長絲芯類填充料的開發(fā)與研制

周宏輝

（中山宗德無紡科技有限公司，廣東 中山 528441）

1 保暖材料概況

人類憑借自己的智慧持續(xù)地追尋更實用的保暖材料。不管是有上千年歷史的蠶絲，還是近年涌現(xiàn)的高端羽絨；不管是優(yōu)質(zhì)的天然棉絮，還是質(zhì)輕的仿絲棉、水洗棉，在近幾十年人們物質(zhì)文化需求日益高漲、生活體驗愈發(fā)豐富的情況下，這些材料原有的缺陷（沉重、難壓縮、移位、板結(jié)、怕曬、怕潮、怕機洗）依然存在。因此，開發(fā)一款既輕盈又保暖、可機洗不位移、不怕潮、蓬松性好又易壓縮、耐用的高性能保暖材料，滿足國人日益增長的物質(zhì)文化需要，是紡織和非織造布科技工作者的不懈追求，也是一項重要任務(wù)。

目前，市面上的短纖類填充物，不論是噴膠粘合成型，還是熱熔粘結(jié)纖維粘合成型，或是兩者的結(jié)合；不論是化學(xué)功能性纖維，還是天然纖維，都存在下述問題或不足。

（1）蓬松性差，且蓬松性隨著使用周期的延長而降低；（2）不易壓縮（壓縮性差），體積較大，占用較大的空間，給儲存、運輸造成極大的不便；（3）容易分離并產(chǎn)生位移，形成塊狀，造成被褥、衣服、睡袋、枕頭、手套等在使用過程中產(chǎn)生冷斑，嚴(yán)重影響保暖性；（4）壓縮回彈性差，由于短纖類填充物本身壓縮性差，經(jīng)壓縮后，回彈性會隨著使用次數(shù)增加而顯著減弱；（5）不耐水洗和機洗，短纖類填充物基本不耐機洗，稍加機洗就會形成塊狀、團狀，有些短纖類填充物雖然耐水洗，但水洗次數(shù)有限，大部分都不耐水洗。

目前，市面上國產(chǎn)短纖填充物大部分用于中低端產(chǎn)品，極少數(shù)用于高端產(chǎn)品。被戶外愛好者津津樂道的T棉、P棉和C棉，幾乎占據(jù)了所有高端睡袋及其他戶外用品市場。世界前十大戶外品牌，如始祖鳥、北面、猛犸象等，戶外產(chǎn)品中的睡袋，特別是戶外高端睡袋（耐寒或耐極寒），填充物全部指定用T棉或P棉或C棉。這類用于高端產(chǎn)品的填充料都有一些共性：輕盈保暖、良好的蓬松性、壓縮率及回復(fù)率很高。運用具有這些共性的填充料成為未來的發(fā)展方向。

2 開發(fā)長絲芯類填充料的可能性

人們對物質(zhì)水平的追求，特別是在保暖材料方面，趨向于輕盈保暖、易打理的產(chǎn)品。短纖類填充料（絮片）的問題和不足制約了市場的深入發(fā)展和更高端的應(yīng)用。

長絲作為填充料，顯著的特點是非常輕盈、超強的蓬松性以及非常保暖，用較少的材料可以達到最佳的保暖性能，這樣可以降低裝備質(zhì)量，實現(xiàn)裝備輕量化。超強的壓縮性能又可以減小裝備的體積，便于野外作訓(xùn)攜帶；具有超強的壓縮回復(fù)性，反復(fù)壓縮仍能保持很高的回復(fù)率，保持產(chǎn)品的蓬松性，也就保證了產(chǎn)品優(yōu)異的保溫性能。長絲芯類填充料（保溫棉）不像其他短纖維噴膠棉、仿絲棉那樣因撕開或位移產(chǎn)生塊狀，因而不會像短纖維保溫棉或者羽絨那樣產(chǎn)生冷斑。因其特殊的3D結(jié)構(gòu)，長絲保溫棉能保持大量的空氣，發(fā)揮持久高效的保溫作用；可以水洗、機洗。

長絲芯類填充料（保溫棉）是新型絕熱保溫填充材料，性價比非常高，是軍隊服裝和戶外睡袋、雪衣、夾克、棉被、枕頭、手套等御寒用品的首選，也是高檔民用家紡和高檔戶外睡袋行業(yè)的首選，應(yīng)用前景廣闊。

3 長絲芯類填充料的制造方法

3.1 研發(fā)路線的選擇

化學(xué)短纖維填充料，包括仿絲棉和洗水棉，一般是通過非織造布制造方法實現(xiàn)的?；瘜W(xué)短纖維經(jīng)過混合、開松、梳理、鋪網(wǎng)、噴膠（針刺）、烘燥、卷取等工序獲得較為蓬松的噴膠棉（絮片）、仿絲棉或洗水棉。如何讓化學(xué)纖維長絲變成化學(xué)短纖維填充料？經(jīng)過調(diào)研、查閱文獻[1-4]，通過技術(shù)創(chuàng)新，決定采用傳統(tǒng)紡織和非織造布兩者相結(jié)合的方式自主開發(fā)研究路線。

3.2 研發(fā)方案的確定

根據(jù)研發(fā)路線的需要，第一步選擇材料；第二步設(shè)計制造專用的實驗設(shè)備，選購合適的配套設(shè)備；第三步完成實驗生產(chǎn)線的配套、改造和組合；第四步采取小試、中試、量產(chǎn)這種循序漸進、穩(wěn)妥的研制步驟，使產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)超過目前國內(nèi)仿絲棉、洗水棉的性能指標(biāo)。小試和中試在自主開發(fā)的小型實驗生產(chǎn)線上進行，量產(chǎn)在擴大版的實驗線上進行。

3.3 方案實施

3.3.1 原材料種類的選擇

本研究選擇了滌綸纖維長絲（DTY）、丙綸纖維長絲、再生滌綸纖維長絲、錦綸纖維長絲作為實驗用材料種類[1]。

3.3.2 原材料規(guī)格的選擇

材料種類確定后，選擇材料規(guī)格：300 D/96 f、 200 D/96 f、600 D/192 f、450 D/144 f。

3.3.3 專用設(shè)備的設(shè)計制造

要使長絲變得像短纖那樣有卷曲、有彈性、有較好的壓縮率和壓縮回彈性，就必須有專用的設(shè)備，因此，專門設(shè)計制造了一臺卷曲蓬松成型設(shè)備。為了保證優(yōu)良的蓬松性和壓縮回彈性，專門設(shè)計制造了一臺熱空氣收縮定型機和冷空氣松弛定型機。對非織造布生產(chǎn)工序中用到的鋪網(wǎng)機進行改造，使之能夠適合纖維長絲的鋪網(wǎng)。

3.3.4 工藝路線

工藝路線為：退紗→上扣分絲→拉伸→卷曲→鋪網(wǎng)→熱空氣定型→冷卻定型→（噴膠）→（熱烘）→壓燙→卷取→包裝。

將筒子架上退卷下來的多根化學(xué)纖維長絲通過分絲裝置，在卷曲蓬松成型的設(shè)備上依次進行拉伸、自然松弛，使得化學(xué)纖維長絲形成蓬松的螺旋卷曲狀。

將螺旋卷曲狀化學(xué)纖維長絲通過鋪網(wǎng)，形成均勻的、有一定厚度和寬度的纖維長絲網(wǎng)（芯類填充物雛形）。

將鋪網(wǎng)成型后的纖維長絲網(wǎng)通過熱空氣收縮定型和冷空氣松弛定型。根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的不同，可以向定型后的纖維長絲網(wǎng)噴灑膠水或膠粉，經(jīng)過烘燥壓燙，卷取包裝。

3.3.5 產(chǎn)品性能分析

經(jīng)過研發(fā)創(chuàng)新的專門實驗設(shè)備生產(chǎn)出來的長絲芯填充料（保溫棉）性能優(yōu)異，產(chǎn)品的有關(guān)實驗數(shù)據(jù)以常用規(guī)格120 g/m2為例，測試其熱阻、克羅值、蓬松度、壓縮彈性率（壓縮率、回彈率）、透氣率、水洗性能[5]。測試結(jié)果見表1。

表1 長絲芯填充料（保溫棉）性能測試

對長絲芯填充纖維生產(chǎn)的仿絲棉、洗水棉和噴膠棉樣品的性能指標(biāo)進行對比，并進行了性能指標(biāo)測試。對比結(jié)果見表2。

表2 長絲芯填充纖維生產(chǎn)的仿絲棉、洗水棉和噴膠棉樣品的性能測試

對小試和中試試樣進行分析測試、量產(chǎn)樣測試、同類產(chǎn)品對比，從表1～2可以看出：產(chǎn)品達到研發(fā)設(shè)計方案的要求，特別是蓬松度、壓縮率、壓縮回彈性這3個直接反映填充料性能優(yōu)劣的指標(biāo)，非常優(yōu)秀。高度蓬松的材料能夠容納更多的空氣，鎖住熱量。優(yōu)異的壓縮性能便于收藏，易壓縮、回彈性好，經(jīng)久耐用，主要性能指標(biāo)超過目前國內(nèi)其他的填充料，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，達到國際先進水平。

3.3.6 關(guān)鍵性能指標(biāo)的研究

長絲芯類填充料具有高蓬松度且輕盈保暖、易壓縮且易收納、壓縮回彈好、經(jīng)久耐用、可機洗、易打理等優(yōu)異性能，其關(guān)鍵性能指標(biāo)蓬松度、壓縮率和壓縮回彈性三者相對平衡，達到了高度統(tǒng)一。

3.3.6.1 長絲的卷曲度、排列方向與蓬松度

一般而言，在非織造布纖網(wǎng)中，排除其他因素的影響，纖維的卷曲度越大，纖網(wǎng)的蓬松性就越好。卷曲度與蓬松度的關(guān)系見表3和圖1。從實驗測試數(shù)據(jù)可以看出，兩者沒有必然的聯(lián)系，但仍然存在正切斜率為正的趨勢。

表3 卷曲度與蓬松度的關(guān)系

圖1 卷曲度與蓬松度的關(guān)系

長絲經(jīng)過拉伸卷曲蓬松成型設(shè)備處理后，沿絲的長度方向形成三維螺旋卷曲，絲與絲之間或相互糾纏，或相互穿插，或相互并列，形成一個三維立體結(jié)構(gòu)。如果卷曲度大的絲相互糾纏在一起，糾纏的絲越多，蓬松度受到的影響越大。

3.3.6.2 蓬松度與壓縮率、壓縮回彈性

長絲在纖維網(wǎng)中的排列方向會影響長絲芯類填充料（保溫棉）的蓬松度。專用拉伸卷曲蓬松設(shè)備將拉伸卷曲后的長絲進行了平行排列與垂直排列[6]，改善了纖維網(wǎng)的蓬松度，且蓬松度能夠在后續(xù)工序中繼續(xù)保持甚至提高。

長絲芯類填充料（保溫棉）就是一個纖維集合體[7]，纖維長絲的排列方向直接影響壓縮性能和壓縮回復(fù)性能。纖維長絲平行排列的蓬松性不及垂直排列，其壓縮率卻優(yōu)于纖維垂直排列。壓縮回彈性剛好相反，即纖維長絲平行排列的壓縮回彈性弱于垂直排列。正是因為長絲芯類填充料這個纖維集合體的特殊組織結(jié)構(gòu)，其蓬松性、壓縮率與壓縮回彈性得以高度平衡與統(tǒng)一。

4 問題和解決辦法

盡管長絲芯類填充料已經(jīng)可以在專門研發(fā)創(chuàng)新的實驗生產(chǎn)線上規(guī)模化量產(chǎn)，但要實現(xiàn)工廠化量產(chǎn)、產(chǎn)品市場化，還要進一步解決專用設(shè)備的設(shè)計簡化和操作優(yōu)化問題、加大市場宣傳推廣力度。

4.1 自主創(chuàng)新設(shè)計的專用設(shè)備操作復(fù)雜、難度大

自主創(chuàng)新設(shè)計的專用設(shè)備由于融合了多種工藝，集多功能于一體，具有操作復(fù)雜、難度大的問題，常常需要專人操作。這就需要融合紡織與非織造兩個領(lǐng)域多學(xué)科的知識，針對工藝技術(shù)要求，結(jié)合機電一體化，對現(xiàn)有設(shè)備進行機械設(shè)計改造和電氣控制改造，達到操作簡單、容易控制的效果。

4.2 產(chǎn)品的市場宣傳推廣與接受使用度亟待提高

相比于長絲芯類填充料，噴膠棉、仿絲棉、洗水棉采用的原材料短纖維變化多樣，稍微添加一些其他功能性纖維便可成為一個賣點。長絲芯類填充料所用的纖維長絲原料品種選擇有限，盡管產(chǎn)品本身的功能和性能非常優(yōu)秀，但對市場來說仍然沒有賣點，不但需要加大宣傳推廣力度，更需要各方大力支持。

5 結(jié)語

長絲芯類填充料研究開發(fā)的成功，解決了填充料高蓬松度和易壓縮的矛盾，能鎖住高熱能，解決了短纖維填充料常見的不易壓縮、不能機洗、壓縮回彈性差的問題。長絲芯類填充料的超輕盈保暖性、較好的干燥和潮濕環(huán)境保暖性、持久的蓬松性、優(yōu)異的壓縮性和壓縮回彈性，為家紡和戶外產(chǎn)品的品質(zhì)升級及新品開發(fā)提供了更為廣闊的選擇空間。用較少的原料、較低的成本，獲得輕盈保暖易打理、具有高蓬松高壓縮高回彈性、使用價值較高的產(chǎn)品，大幅度提高了品味與檔次，也為家紡和戶外產(chǎn)品進入高端市場奠定了基礎(chǔ)。