中空纖維的應用與發(fā)展

中空纖維的應用與發(fā)展

1中空纖維的發(fā)展空纖維是指沿橫截面的軸向上的空腔化學纖維，簡稱空腔。這是重要的形式纖維。中空纖維的品種極其豐富、發(fā)展迅速,其原料從最初的滌綸發(fā)展到錦綸、丙綸、粘膠、維綸、聚砜、碳纖維等;纖維孔數(shù)從單孔發(fā)展到四孔、七孔、九孔等;中空截面也從圓形發(fā)展到三角形、四邊形、梅花形等;同時,經(jīng)過特殊紡絲工藝或后整理得到的抗菌、遠紅外、阻燃、芳香、陽離子改性等功能中空纖維也不斷涌現(xiàn)。這些變化和發(fā)展拓寬了中空纖維的應用前景并刺激了市場需求,中空纖維從最初主要作為具有保暖和蓬松性能的絮填料發(fā)展到廣泛用作膜分離、填充、玩具制品、地毯、人造毛皮、高級仿毛面料、高級無紡制品等的材料,在紡織、服裝、醫(yī)療和廢水處理等行業(yè)發(fā)揮重要作用。我國對中空纖維的市場需求量成級數(shù)增長。1990年前市場需求量不到10kt,而到1998年市場需求量在200kt以上,至2002年底市場的消費量已在400kt以上2中空纖維生產(chǎn)廠家及品種情況中空纖維最早出現(xiàn)于1965年杜邦的防污尼龍工業(yè)中,利用纖維內空隙納污和利用光反射、折射原理藏污我國的中空纖維工業(yè)起步較晚,經(jīng)歷了從直接購買纖維應用到引進生產(chǎn)設備的過程。初期由于纖維價格昂貴,生產(chǎn)設備簡單、效率低,產(chǎn)量很少。直到1990年儀化公司引進日本東洋紡年產(chǎn)4kt的中空纖維制造設備試車成功,這一狀況才得以改善,并迅速發(fā)展表1列出了部分國內外主要的中空纖維生產(chǎn)廠家及其品種。從表1可以看出,我國中空纖維以短纖維的生產(chǎn)和應用為主,其大宗產(chǎn)品為無硅或含硅的立體卷曲中空短纖,此外還有部分異形或圓中空纖維以及各種抗菌、遠紅外等功能性中空纖維等。我國中空纖維生產(chǎn)廠家中,儀化公司品種最多,并且該公司可以根據(jù)用戶的需求,生產(chǎn)各種長度、多孔、上硅油或不上硅油、熒光增白、香型、抗菌、彩色、遠紅外等滌綸中空立體卷曲纖維。而國外如日本,其中空纖維制造技術早在上世紀70年代就相當發(fā)達,并開發(fā)出各種特種中空纖維:如用于地毯的三角三孔中空纖維、表面有微孔的中空纖維以及細旦(可達0.77dtex)中空纖維等。3多孔纖維加工技術中空纖維的生產(chǎn)主要有兩種方法:直接熔融紡絲和復合紡絲。3.1中空噴絲板回收技術直接熔融紡絲法通過中空噴絲板來獲得中空纖維,經(jīng)濟合理,相關工藝技術比較成熟,許多關鍵工藝都能控制,為目前國內大多數(shù)企業(yè)所采用。在中空噴絲板中裝入微孔導管,在纖維空腔中充入氮氣或空氣可獲得高中空度的充氣中空纖維,避免了生產(chǎn)過程中機械作用壓扁纖維導致中空度下降,并使得纖維導熱性比空氣更差,大大提高了保暖性,該技術要點是氣體流量需要精確控制。如果改變噴絲孔形狀,則可以生產(chǎn)三角形、梅花形等多種異形截面的中空纖維,提高纖維的比表面積,同時通過特殊噴絲板可以獲得3~7個孔的多孔中空纖維,但其中空率不高,在30%以內。3.2直接熔融紡絲法復合紡絲是指采用具有不同溶解性能的聚合物熔體同時紡絲,成形后溶去其中一組分,使纖維具有軸向空腔的一種方法。目前主要采用雙組分復合紡絲,并根據(jù)溶劑的不同,又可采用堿易溶和水易溶兩種方式。由于可以避免直接熔融紡絲法生產(chǎn)時機械作用將孔壓扁導致中空率減少的缺點,并能控制不同組分的比例及其在斷面上的分布,因而通過該法可獲得中空率達40%以上的多孔(目前可做到九孔)大中空纖維。如果采用雙組分并列式復合紡絲,且紡絲用兩種原料的熔體粘度存在一定范圍的差異,熔體在流經(jīng)噴絲孔時受到的剪切力不同導致斷面上內應力的差異從而產(chǎn)生潛在的卷曲,再經(jīng)后紡拉伸和松弛熱定型可得到三維卷曲中空纖維。在復合紡絲過程中以壓縮空氣取代易溶組分,也可以生產(chǎn)出具有較大中空度的中空纖維。如果在形成中空的基礎上,紡絲時共混入特殊的微細孔形成劑,后處理過程中再溶解掉,可得到許多由纖維表面貫穿到中空部分的細孔,從而得到微孔中空纖維。3.3后紡拉伸技術通過直接熔融紡絲獲得中空纖維或三維卷曲中空纖維,其技術上的重點在于噴絲板設計、環(huán)吹風非對稱冷卻及后紡拉伸控制技術。除此外,如果要獲得理想的中空度,則必須合理安排設計相關工藝參數(shù)。3.3.1孔形尺寸對中空纖維細度的影響噴絲板的設計包括其形狀和結構尺寸兩方面,前者用于異性截面中空纖維,其設計和生產(chǎn)要求相關,常用的孔形有多邊形、C形、圓弧形、多點形等;后者則是中空纖維能否形成的關鍵因素,包括噴絲孔的狹縫長度、兩狹縫尖端距離、當量直徑、截面積、長徑比等特征尺寸數(shù)據(jù)。其中噴絲孔的狹縫長度和兩狹縫尖端距離尺寸設計尤其重要。3.3.2提高風速與紡絲環(huán)風溫環(huán)吹風非對稱冷卻是以均聚物通過直接熔融紡絲制取的中空纖維形成三維卷曲和防止后紡拉伸性能惡化的技術關鍵。環(huán)吹風非對稱冷卻工藝包括吹風速度、溫度和濕度及均勻性這四個方面,其中吹風速度對纖維成形影響最大。提高風速將加強纖維截面的不對稱結構從而獲得潛在卷曲更好的初生纖維,但風速過大將引起絲條振蕩、出絲不暢、原絲預取向度大、拉伸性能惡化等,因此要選取合適的風速以兼顧原絲的潛在卷曲和拉伸性能;雖然降低環(huán)吹風溫使得冷卻條件加劇,但同時原絲預取向增加、拉伸性能下降,因此風溫也應適當;環(huán)吹風還應具有一定的濕度以減少紡絲過程中的靜電現(xiàn)象和絲條擾動,并利于控制冷卻條件;同時提高環(huán)吹風的均勻性利于保證紡絲穩(wěn)定和后紡拉伸性能。3.3.3次拉伸工藝三維卷曲中空纖維拉伸的目的并不在于提高纖維的力學性能,而是使初生纖維內部的應力差和潛在卷曲得以體現(xiàn),拉伸中既要盡可能地拉開每根單纖維截面上的應力差,又要使單纖維之間的這種差異保持在同一水平,因此中空纖維一般采用一次拉伸工藝。拉伸方式、拉伸溫度和拉伸倍率是后紡拉伸中的技術參數(shù)。按拉伸介質有蒸汽拉伸和水浴拉伸之分。水浴拉伸以加熱的油水為介質,纖維在拉伸中產(chǎn)生二次取向,導致纖維內在結構差異減小,卷曲和蓬松性能下降;蒸汽拉伸則以飽和水蒸汽為介質,是絕熱拉伸,取向一次完成,比較而言蒸汽拉伸后纖維的結晶結構更加明顯和穩(wěn)定。拉伸倍率和溫度的選擇都要同時兼顧初生纖維的拉伸性能以及卷曲的釋放。此外拉伸點分布也是重要工藝參數(shù)。3.3.4紡絲溫度和冷卻成形條件對維中空度的影響中空度的中空控制貫穿于整個紡絲過程中,從噴絲孔尺寸到后紡拉伸工藝對中空度都有影響。噴絲孔狹縫的寬度及兩狹縫尖端距離的大小是紡制圓中空纖維中空度適宜的前提條件;而紡絲溫度和冷卻成形條件是控制中空度的主要工藝因素,紡絲溫度低、熔體粘度大、熔體形變阻力和表面張力大利于中空的形成,但過低將造成硬絲等現(xiàn)象;并且隨拉伸倍數(shù)提高,纖維壁變薄從而導致中空度提高。除以上特色控制因素外,常規(guī)紡絲所需控制的切片含水率(一般通過壓縮空氣經(jīng)分子篩干燥裝置去濕)、紡絲溫度和速度、松弛熱定型工藝以及含硅產(chǎn)品的油劑配方和上油方式也是需要綜合考慮的工藝條件。4應用4.1材料的保暖性中空結構減輕了纖維的重量并使它的內部富含靜止空氣,大大增加了單位質量產(chǎn)品的保暖性,被用來作保暖面料和保暖絮料。采用具有彈簧結構的永久性三維卷曲中空滌綸做噴膠棉,其膨松性和彈性要好于普通的噴膠棉,纖維之間能保留更多的空氣,保暖性更佳。4.2有機硅整理良好的膨松性和彈性使三維卷曲中空纖維成為優(yōu)良的填充材料,經(jīng)過有機硅整理后將使纖維更光滑。尤其是多孔纖維,當纖維受力時,中空纖維各孔之間的支撐結構分擔壓力,相對比單孔結構有更高的抗壓縮性和壓縮回彈性,是枕芯、睡袋、靠墊和高級軟體玩具等的理想填料。4.3毛織膠混合紡織布三維卷曲中空滌綸短纖擁有酷似天然羊毛的卷曲波峰,其蓬松性好、回彈性好、毛型感強,是理想的毛紡混紡原料4.4中空纖維在日本公司的應用尼龍異形中空纖維具有良好的保暖性、隱污性、蓬松性和抗壓縮性,日本已有多家公司開發(fā)出地毯用中空纖維。如東洋紡開發(fā)出三角單孔纖維“Isumabura®”4.5絨4、毛絨張4中空纖維能代替腈綸制造人造毛皮和毛絨玩具、毛絨裝飾品。而高旦數(shù)的滌綸三角中空短纖維可作為人造裘皮的剛毛,用于制作中高檔人造裘皮(仿獸皮)4.6微生物纖維在紡織品中的應用微孔中空纖維制成的膜具有選擇透過性,可以使氣體、液體混合物中某些組分從內腔向外或從外向內腔透過中空纖維壁,而同時對另一些組分具有截留作用?，F(xiàn)已廣泛應用于氣體分離、海水淡化、血液透析、人工腎臟、廢水處理等工業(yè)領域除以上應用外,微孔中空纖維由于具有芯吸效應,水分在中空部分很容易通過微孔向外散發(fā),具有較好的吸濕快干性,可作為吸濕面料;另外中空纖維也應用于服裝襯里、汽車內飾等高檔非織造布、輕質織物和復合材料中。5市售中空纖維的優(yōu)點中空纖維經(jīng)過三十多年的發(fā)展,已成為具有多種細度、多孔、較高中空度和各種異形截面的高技術纖維,各種特種中空纖維如碳中空纖維和遠紅外、抗菌等功能性中空纖維以及細旦中空纖維也在發(fā)展之中,并且其整體應用和需求日益增長。但是中空纖維存在以下缺點:①由于形成中腔的方式?jīng)Q定了中空纖維兩端開口,一方面易于水、汽等介質的導通,另一方面兩端開孔不利于保持在空腔中填充介質的性能且不利于要求拒水等性能的使用場合;②中空纖維最基本的特點是截面具有中腔,目前纖維中空度可達50%,理論上而言中空度越高越好,但是過高的中空度將導致纖維易壓縮且不易