國內(nèi)外低熔點纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

徐朝晨，吉 鵬，王朝生，王華平,2

(1.東華大學 材料科學與工程學院，上海 201620；2.東華大學 紡織產(chǎn)業(yè)關鍵技術協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620)

低熔點纖維是一種相比于常規(guī)纖維具有更低熔點的纖維，可以在更低溫度下熔融，并具有較強的黏結(jié)性能，相比于其他種類的膠黏劑，其具有黏結(jié)快、性能穩(wěn)定、力學性能好、彈性好、無毒、無污染、能耗低等優(yōu)良性能[1-2]。以低熔點纖維作為原料，經(jīng)混合梳理垂直鋪網(wǎng)后采用熱風熔黏加工可形成多空隙立體結(jié)構，呈現(xiàn)出類似海綿的回彈及抗壓性，商品名稱為直立棉，具有良好的透氣透水性，同時蓬松度、抗老化、產(chǎn)品安全環(huán)保性能及生產(chǎn)清潔等性能也全面提升，在家紡、汽車內(nèi)飾、內(nèi)衣、體育用品及醫(yī)用衛(wèi)生等領域應用廣泛，可取代聚氨酯發(fā)泡材料。

1 低熔點纖維的黏結(jié)和卷曲原理

低熔點纖維依據(jù)組分數(shù)可分為單組分、雙組分和多組分，多組分低熔點纖維由于生產(chǎn)工藝復雜，目前研究較少。單組分低熔點纖維包括聚烯烴、共聚酰胺、共聚酯等，雖然單組分低熔點纖維制備容易，黏結(jié)強度高，性能穩(wěn)定，但是在熱熔黏結(jié)時存在易樹脂化的問題，失去纖維的形態(tài)，對性能和手感有較大的影響，在應用上有一定的局限性。雙組分低熔點纖維，采用低熔點組分和常規(guī)組分結(jié)合的形式，如皮芯復合結(jié)構，皮層為低熔點組分，起到黏結(jié)的作用，芯層熔點高，力學性能好，保持纖維形態(tài)。雙組分的結(jié)合提高了纖維的強度等性能，解決了低熔點纖維在熱熔黏結(jié)時易發(fā)生樹脂化的問題，但是制備工藝復雜，價格昂貴，主要類型有聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)、低熔點聚對苯二甲酸乙二醇酯(LMPET)/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、PE/PET等。

1.1 黏結(jié)原理

界面的作用力使兩塊材料黏附在一起，這些作用力包括分子間官能團的相互作用、界面處分子的擴散交纏、極性與非極性分子間的相互作用、粗糙界面形成的機械黏結(jié)等?；谶@些力的作用形式，研究者提出了多種熱熔黏結(jié)理論模型[3]。

吸附理論：分為物理吸附和化學吸附，物理吸附指氫鍵、范德華力的相互作用?；瘜W吸附指化學共價鍵的作用。擴散理論：當聚合物相互黏合時，分子在表層中相互擴散，形成兩物質(zhì)在界面處擴散型交纏網(wǎng)絡。機械理論：低熔點纖維熔融后，滲入黏結(jié)物表面縫隙中，冷卻固化后如釘子一般，產(chǎn)生黏結(jié)的效果。

1.2 卷曲原理

對于低熔點纖維來說，產(chǎn)生卷曲效果有2個最基本的條件：(1)必須是雙組分纖維，且結(jié)構不為中心對稱；(2)雙組分間熱收縮率不同。

卷曲原理即為雙組分間熱收縮率不同，當受熱后，雙組分受力不均，從而產(chǎn)生卷曲的效果。

2 低熔點纖維國內(nèi)外發(fā)展概況

2.1 國外發(fā)展歷史

最早的低熔點纖維可追溯到20世紀70年代末，日本智索公司開發(fā)了一款低熔點PP/PE復合纖維產(chǎn)品，商品名為ES[4]。目前市場上的ES纖維主要分為PE/PP和PE/PET兩種，產(chǎn)品規(guī)格主要以1.65～6.60 dtex。ES纖維經(jīng)過熱處理后，纖維間會發(fā)生黏結(jié)，形成不用黏合劑的無紡布成形體，但低熔點聚烯烴纖維耐干洗性差，應用領域上存在一定的局限性。低熔點聚酯復合纖維的出現(xiàn)，滿足了人們對經(jīng)濟實惠低熔點纖維的需求，韓國匯維仕采用同心型皮芯結(jié)構，以滌綸作為芯層，低熔點聚酯作為皮層，主要成分為PET，開發(fā)了一款低熔點聚酯復合纖維，商品名為“4080纖維”，后韓國世韓、韓國泰光、美國南亞等公司相繼開發(fā)出各種類“4080”纖維產(chǎn)品。

日本帝人公司開發(fā)出聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)基高收縮偏心復合低熔點纖維，采用雙組分并列偏心復合結(jié)構，皮層為滌綸彈性體，芯層為滌綸，商品名為elk，其結(jié)構與性能分別見圖1和表1。

圖1 elk纖維的微觀結(jié)構Fig.1 Microstructure of elk fiber

表1 elk纖維與聚氨酯海綿性能對比Tab.1 Performance comparison of elk fiber and polyurethane sponge

1)按JIS K 6400-1—2004測試。

2)按JIS K 6400-2—2004(25%壓縮時)測試。

3)75%壓縮時的工作量回復率。

4)65%應力/25%應力。

從圖1和表1可看出，elk纖維的纏繞式彈簧構造，聚酯纖維呈立體交錯，纖維的交錯點以類似變形蟲狀態(tài)固定，產(chǎn)生出柔軟的彈性和優(yōu)異的耐久性；與聚氨酯海綿相比，其回彈性更好。

2.2 國內(nèi)發(fā)展歷史

相比于國外，我國起步較晚，工藝不成熟，直到20世紀80年代，我國第一次制備出低熔點纖維—乙綸短纖維。進入21世紀后，低熔點纖維更加被重視，國內(nèi)低熔點纖維產(chǎn)業(yè)進入飛速發(fā)展期。2002年，低熔點纖維被列入我國化纖行業(yè)重點發(fā)展目錄。2005—2006年，遠紡工業(yè)(上海)有限公司、廈門翔鷺化纖股份有限公司、四川匯維仕化纖有限公司3家公司紡制4080纖維等產(chǎn)品，在國內(nèi)低熔點纖維市場異軍突起[4-5]。近年來，國內(nèi)越來越多的公司對低熔點纖維做了很多的研究，立足于開發(fā)多種功能性低熔點纖維。

表2 遠紡工業(yè)(上海)有限公司4080纖維產(chǎn)品Tab.2 Products of 4080 fiber made by Shanghai Yuanfang Industry Co., Ltd.

表3 廈門翔鷺化纖股份有限公司低熔點纖維產(chǎn)品Tab.3 Products of low-melting point fiber made by Xiamen Xianglu Chemical Fiber Co., Ltd.

廈門象嶼興泓特種材料有限公司[6]通過在聚酯過程中添加改性劑制得熔點為90～120 °C的改性PET共聚酯，以PET共聚酯作為皮層，常規(guī)PET作為芯層，經(jīng)復合紡絲可得加工溫度低、黏結(jié)性能好的低熔點聚酯纖維，可用于生產(chǎn)導流層用熱風無紡布。中國石油化工股份有限公司[7-8]制備熔點為140～190 °C的低端羧基PBT或PET改性共聚酯切片，將感光變色材料或感溫變色材料與制備的共聚酯共混，分別制得感光變色聚酯母粒和感溫變色聚酯母粒。以感光變色聚酯母粒作為芯層，共聚酯作為皮層，制備出的感光變色聚酯纖維可應用在服飾、家紡、醫(yī)療等領域；若以感溫變色聚酯母粒作為中間層，共聚酯作為外層，可制備三層具有感溫變色的低熔點聚酯薄膜，具有模量低、手感好、熱黏合性好等優(yōu)點，可應用于汽車、建筑、熱封包裝膜等領域。

3 低熔點纖維的制備及其難點

3.1 低熔點纖維的制備

低熔點纖維的制備以熔融復合紡絲為主，其工藝流程為雙組分分別從料倉A和料倉B進入螺桿擠出機中熔融擠出，在紡絲組件內(nèi)匯合后從噴絲板擠出，經(jīng)拉伸、上油、卷繞等工藝后制得[9]。依據(jù)紡絲組件的設計類型，分為并列型和皮芯型兩種。

3.2 低熔點纖維切片干燥

對于熔融紡絲工藝，切片含水量對紡絲過程影響很大，以聚酯纖維為例，當含水量過高時，水分子將加速酯鍵的水解，導致分子聚合度下降，影響紡絲性能。在紡絲過程中，水分受熱氣化后，易使絲線斷裂。因此，在紡絲過程中，切片含水量的控制尤其重要，含水率一般低于50 μg/g，但低熔點切片結(jié)晶性差，在干燥時易黏結(jié)，影響后加工。目前，低熔點切片常采用梯度升溫、逐步干燥的方式，干燥溫度低于100 °C，可以有效防止黏結(jié)[10]。

3.3 雙組分熔體復配時黏度的控制

復合熔融紡絲相比于單組分熔融紡絲，最大區(qū)別在于雙組分出噴絲孔的復合過程，對紡絲成敗有著關鍵的影響。確保雙組分從噴絲孔擠出時的熔體黏度相近，可使紡絲過程順利進行，它是制備理想雙組分低熔點纖維的必要條件。雙組分從噴絲孔擠出時熔體黏度相差較大，在復合時將產(chǎn)生嚴重的滑移問題，難以形成完整的復合界面，此時纖維的性能難以保證，產(chǎn)品品質(zhì)受到很大影響。

雙組分熔體黏度的控制對紡絲成敗非常重要。通過流變性能測試分析低熔點組分和常規(guī)組分表觀黏度與剪切速率的關系，分析得到兩種切片結(jié)構黏度指數(shù)、黏流活化能與溫度的關系，結(jié)構黏度指數(shù)越大，對應的可紡性及紡絲穩(wěn)定程度越差，因此紡絲溫度的選擇要盡量確保兩種切片的結(jié)構黏度指數(shù)相近且值盡量小；黏流活化能可反映熔體黏溫依賴性，低熔點組分的黏流活化能一般受剪切速率的影響較于常規(guī)組分更加的敏感。王少博等[11]對常規(guī)PET切片和低熔點PET切片(LPET)的流變性能進行分析，剪切速率為500～10 000 s-1，確定結(jié)構黏度指數(shù)與溫度的變化關系，并結(jié)合Miller提出的異形噴絲板出口剪切計算公式，確定合適的紡絲工藝。

3.4 復合紡絲中初生纖維溫度的冷卻

低熔點組分的黏流溫度低，常在200 °C以下，而紡絲熔體的溫度較高，一般高于250 °C。當熔體從噴絲板擠出復合后，初生纖維若得不到快速冷卻，在重力作用下，易沿著纖維方向流動，導致纖維復合比例變化，纖維的拉伸性能、黏結(jié)性能受到嚴重破壞。針對低熔點組分黏結(jié)溫度低，冷卻程度對皮芯復合比例及纖維性能影響大的問題，可采取以下辦法：(1)設計加長整流筒，采用“W”型開孔布局，即錯孔吹風，增大吹風面積，提升冷卻效果；(2)增加紡絲甬道對流提升冷卻效果；(3)采用低溫多道上油，提升熱傳導降溫效果。由于皮層聚合物的熔點低，擠出后因溫度較高，黏性較大，在后加工過程中，應避免初生纖維發(fā)生粘連。通常在拉伸過程中增設水冷處理措施、增加冷卻槽長度，減壓低溫烘燥等技術來實現(xiàn)。

4 低熔點纖維的應用

低熔點纖維作為一款“綠色膠黏劑”，黏結(jié)性能強，合理利用低熔點纖維極佳的熱熔黏結(jié)性能，將其他纖維與低熔點纖維交織，可以很好地改善產(chǎn)品的各項性能，在服用紡織品、產(chǎn)業(yè)用紡織品和非織造布等領域應用廣泛。

4.1 在服用紡織品中的應用

雪尼爾紗是一種新型花式紗線，采用兩根股線作為芯線，通過加捻將羽紗夾在中間紡制而成，具有高檔華貴、柔軟舒適、不易起球、環(huán)保質(zhì)地、絨面豐滿等優(yōu)點。將低熔點纖維添加到其制備過程中，將各股紗線黏合在一起，可以有效防止松散纖維脫落。采用絲絨混紡紗制作的裙子，深受消費者的喜愛。但絲絨混紡紗起毛起球問題嚴重，纖維保形性差，極大影響了絲絨的使用，添加低熔點纖維混紡后，增加纖維間的摩擦力，從而改善起球的問題[12]。

4.2 在產(chǎn)業(yè)用紡織品中的應用

高強邦迪線由多股滌綸或尼龍長絲互相捻合和黏合而成，使得紗線更加均勻，耐磨能力更強，達到增強可縫性的目的，被廣泛用于高品質(zhì)皮具產(chǎn)品的車縫用線。低熔點纖維在其中起到黏結(jié)的作用，在縫紉期間可以防止線分裂。

勞動保護手套，具有穿戴舒適、隔熱絕緣、抓握物品精確、使用壽命長等優(yōu)點，在日常生活中有著廣泛的應用。低熔點纖維可以在袖口處有效地封邊，提高勞保手套的實用性。

4.3 在非織造布中的應用

相比于其他的黏合劑，低熔點纖維具有安全、能耗低、價格便宜等優(yōu)異的性能，在非織造布行業(yè)中，結(jié)合低熔點纖維優(yōu)異的熱熔黏結(jié)性能，能夠保持非織造布的結(jié)構，拓寬非織造布應用領域。偏心型低熔點纖維具有自卷曲的效果，經(jīng)熱處理后，形成空間多點位黏結(jié)，具有獨特的三維立體多空隙結(jié)構，透氣透水性、回彈性好。

在服用和家紡領域，可用于制造床墊、沙發(fā)里面的填充物，質(zhì)輕，面密度最低可達到100 g/m2，透氣透水性、保暖性好。在低熔點纖維中摻入抗菌劑，生產(chǎn)的環(huán)保代棕棉，用于床墊，可以抑制細菌生長，防菌防螨；用于坐墊，軟硬適中，不易變形。內(nèi)衣杯墊支撐著女性胸部，貼身織物需要透氣性高才能有舒適的觸感，直立棉獨特的立體構造，能夠讓濕氣從纖維縫隙中排除，能夠防止不舒服的悶熱感。在衛(wèi)生用品領域，可應用于紙尿褲、口罩、防護服等，實現(xiàn)質(zhì)輕、透氣等功能。將低熔點纖維應用于口罩的生產(chǎn)中，使口罩外層無紡布和中層熔噴布黏合緊密，給予口罩飽滿和舒適性，增加防潮防濕的效果。在工業(yè)領域，可用于吸音、隔音、過濾、絕緣等材料的制造，如汽車行業(yè)，發(fā)動機艙、行李艙等位置的隔聲、吸聲材料，能夠控制噪聲的傳播，保護人們的身心健康[13]；采用低熔點纖維制備的吸音棉，面密度低于40 g/m2，可應用于音響，將喇叭輻射的音波屏蔽掉，不讓聲波進行無休止的反射和折射，提高音質(zhì)。低熔點纖維也可用于建筑用材，包括片材、包裝材料、家具用材等，如地板、吊頂、墻面、屋頂?shù)?，可實現(xiàn)透氣防水、阻燃、緩震的效果[14]。

5 低熔點纖維未來發(fā)展趨勢

5.1 原料的綠色制造

低熔點纖維原料主要為低熔點組分與常規(guī)組分，而低熔點組分主要通過共聚或共混的方式制備，成本仍較高。自從聚酯工業(yè)化以來，聚酯材料得到了廣泛的應用，但隨著時間的推移，廢棄聚酯如何處理成為了一大難題。若能有效利用廢棄聚酯，不僅能夠降低原料生產(chǎn)成本，還可開拓綠色產(chǎn)業(yè)鏈，推動低熔點纖維綠色制造[15]。

5.2 纖維制造技術

低熔點切片軟化點較低，干燥時，切片受熱后易粘連，對干燥工藝影響極大。低熔點聚酯熔體直紡技術簡化生產(chǎn)工藝，減少切片干燥、再熔融等工序，降低能耗物耗的同時提升纖維的品質(zhì)，目前正在試生產(chǎn)與推廣中。

浙江恒瀾科技有限公司[16]提出一種共聚改性低熔點尼龍纖維的熔融直紡方法，通過加入共聚改性組分，破壞尼龍分子鏈的規(guī)整性，降低尼龍分子鏈間的氫鍵密度以及結(jié)晶度，達到降低尼龍熔點目的，可以將尼龍熔點在90～200 °C之間調(diào)控，并有效控制尼龍熔體中低聚物的含量，大大擴寬低熔點尼龍產(chǎn)品品質(zhì)和應用范圍。

中國紡織科學研究院[17]開發(fā)一種連續(xù)聚合熔體直紡低熔點聚酯復合纖維的制備方法，將聚酯低聚物與聚醚混合均勻后共聚制備低熔點聚酯熔體，熔點60～230 °C，后與常規(guī)聚酯熔體復合紡絲制備得到低熔點聚酯復合纖維。添加聚醚組分不僅可以降低反應中的熱降解副反應的發(fā)生，提高低熔點聚酯熔體的可紡性，并可以改善雙組分復合過程中熔體復配的問題，纖維成形性良好。

5.3 功能性拓展

低熔點纖維黏結(jié)性能好，依據(jù)其優(yōu)異的熱熔黏結(jié)性能，開發(fā)出更多功能性的低熔點纖維產(chǎn)品，提高產(chǎn)品附加值，更能夠推動相關產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。近年來，國內(nèi)推出了多種功能性低熔點纖維產(chǎn)品，如優(yōu)彩環(huán)保資源科技股份有限公司[18]選用再生聚酯材料，結(jié)合復合紡絲工藝，經(jīng)上色后，推出多款免染產(chǎn)品，降低生產(chǎn)能耗，擴寬應用領域，符合綠色制造的主題。

5.4 產(chǎn)品綠色可降解

低熔點復合纖維由于多種組分的存在，在降解上具有一定的難度。開發(fā)可降解低熔點纖維產(chǎn)品，如低熔點脂肪族-芳香族共聚酯聚(己二酸丁二醇-對苯二甲酸丁二醇)酯(PBAT)和聚(丁二酸丁二醇-對苯二甲酸丁二醇)酯(PBST)[19-20]，綜合了脂肪族聚酯優(yōu)異的降解性能和芳香族聚酯良好的力學性能，且熔點可控，然而熔體經(jīng)噴絲板擠出后，初生絲束黏性較大，可紡性較差，目前常用來與聚丙交酯(PLA)進行共混紡絲，但黏結(jié)強度和彈性回復率仍有待改善。

6 結(jié)語

(1)低熔點纖維憑借其優(yōu)異的黏結(jié)性能和安全無毒無污染的優(yōu)點，具有廣闊的市場前景。目前市場上低熔點纖維產(chǎn)品主要為ES纖維、4080纖維和elk纖維等，但國內(nèi)外在同類產(chǎn)品仍存在一定差距，且國內(nèi)在高端低熔點纖維上存在較大缺口。

(2)雙組分低熔點纖維主要通過復合紡絲工藝制備，工藝日趨成熟，但低熔點在干燥工程中易發(fā)生粘連，實現(xiàn)低熔點纖維熔體直紡，可以增加產(chǎn)能，更可以節(jié)能減排，促進低熔點纖維行業(yè)飛速發(fā)展。低熔點纖維在服用紡織品、產(chǎn)業(yè)用紡織品、非織造布等行業(yè)應用廣泛，如衛(wèi)生用品、服用、家紡、建筑材料、濾材、熱熔膠等領域。

(3)未來國內(nèi)低熔點纖維產(chǎn)業(yè)主要以縮小與國外的差距為主，開發(fā)新型功能性低熔點纖維，提高產(chǎn)品附加值，增加產(chǎn)品競爭力。更要以綠色制造為宗旨，開發(fā)生物可降解低熔點纖維，走可持續(xù)發(fā)展的道路。