復(fù)合纖維材料的研究及發(fā)展*

李雪梅，薛孝川，林 海，黃潔希，王增喜

（廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東 廣州510245）

綜述與專論

復(fù)合纖維材料的研究及發(fā)展*

李雪梅，薛孝川，林 海，黃潔希，王增喜

（廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東 廣州510245）

綜述了復(fù)合纖維的發(fā)展歷史、主要原料、分類和研究現(xiàn)狀，然后分別從長(zhǎng)絲和短纖兩個(gè)方面介紹了復(fù)合纖維的生產(chǎn)技術(shù)，最后介紹了復(fù)合纖維及其產(chǎn)品的應(yīng)用，為行業(yè)及相關(guān)人員開展復(fù)合纖維技術(shù)的研究提供參考。

復(fù)合纖維；皮芯；并列；化學(xué)纖維

復(fù)合纖維，是指將兩種或兩種以上成纖高聚物的熔體或溶液，分別輸入同一個(gè)紡絲組件中，在組件中匯合并從同一個(gè)噴絲孔中噴出而成為一根纖維，其中，成纖高聚物因?yàn)槠贩N、組分、配比、黏度的不同使得復(fù)合纖維表現(xiàn)出各自不同的性能。在復(fù)合纖維中具有代表性的是雙組份纖維，雙組份纖維也稱為共軛纖維或異質(zhì)纖維，本文將以雙組份纖維為重點(diǎn)來(lái)介紹復(fù)合纖維的發(fā)展概況，為行業(yè)研究和生產(chǎn)提供參考。

1 復(fù)合纖維簡(jiǎn)介

1.1 復(fù)合纖維發(fā)展歷史

復(fù)合纖維的歷史可以追溯到十九世紀(jì)出現(xiàn)的雙組份玻璃纖維，到二十世紀(jì)三四十年代人們就開始了雙組份化學(xué)纖維的研究。到五六十年代，杜邦公司開發(fā)出了一種聚酰胺雙組份復(fù)合纖維 “Cantrese”，并將其進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用。到上世紀(jì)七十年代，雙組份纖維開始在亞洲國(guó)家興起，日本東麗、東洋紡，韓國(guó)可隆等許多公司俱投入研發(fā)、生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用，而且采用的都是高度復(fù)雜、昂貴的噴絲板組件。進(jìn)入上世紀(jì)八九十年代，為了滿足人們對(duì)復(fù)合纖維研發(fā)、生產(chǎn)的需要，對(duì)噴絲板組件的改進(jìn)研究開始成為熱門，推出的薄平板結(jié)構(gòu)噴絲板組件賦予了復(fù)合纖維關(guān)鍵設(shè)備靈活性和低成本優(yōu)勢(shì)，當(dāng)時(shí)有4家以上的機(jī)器公司都可提供雙組份纖維的相關(guān)設(shè)備、技術(shù)[1]。

1.2 復(fù)合纖維原料

可用于制成雙組份復(fù)合纖維的原料種類繁多，為了滿足復(fù)合條件，兩種原料的熔化溫度、黏度、界面的結(jié)合強(qiáng)度是考察重點(diǎn)，表1為幾種常用的復(fù)合纖維原料及其對(duì)應(yīng)的性質(zhì)。復(fù)合纖維的原材料可以是同類聚合物，也可以是不同類聚合物。

表1 幾種常用的復(fù)合纖維原料及其對(duì)應(yīng)性質(zhì)[2]

1.3 復(fù)合纖維的分類

根據(jù)各原料組分在復(fù)合纖維截面分布的不同，復(fù)合纖維可分為皮芯型復(fù)合纖維、并列型復(fù)合纖維等，如表2所示。

表2 雙組份復(fù)合纖維的分類

1.3.1 皮芯型復(fù)合纖維

皮芯型 （C/S型）復(fù)合纖維的芯層聚合物完全被皮層聚合物所包裹，皮組分和芯組分具有各自獨(dú)特的性能，可以彌補(bǔ)單一組分的缺點(diǎn)，賦予纖維獨(dú)特的組合性能，是一種十分通用的復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)類型。皮芯型復(fù)合纖維在高速紡絲拉伸變形的過(guò)程中，皮層組分在冷空氣的作用下先冷卻，黏度降低，在較大剪切應(yīng)力的作用下，其取向和結(jié)晶都會(huì)有別于芯層。

皮芯型復(fù)合纖維易于賦予纖維新的功能，在皮層或芯層材料中加入功能母粒，可使纖維表現(xiàn)出特殊效果。天津工業(yè)大學(xué)葉建忠等人[3]以對(duì)苯二甲酸丁二酯 (PBT)作皮層，混合有驅(qū)蚊母粒的聚丙烯 (PP)做芯層，采用熔融紡絲法，制備出具有藥物緩釋、長(zhǎng)效驅(qū)蚊功能的皮芯復(fù)合纖維，所得纖維表面光滑平整，皮芯復(fù)合良好。天津工業(yè)大學(xué)的丁致家等人[4]采用有機(jī)膦系G-77助燃劑共混改性后的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)作芯層材料，聚偏氟乙烯(PVDF)、自制阻燃母粒、共聚阻燃母粒、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)混合制作皮層材料，制得具有阻燃性能和疏水性能的皮芯復(fù)合纖維，所得纖維芯層LOI為28%，達(dá)到難燃級(jí)別，皮層中加入的PVDF使纖維對(duì)水的接觸角達(dá)到83.4°，具有疏水性能。劉鑫等人[5]采用聚丙烯 (PP)作為皮層，特殊改性共聚酯 (COPET)作為芯層，制得染色性、吸濕吸水性、抗靜電性均得到改善的皮芯復(fù)合纖維，所得纖維色澤鮮艷、服用性能良好。

1.3.2 并列型復(fù)合纖維

并列型復(fù)合纖維是指沿纖維長(zhǎng)度方向有兩種組分、纖維截面上兩種組分不完全相互包含的復(fù)合纖維，由于兩種組分不完全包含，當(dāng)兩組分具有不同的收縮性能時(shí)，由于力不均勻，纖維會(huì)呈現(xiàn)出卷曲或蓬松效果。并列型復(fù)合纖維通常有AB型、ABA型等多種復(fù)合方式。對(duì)于并列型復(fù)合纖維，兩種原材料的相容性是考察重點(diǎn)，相互間必須有好的粘附力，否則只會(huì)得到具有不同組分的兩種纖維，無(wú)法使兩種材料的性能得到復(fù)合[1]。

利用并列型復(fù)合纖維異收縮、三維卷曲、蓬松的特性、可以制成短纖用作填充物[6]，用在面料上也可使產(chǎn)品具有不同的手感和美觀效果，如果利用兩種組分在染色性能上的不同還可制造異色纖維。王春梅等人[7]采用自行合成的改性共聚酯 (COPET)和對(duì)本二甲酸丙二醇酯(PTT)切片制得并列型皮芯復(fù)合纖維，纖維具有耐氯漂、耐化學(xué)藥品性等優(yōu)良性能，且具有良好的卷曲性，當(dāng)纖維兩組分比為50/50時(shí)纖維的卷曲率和卷曲回復(fù)率最大。杜捷邏等[8]采用聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯 (PTT)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)制得并列型復(fù)合纖維，并用制得的復(fù)合纖維與棉、黏膠、羊毛等纖維混合紡制針織粗針毛衫織物，實(shí)驗(yàn)得到相較于PTT單組份的混紡毛衫織物，PTT/PET復(fù)合纖維所得的混紡毛衫面料具有更好的彈性、柔軟度、舒適性和懸垂性。為了考察定型溫度對(duì)并列型復(fù)合纖維的影響，張程等[9]以共聚醚酯 (COPEET)和高收縮聚酯 (HSPET)為原料制得并列型復(fù)合纖維，并采用不同的熱定型溫度考察其熱收縮性能的變化，實(shí)驗(yàn)表明熱處理溫度越高兩組分的熱焓差越大、其熱收縮性越強(qiáng)，當(dāng)熱定型溫度達(dá)到180℃時(shí)復(fù)合纖維縮率最大達(dá)52.65%。1.3.3 基質(zhì)-微纖型復(fù)合纖維

基質(zhì) -微纖型復(fù)合纖維是指一種聚合物的原纖分布于另一種聚合物的基質(zhì)中，原纖沿復(fù)合纖維的軸向排列，這種分布可以是規(guī)律性的也可以是隨機(jī)性的。基質(zhì)-微纖型復(fù)合纖維中比較常見的是裂片型和海島型，此外還有多層型和一些特殊型。

基質(zhì) -微纖型復(fù)合纖維多用于制造超細(xì)纖維，用于合成人造革、仿麂皮、超細(xì)過(guò)濾布等，比如裂片型復(fù)合纖維采用機(jī)械或化學(xué)方法使“片”分離可使纖維的比表面積增大、具有特殊手感，海島型復(fù)合纖維采用特殊方法將 “?！比芙夂螅渲械?“島”分別成為單獨(dú)的纖維，用此方法制得的超細(xì)纖維線密度可達(dá)1.0×10-2dtex。一些特殊制造的基質(zhì)-微纖型復(fù)合纖維還可用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于制造人造血管、人造瓣膜等。

何方明[10]采用聚酯 (PET)和聚酰胺 (PA)制得裂片型滌錦復(fù)合纖維，開纖后纖維直徑極小，單絲纖度可達(dá)0.1 dpf，用所得的超細(xì)纖維織成的仿真絲面料具有良好的手感、獨(dú)特的光澤和芯吸導(dǎo)濕特性，織得的超高密織物纖維間隙極低，織物無(wú)需涂層處理即能具有良好的防水透氣性能，用途十分廣泛。董振峰等[11]采用低密度聚乙烯 (LDPE)和聚己內(nèi)酰胺 (PA6)制備海島型復(fù)合纖維，所得纖維具有良好的可紡性，其超細(xì)纖維密度為0.08～0.11 dtex，可用于制造絨面革。李宏偉等[12]用自制含多壁碳納米管的抗靜電母粒，添加到聚丙烯 (PP)中制得基質(zhì)-微纖型抗靜電PP纖維，該纖維的抗靜電性能具有耐久性，且抗靜電母粒的加入對(duì)纖維性能無(wú)較大影響。

2 雙組份復(fù)合纖維的生產(chǎn)

雙組份復(fù)合纖維的生產(chǎn)有熔體紡絲法、溶液紡絲法和靜電紡絲法，溶液紡絲法又分為干 法紡絲和濕法紡絲，如圖1所示[12]。

圖1 復(fù)合纖維紡絲工藝流程示意圖[12]

2.1 復(fù)合纖維長(zhǎng)絲

對(duì)于復(fù)合纖維長(zhǎng)絲的生產(chǎn)，在干法紡絲中，雙組份熔體在噴絲板中匯合，經(jīng)過(guò)噴絲孔噴出形成初生絲纖維，如圖2、圖3所示，然后經(jīng)過(guò)冷卻、固化、拉伸、卷繞形成長(zhǎng)絲，不同原料種類、不同分類的復(fù)合纖維對(duì)應(yīng)不同類別的紡絲組件，同時(shí)對(duì)應(yīng)與之相匹配的紡絲溫度、紡絲速度、冷卻溫度等工藝條件。

以皮芯組分質(zhì)量比為50/50的聚酯/聚丙烯皮芯型復(fù)合纖維長(zhǎng)絲為列，當(dāng)紡制250 dtex/48 f規(guī)格的POY復(fù)合纖維時(shí)，其紡絲溫度為200～295℃，紡絲速度為2 600～3 700m/min，側(cè)吹風(fēng)溫度為14～20℃，所得纖維的斷裂強(qiáng)度為2.11 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為96.84%，所得的POY復(fù)合纖維長(zhǎng)絲經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚰訌椏梢杂糜谥圃斓靥?，具有阻燃、抗老化、抗倒伏的?yōu)良性能[13]。

圖2 雙組份復(fù)合纖維工藝示意圖

圖3 雙組份復(fù)合纖維組件示意圖

2.2 復(fù)合纖維短纖

復(fù)合纖維短纖的生產(chǎn)，許多用于加工成無(wú)紡布，工藝流程如圖4所示。雙組份纖維牽伸前的步驟與長(zhǎng)絲的生產(chǎn)相似，用于生產(chǎn)短纖的復(fù)合纖維可以不經(jīng)過(guò)卷繞，直接進(jìn)行卷曲和定型，然后切成短纖用于無(wú)紡布的生產(chǎn)[6]。

不同的熱處理方式，短纖加工成的無(wú)紡布具有不同的效果，比如熱風(fēng)黏合式生產(chǎn)的無(wú)紡布布面柔軟、蓬松、手感好、彈性好，但強(qiáng)度較低易變性；熱軋黏合式生產(chǎn)的無(wú)紡布則強(qiáng)度高、密實(shí)平整，且產(chǎn)量高、成本低，但柔軟性、手感方面就相對(duì)粗糙。雙組份復(fù)合纖維短纖紡黏無(wú)紡布技術(shù)還有針刺法、水刺法、化學(xué)黏合法等工藝方式。

圖4 雙組份復(fù)合纖維短纖紡絲工藝流程示意圖[6]

3 復(fù)合纖維的應(yīng)用

復(fù)合纖維的生產(chǎn)是在傳統(tǒng)單組份纖維的研究上發(fā)展起來(lái)的，雖然有所區(qū)別但總體步驟相似，兩種或多種不同性能熔體材料的復(fù)合可賦予纖維新的性能優(yōu)勢(shì)，用于各種各樣不同的產(chǎn)品中使風(fēng)格和效用千變?nèi)f化。

并列型復(fù)合纖維 (S/S型)由于其自身卷曲性能的優(yōu)勢(shì)，常被用于生產(chǎn)具有蓬松、彈性效果的織物，比如地毯、服裝、保溫材料等。對(duì)于皮芯型復(fù)合纖維 (C/S型)，利用其皮層和芯層兩種材料的熔點(diǎn)差異，可用于生產(chǎn)黏合纖維，在熱處理工藝中皮層較低熔點(diǎn)的組分先軟化、黏合在一起，有利于非織造布生產(chǎn)中纖維網(wǎng)的穩(wěn)定；皮芯型復(fù)合紡絲技術(shù)為纖維的設(shè)計(jì)方式提供了十分廣泛空間，比如將廉價(jià)、易得的材料用于芯層，將具有特殊性能的昂貴材料用于皮層，所得纖維不僅考慮了經(jīng)濟(jì)性，還可復(fù)合兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)。

復(fù)合纖維短纖在非織造布領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，產(chǎn)品用于醫(yī)療衛(wèi)生、生活用品，尤其一次性衛(wèi)生用品方面消耗量十分巨大，據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年我國(guó)非織造布的消耗量約為5.73億平方米。另外復(fù)合纖維由于其易獲得纖度小、毛細(xì)管芯吸效應(yīng)、不易磨損等方面的性能，在無(wú)塵紙、擦拭布等方面也得到應(yīng)用[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

目前全球化纖工業(yè)的新一輪技術(shù)革命正在展開， “大纖維”時(shí)代正在到來(lái)，功能化、差異化、智能化、綠色化已成為化纖工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，高性能纖維領(lǐng)域更是全球各國(guó)必爭(zhēng)的科技制高點(diǎn)，復(fù)合纖維技術(shù)作為高性能纖維的關(guān)鍵性實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一而越來(lái)越受到行業(yè)的重視。2016年4月美國(guó)宣布成立了 “革命性纖維與織物制造研究中心” （RFTMII），新型的革命性織物和纖維與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域緊密結(jié)合，產(chǎn)生了大量全新的應(yīng)用，很快成為了美國(guó)各著名高校和科研院所的研究開發(fā)熱點(diǎn)。

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STUDY AND DEVELOPMENT OF COMPOSITE FIBER MATERIAL

LIXue-mei,XUE Xiao-chuan,LIN Hai,HUANG Jie-xi,WANG Zeng-xi
(Guangdong Province Chemical Fiber Research Institute,Guangzhou Guangdong 510245,China)

Summarized the developing history,main raw materials,classification and research situation of composite fiber.Introduced the production technology from continuous filament and staple fiber two aspects. Recommended some application of composite fiber to industry and related technicians for reference.

composite fiber,core-sheath fiber,side-by-side fiber,chemical fiber

TQ342.94

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2017.01.004

1672-500X(2017)01-0016-06

2017-03-10

李雪梅 (1987-)，女，四川簡(jiǎn)陽(yáng)人，工程師，碩士，從事功能性纖維材料的研究工作。

廣東省屬科研機(jī)構(gòu)改革創(chuàng)新領(lǐng)域項(xiàng)目 (2014B070705011)