海岛纤维的制备

海岛纤维的制备刘瑛材料物理与化学2013010774前言海岛纤维的发展历程海岛纤维的特性海岛纤维的制备海岛纤维的应用总结主要内容海岛纤维的定义海岛纤维，又称为超共轭纤维、基质原纤型纤维，是由一种聚合物材料构成的芯组分（又称“岛”相或分散相）以纵向连续的形式分散于另一种聚合物材料构成的海组分（也称“海”相或连续相）中而形成的。又因分散相原纤在纤维截面中呈岛屿状态，因此称为海岛纤维。前言海岛纤维的横截面海岛纤维溶去海组分后获得超细纤维，去除岛组分则可得到呈蜂窝结构的多孔中空纤维。超细纤维中空纤维海岛纤维的分类海岛纤维有长丝和短丝两种。长丝是原纤有规则地连续分布在基质中，经过切断后也可制得各种长度的短纤；短丝是原纤不连续地分布在基质中，但其主轴与纤维轴一致。1.海岛纤维的发展历程海岛纤维最早在20世纪70年代初开发，最初主要用来生产仿麂皮绒织物1970年，日本东丽公司首先向市场推出了溶离型超细纤维（海岛型超细纤维）制造的人造鹿皮织物“ECSAINA，标志着海岛型复合超细纤维工业化生产的开始。1972年，日本中纺公司也成功开发了溶离型涤-锦复合纤维，商品名为“BELIMA”。近年来日本、韩国、中国台湾、美国和意大利等都进行了开发生产。日本、美国、欧洲地区海岛纤维均已工业化生产，技术相对完善，韩国、我国台湾也有一些相当具有代表性的产品。我国在20世纪70年代初开始研究海岛复合超细纤维，但到90年代才有实质性进展，“七五”期间列入了国家科技发展计划项目。2.海岛纤维的特性海岛纤维纤度极小，使织物手感柔软、滑爽，在舒适性方面具有明显的优势，可获得具有高密性、吸湿性、拒水性，并有独特的美观性和时装风格性的织物。同时可在织物表面形成多层结构，使织物的反光点小，光泽、色泽柔和,表观丰满、细洁、精致。纤维间空隙多而密，可利用其毛细管作用使织物获得较好的吸水、吸油性。另外适当改变纤维间空隙，可织成空隙仅为0.2μm~10μm的海岛高密织物，具有优良的防水透汽性能。织物间的微孔结构允许织物内拥有较多的静态空气，因而可获得较好的隔热保暖作用。海岛纤维它具有普通纤维所不能达到的优异性能，其主要特性如下:纤维抗弯刚度较小，容易使织物获得飘逸、潇洒的效果；芯层为高收缩丝，更赋予织物极佳的悬垂性和视觉的舒适性。纤维比表面积大，空隙多，使织物具有极强的吸尘性、去污性和过滤；纤维纤细柔软，可保护被清洁的物品不受伤，是高性能的清洁用产品。此外，海岛纤维织物不仅具有合成纤维的免烫、尺寸稳定性好和缩水率小等特点，还兼有天然纤维悬垂性好、吸湿透湿等优点。3.海岛纤维的制备海岛纤维制备的最基本原理是：先使两种或两种以上聚合物流体以皮芯型或并列型的方式形成复合细流，再把它们汇集在一起，像生产单一成分纤维那样从喷丝孔挤出，得到海岛型纤维。海岛纤维制备方法共轭复合纺丝法复合海岛纤维共混纺丝法共混海岛纤维3.1共轭复合纺丝法分别将两种聚合物进行预结晶、干燥后，在各自分别控温的螺杆机压机中熔融挤出、过滤、计量，送入纺丝箱体；纺丝箱体中有专门的复合纺丝组件，纺丝的两种组分从螺杆挤压熔融到纺丝箱体的路径是独立的，然后到复合纺丝组件瞬间实现复合过程。再经冷却、固化得到初生纤维；最后直接经上油、拉伸、定型、卷绕成成品丝，即海岛纤维。以碱溶性改性聚醋(COPET)/尼龙（简称PA6）海岛复合超细短纤维为例，COPET/PA6是以COPET为“海”组分，以PA6为“岛”组分，通过共扼复合纺丝技术及碱减量处理工艺生产出线密度为3.5~4.4dtex的超细纤维。COPET/PA6海岛复合超细短纤维生产工艺流程图主要工艺条件3.1.1预结晶及干燥COPET的预结晶是生产中的重要环节，其结晶度和均匀度直接关系到两种高聚物熔体的复合效果。为防止切片粘结现象的发生，采用空心楔型预结晶装置，尽可能提高热交换效率，缩短物料停留时间，避免物料之间因相互撞击而产生粉屑。预结晶温度不宜过高或过低，应控制在100~165℃较适宜，当结晶时间在18-23min时，结晶度可以达35%~41%，纺丝效果较为理想。COPET切片干燥采用充填塔式连续干燥工艺，干燥温度要求在165℃以下，干燥时间控制在8h之内，否则COPET在长时间高温条件下因热降解而发生切片粘连结块，很难达到工艺要求的切片干燥均匀度和含水率，不利于纺丝。PA6切片可采用低露点（-80℃）、低温空气干燥工艺，干切片含水在85μg/g以下。3.1.2复合比海相COPET与岛相PA6的复合比将直接决定复合短纤维开纤的难易，若海相比例高则开纤容易，但成品纤维的成本将变高，海相比例太低会造成并岛或丢岛现象，不利于成品纤维的开纤和染色。试验证明，生产3.5~4.4dtex的产品，当COPET/PA6为30/70时，成品纤维的开纤及染色性能均较好。3.1.3纺丝温度为了保证良好的可纺性，两种熔体的表观粘度应尽可能接近，避免熔体弯曲现象的发生，因此，可通过调整纺丝温度来控制熔体的表观粘度。在整个纺丝过程中，应根据海岛两相的物料特性对两种组分的纺丝温度及箱体组件温度，采用多套联苯热媒循环系统进行控制。在纺丝过程中，通常将COPET组分纺丝温度控制在275~285℃，以PA6组分的纺丝温度控制在268~280℃，而箱体组件温度一般控制在272~285℃时纺丝效果理想。线密度/dtex长度/mm断裂强度/（cN•dtex-1）断裂伸长率/%COPET/PA6卷曲数/(个/25mm)3.5~4.451±54.5±1≤5030/70≥163.1.4纺丝速度要提高海岛两种组分的复合效果，就要适当控制纺丝速度与后拉伸倍数。当纺丝速度达到1200m/min以上时，可纺性及初生纤维的复合成形较差，且易发生岛变形现象，不利于成品纤维的开纤处理，而纺丝速度过低又会导致产能下降，在实际生产中，将纺丝速度控制在800~1000m/min时效果较好。3.1.5卷曲定型在卷曲过程中，要尽量使卷曲轮的工艺温度与丝束的预热温度保持一致，通过增塑效应使复合纤维的杨氏模量下降，最终提高纤维的卷曲性能。在实际生产中，控制热定型温度为115~130℃时复合纤维的卷曲性能较好。在卷曲定型后不需松弛定型处理，经切断后即为海岛复合短纤维。海岛复合超细短纤维物理指标3.2共混纺丝法指将两种或两种以上的聚合物切片或熔体混合进行熔融纺丝，或将两种或两种以上的聚合物溶液或乳液混合进行溶液纺丝的纤维成型方法，所得纤维即为共混纤维，又叫双组分纤维或多组分纤维。原理：利用纺丝组分间的粘度差异，利用“双组分体系混合后，粘度高的组分趋向球形，作为分散相（微纤组分，即岛相），而低粘度的组分则作为连续相（基体组分，即海相）”的原理制备海岛超细纤维，PA6/LDPE海岛共混纤维制备工艺流程图以尼龙6（PA6）/低密度聚乙烯（LDPE）不定岛型海岛纤维为例，采用共混熔融纺丝法，可得到的海岛超细纤维纤度在0.001~0.01dtex。3.2.1切片质量切片的质量直接影响丝的可纺性和产品质量，主要包括切片黏度、单体和水分含量。PA6作为成纤物质，对工艺的影响最大。通过大量实验，我们总结出合适的切片指标要求。其中，PA6的水分含量要小于0.06%，灰分小于20mg/kg；而LDPE切片的水含量要小于0.10%，灰分含量小于0.01%。3.2.2海岛组分比的选择在非相容聚合物的共混纺丝时,共混两组分究竟哪一组分“海”，哪一组分为“岛”，通常取决于以下两个因素，一是共混组分的比例，即体积组成比在75%以上者易成“海”相，少于25%者易成“岛”相；二是共混两组分在纺丝温度条件下的熔体黏度比及熔体弹性，即熔体黏度及熔体弹性越大者越易成“岛”，反之成“海”。以PA6为“岛”，LDPE为“海”，PA6/LDPE=45/55~60/40均可得到比较好的海岛结构。一般采用PA6/LDPE=55/45，既保证海岛结构的稳定性,又提高了分散相的比例。区域一区二区三区四区五区六区七区温度℃1001251802602852852853.2.3纺丝温度熔融纺丝时，纺丝温度的高低直接影响到熔体黏度的大小。同时还对熔体细流的冷却固化效果、初生纤维的结构、拉伸性能、海岛界面结构都有很大影响。在生产过程中，纺丝温度过高，会使熔体黏度降低甚至热分解，使组件压力降低或出现波动，条干不匀率增大，毛丝及断头增多；若纺丝温度过低，会使熔体黏度过高，并发生局部破裂，可纺性变差。螺杆各部温度控制4.海岛纤维的应用4.1时装面料由于超细纤维的单丝根数比普通长丝多，纤维的表面积大，面料的透气性增加，通过无纺织布后，把非织造布作为基布，经过磨光、砂洗处理后，制成超天然面料，由于它的透气性、柔软性比天然纺织品优越，使化纤面料跻身于高档时装领域。4.2人造皮革超细纤维为基布的PU革，不仅具备与天然皮革相似的微观结构，良好的透湿性、尺寸稳定性，各项牢度优于天然皮革，而且避免了天然制品由于动物的种类、大小及部位的差别而造成的不匀度大、有效利用率小的缺陷。另外，PU革还克服了天然皮革由于自身蛋白纤维易受潮发霉、发臭现象，深受广大消费者的欢迎。4.3高性能揩布超细纤维由于纤度小，比表面积很大，柔软性好，吸水吸污力强，对薄薄的油膜进行擦拭后，不仅不会损伤基材，而且擦拭干净，不留残存物，可用作高性能揩布，例如高档擦镜布等。4.4高性能过滤材料超细纤维具有充填型和柔软性的特点和较高的强度，可发挥类似滤纸的作用，做成再生性能优异的超细过滤材料，例如高性能过滤布。4.5高性能纸张超细纤维制成的织物具有表面平整和容易上染的性能，可以用来制造能够进行细微线条印刷的鲜明印写用织物，即高性能纸张，该种纸张在水中也不会退色，所以可以用于印制特殊要求的印刷品。4.6生物医用材料超细纤维的粗细与生物细胞相近，能够获得生物体的适用性，在血球分离材料和各种生物体适用材料方面有广阔前景。5.总结海岛纤维是一种高附加值、高技术的新型纤维，兼具功能性和舒适性，是当代纺织业高新技术的汇集点，引发研究和生产热潮，目前正处于蓬勃发展时期。因此，对海岛纤维的制备以及其生产工艺进行研究与探讨是十分有必要的。同时，海岛纤维的开发必须将纺丝技术与织造、染整及服装加工结合起来，形成上下游一条龙，提高整体开发能力，惟此，海岛纤维产品才能具有生命力。