中空纖維制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展

李 健，劉夢麗

(湖北歐創(chuàng)紡織裝飾有限公司，湖北黃石 435000)

中空纖維制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展

李 健，劉夢麗

(湖北歐創(chuàng)紡織裝飾有限公司，湖北黃石 435000)

中空纖維作為一種重要的差別化纖維，因其特有的結(jié)構(gòu)而賦予纖維、織物特殊的性能，通過纖維功能化來提高產(chǎn)品附加值并拓展應(yīng)用領(lǐng)域。從中空纖維的制備方面，對熔融紡絲、溶液紡絲、復(fù)合紡絲等進行了論述，并針對紡絲條件對成紗質(zhì)量的影響進行了分析，最后對中空纖維的結(jié)構(gòu)與性能進行分析。通過對中空纖維應(yīng)用的前景展望，探討了中空纖維無論是在紡織服裝領(lǐng)域還是在膜分離領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

中空纖維 制備技術(shù) 熔融紡絲 溶液紡絲 復(fù)合紡絲

0 前言

中空纖維是一種沿軸向具有管狀空腔的異形截面化學(xué)纖維。通過其結(jié)構(gòu)的特殊性而展現(xiàn)出質(zhì)輕保暖、手感好、壓縮回彈好、蓬松性好等優(yōu)良性能，可用于內(nèi)衣、休閑服飾、冬季服飾的面料開發(fā)，也可以用作被子、枕頭、仿羽絨服、玩具的填充物，尤其是以聚酯類中空纖維在紡織服裝領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。此外，中空纖維也可以用于過濾膜材、復(fù)合材料的開發(fā)，也可被用于工業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域，也有許多研究表明中空纖維液相微萃取技術(shù)在對化學(xué)樣品進行前處理時具有成本低、高效且能與多種分析儀器聯(lián)合使用等優(yōu)點，是分析化學(xué)研究的熱點領(lǐng)域之一。由于天然纖維中的羽絨、北極熊毛、兔毛、木棉等，都有一定的髓腔，而這些纖維都具有良好的保暖、回彈等性能，因此中空纖維在模仿天然纖維的基礎(chǔ)上，再結(jié)合自己本身的優(yōu)良特性，而展現(xiàn)出特有的魅力。中空纖維的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，主要是通過異形噴絲板，采用熔融紡絲或濕法紡絲或復(fù)合紡絲技術(shù)紡制而成，既可以直接紡出中空纖維，也可以通過復(fù)合后溶出中間部分間接得到中空纖維[4]。上世紀(jì)60年代末，日本東洋紡就通過異形噴絲板生產(chǎn)出中空滌綸短纖來制造聚酯絮棉，而隨著該技術(shù)的不斷深入與發(fā)展，中空纖維也從單一圓孔發(fā)展到三孔、四孔、七孔、九孔等，而孔的形狀也有三角形、四邊形、梅花形等，見下頁圖1。而紡絲原材料也從聚酯類發(fā)展到聚酰胺類、聚丙烯類、聚砜類、芳香雜環(huán)類、粘膠類等有機材料以及碳纖維、氮化硅等無機材料。中空纖維制備技術(shù)在國內(nèi)外化纖、紡織行業(yè)中也取得飛速發(fā)展，國外主要有日本的東麗、帝人、旭化成、鐘紡、可樂麗，韓國的曉星以及美國的杜邦等，在中空纖維制備與生產(chǎn)方面有著深入研究。而我國針對中空纖維的研究與生產(chǎn)起步相對較晚，主要是從上世紀(jì)80年代中后期開始有科研機構(gòu)研制出中空纖維生產(chǎn)工藝，90年代開始隨著人們生活水平的提高對產(chǎn)品也有了新的要求，差別化纖維得到了進一步發(fā)展，滌綸中空纖維需求也在進一步增長，我國的滌綸中空纖維還主要是依賴進口，直到90年代末隨著我國化纖工業(yè)的發(fā)展以及國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)中空滌綸纖維產(chǎn)能大大增加，而目前關(guān)于中空纖維的生產(chǎn)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)許多化纖企業(yè)都有獨立的生產(chǎn)線，比如羅萊化纖、儀征化纖、恒力化纖、盛虹化纖等， 都能生產(chǎn)出多品種的中空纖維[5-7]。

圖1 三孔中空纖維截面(無油絲)

1 中空纖維的結(jié)構(gòu)與性能

中空纖維在形態(tài)結(jié)構(gòu)上都具有一條或多條空腔，空腔截面可以是圓形也可以使異形。中空結(jié)構(gòu)的存在賦予了纖維特殊性能，從結(jié)構(gòu)上來講空腔的存在則減少了原聚合物的用量，單位面積下的中空面料質(zhì)量更輕，如果將中空POY原絲進行假捻變形加工，得到的中空DTY紗線具有明顯的蓬松效果。因為有空腔的存在，纖維的毛細(xì)效應(yīng)會增強，相對中實絲而言吸濕效果明顯改善，如果中空帶微孔，若中空部分與微孔相通，則可以形成導(dǎo)水和擴散[8-9]。纖維內(nèi)部中空小孔的存在既可以阻止外部濕冷氣流的侵襲也可以防止內(nèi)部熱量向外部擴散，利用其中空阻熱的原理開發(fā)出保暖服飾面料和家紡產(chǎn)品[10]。利用側(cè)吹風(fēng)不同風(fēng)速開發(fā)出非對稱冷卻中空纖維，由于纖維壁的結(jié)晶、取向不均勻，出現(xiàn)三維卷曲狀，增加了中空纖維或織物的彈性。

2 中空纖維制備技術(shù)研究現(xiàn)狀

根據(jù)聚合物的特性以及成絲性能的要求，中空纖維的制備方法主要有熔融紡絲、溶液紡絲、復(fù)合紡絲。熔融紡絲技術(shù)已相對成熟，大多企業(yè)在生產(chǎn)中空纖維時也是以熔融紡絲為主。

2.1 熔融紡絲

熔融紡絲主要是將聚合物切片熔融后通過噴絲板或連續(xù)聚合直接通過噴絲板來獲得纖維，在這個過程中包含著聚合物熔化，紡絲流體流動與形變，絲條的固化、結(jié)晶與成型，并伴有再結(jié)晶過程。而這種熔融直接紡中空纖維主要是將熔融聚合物通過異形噴絲板來獲得。中空纖維中空度、條干均勻度、強伸性能等是反映其物性的重要指標(biāo)。而在紡絲過程中，切片的水分率、組件設(shè)計、紡速、紡絲溫度、環(huán)(側(cè))吹風(fēng)溫度與速度等都對其成絲性能有著重要的影響[11-12]。

(1)噴絲板的設(shè)計作為生產(chǎn)出中空纖維的重要環(huán)節(jié)，主要是將數(shù)個不連續(xù)的弧形或直線狹縫設(shè)計組合在一起，主要是根據(jù)聚合物熔體在固化前發(fā)生Barus效應(yīng)[13]而粘結(jié)在一起，冷卻固化后形成異形纖維。對于噴絲板的設(shè)計還要考慮到微孔面積、狹縫寬度、區(qū)間間隙、微孔熔體平均流速、噴絲頭拉伸比等因素，微孔面積影響到熔體流速、剪切速率以及孔口脹大程度，進而影響是否能真正常紡絲。狹縫寬度大小影響到聚合物單孔吐出量，如果狹縫太寬則會表現(xiàn)出纖維中空度小，反之狹縫寬度太小則中空纖維壁太薄進而影響中空纖維穩(wěn)定性。區(qū)間間隙由紡絲工藝(紡POY或者FDY)、噴絲板材質(zhì)、聚合物等方面因素決定的，聚合物熔體流出噴絲板后必須能有效的粘合在一起。

圖2 圓中空噴絲板微孔形狀

圖3 三角中空噴絲板微孔形狀

(2)紡絲溫度可以影響熔體表面張力和流動性能，對纖維截面形狀影響較大。紡絲溫度升高，聚合物熔體粘度下降，流動性能增加，通過噴絲孔時膨脹率下降，熔體表面張力減小，中空度會降低；但是紡絲溫度偏低，聚合物熔體粘度大，流動性變差，熔體表面張力與形變阻力增大，雖然可提高中空度，但對噴絲板以及組件壓力都會產(chǎn)生一定影響，從而影響可紡性[14]。

(3)風(fēng)速(環(huán)吹風(fēng)或側(cè)吹風(fēng))、風(fēng)溫對纖維成形影響較大，尤其是條干的均勻性，提高風(fēng)速，可以加快冷卻，加強纖維截面的不對稱結(jié)構(gòu)從而獲得潛在卷曲更好的初生纖維。但是風(fēng)速偏大，冷卻速度過快，會引起絲條震蕩，出現(xiàn)飄絲造成工藝?yán)щy，而且原絲取向度會增加、拉伸性能變差等，尤其是側(cè)吹風(fēng)裝置，如果風(fēng)速過大容易造成內(nèi)外側(cè)絲條受冷不均勻，出現(xiàn)取向、結(jié)晶不平衡而產(chǎn)生的非對稱狀況[15]。風(fēng)溫低則使絲條冷卻條件加劇，也可以獲得高中空度，但會影響原絲拉伸性能。因此在設(shè)計工藝條件的時候在基于纖維物性與紡絲狀況良好的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高風(fēng)速、降低風(fēng)溫，來獲得較高中空度的中空纖維。

(4)此外，紡速、冷卻距離、給油等對紡絲也會產(chǎn)生一定的影響，這和聚合物種類以及紡絲方式也有密切的聯(lián)系。紡速增加如果要保持原設(shè)計纖度那么計量泵泵供量和單孔吐出量會增加，聚合物熔體在噴絲孔的流速也會增加，流動剪切速率增大，孔口脹大現(xiàn)象加劇，中空纖維壁增大而中空度會減小，而且紡速增大會使紗線斷頭率增加，毛絲增多影響可紡性能。有研究表明分別選用80cm、90cm冷卻距離進行紡高速滌綸中空FDY時，80cm時纖維強度略高，紡絲穩(wěn)定、條干不勻低，能達(dá)到所需中空度。紡絲油劑的選擇主要是根據(jù)后續(xù)加工而定，給油位置對成紗質(zhì)量也有著重要影響。

對于以中空噴絲板為基礎(chǔ)的直接紡中空纖維的方法，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者也作了諸多研究，姜勇剛等[16]以聚碳硅烷(PCS)為原料經(jīng)C型噴絲板熔融紡絲制備出C型、中空聚碳硅烷原絲，再經(jīng)不熔化和高溫處理后得到C型或中空截面碳化硅纖維，紡絲溫度以及后處理工藝中的不熔化及燒成溫度對異形度的影響較大。楊元坤[17]從噴絲板設(shè)計與紡絲工藝方面對高速紡滌綸POY中空纖維、滌綸FDY中空纖維進行了探討，從紡速、熔體溫度、拉伸比等方面對中空度的影響作了說明。趙瑞輝[18]將細(xì)旦中空滌綸短纖維熔融紡絲動力學(xué)與計算機技術(shù)相結(jié)合，對熔融紡絲工藝進行優(yōu)化，全面提高纖維品質(zhì)。

2.2 溶液紡絲

溶液紡絲主要是將高聚物濃溶液從噴絲板擠出，根據(jù)固化方式的不同又分為干法紡絲和濕法紡絲，干法紡絲主要是在熱空氣中形成纖維，濕法紡絲則要通過凝固浴析出而形成纖維。粘膠纖維通常采用濕法紡絲，通過用化學(xué)試劑溶解纖維素纖維或者蛋白質(zhì)纖維，再通過噴絲板進行紡絲，紡出絲經(jīng)過冷水浴冷卻成型，這種方法制得的纖維強度相對熔融法制得纖維強度較低。采用濕法紡絲技術(shù)生產(chǎn)中空纖維，纖維的中空度主要是通過控制噴絲板中噴絲孔的大小、原液種類以及紡速來決定，而濕法紡絲技術(shù)制得的中空纖維常用作過濾膜。

2.3 復(fù)合紡絲

中空纖維的復(fù)合紡絲主要是將具有不同溶解性的聚合物熔體進行紡絲，成型后溶去中間組分，而使剩下的纖維具有軸向空腔的方法，比如在使用芯鞘、海島等類型噴絲板時，芯組分或者島組分采用易溶解聚合物，成型后再溶去芯組分或島組分，則可以得到單孔或多孔中空纖維。這種間接式的方法可以避免直接熔融紡絲法中的拉伸、卷取、摩擦等作用使孔變形而降低了中空率，而且還可以控制各組分在纖維截面上的比例，這種方式制備的中空纖維中空度可達(dá)40%。而在雙組份并列中空纖維，根據(jù)兩種聚合物熔體的粘度差，熔體在流經(jīng)噴絲孔時受到剪切力不同導(dǎo)致斷面上內(nèi)應(yīng)力的差異從而產(chǎn)生潛在的卷曲，再經(jīng)過后加工的拉伸、熱定型后可以得到三維中空卷曲纖維。如果構(gòu)成中空纖維的熔體中共混入特殊的微細(xì)孔形成劑，而在后處理過程中再溶解掉該部分，則可得到許多貫穿纖維表面與中空部分的細(xì)孔，從而得到微孔中空纖維[19-20]。關(guān)于中空纖維的復(fù)合紡絲法，許多學(xué)者也作了相應(yīng)的研究，劉鑫等[21]采用聚丙烯(PP)為皮層、特殊改性共聚酯為芯層的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維，再用堿溶液溶去芯層得到中空度為30%～50%的中空纖維，這種中空PP纖維密度更低。楊旭儉[22]等采用乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)與聚丙烯的共混物為芯層，PP為皮層采用熔融紡絲法制得皮芯復(fù)合中空纖維。秋庭英治[23]通過以海島纖維(海成分為聚酯，島成分為exceval T M水溶性樹脂)，在90℃熱水中處理30min溶出島成分，從而得到多空中空纖維，中空度達(dá)40%，比重只有0.83g/cm3，如下頁圖4所示。西村正樹[24]也通過對微孔中空纖維的研究，試驗發(fā)現(xiàn)中空度為38%的中空纖維筒編物導(dǎo)水速度達(dá)55mm/min，驗證了中空纖維具有輕量性、保溫性、導(dǎo)水?dāng)U散等特性，同條件下普通纖維筒編物導(dǎo)水速度為15mm/min，在功能面料素材的開發(fā)中具有較大潛在價值，中空纖維截面見圖5。

圖4 熱水溶出前后多孔中空纖維截面圖

圖5 中空纖維截面圖

3 中空纖維制備技術(shù)存在的問題

中空纖維雖然具有諸多優(yōu)點，但也有一些地方需要改善：(1)中空纖維截面是中空形態(tài)，直接法紡出的中空原絲(UY、POY等)并不能直接運用，而后序的拉伸或加彈變形加工中容易使中空壓扁或變形，中空度降低，而且中空會減弱原纖維部分性能，做成織物后，持續(xù)使用，效果的保持性差；(2)從理論上講中空度越高越好，但過高的中空度會導(dǎo)致纖維易被壓縮且不易加工，而且容易使纖維壁發(fā)生破裂；(3)復(fù)合紡絲法生產(chǎn)出的中空纖維，由于要溶解掉中間部分，會增加原料成本。這里面有許多因素都是需要再考慮的；(4)中空纖維兩端開口不利于保持在空腔中填充物的性能以及限制了在拒水功能方面的應(yīng)用等。中空纖維經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，從聚合物選擇、紡絲組件設(shè)計、工藝流程設(shè)計等方面都已經(jīng)比較成熟，而且中空纖維已在多領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用，如何進一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，增加產(chǎn)品的附加值也是今后研究的重點，以及克服在研究與生產(chǎn)中所遇到的問題，開發(fā)出符合擁有市場的新型中空纖維[25-27]。在開發(fā)中空纖維過程中，包括細(xì)旦中空纖維、高速紡中空FDY，通過在纖維的中空部分內(nèi)填充熱敏材料開發(fā)出具有溫控纖維，以及抗紫外、抗靜電等功能化纖維的開發(fā)[28]。而且中空纖維在作為過濾膜材的重要原材料，在當(dāng)今環(huán)保節(jié)能的主題下，以及實現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展中都具有重要作用。

4 展望

中空纖維作為一種差別化纖維，通過其本身的結(jié)構(gòu)和特性來提高產(chǎn)品的附加值。雖然滌綸、錦綸中空纖維等在民用紡織品里面應(yīng)用較多，技術(shù)也在日趨成熟，成套的工藝設(shè)備與生產(chǎn)流程也在進一步的完善，更深層次的研究和工藝優(yōu)化還在不斷探索中。中空纖維在紡織服裝、膜分離領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，那么從原料、結(jié)構(gòu)、工藝、用途等多方面對中空纖維進行深層次的研究也是今后研究開發(fā)的重點，最終展現(xiàn)出中空纖維的巨大價值。

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2016-04-02

李健(1987-)，男，碩士，研究方向：差別化纖維開發(fā)以及家紡產(chǎn)品設(shè)計。

TS102

A

1008-5580(2017)01-0247-05