要說明制備低熔點(diǎn)聚合物涉及的改性機(jī)理和切片紡絲法所存在的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 低熔點(diǎn)聚合物制備

除了利用聚合物本身的低熔點(diǎn)特性，要降低聚合物的熔點(diǎn)，同時(shí)又盡可能不影響聚合物的可紡性，需對(duì)聚合物進(jìn)行改性，常見的改性方法有共聚改性和共混改性。

為得到低熔點(diǎn)聚酰胺，可將2種以上的聚酰胺單體進(jìn)行熔融共縮聚。由于聚酰胺的熔點(diǎn)與大分子鏈的側(cè)邊相互關(guān)系密切相關(guān)，即氫鍵指數(shù)越大，熔點(diǎn)越高，因此必須降低氫鍵指數(shù)，即破壞聚酰胺主鏈的結(jié)構(gòu)規(guī)整性，降低大分子鏈間(-NH-)與(-CO-)間形成氫鍵的幾率，從而減小酰胺鍵分子力的間隔，達(dá)到降低聚合物熔點(diǎn)的目的[2]。以上述理論作為依據(jù)，一種方法是通過在主鏈上引入側(cè)鏈或在酰胺基N原子上引入取代基，增加大分子的空間位阻，使分子鏈相互分開，形成徑向的不規(guī)則性排布。第二種方法是使連接在酰胺基N原子上的H原子被其他基團(tuán)所取代，減小極性鍵的作用。再者還可通過增加分子鏈中的亞甲基(-CH2-)數(shù)目，減小氫鍵的排布密度，或在主鏈中添加酯基(-COO-)、非共軛雙鍵等柔性基團(tuán)，來打亂分子間原本規(guī)則排列的氫鍵，使分子鏈間的作用力被大大削弱，導(dǎo)致在后續(xù)結(jié)晶過程中結(jié)晶度所需的長鏈段序列不能順利發(fā)展，生成無定形聚合物，最終達(dá)到降低聚酰胺熔點(diǎn)的目的[2]。

低熔點(diǎn)聚酯則可通過共聚和共混2種方法制得。從熱力學(xué)上講，線性聚合物的熔點(diǎn)與熔融焓變(ΔH)和熔融熵變(ΔS)關(guān)系如下：

Tm=ΔH/ΔS

ΔH與分子間作用力的強(qiáng)弱有關(guān)，而ΔS與熔化后分子的混亂程度相關(guān)。顯然，減少分子間作用力使ΔH減小或破壞分子鏈規(guī)整性使ΔS增大都能使聚合物的熔點(diǎn)降低。此外，從結(jié)晶的角度上考慮，結(jié)晶高聚物的熔點(diǎn)，取決于結(jié)晶程度及結(jié)晶形態(tài)的完整性，當(dāng)分子鏈規(guī)整性好、結(jié)晶完善、堆砌緊密時(shí)，熔點(diǎn)就高；反之，當(dāng)分子鏈的規(guī)整性遭到破壞，迫使結(jié)晶存在較多缺陷時(shí)，熔點(diǎn)就會(huì)降低。另外，若兩種高聚物共混，一種為結(jié)晶高聚物，另一種為非晶物質(zhì)或雖屬結(jié)晶性但無法形成共晶的物質(zhì)，所得結(jié)果也會(huì)使體系的熔點(diǎn)下降[3]。

若通過共聚途徑降低聚酯的熔點(diǎn)，根據(jù)日本專利的報(bào)道，可在聚合過程中添加第三組分和第四組分共聚，利用第三組份降低聚合物的熔點(diǎn)，第四組分改善高聚物的結(jié)晶性能?？晒┻x擇的第三組分有：脂肪族二元酸如已二酸、癸二酸及其酯類、芳香族二元酸(如領(lǐng)苯二甲酸、間苯二甲酸及其酯類)、二元醇如丙二醇、丁二醇等[2]。備選的第四組分則有己二醇、新戊二醇、聚乙二醇等。

除了共聚，還可通過共混法，在PET熔體中適量添加低分子助劑或其同系物，使混合體系的晶格出現(xiàn)明顯缺陷，增加結(jié)晶的不完善性，從而降低聚合物的熔點(diǎn)。

2.2 低熔點(diǎn)纖維的制備

3.3 作為綠色、安全的殺菌消毒劑，乙醇?xì)⒕c冷藏保鮮技術(shù)相結(jié)合可滿足鮮切荸薺的短期保鮮要求。該種保鮮方法有望用于鮮切荸薺的冷藏保鮮中，解決鮮切荸薺短期保鮮的難題。與其他保鮮方法相比，乙醇保鮮方法操作簡單、成本低廉且安全性高，有利于保持鮮切荸薺的品質(zhì)，提高鮮切荸薺的商品價(jià)值。

目前，熔融紡絲法是制得低熔點(diǎn)纖維的主要途徑，和普通纖維相比，主要特點(diǎn)是聚合物的熔點(diǎn)低，對(duì)紡絲過程中各項(xiàng)工藝參數(shù)都需要作出相應(yīng)的調(diào)整，對(duì)紡絲設(shè)備的要求也有所改變。

投料之前，在對(duì)原料切片進(jìn)行烘干干燥時(shí)，由于聚合物的熔點(diǎn)低，軟化點(diǎn)也隨之降低，切片容易發(fā)粘結(jié)塊，而且切片中的水分在高溫下汽化容易形成氣泡絲，直接造成紡絲斷頭和毛絲，不利于后續(xù)的紡絲。含水率高的切片在螺桿進(jìn)料階段容易導(dǎo)致環(huán)結(jié)阻料，直接中斷紡絲的進(jìn)行，因此，宜采用低溫長時(shí)的方式，干燥時(shí)控制溫度在玻璃化溫度和結(jié)晶溫度之間緩慢升溫，使切片有充分時(shí)間排除其表面和深層次的水分, 并產(chǎn)生預(yù)結(jié)晶。然后在切片結(jié)晶之后，再迅速升溫至烘料最高溫度盡可能降低切片的含水率，減輕其對(duì)紡絲的不利影響[4]。

若進(jìn)行復(fù)合紡絲，兩個(gè)組分復(fù)合的比例決定了纖維粘結(jié)性能的優(yōu)劣。若皮層比例低，無法體現(xiàn)材料的特點(diǎn)，且在紡絲過程中易造成皮層破裂；若皮層過厚，會(huì)影響正常紡絲,使得纖維的物理、機(jī)械性能下降。根據(jù)應(yīng)用要求,低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維的復(fù)合比一般在50:50 左右[5]。

在紡絲設(shè)備上，需對(duì)螺桿、組件、噴絲板等進(jìn)行適應(yīng)性改造，緩解低粘度熔體對(duì)紡絲的不良影響，如產(chǎn)生毛絲、氣泡絲等，同時(shí)，利用配套的特殊油劑[6]或卷繞輥與導(dǎo)絲輥直接拉伸的方式盡可能避免絲束間和單絲間的粘結(jié)。

3 國內(nèi)外發(fā)展概況

從上世紀(jì)70年代末開始，低熔點(diǎn)纖維逐漸進(jìn)入人們的視野，伴隨著非織造布行業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的品種被開發(fā)出來滿足多樣化市場的需求。從最早的低熔點(diǎn)聚烯烴纖維，到低熔點(diǎn)聚酰胺纖維，再到低熔點(diǎn)聚酯纖維，經(jīng)過數(shù)十年對(duì)產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，低熔點(diǎn)纖維材料品質(zhì)得到充分的提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，既實(shí)現(xiàn)了廠家降低能耗提高效率的需求，又滿足了市場的各項(xiàng)需求，已在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域占有重要的一席之地。

3.1 國外發(fā)展概況

烯烴類低熔點(diǎn)纖維除了日本窒素的ES纖維，丹麥Danaklon公司作為以生產(chǎn)聚烯烴熱熔纖維為主的生產(chǎn)廠家，在引進(jìn)窒素ES纖維技術(shù)的基礎(chǔ)之上開發(fā)了自己的系列產(chǎn)品(見表1)。此外美國塞拉尼斯公司生產(chǎn)的Celbond系列聚烯烴類復(fù)合纖維(產(chǎn)品規(guī)格見表2)，美國BASF公司開發(fā)的以PET為芯層，PE、PP為皮層的熱熔粘合復(fù)合纖維(產(chǎn)品規(guī)格見表3)也具有一定的市場占有率[8-9]。

表1 丹麥Danaklon 公司的產(chǎn)品規(guī)格

表2 美國塞拉尼斯公司的產(chǎn)品規(guī)格

表3 BASF公司的產(chǎn)品規(guī)格

3.2 國內(nèi)發(fā)展概況

相比于國外，國內(nèi)低熔點(diǎn)纖維的發(fā)展起步較晚，且品種比較單一，在原料、技術(shù)和設(shè)備上與國際領(lǐng)先產(chǎn)品還有一定差距，目前國內(nèi)的大部分產(chǎn)品還停留在開發(fā)階段，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的道路上還面臨著諸多困難。

1980年起，總后軍需裝備研究所和天津市化學(xué)纖維研究所經(jīng)過3年的努力共同開發(fā)了我國第一個(gè)專用低熔點(diǎn)粘結(jié)纖維——乙綸短纖維。由于當(dāng)時(shí)我國在復(fù)合紡絲上的技術(shù)尚不成熟，生產(chǎn)復(fù)合型粘結(jié)纖維比較困難，故而使用國產(chǎn)聚乙烯樹脂為原料進(jìn)行普通的熔融紡絲，以單一組分的低熔點(diǎn)粘結(jié)纖維為生產(chǎn)路線[10]，經(jīng)河南省紡織廳測試中心測定，纖維的各項(xiàng)指標(biāo)見表4。

自1985年7月乙綸在湖南省常德化纖廠順利投產(chǎn)以來，浙江、湖北、吉林等地的幾十家絮片廠先后利用這種低熔點(diǎn)乙綸取代了正在使用的丙綸。在使用過程中，低熔點(diǎn)乙綸在節(jié)能、提高絮片質(zhì)量、延長設(shè)備壽命、改善工作環(huán)境等方面都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，為我國非織造布產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。

表4 低熔點(diǎn)乙綸短纖維的物理性能表

1991年，大連合成纖維研究所承擔(dān)了“七五”國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目——《低熔點(diǎn)纖維的研制》，開發(fā)了D190和D250兩個(gè)型號(hào)的低熔點(diǎn)聚酯纖維。2種纖維分別為定取向結(jié)晶纖維和非取向無結(jié)晶纖維，熔點(diǎn)在180～200 ℃。研發(fā)過程中，通過在聚合過程中添加2種改性組分，降低共聚酯熔點(diǎn)的同時(shí)改善其結(jié)晶性能。熔紡時(shí)，采取縮短升溫溫度區(qū)間，延長每一升溫的保溫時(shí)間等措施緩解或消除低熔點(diǎn)切片在干燥過程中出現(xiàn)的顆粒粘結(jié)。通過調(diào)整卷繞張力，滿足了不同用途的特定需求，紡得的纖維單絲纖度分別為3.33dtex(D190)和5.56dtex(D250)。探究了牽伸對(duì)低熔點(diǎn)纖維的強(qiáng)力、伸長及初始熔點(diǎn)的影響，針對(duì)低熔點(diǎn)纖維的特性，在纖維后處理時(shí)提高了烘干速率，保證了成品的含濕率。經(jīng)過對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的改進(jìn)，大連合成纖維所研制的非取向無結(jié)晶低熔點(diǎn)纖維——D250，質(zhì)量基本符合熱壓閥電工絕緣非織造布的工藝要求，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平(表5)，為我國后續(xù)引進(jìn)制造電工絕緣聚酯非織造布提供了重要的原料來源，填補(bǔ)了我國在此類產(chǎn)品上的空白[11]。

表5 大連研制D250與國外同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

4 應(yīng)用開發(fā)

低熔點(diǎn)纖維的應(yīng)用開發(fā)正日益受到全世界的重視，不僅在紡織業(yè)被廣泛應(yīng)用，在輕工業(yè)和汽車工業(yè)也很受歡迎?？捎糜趤喐咝н^兩次材料、西施材料、包裝材料、纖維填充物、電池隔膜中的絕緣材料、汽車的頂部襯料、氈等；在土木工程上，用于片材、排水裝置、覆蓋材料、道路襯墊等；在衛(wèi)生用品方面，作為口罩、繃帶、手術(shù)衣的用料、布等的表面材料；在消費(fèi)品領(lǐng)域，用于袋泡茶、濕面巾、粘貼藥膏等易加工品，拖鞋、窗紙等家庭用品，墨筆芯、被子、筒型過濾器等成型品[12]。

5 展望及建議

低熔點(diǎn)纖維在開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)品多樣化等階段的發(fā)展在國外已經(jīng)較為成熟，而國內(nèi)這個(gè)領(lǐng)域的研究還面臨諸多問題，要全面趕上國際水平仍需繼續(xù)努力奮斗。一方面，我們可以借鑒國外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，引入進(jìn)口原料和設(shè)備與國內(nèi)的原料、設(shè)備進(jìn)行對(duì)比研究，探究兩者間存在的差異并對(duì)國產(chǎn)原料和設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，開發(fā)適合我國市場需求的系列產(chǎn)品；另一方面，也可以拋開國外的產(chǎn)品路線，結(jié)合國內(nèi)原料供應(yīng)的特點(diǎn)就地取材，利用一些聚合物自身所具有的低熔點(diǎn)特性，順應(yīng)新材料發(fā)展的大趨勢(shì)，開發(fā)一些全新品種如PBS、PES低熔點(diǎn)纖維，尋求不同的方式追趕該領(lǐng)域領(lǐng)先行者的腳步。

作為一種新技術(shù)，低熔點(diǎn)纖維的發(fā)展也從側(cè)面映射出世界非織造布工業(yè)發(fā)展的高速化和多元化，國內(nèi)外的產(chǎn)品在質(zhì)量、設(shè)備、工藝的水平上固然存在差距，但巨大的發(fā)展?jié)摿词俏覀儕^斗的動(dòng)力，我國對(duì)低熔點(diǎn)纖維的研究還任重而道遠(yuǎn)。

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Research Progress of Low Melting Fiber

CHEN Jia-yue1,2, ZHANG Bei-bo1, WANG Hua1,2, CHEN Li-ping1,2, QIN Jun1,2, YUE Hai-sheng1,2

(1.Sichuan Institute of Textile Science, Chengdu 610072, China；2.High-tech Organic Fibers Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072, China)

In the field of non-woven fabric production, low melting fiber was an important raw material of thermal bonding process. The definition, action mechanism, forming progress, development status and application development of LMF (Low Melting Fiber) at home and abroad were introduced. The development prospects were proposed.

low melting fiber; thermal bonding; copolyester; copolyamide; composite spinning

2016-06-10；

2016-06-22

陳佳月(1992-)，女，學(xué)士，主要從事高技術(shù)纖維的結(jié)構(gòu)與性能分析工作，E-mail：913318885@qq.com。

TS102.5

A

1673-0356(2016)07-0001-04