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中空纤维知识

2012-11-05  豪源鸣图...

1 引言
  中空纤维是横截面沿轴向具有空腔的一种重要的异形纤维,中空结构赋予了纤维良好的保暖性、蓬松性等特定性能与风格。中空纤维膜对水、气、血液等介质的吸附能力,以及作为复合材料时和基体材料的结合能力,在一定程度上不仅提高了纤维的刚度和硬挺度,而且还提高了纤维的抗弯性能和耐磨性能,中空纤维膜在过滤分离领域有着重要应用。

  中空纤维的品种极其丰富、发展迅速,其原料从最初的涤纶发展到锦纶、丙纶、粘胶、维纶、聚砜、碳纤维等;纤维孔数从单孔发展到四孔、七孔、九孔等;中空截面也从圆形发展到三角形、四边形、梅花形等;同时,经过特殊纺丝工艺或后整理得到的抗菌、远红外、阻燃、芳香、阳离子改性等功能中空纤维也不断涌现。这些变化和发展拓宽了中空纤维的应用前景并刺激了市场需求,中空纤维从最初主要作为具有保暖和蓬松性能的絮填料发展到广泛用作膜分离、填充、玩具制品、地毯、人造毛皮、高级仿毛面料、高级无纺制品等的材料,在纺织、服装、医疗和废水处理等行业发挥重要作用。尤其是最近几年,具有非常大的面积,体积比率的多孔中空纤维.在工业和医药领域的分离技术方面的应用越来越广泛.

  我国对中空纤维的市场需求量成级数增长。1990年前市场需求量不到lOkt,而到1998年市场需求量在200kt以上,至2002年底市场的消费量已在400kt以上。面对如此巨大的增长势头,国内各生产厂不断扩大产能并开发新的品种,同时关于中空纤维的生产工艺、结构和性能等研究也开展得如火如荼。

2
中空纤维的发展概况

  中空纤维通常是由熔融纺丝或湿法纺丝技术纺制而成的,国内外研究较多的是熔纺的保暖性三维卷曲中空纤维及湿纺或熔纺中空纤维膜
.
  21 三维卷曲中空纤维

  中空纤维最早出现于1965年杜邦的防污尼龙工业中,利用纤维内空隙纳污和利用光反射、折射原理藏污。1968年,日本东洋纺公司采用异形喷丝板开发出中空涤纶短纤,用来制造中空聚酯絮棉,命名为埃斯阿波,并进行了工业化生产。杜邦、Eastman公司也紧随其后纺出中空涤纶。7O年代初,日本为提高产品的附加值以同其它国家竞争,不断发展差别化纤维,开发出三维卷曲偏心中空涤纶。此后,随着异形喷丝板的多样化,中空纤维截面发展到具有圆形、三角形、四边形等多种形状;并随着碱易溶和水易溶复合纺丝技术的发展,多孔中空纤维得以迅速发展,其孔数可至九孔,中空度也从低于30%不断扩大至40%~50%。

  生产三维卷曲中空纤维的有机高分子原料主要有聚酯和聚丙烯,东华大学于上世纪90年代在国内率先开始进行四孔、七孔等多孔中空纤维的研究,取得了自己的专利技术。并在国内多家企业得到应用生产。我国的中空纤维工业起步较晚,经历了从直接购买纤维应用到引进生产设备的过程。初期由于纤维价格昂贵,生产设备简单、效率低,产量很少。直到l990年仪化公司引进日本东洋纺年产4kt的中空纤维制造设备试车成功,这一状况才得以改善,并迅速发展。1993年生产出333dtex的三维卷曲中空涤纶短纤,l997年已具有两条产量为12kta的三维卷曲中空涤纶生产线。国内其它生产厂家纷纷筹建中空纤维生产线,使得中空纤维在我国形成了一个多品种、多规格的产业布局。

l 列出了部分国内外主要的中空纤维生产厂家及其品种。

生产厂家

主要品种

国外

韩国汇维仕

1.65dtex×38~41mm细旦高中空、2.22~19.98dtex×22~102mm有硅或无硅,2.22~7.78dtex×25~32mm中孔纤维、9.99~16.65dtex×32~64mm有硅或无硅中空纤维

日本东丽

三角单孔中空cebonner sumlon?cebonner sumlon supper?

旭化成

表面有微孔的中空纤维、三角三孔

杜邦

Dacron Hollowfill?-46.05dtex×51mm圆形四孔、-77.77 dtex×51mm圆形七孔、方形四孔中空

东洋纺

Isumabura?三角单孔

可乐丽

三角单孔Victoron?Trifill?uckfill?

国内

仪征化纤

6.67/3.33dtex×28/38/64/72mm等不同长度无硅或含硅的涤纶中空立体卷曲短纤维、8.33dtex×60mm四孔三维卷曲纤维、10.00dtex×60mm七孔1.67dtex×38mm异型或圆中空纤维、8.33dtex×64mm四孔立体卷曲纤维

黑龙江龙涤

3.33/6.67dtex×34/64/96mm7.78/14.44 dtex×64mm涤纶中空立体卷曲短纤维

南通罗莱

6.66/13.32/16.65dtex×64/32/38/51mm333dtex×64/51mm无硅或含硅、11dtex×64mm含硅

广东俊富

6.66~9.99 dtex×32/64mm无硅中空立体卷曲、9.99~16.65dtex×32~64mm高弹无硅四孔中孔三维、11dtex×64mm有硅


  从上表可以看出,我国中空纤维以短纤维的生产和应用为主,其大宗产品为无硅或含硅的立体卷曲中空短纤,此外还有部分异形或圆中空纤维以及各种抗菌、远红外等功能性中空纤维等。我国中空纤维生产厂家中,仪化公司品种最多,并且该公司可以根据用户的需求,生产各种长度、多孔、上硅油或不上硅油、荧光增白、香型、抗菌、彩色、远红外等涤纶中空立体卷曲纤维。而国外如日本,其中空纤维制造技术早在上世纪7O年代就相当发达,并开发出各种特种中空纤维:如用于地毯的三角三孔中空纤维、表面有微孔的中空纤维以及细旦(可达0.77dtex)中空纤维等。
  2.2 中空纤维膜

  利用湿法纺丝纺制成中空纤维膜的有机高分子原料主要有聚丙烯腈(PAN)和纤维素,有关PAN中空纤维膜的研究,国外始于上世纪70年代,美国在1977年首次发表了关于PAN中空纤维纺制的专利~(USP408036)。在80年代PAN中空纤维的研究在西方国家开展较多,9O年代后,德国和日本仍有一些公司在进行着PAN中空纤维的研究。我国PAN中空纤维也发展较快,国家海洋局杭州水处理中心、天津纺织工学院和东华大学等单位都进行了研究和生产,使其在较多领域得到了广泛应用。

  纤维素及其衍生物中空纤维可广泛用于制作超滤膜和反渗透膜。在膜分离工业已实现大规模生产纤维素中空纤维膜,由于其材料对人体无害,血液相溶性好等优点,引起了国内外学者的兴趣。

  聚丙烯中空纤维膜主要是利用熔融纺丝-冷却拉伸(MSCS)法制备的,复旦大学延生生化公司已用MSCS法生产微孔聚丙烯中空纤维膜,并已制成膜式血液氧合器。美国Akzona公司和3M公司已用该法生产聚丙烯微孔膜、板和中空纤维。聚乙烯、聚酯类也可通过熔融法挤出成形,经冷拉伸形成微水膜。在气体分离膜中很大比例上采用此法成形。东洋纺、道化学公司的三醋酸纤维反渗透膜的制备也属于此种纺丝方法。

  上世纪70年代末,美国Akzona公司Castro申请了关于热致相分离(TIPS)法的专利,开辟了相分离法制备微孔聚丙烯膜的新途径,也有学者将熔纺/冷拉伸法和热致相分离法结台起来.即采用应力场下固、液相分离的方法,生产出了性能优良的微孔聚丙烯中空纤维。复旦大学的孔卫明利用单孔双套管形纺丝头,采用MSCS法和TIPS法成功制备了微孔聚丙烯中空纤维膜。

  3 中空纤维的生产技术

  中空纤维的生产主要有:直接熔融纺丝、复合纺丝以及湿法纺丝。

  31 直接熔融纺丝

  直接熔融纺丝法通过中空喷丝板来获得中空纤维,经济合理,相关工艺技术比较成熟,许多关键工艺都能控制,为目前国内大多数企业所采用。在中空喷丝板中装入微孔导管,在纤维空腔中充入氮气或空气可获得高中空度的充气中空纤维,避免了生产过程中机械作用压扁纤维导致中空度下降,并使得纤维导热性比空气更差,大大提高了保暖性,该技术要点是气体流量需要精确控制。如果改变喷丝孔形状,则可以生产三角形、梅花形等多种异形截面的中空纤维,提高纤维的比表面积,同时通过特殊喷丝板可以获得37个孔的多孔中空纤维,但其中空率不高,在30 以内。通过直接熔融纺丝获得中空纤维或三维卷曲中空纤维,是通过特殊的喷丝板技术及合理调整纺丝工艺纺制而成的。其技术上的重点在于喷丝板设计、环吹风非对称冷却及后纺拉伸控制技术。除此外,如果要获得理想的中空度,则必须合理安排设计相关工艺参数。

  311 熔纺中空纤维的喷丝板技术

  喷丝板的没计包括其形状和结构尺寸两方面,前者用于异性截面中空纤维,其设计和生产要求相关,常用的孔形有多边形、c形、圆弧形、多点形等;后者则是中空纤维能否形成的关键因素,包括喷丝孔的狭缝长度、两狭缝尖端距离、当量直径、截面积、长径比等特征尺寸数据。其中喷丝孔的狭缝长度和两狭缝尖端距离尺寸设计尤其重要。

  熔融纺丝纺制保暖性三维卷曲中空纤维主要采用圆弧狭缝式喷丝板,可方便地纺制出外径较细、中空度适宜的纤维。目前效果较好的圆弧狭缝式喷丝板主要有C形和品形喷丝板及圆弧组合等多孔中空纤维喷丝板,用于纺制四孔、七孔乃至十几孔中空纤维。当熔体挤出喷丝板圆弧狭缝后,圆弧形熔体膨化,端部粘合形成中空腔,经细化、固化后形成中空纤维。喷丝板圆弧狭缝间隙的大小直接影响中空腔的形成:当间隙过大时,纤维中空不能闭合,只能纺出开口纤维;但当间隙过小时,熔体挤出喷丝孔后很快膨化粘合,无法形成中空腔,并且从机械强度考虑,喷丝板间隙小,强度低、易损坏。因此针对不同性质的物料,有不同的适宜喷丝板间隙的大小,结论为挤出熔体原料的模口膨化比可以指导设计喷丝板间隙的大小,且问隙中心处宽度之比略小于熔体原料的模口膨化比。喷丝孔狭缝宽度大,单孔挤出量大,所纺纤维的截面积大,纤维的中空度小;狭缝的宽度小,挤出量小,所纺纤维的中空度大;但狭缝太小,所纺纤维的壁太薄,中空规整度低,中空易变形。对于C形的喷丝板,间隙中心宽度相当于狭缝宽度的10倍;对于品形喷丝板,间隙中心处宽度相当于狭缝宽度的08倍。一般根据产品要求和纺丝物料性能的不同,设定喷丝板间隙和狭缝的具体尺寸。中空纤维膜用熔纺喷丝板除C形和品形外,还有双环形和双环套管形喷丝板,后两种喷丝板纺得的中空纤维内外径均一,同心度好,c形和品形由于有间隙材料的支撑,可以较简单地在一块喷丝板同时打制多个单孔,用于纺制束丝,产量较大。但双环形和双环套管形喷丝板由于是由多个组件组合而成的,打制多孔喷丝板难度较大,大多只用于纺制单根中空纤维膜。

  3.1.2 环吹风非对称冷却

  影响熔纺中空纤维中空度的因素除喷丝板尺寸外,还有纺丝温度和冷却成形条件等因素。纺丝温度高,熔体粘度小,熔体出喷丝孔后的膨化现象大大降低,熔体形变阻力下降,表面张力也随之下降,使熔体细流产生表面萎缩从而使空腔部分变小,所纺中空度减少。冷却成形包括风速、风温、吹风距离等条件,对纺程上熔体细流的流变特性,如拉伸流动粘度、拉伸应力等物理参数有很大影响,直接决定着中空度的大小。一般随着风速的增加,冷却条件加剧,熔体细流的固化速率加快,使得纺程上形成的中空纤维内空腔来不及萎缩而加快固化,有利于中空纤维空腔的形成,所纺的纤维中空度高,但风速过大,会造成丝条摇晃湍动,使喷丝板板面温度下降,出丝不畅,易产生硬头丝、并丝而断头随着风温的降低,冷却成形条件加强,提高了熔体细流的固化率,所纺纤维中空度高。但风温过低,喷丝板板面易吹冷,纺丝困难。对于双环套管形喷丝板,套管内通入气体流量的大小也会影响纤维的中空度。一般气供量的大小要与纺丝浆液的泵供量呈一定比例,才能够纺成具有合适中空度的中空纤维膜。

  环吹风非对称冷却是以均聚物通过直接熔融纺丝制取的中空纤维形成三维卷曲和防止后纺拉伸性能恶化的技术关键。环吹风非对称冷却工艺包括吹风速度、温度和湿度及均匀性这四个方面,其中吹风速度对纤维成形影响最大。提高风速将加强纤维截面的不对称结构从而获得潜在卷曲更好的初生纤维,但风速过大将引起丝条振荡、出丝不畅、原丝预取向度大、拉伸性能恶化等,因此要选取合适的风速以兼顾原丝的潜在卷曲和拉伸性能;虽然降低环吹风温使得冷却条件加剧,但同时原丝预取向增加、拉伸性能下降,因此风温也应适当;环吹风还应具有一定的湿度以减少纺丝过程中的静电现象和丝条扰动,并利于控制冷却条件;同时提高环吹风的均匀性利于保证纺丝稳定和后纺拉伸性能。

  3.1.3 后纺拉伸

  三维卷曲中空纤维拉伸的目的并不在于提高纤维的力学性能,而是使初生纤维内部的应力差和潜在卷曲得以体现,拉伸中既要尽可能地拉开每根单纤维截面上的应力差,又要使单纤维之间的这种差异保持在同一水平,因此中空纤维一般采用一次拉伸工艺。拉伸方式、拉伸温度和拉伸倍率是后纺拉伸中的技术参数。按拉伸介质有蒸汽拉伸和水浴拉伸之分。水浴拉伸以加热的油水为介质,纤维在拉伸中产生二次取向,导致纤维内在结构差异减小,卷曲和蓬松性能下降;蒸汽拉伸则以饱和水蒸汽为介质,是绝热拉伸,取向一次完成,比较而言蒸汽拉伸后纤维的结晶结构更加明显和稳定。拉伸倍率和温度的选择都要同时兼顾初生纤维的拉伸性能以及卷曲的释放。此外拉伸点分布也是重要工艺参数。

  334中空度的控制技术

  中空度的中空控制贯穿于整个纺丝过程中,从喷丝孔尺寸到后纺拉伸工艺对中空度都有影响。喷丝孔狭缝的宽度及两狭缝尖端距离的大小是纺制圆中空纤维中空度适宜的前提条件;而纺丝温度和冷却成形条件是控制中空度的主要工艺因素,纺丝温度低、熔体粘度大、熔体形变阻力和表面张力大利于中空的形成,但过低将造成硬丝等现象;并且随拉伸倍数提高,纤维壁变薄从而导致中空度提高。除以上特色控制因素外,常规纺丝所需控制的切片含水率(一般通过压缩空气经分子筛干燥装置去湿)、纺丝温度和速度、松弛热定型工艺以及含硅产品的油剂配方和上油方式也是需要综合考虑的工艺条件。

  32 复合纺丝

  复合纺丝是指采用具有不同溶解性能的聚合物熔体同时纺丝,成形后溶去其中一组分,使纤维具有轴向空腔的一种方法。目前主要采用双组分复合纺丝,并根据溶剂的不同,又可采用碱易溶和水易溶两种方式。由于可以避免直接熔融纺丝法生产时机械作用将孔压扁导致中空率减少的缺点,并能控制不同组分的比例及其在断面上的分布,因而通过该法可获得中空率达40%以上的多孔(目前可做到九孔)大中空纤维。如果采用双组分并列式复合纺丝,且纺丝用两种原料的熔体粘度存在一定范围的差异,熔体在流经喷丝孔时受到的剪切力不同导致断面上内应力的差异从而产生潜在的卷曲,再经后纺拉伸和松弛热定型可得三维卷曲中空纤维。在复合纺丝过程中以压缩空气取代易溶组分,也可以生产出具有较大中空度的中空纤维。如果在形成中空的基础上,纺丝时共混入特殊的微细孔形成剂,后处理过程中再溶解掉,可得到许多由纤维表面贯穿到中空部分的细孔,从而得到微孔中空纤维。

  3.3 湿法纺丝

  湿法纺丝纺制的中空纤维通常用作过滤用膜,常用的有纤维素中空纤维膜和聚丙烯腈中空纤维膜。通常采用双环套管形喷丝板纺制而成,纤维中空度的大小通过控制喷丝板中孔的大小及通入气体或液体的种类及其速度来决定。一般通过改变凝固浴组成和凝固条件来调整中空纤维微孔的孔径、空隙率和中空纤维的通量。

  331 纤维素中空纤维膜的制造

  纤维素中空纤维的生产方法有粘胶法、铜氨法和新溶剂法。粘胶法是先将纤维素同碱进行反应制得碱纤维素,碱纤维素同二硫化碳反应生成纤维素磺酸钠后溶解在碱液中得到粘胶溶液;铜氨法是将纤维素溶解在铜氨溶液中制得纤维素铜氨溶液;新溶剂法是将纤维素溶解在PFDMSO(聚甲醛/二甲基亚砜)LiC1DMAc(氯化锂/NN二甲基乙酰胺)NMMO(N-甲基吗啉-N-氧化物)等溶剂中制得纤维素溶液。将上述制得的溶液经过滤、脱泡后在特殊的喷丝头中纺成中空纤维。上述三种方法中,铜氨法在生产中消耗大量的铜,因生产成本较高现在一般不采用;而粘胶法在生产中产生了大量的有害物质,严重污染环境,生产流程较长,在成形过程中也不利于形成均匀的中空纤维膜;而新溶剂法生产中空纤维素纤维有报道的也只有PFDMSOLiC1DMAc两种体系,由于这两个体系的成膜过程简单易行,成膜受环境条件影响较小,并且溶解和成形条件缓和,故天然纤维素的结构保留较多,结构比较致密,特别适合作纤维素中空纤维膜,其中东华大学王庆瑞等人对PFDMSO体系和铜氨溶液纺制纤维素中空纤维进行过研究,成功纺制成结构均匀的中空纤维。天津纺织工学院的杜启云等人对LiC1DMAc体系作过研究,经过干湿法纺制出中空纤维。

  332 聚丙烯腈中空纤维膜的制造

  PAN中空纤维膜一般采用丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸的三元共聚物或丙烯腈和衣康酸的二元共聚物来制取PAN中空纤维。采用无机盐或聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、氰基丙烯酸乙酯(ECA)等添加剂来作致孔剂,纺丝时般采用DMFDMAcDMSOZnC12等作溶剂,纺丝液的浓度为1 2~20%,采用的凝固浴为水或PAN溶剂的水溶液。

  4 应用领域

  4.1 三维卷曲中空纤维

  三维卷曲中空纤维具有比重轻、蓬松、保温、透气、覆盖力强等特点,主要用作非织造布的生产原料,适用于棉被、合纤絮绒、仿羽绒等。中空纤维作为一种具有特殊几何形状的化学纤维,已经在许多纺织领域获得应用,比如中空纤维用于保温已历多年,这是利用了中空纤维面积/体积比率大,可容大量空气的特性,因此也可用作充填纤维隔热材料三维卷曲多中空纤维由于具有优越的回弹性、蓬松性、保暖性以及防霉、防蛀等性能,被广泛应用于被褥和衣服内里的填充物。

  4.1.1 保暖面料和絮料

  中空结构减轻了纤维的重量并使它的内部富含静止空气,大大增加了单位质量产品的保暖性,被用来作保暖面料和保暖絮料。采用具有弹簧结构的永久性三维卷曲中空涤纶做喷胶棉,其膨松性和弹性要好于普通的喷胶棉,纤维之间能保留更多的空气,保暖性更佳。

  42 填充料

  良好的膨松陛和弹性使三维卷曲中空纤维成为优良的填充材料,经过有机硅整理后将使纤维更光滑。尤其是多孔纤维,当纤维受力时,中空纤维各孔之间的支撑结构分担压力,相对比单孔结构有更高的抗压缩性和压缩回弹性,是枕芯、睡袋、靠垫和高级软体玩具等的理想填料。

  43 毛涤混纺面料

  三维卷曲中空涤纶短纤拥有酷似天然羊毛的卷曲波峰,其蓬松性好、回弹性好、毛型感强,是理想的毛纺混纺原料。

  44 地毯

  尼龙异形中空纤维具有良好的保暖性、隐污性、蓬松性和抗压缩性,日本已有多家公司开发出地毯用中空纤维。如东洋纺开发出三角单孔纤维“Isumabura?”,其单纤维呈空间立体卷曲并具有三角形这一稳定的异形支撑结构,在重负荷下能保持原来的形状;可乐丽公司开发的三角三孔中空涤纶“Victoron?”以及东丽和钟纺开发的方形四孔中空纤维都是作为地毯的优异原料。

  45 人造毛皮

  中空纤维能代替腈纶制造人造毛皮和毛绒玩具、毛绒装饰品。而高旦数的涤纶三角中空短纤维可作为人造裘皮的刚毛,用于制作中高档人造裘皮(仿兽皮)

  除以上应用外,微孔中空纤维由于具有芯吸效应,水分在中空部分很容易通过微孔向外散发,具有较好的吸湿快干性,可作为吸湿面料;另外中空纤维也应用于服装衬里、汽车内饰等高档非织造布、轻质织物和复合材料中。

  42 中空纤维膜分离材料

  微孔中空纤维制成的膜具有选择透过性,可以使气体、液体混合物中某些组分从内腔向外或从外向内腔透过中空纤维壁,而同时对另一些组分具有截留作用。现已广泛应用于气体分离、海水淡化、血液透析、人工肾脏、废水处理等工业领域。

  中空纤维膜具有以下的优点:(1)单位体积装填密度大,由于中空纤维的直径小,在装置中可紧密排列,而由其组成的膜器装填密度大;(2)不用任何支撑体,中空纤维膜的膜器可以自己支撑,可以使得膜器的加工简化,费用降低;(3)设备小型化,结构简单化,由于中空纤维膜具有表面积大和自我支撑的特点,所以它可制成小型轻便的装置,因此在生物技术、气体分离、大规模工业和医药等多领域得到广泛应用。如用于工业和医药行业的膜分离和过滤技术,用于污水处理、海水脱盐、气体过滤、药物和生物离析技术以及血液除毒等。多孔中空纤维可用作中空分离膜,还能利用中空纤维设计微型热交换系统。

  5 未来中空纤维的技术发展方向

  中空纤维经过三十多年的发展,已成为具有多种细度、多孔、较高中空度和各种异形截面的高技术纤维,各种特种中空纤维如碳中空纤维和远红外、抗菌等功能性中空纤维以及细旦中空纤维也在发展之中,并且其整体应用和需求日益增长。但是中空纤维存在以下缺点:(1)由于形成中腔的方式决定了中空纤维两端开口,一方面易于水、汽等介质的导通,另一方面两端开孔不利于保持在空腔中填充介质的性能且不利于要求拒水等性能的使用场合;(2)中空纤维最基本的特点是截面具有中腔,目前纤维中空度可达50%,理论上而言中空度越高越好,但是过高的中空度将导致纤维易压缩且不易加工;(3)随着使用过程中的反复压缩等机械作用,中空纤维的中空度将不断下降,持久性不高。

  针对以上存在的问题,人们利用封端技术将中空纤维两端封闭,并在中腔内充入气体等介质,可以提高纤维的中空度并能提高在加工和使用过程中的中空度的可保持性;高中空度的拒水性能良好的中空纤维可以作为水上个体救生装备用浮力材料;若在纤维空腔内填入相变材料,可利用温度变化引起的纤维膨胀或收缩来改善服装冷暖感。随着人们生活水平的提高,质轻而具有保暖性能的三维卷曲中空纤维制成的生活用品给人们带来了经济而实惠的享受。海洋资源的开发、化工分离过程的高效化、工业废物的综合利用、人工脏器的应用等,也将促进中空纤维膜的研究与生产应用。

 

 

中空异形涤纶纤维是具有吸湿排汗和保暖性能的新型涤纶纤维,它采用了全新的毛细管原是的纤维截面设计,使其织物能够快速导湿,扩散和挥发汗液,从而保持人体皮肤的干爽感,达到提高织物舒适性目的。


1
前言
具有吸湿干爽性和保暖性的异形三维卷曲中空涤纶纤维的研制,对涤纶纤维新品种的开发具有重要意义。对涤纶的改性主要通过化学和物理改性的方法赋予涤纶纤维较高的吸水性、输水性,以提高涤纶织物穿着的舒适感。其中物理改性方法有改变喷丝孔形状、原料共混纺丝和双组分复合纺丝3种。改变喷丝孔形状对于提高涤纶纤维导湿性是简单和行之有效的方法。世界各大化纤公司都相继开发出了异形截面涤纶纤维,主要通过在纤维侧壁开设沟槽来提高纤维材料在织物中的毛细管效应。如Du-pont公司的Coolmax纤维具有“+”字形截面,日本东洋纺的Tri-actor纤维具有“Y”形截面,我国仪征化纤股份有限公司的Coolbst纤维具有“H”形截面。由于纤维在纵向形成了许多沟槽,从而提高了纤维在织物中的毛细管效应,使织物由于纤维上或纤维间的毛细通道产生芯吸作用而具有干爽导湿性能。
2
中空异形涤纶纤维截面分析及其产品开发的意义

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由于纤维的截面形状与纤维的特性密切相关,借助于纤维截面形状的改变可获得人们所需要的各种特性。由于异形喷丝板加工技术不断发展和完善,喷丝板的种类不断增加,据不完全统计,到目前为止已有近百种,用于工业生产的主要有三角形、四叶形、三叶形、菱形、中空形和异形中空(见图1)等。制造具有与天然纤维相近截面的异形涤纶纤维的仿真方法已被广泛采用。这是因为异形纤维截面外观轮廓呈不规则状,使涤纶织物有蓬松感,改善了光泽效应和手感,提高了织物透气性、抗起毛起球性。中空纤维因纤维内部有连续的空腔,减小了纤维的质量,提高了织物的隔热保暖性。具有特殊意义的是,兼异形、中空、三维卷曲特征于一体的异形中空三维卷曲涤纶纤维,与圆中空纤维、异形纤维相比具有更多的优越性,用这种纤维制作的织物,其蓬松性较普通织物大15-20%,并且耐磨性能比圆形纤维高2倍。此外,异形中空三维卷曲涤纶纤维因其结构特殊,还具有优异的弹性回复性能和隐污性能,故能广泛用作地毯纤维、被褥以及垫子类的填充用纤维和集保暖、吸湿于一体的服用纤维。
3
中空异形涤纶织物的热、湿传递性能分析
实验用织物试样设计为平纹机织物。其中经纱均为锦纶纱,织物组织规格和所用纬纱见表1

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3
1热传递性能分析
3
11中空异形涤纶织物的保暖机理及测试结果 理论认为,在面料中保持相对静止的空气量越多,保暖能越好。但是空气对辐射热几乎没有阻挡作用,而纤维却能有效阻挡。因此,理想的保暖效果需要选择合适的纤维并保持面料中较多的静态空气含量。要达到这一目的,采用截面中空纤维来储存空气,并采用空气层组织是一种有效的途径。
由于中空异形涤纶纤维不但纤维内部有一定空气含量,而且有较好的膨松度,纤维间也有较多的空气含量,因此,可大大提高织物的保暖性。
使用YG606平板式保温仪,按照GBTI 1048-89号标准测试表1中试样保暖率,结果见表2
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由以上测试结果看异形中空纤维织物的传热系数和克罗值均与CoolmaxCoolbst纤维织物相近,而保暖率却要优于CoolmaxCoolbst纤维织物。

3.1.2
中空异形涤纶织物的透气性能测试 透湿汽性与透气性密切有关。织物的隔热性能主要取决于织物内所包含的静止空气,而该因素又受到织物结构的影响,所以织物的透气性与隔热性也有一定的关系。
织物的透气性常以透气率来表示,它是指织物在两边维持一定压力差的条件下,在单位时间内通过织物单位面积的空气量。按照GB5453-85标准采用Y561透气仪测定4种试样的透气性结果为(Lm2?s)Coolmax纬纱2489Coolbst纬纱355
2
,常规涤纶纬纱1882,异形中空纬纱1686
由以上测试结果看,异形中空涤纶纤维织物的透气性不仅比CoolmaxCoolbst差,比常规涤纶也略差。这与异形中空涤纶纤维的截面形状有直接的关系:由于异形纤维截面是在常规圆形的基础上多出两个齿角,在纺纱过程中齿角间相咬合,使得纤维间更易于紧密排列,从而使最终织物的透气性下降。
3
2湿传递性能分析
3
21织物湿传递的基本原理
当织物中纤维形成的毛细管处于水平位置时,虽然没有外力场的势能差,但由于毛细管弯曲面附加引力的作用,能自动引导液体流动,这就是芯吸。芯吸是一种维持毛细管内流体迁移的性能,是使水分子沿纤维表面形成的毛细管上升、并从另一端析出水珠的性能。当人体出汗时,汗液以液态水的形态分布在皮肤表面,通过纱线和织物的芯吸作用,将液态汗水从织物的一面传递到另一面,并散发到空气中,以促进热量的散失,对织物的穿着舒适性起着十分重要的作用。
织物中毛细管内液态水的运输,可以在没有外力场条件下完成。这是因为毛细管中液面的弯曲有一定的附加压力,这些附加压力由液固界面张力引起。
3.2.2
织物透湿汽性能测试用烘箱模拟恒温恒湿条件,用水皿法测试试样透汽量,温度50,时间2h,水皿面积3275cm2,将织物固定在盛有水的杯上,并将其放在烘箱中,杯子中的水气不断地通过织物传输到外界,因此杯中水量逐渐减少。通过周期性地称量杯内水的质量,得到该织物对水汽的穿透阻碍作用的大小。透湿汽量的试验结果为:Coolmax纬纱2035gCoolbst纬纱1732g,常规涤纶纬纱1749g,异形中空纬纱1596g
由测试结果看,异形中空涤纶纤维织物的透湿汽性能要逊于CoolmaxCoolbst和常规涤纶纤维,这在前面的透气性探讨中也可明显看出。
3.2.3
织物导湿性能测试模拟人体出汗过程,在织物内表面滴一滴水,测试1min后另一面的导湿面积,根据导湿面积计算导湿体积和导湿量如表3
由于织物的厚度不同,可以计算织物的导湿体积:
导湿体积=导湿面积×织物厚度
由于织物的孔隙率不同,可以计算织物的导湿质量:
导湿质量=织物的导湿面积x织物的面密度
由于试样厚度、面密度等指标不同,为了准确评价试样的导湿性,利用三项指标图将导湿面积A、体积B、质量C进行指标综合,三项指标按照同一数量级参与运算,三项指标综合值
Z=0
5(AB×10-2+BC×10-3)
几个纬纱试样的导湿面积、导湿体积、导湿质量、指标综合值见表3

()


由以上测试结果看:异形中空涤纶纤维导湿扩散面积略好于Coolbst纤维,但差于Coolmax纤维。
4
结语
中空异形纤维织物的传热系数和克罗值均与CoolmaxCoolbst纤维织物相近,而保暖率却要优于CoolmaxCoolbst纤维织物;透气性比CoolmaxCoolbst差,比常规涤纶略差;透湿汽性能要逊于CoolmaxCoolbst和常规涤纶纤维;芯吸高度略高于Coolbst纤维,却远低于Coolmax纤维;导湿扩散面积略大于Coolbst纤维,但不及Coolmax纤维。
综上所述,中空异形涤纶纤维保暖性能突出,但是透气性能和透湿汽性能都较差,这说明中空部分有益于保暖性的提高,但是异形部分对导湿性能的提高不大,经分析可能是由于其长丝中毛细管数量较少,毛细流量小的缘故,截面中相互突出的部位大部分重叠是由于纺纱过程中的各种随机因素而引起。所以对中空异形涤纶纤维截面中突出部分之间的角度进行进一步分析,可得出一个比较合理的角度值,并在纺纱生产过程控制其纱线最佳捻度,以利于其毛细管数量的增加,从而可提高其导湿性能。

 

三、主打品种:

  1、 普通单孔中空纤维(2.2dtex~30.0dtex)。
  2、 多孔中空纤维(四孔、七孔、九孔等)。
  3、 超滑中空纤维(6dtex~30.0dtex)。
  4、 日本、韩国波纹型中空纤维。
  5、 导湿性纤维。
  6、 三角异型纤维。
  7、 普通棉型、毛型纤维等。

 

品 种

性能及特点

用 途

中空纤维系列

单孔三维卷曲中空纤维(2.0dtex~30.0dtex

中空度高,蓬松性好、恢复弹性速度快,保暖性好

其纤维可以制成枕 芯、被子、玩具等,具有较好的保暖性和蓬松性及弹性。

超滑中空纤维

该产品松散性好、不易起球、硅油滑度特佳,手感滑爽。

主要用在高级防寒服、沙发、抱枕、高级玩具等方面,性能远优于二维中空纤维和三维中空纤维,产品附加值很高,市场销路良好。

七孔三维卷曲中空纤维

将多孔和三维卷曲两项技术合二为一,具有中度高,蓬松性能优异、回弹性好、保暖性强、手感滑爽等诸多优良特性

主要用作絮填材料、装饰及过滤材料及高档仿毛产品,是目前世界上技术含量最高、性能最好的品种之一,产品附加值极高,市场销路非常好,处于供不应求状态。

日本、韩国波纹型中空纤维

该产品具有外观形态好、可洗涤、不起球、膨松性高、平滑性好等特点。

主要用在高级保暖服装、被子,沙发、抱枕,高级玩具等方面,与常规中空纤维相比,还具有技术含量高、产品附加值大等优点。是一种市场潜力巨大的新型材料。

导湿性纤维

导湿透气、柔软干爽,服用后穿着舒适,易洗耐用

是新一代高级保健内衣、高档运动服饰等的最佳原料,产品附加值很高。

三角异型纤维

良好的折光性能、较佳的染色效果,色泽鲜艳,织物耐磨、耐穿、耐污性好,具有天然纤维的手感,抱合力大,起毛、起球现象较少

多用于制作仿真丝织物,如可制作裙料、衬衣、夜礼服;在仿毛织物中,可利用纤维的闪光性能,与毛混纺,制作起绒织物,绒毛竖立性能好,可用于织造毛毯,衣料以及闪光毛线和服饰色织等。

Y型纤维

更佳的折光性能及染色效果,色泽更鲜艳,织物耐磨及耐污性好,具有天然纤维的手感,抱合力好,起毛、起球现象较少

主要用于制作各种高档仿真丝织物及仿毛织物等。

一字断面纤维

具有特殊的闪烁光泽

亮光服饰,结婚礼服,高档针织、休闲、裙裤料等。

母粒添加剂型纤维

有色丝系列

黑色、棕色、黄色、藏青色等

可与中空纤维系列、异型化纤维及普通纤维等相组合,适用于人造毛皮、玩具、服装、面料等各个领域,色泽鲜艳,持久,无须再染色。

功能型纤维

阻燃,抗静电,抗电磁幅射,抗菌,抗紫外线,远红外,防螨纤维

可与中空纤维系列、异型化纤维及普通纤维等相组合,适用于人造毛皮、玩具填料、踏花被、服装、面料等各个领域,具有各种特殊的功能。

 

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