雙組分聚烯烴復合纖維的生產(chǎn)技術及應用現(xiàn)狀

毛緒國，王立誠，吳 彭，竇 娟，孫俊芬*，陳 龍

(1.中國石化儀征化纖股份有限公司，江蘇 儀征 211900； 2.東華大學 材料科學與工程學院，上海 201620；3.東華大學 纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620； 4. 中國化學纖維工業(yè)協(xié)會，北京 100020)

隨著人們物質生活水平的不斷提升、二胎政策的普及和人口的老齡化，人們對個人衛(wèi)生的重視程度越來越高，雙組分聚烯烴復合纖維(俗稱ES纖維)作為紙尿褲、衛(wèi)生巾的原材料越發(fā)受到重視。同時，2020年初，因新冠肺炎疫情的影響，醫(yī)療材料的需求大幅度增長，聚丙烯(PP)熔噴布作為醫(yī)用非織造材料受到高度關注[1]。

雙組分聚烯烴復合纖維最早由日本JNC公司開發(fā)，并于1977年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。雙組分聚烯烴復合纖維主要通過熔融復合紡絲技術進行生產(chǎn)，主要過程為聚烯烴與第二組分分別進行熔融和計量，輸送至紡絲組件并均勻地進入噴絲導孔，2種聚合物的熔體匯合最后經(jīng)過冷卻形成復合纖維。雙組分聚烯烴復合纖維特別適合通過熱黏合工藝制備成多種類型的非織造布，廣泛應用于衛(wèi)生醫(yī)療材料、保暖填充料等產(chǎn)品領域[2]。針對產(chǎn)品的不同應用領域，纖維組分結構的設計、紡絲設備與生產(chǎn)工藝的選擇是雙組分聚烯烴復合纖維生產(chǎn)技術的關鍵。與國外先進企業(yè)相比，我國雙組分聚烯烴復合纖維行業(yè)起步較晚，整體的自主研發(fā)和創(chuàng)新能力較為薄弱，雙組分聚烯烴復合纖維產(chǎn)品主要集中在國內中低端市場，國際市場被日韓美等國外先進企業(yè)壟斷，在技術水平、產(chǎn)品性能、品牌形象等方面均存在一定差距[3]。近年來，我國加大了雙組分聚烯烴復合纖維的研發(fā)力度，也取得了豐富的研究成果[4]。作者從雙組分聚烯烴復合纖維的性能出發(fā)，闡述了該纖維生產(chǎn)中對原料的要求以及生產(chǎn)工藝技術特點，并介紹了該纖維的應用領域和未來發(fā)展趨勢。

1 雙組分聚烯烴復合纖維的分類及性能

雙組分聚烯烴復合纖維包含2種組分，其中至少1種組分為聚烯烴類聚合物，用于制備雙組分復合纖維的聚烯烴類物質主要為聚乙烯(PE)和PP。根據(jù)組分的排列形式，常見的雙組分聚烯烴復合纖維可分為基質-原纖型、并列型和皮芯型，通過2種組分間不同的排列方式可以制備不同截面結構以及不同性能特征的復合纖維。

1.1 基質-原纖型復合纖維

基質-原纖型復合纖維根據(jù)組分的含量分別將2種組分定為基體相和分散相，2種組分間通常按照一定的規(guī)律相互交錯的分布，比較常見的分布形式包括橘瓣型、海島型。橘瓣型纖維的截面形狀類似于橘子的造型，很容易在紡織加工過程中發(fā)生剝離，剝離后纖維的表面積增大，手感、透氣透濕性能大幅度提高。海島型纖維的分散相組分均勻嵌在連續(xù)相組分中，2種組分聚合物經(jīng)螺桿熔融、噴絲孔高倍拉伸和剪切形變后，經(jīng)過拉伸和熱定型的工藝可以得到物理性能良好的高收縮纖維，還可利用聚烯烴耐酸堿的特性，通過溶解分散相能夠制備出更多特殊形貌的復合纖維。P.MOONEY等[5]制備了一種截面形狀為齒輪形的PP纖維，首先制備PP/聚乙烯醇(GP)的雙組分復合纖維，其中GP為高度無定形的類型，這樣的結構不僅能夠溶于水并且不會產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象；初生纖維中分散相均勻分布在纖維的外圈，類似于橘瓣狀分布，在經(jīng)過水萃取后就能夠得到齒輪狀的PP纖維，此種結構有望應用于制備超疏水結構纖維。

1.2 并列型復合纖維

并列型復合纖維各組分聚合物在纖維橫截面上呈并列分布。2種組分可以是不同聚合物，如PP/聚酰胺6(PA 6)、PP/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等；也可以是熔體流動速率不同的同種聚合物，如間規(guī)PP/等規(guī)PP。并列型復合纖維由于2種組分的干熱收縮率不同，纖維經(jīng)過熱拉伸和熱定型后產(chǎn)生收縮差，通?？捎糜谥苽涓呤湛s織物。隨著聚合物單體的設計技術不斷發(fā)展，利用彈性更加出色的聚烯烴共聚體制備復合纖維往往能進一步提高纖維的卷曲度。C.PRAHSARN等[6]制備了一種含乙烯辛烯共聚物(EOC)和PP的并列型雙組分復合纖維，所得EOC/PP雙組分復合纖維表現(xiàn)出自卷曲行為，復合纖維的卷曲度隨著EOC含量的增加而增加，EOC/PP質量比為50/50時復合纖維具有最高的卷曲度，這種自卷曲行為是由于EOC和PP之間的彈性和取向不同而產(chǎn)生的不平衡力，在紡絲過程中，纖維中的EOC和PP都被拉伸和變形；彈性大的EOC比PP更容易變形，增加EOC會導致纖維大量伸長，從而使纖維的直徑變小。

并列型雙組分復合纖維的截面形狀還有ABA型的三明治結構排列形式，這樣的結構可增加2種組分間界面的面積，得到的復合纖維不易分叉，能夠表現(xiàn)出更好的功能效果?？妵A等[7]制備了一種著色PP纖維，正是利用了ABA型復合纖維結構，其中纖維外層A為低熔點改性易染PET，纖維中間層B為PP，得到的復合纖維能夠進行深色分散染料的染色。R.HUFENUS等[8]制備了ABA型的雙組分復合纖維，其中纖維外層均為聚十二內酰胺(PA 12)，中間層為摻雜了碳納米管(CNT)的PA 6，中間層結構為薄層和楔形結構，雖然其含量不高，但能夠在纖維之間形成導電網(wǎng)絡，纖維具有優(yōu)異的導電能力，采用該纖維制備的防護服具有很好的抗靜電性能。

1.3 皮芯型復合纖維

皮芯型復合纖維中2種組分分別沿纖維縱向連續(xù)形成皮層和芯層，這是雙組分聚烯烴復合纖維最常見的截面結構形式。利用聚烯烴熔點低的特點，PE作為皮層能夠起到柔化觸感、熱黏合性強的作用；而芯層為PP或者PET以保證纖維的強度。這樣的皮芯結構除了可用于制備熱黏合非織造布外，還可通過皮層和芯層材料的多元化設計極大程度上豐富纖維的功能屬性與應用領域。F.A.REIFLER等[9]以環(huán)烯烴聚合物(COP)為芯層、四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯三元共聚物(THV)為皮層，制備了能夠應用于光纖的皮芯復合纖維，皮層的THV具有較低且穩(wěn)定的光折射率，保證芯層能夠穩(wěn)定進行光的傳導。

皮芯型復合纖維除了2種組分均為高溫熔融的聚合物體系外，近年來將芯層替換為液體制備液芯復合纖維也受到了關注。ZHU S等[10]以含有共晶鎵銦(EGaln)的液態(tài)金屬合金作為芯層、聚[苯乙烯-b-(乙烯-共聚-丁烯)-b-苯乙烯](SEBS)樹脂作為皮層制備了復合纖維，液態(tài)金屬通過針筒注射入中空SEBS，依靠金屬氧化物對纖維兩端進行封端，在拉伸率為700%的狀態(tài)下復合纖維仍能保持良好的電學性能。A.A.LEAL等[11]以飽和復合酯液體為芯層、PP作為皮層，制備了液體中空纖維，并用含表面活性劑的去離子水萃取纖維芯層的酯類物質，利用這種思路有望能夠制備含有2種內芯結構的復合纖維。

2 雙組分聚烯烴復合纖維的生產(chǎn)技術特點

2.1 原料的熔體流動性匹配

對于雙組分聚烯烴復合纖維而言，原料中2種組分的流動特性達到一定范圍內的平衡與匹配是關鍵。工業(yè)化生產(chǎn)中主要利用熔體流動指數(shù)(MFI)評價聚合物的流動性。一般來說，低MFI聚烯烴對應著相對分子質量高、支鏈較長和相對分子質量分布較窄，具有優(yōu)異的機械強度[12]，但在生產(chǎn)復合纖維時要求樹脂具有很好的流動性，研究表明聚烯烴的MFI為每10 min 15～25 g、相對分子質量為(7～12)×104時，基本能滿足復合紡絲的要求[13]。從2種組分的組合進行分析，最常見的為PP/PE和PP/PET。PP與PE都屬于聚烯烴，熔點上的差距不大，針對紡絲特性選擇合適的高MFI品種即可。對于PP/PET組合而言，PET熔點遠高于PP，因此通常應用于復合纖維芯層的PET均為低熔點品種。實現(xiàn)低熔點PET通常包括兩種方法，第一種通過添加改性助劑破壞PET的結晶以降低熔點；另一種則是從化學結構的設計入手，選擇合適的共縮聚單體(例如添加烷烴鏈更長的二酸和二醇單體)，降低主鏈的規(guī)整性，使得PET的本征熔點降低。對比兩種改性方法，后者的效果更好，特別是隨著PET熔體直紡的技術進步，通過從化學結構設計單體的方式更受到青睞[14]。

2種組分的復合配比也影響熔體流動性的匹配，并直接影響纖維的截面形貌。錢軍等[15]研究PET/PE復合纖維時發(fā)現(xiàn)2種組分的復合比需合理選擇，復合比過大，即皮層過厚，聚合物熔體在噴絲板匯合處的壓力差異過大，容易造成纖維的粗細不勻，嚴重時皮層會破裂，皮層和芯層會發(fā)生嚴重的剝離現(xiàn)象。對于PE/PP復合纖維，當PE和PP的MFI之比接近1.0時，纖維的橫截面呈皮芯型，當MFI之比大于1.5時，纖維的橫截面呈偏芯型，2種組分的復合比可以根據(jù)纖維性能要求在30/70～70/30變化[16]。

2.2 紡絲箱體與組件的設計

雙組分聚烯烴復合纖維生產(chǎn)中復合紡絲設備的核心是紡絲箱體，紡絲箱體的設計與纖維產(chǎn)品的最終形貌密切相關。通常，聚烯烴的熔點略低于其他聚合物的熔點，因此在原料熔點確定的條件下，紡絲箱體溫度的控制是制備雙組分聚烯烴復合纖維的技術關鍵。根據(jù)不同組分的化學性質，紡絲箱體內可以采用雙溫度系統(tǒng)，以達到精確控制各個組分的溫度，G.SCHUTT等[17]認為通過設計雙溫度系統(tǒng)的箱體管路，可縮短對溫度較敏感的聚合物例如聚苯乙烯、共聚聚酯、PA 6等在高溫環(huán)境中的停留時間，避免聚合物發(fā)生高溫降解。寧宇[18]在低熔點皮芯復合纖維的紡絲設備研究中，針對熔體分配管路及紡絲箱體采用2套加熱系統(tǒng)，保證2種組分單獨通過加熱介質進行保溫，而在箱體內主副箱隔離并進行精密控溫，防止不同組分的溫度相互影響導致熔體黏度的變化。對于雙組分聚烯烴復合纖維紡絲組件的設計，應綜合考慮雙組分聚合物的紡絲條件和生產(chǎn)運行的穩(wěn)定性。韓霞等[19]關于PET/PE復合纖維的組件研究中發(fā)現(xiàn)，隨著紡絲組件中靜態(tài)混合器圓盤數(shù)量的增加，復合纖維中分散相PET的分布均勻程度明顯提高，紡絲過程也更加順利，對于未經(jīng)共混造粒的復合纖維靜態(tài)混合器的圓盤應不少于6層。錢軍等[15]研究發(fā)現(xiàn)紡絲組件采用插管式分配板可以得到截面結構穩(wěn)定的纖維，并且該組合能夠滿足噴絲板孔數(shù)為800以上的紡絲要求，有效提高生產(chǎn)效率。寧宇[18]采用吊裝下裝杯型雙腔多層混流式紡絲組件，在組件中增加熔體分配杯，減少了熔體流動空間和停留時間，保證了最終復合纖維能呈現(xiàn)較好的皮芯結構。

2.3 紡絲工藝參數(shù)的調節(jié)

雙組分聚烯烴復合纖維生產(chǎn)中紡絲工藝參數(shù)主要包括紡絲溫度、冷卻成形條件、拉伸定形溫度等。對于紡絲溫度，應在螺桿熔融階段保證各組分按照各自熔體特性完全熔融并且保證熔體黏度滿足混合后的匹配要求進行調控。聚烯烴的紡絲溫度宜控制在230～260 °C。需要注意的是，由于聚烯烴與其他聚合物的熔點存在一定差異，紡絲溫度與紡絲速度的設置往往需要結合聚合物與紡絲設備兩者的要求進行調整。如：林海等[20]在高密度聚乙烯(HDPE)/PA 6復合纖維的紡絲研究中發(fā)現(xiàn)，PA 6螺桿區(qū)溫度為255～265 °C， HDPE螺桿區(qū)溫度為170～235 °C，紡絲溫度為265 °C，該溫度下可保持2種組分的組件壓力分別維持在13 MPa和15 MPa，紡絲中出絲順利，纖維的皮芯結構完整；李斯文[21]在對PP/PA 6和PP/PET復合纖維進行紡絲研究時，通過毛細管流變儀確定PP/PA 6的紡絲溫度為281 °C，而PP/PET的紡絲溫度為294 °C。

雙組分聚烯烴復合纖維的冷卻成形過程相對于單組分纖維較為復雜，由于2種組分的熔點、晶型和結晶速率上存在差異，導致在相同的冷卻成形和拉伸工藝條件下各組分的結晶與取向發(fā)展程度不一致，對纖維的機械性能產(chǎn)生影響。對于冷卻成形，林海等[20]在HDPE/PA 6復合纖維的研究中認為宜采取大風量、低風溫的形式進行冷卻，以減少2種組分熱傳導能力不同帶來的溫度梯度，選擇側吹風溫度為14～20°C、側吹風速度為0.8～1.5 m/s，冷卻成形效果好。對于拉伸溫度，聚烯烴為PE時由于其初生狀態(tài)下結晶度就較高，需要相對較高的拉伸溫度，適宜的拉伸溫度控制在60～80 °C[20]；而聚烯烴為PP時,其初生結晶度并不高，因此其復合纖維通常在室溫下拉伸即可[21]。對于拉伸熱定型的方式，劉金鑫等[22]在研究熱拉伸及熱定型過程對PE/PP復合纖維結構與性能的影響時，發(fā)現(xiàn)多級拉伸過程中纖維的取向度和結晶度逐漸增加，其中二級拉伸對纖維的取向、結晶度的提升最顯著；熱定型溫度宜控制在100～120 °C，若熱定型溫度低于110 °C，聚合物鏈的運動緩慢，需要增加熱定型時間，則影響生產(chǎn)效率。

3 雙組分聚烯烴復合纖維的應用

雙組分聚烯烴復合纖維中聚烯烴組分具有優(yōu)良的耐酸堿性能、化學穩(wěn)定性、電絕緣性和疏水特性，而第二組分又能提供纖維較好的機械強度。復合纖維經(jīng)過熱黏合加工后，得到的非織造布具有膨松、柔軟、滲透性好的特點，因而在醫(yī)療衛(wèi)生用品、民用紡織品、工程材料及電池隔膜等領域的應用越來越廣泛。

3.1 醫(yī)療衛(wèi)生用品

雙組分聚烯烴復合纖維最大的應用領域是一次性醫(yī)療衛(wèi)生用品，雙組分聚烯烴復合纖維是生產(chǎn)第三、第四代一次性衛(wèi)生用品表面包覆層非織造布的原料，也是N95口罩中熱風棉的主體材料。由于聚烯烴的熔點低，復合纖維具有優(yōu)良的熱黏合性能，通過熱風穿透黏合工藝能夠適應新型衛(wèi)生巾、紙尿褲生產(chǎn)線的高速生產(chǎn)。隨著醫(yī)療衛(wèi)生用品的性能要求越來越高，對于復合纖維織物的抗菌改性越發(fā)受到關注。陳露[23]將雙組分聚烯烴復合纖維與天然竹、麻纖維混合制備非織造材料，經(jīng)過抗菌劑整理后的織物的抗菌性顯著提升，采用有機硅季銨鹽整理后的織物經(jīng)過水洗15次后，其抑菌率仍能超過GB/T 20944.3—2008的規(guī)定值[24]。由于聚烯烴的親水能力較弱，對于需要具有一定吸水率的醫(yī)療衛(wèi)生用品來說，復合纖維的親水改性是該應用領域的研究重點。毛金露等[25]研制用于提高雙組分聚烯烴復合纖維親水能力的助劑，選取了聚醚硅油與表面活性劑復配，制備了HLB值(表面活性劑的親水親油平衡值)為8～13的聚醚硅油，經(jīng)較低HLB值的聚醚硅油紡絲油劑整理后的非織造布具備快速和持續(xù)滲透性能，其返濕量為0.10 g、表面比電阻為2.59×108Ω·cm，能夠基本滿足衛(wèi)生用品覆面材料的性能要求。

3.2 民用紡織品與工程材料

雙組分聚烯烴復合纖維在民用紡織品中的應用也較為廣泛，原因在于聚烯烴纖維的保暖性能較好，同時手感上較為柔軟、蓬松，特別適合作為填充料、地毯、汽車用壁材和墊材、棉胎、保健墊褥等。孫京輝等[26]以聚乳酸中空纖維和雙組分聚烯烴復合纖維為原料制備熱熔絮片，隨著聚乳酸纖維含量的增加，制備熱熔絮片所需的加熱溫度升高，熱熔絮片的保溫性增強，但蓬松度和壓縮性能呈下降的趨勢，聚乳酸纖維與雙組分聚烯烴復合纖維的質量比為7:3、加工溫度為128 °C、熱風穿透時間為1 min時，熱熔絮片綜合性能較好，適用于服裝和家紡填充料。韓娜等[27]以相變材料為芯材，PP為皮層，采用復合熔融紡絲法制備了儲熱調溫功能的復合纖維，隨著相變材料含量的增加，纖維的溫度調節(jié)能力增加，熱焓值可提高至36～40 J/g，纖維的斷裂強度和斷裂伸長率分別為2.3 cN/dtex和29%，能滿足紡織加工要求。

除了民用紡織品領域，雙組分聚烯烴復合纖維在工程材料領域的應用也日漸增多。雙組分聚烯烴復合纖維在進行熱黏合加工時較為靈活，很適合工業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應用于過濾材料、絕緣材料、硬質纖維板、吸附過濾材料等。周晨等[28]以未駐極的雙組分聚烯烴復合纖維熱風非織造布為原料，對其進行電暈駐極處理，熱風非織造布的纖維線密度越小、面密度越大，材料的駐極效果愈好；駐極前后織物的過濾效率有著明顯提升；但由于雙組分聚烯烴復合纖維熱風非織造布本身較粗、空隙較大，對于微小顆粒的過濾效果并不理想，因此更加適合應用于較大顆粒的過濾材料。

3.3 電池隔膜

隔膜材料在電池材料中占有非常重要的地位，其主要作用就是隔絕正、負兩極間相互接觸、防止內部短路，但同時又要保證正、負離子能夠穿透多孔薄膜快速通過，從而完成電化學反應過程中離子的快速遷移。隨著電池越做越小巧、電池容量與密度的要求越來越高，對電池隔膜的穩(wěn)定性、離子傳輸能力的要求也越來越高[29]。聚烯烴纖維由于較好的耐腐蝕特性，特別是低熔點的雙組分復合纖維可以通過加熱進行黏合，從而避免了黏合劑的添加，因此將復合纖維非織造布用于電池內部隔膜非常合適。

但同樣由于聚烯烴的結構無極性，復合纖維制成的薄膜親水性較差，容易降低電池內部的離子交換反應。因此，對用于電池隔膜的聚烯烴非織造布通常需要改性處理，主要方法包括接枝法、表面親水處理法、與親水化物質共混法和纖維結構微孔化法等[30-31]。這些處理方法的共同點是在隔膜機械性能損傷程度可接受的范圍內，在隔膜表面引入大量的親水或活性基團；或者增加表面溝槽數(shù)量提高粗糙度，增強表面毛細效應和表面能，從而提升表面積與親水能力。例如，劉希夷等[32]將經(jīng)過等離子體改性的接枝PP纖維與雙組分聚烯烴復合纖維進行復配采用標準漿料疏解器疏解纖維，進行抄紙并干燥，最后利用雙組分聚烯烴復合纖維的皮層熱壓下熱黏結獲得電池隔膜紙，熱壓溫度為135 °C時紙張的各項性能指標較好，吸堿率為130%，抗張指數(shù)為24.1 N·m/g。

4 結語

雙組分聚烯烴復合纖維從截面結構來分可分為基質-原纖型、并列型和皮芯型，皮芯型結構纖維是應用于熱黏合織物的主要原料。在雙組分聚烯烴復合纖維的生產(chǎn)中，除了選擇合適的原料進行復合紡絲，也需要通過紡絲組件的設計以及工藝參數(shù)的調控配合，以實現(xiàn)2種組分熔體的流動性匹配，以滿足最終產(chǎn)品的性能要求。

雙組分聚烯烴復合纖維在醫(yī)療衛(wèi)生用品、民用紡織品、工程材料以及電池隔膜等領域的應用越來越廣泛。雖然復合纖維的抗菌、親水、保溫等性能的改進已有所突破，但現(xiàn)有的技術也還難以滿足紡織品智能化、多功能化的要求。隨著配位聚合催化體系的發(fā)展進步，含極性功能基團的共聚改性聚烯烴的制備技術愈發(fā)成熟，通過引入極性基團以改變聚烯烴分子鏈的結構，實現(xiàn)更加多樣化的應用正成為研究熱點[33-34]。若能將更加先進的功能化聚烯烴共聚物與復合纖維技術相結合，雙組分聚烯烴復合纖維將朝著高端產(chǎn)品發(fā)展，并應用于高端材料領域。