中空纤维的应用与发展

中空纤维的应用与发展

1中空纤维的发展空纤维是指沿横截面的轴向上的空腔化学纤维，简称空腔。这是重要的形式纤维。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。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10kt,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2中空纤维生产厂家及品种情况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1990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,并迅速发展表1列出了部分国内外主要的中空纤维生产厂家及其品种。从表1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70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。3多孔纤维加工技术中空纤维的生产主要有两种方法:直接熔融纺丝和复合纺丝。3.1中空喷丝板回收技术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3~7个孔的多孔中空纤维,但其中空率不高,在30%以内。3.2直接熔融纺丝法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到三维卷曲中空纤维。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后纺拉伸技术通过直接熔融纺丝获得中空纤维或三维卷曲中空纤维,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。3.3.1孔形尺寸对中空纤维细度的影响喷丝板的设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。3.3.2提高风速与纺丝环风温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。3.3.3次拉伸工艺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。3.3.4纺丝温度和冷却成形条件对维中空度的影响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。4应用4.1材料的保暖性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。4.2有机硅整理良好的膨松性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。4.3毛织胶混合纺织布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4.4中空纤维在日本公司的应用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®”4.5绒4、毛绒张4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)4.6微生物纤维在纺织品中的应用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。5市售中空纤维的优点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