定岛型海岛纤维的生产及其在超纤革中的应用

紫气东来

定岛型海岛纤维是一种由分散相聚合物(岛组分)均匀嵌在连续相聚合物(海组分)中形成的复合纤维,且岛组分数量固定,具有优异的服用性能.本文介绍了定岛型海岛纤维的发展现状、生产工艺以及超纤革的生产及应用,并提出了定岛型海岛纤维和超纤革目前存在的问题,对未来的前景作了展望.

海岛纤维学名“海岛型超细纤维”,也称基质原纤型纤维或超共轭纤维,是一种高附加值、高技术的新型复合纤维.海岛纤维通常分为定岛型海岛纤维和不定岛型海岛纤维.定岛型海岛纤维的岛组分分布均匀,它既可以制作长丝,也可以将长丝切断后得到所需长度的短纤维.定岛型海岛纤维在纵轴上连续且“岛”的纤度均匀,从而可以制得强度高、染色性能和色牢度俱佳的超细纤维合成革(简称超纤革).因此定岛型海岛纤维随着超纤革的快速发展进入一个高速发展时期.

定岛型海岛纤维及超纤革的发展

1.发展背景

海岛纤维最早是在20世纪70年代初由日本东丽公司研制开发的,从此掀起了超细纤维研发的浪潮.起初研发的是不定岛型海岛纤维,但其岛纤维在纵轴上不连续,岛数不固定,岛纤维的细度、长度也不均匀,用此制成的超纤革的染色性能和色牢度都较差.为使海岛纤维在纵轴上连续,长度、细度均匀一致,染色性能、色牢度俱佳,海岛纤维的生产技术更新换代,定岛型海岛纤维应运而生.

2.发展现状

2.1.国外发展现状

除日本东丽公司外,日本旭化成、可乐丽、帝人可多丽、三菱人造丝、钟纺也具有自己的技术优势.韩国大成最早从日本引进海岛纤维非织造布,研发超纤革;科隆成功开发了0.055dtex的海岛纤维并批量生产;除此之外,韩国的大进、东宇生产的超纤革也走在世界的前列.

2.2.国外发展现状

在中国台湾,最具规模的是南亚和三芳.1993年,南亚开始使用0.055dtex的海岛纤维生产超纤革,并逐步市场化;1995年,三芳开始涉猎这个行业.

烟台合成革总厂于20世纪80年代末期就开始着手研发不定岛型海岛纤维及超纤革,但定岛型海岛纤维及定岛型超纤革的开发起步较晚,发展也比较慢.上海市合成纤维研究所于2003年成功研制定岛型海岛短纤维,是国内第一个建成年产2000t的全部国产化的定岛型海岛短纤维生产线的单位;浙江梅盛和华峰超纤同期建成了定岛型海岛纤维超纤革生产线,原厦门鸿信也于2005年开始建设定岛型海岛纤维及超纤革的生产线.临邑大正特纤新材料有限公司于2013年开发了64岛定岛型海岛纤维,打破了日本在该规格产品上的国际市场垄断,填补了我国64岛海岛纤维的生产空白;除此之外,常熟贝斯特也在定岛型超纤革市场占有较大的市场份额.

中国的定岛型海岛纤维及超纤革的生产研发仍处于成长阶段,很多技术仍需突破,服用定岛型超纤革等领域被日本垄断,仍需大量进口.而以日本为代表的定岛型海岛纤维生产强国经过多年的发展,生产技术已经成熟,生产模式已从单一的纤维生产向技术升级、成本降低等方面转变.

定岛型海岛纤维

1.品种

定岛型海岛纤维因“海”和“岛”的成分不同而形成多个产品系列,其中海组分有COPET、PE、PS、PPS、改性PVA等,岛组分有PET、PA6等,组合常见的有COPET/PA6、PPS/PA6、PE/PA6等.

2.生产

2.1.国外发展现状

“海”和“岛”的成分不同,其生产工艺路线略有不同.以32岛COPET/PA6海岛复合短纤维生产过程为例,其生产工艺流程为(岛组分简称A,海组分简称B):B预结晶→A、B切片干燥除杂→分别进入A、B螺杆挤出机→过滤→喷丝→冷却→集束→一级牵伸→二级牵伸→三级牵伸→卷曲→干燥定型→切断→称量→打包.

生产出的32岛COPET/PA6海岛纤维如图1所示.

2.2.工艺优化

优化纺丝工艺首先需要严格要求切片的质量,不同的切片质量指标不尽相同,但均要控制其粘度、熔点、端羧基含量、色相、含水率等指标.其次,在现有的工艺下,生产的定岛型海岛纤维“海”与“岛”组分界限不明显,需严格控制纺丝温度,两种组分分区各自控温熔融,避免组分之间发生黏连.再者,优化冷却成型、卷绕和后拉伸环节,保证UDY结构均匀,并使POY充分取向,提高定岛型海岛纤维的染色性能.

3.研发方向

3.1.喷丝板的设计

影响定岛型海岛纤维质量的关键设备是复合喷丝板.复合喷丝板最早由美国的Moriki和Ogasawara设计并申请专利,日本卡森生产的高精度复合纺丝喷丝板也有多年的历史,德国威查集团采用激光打孔工艺制造喷丝板精度高,质量好.中国复合喷丝板的自主研制起步较晚,喷丝板的质量也与日本、德国等国家有一定差距.国内生产海岛纤维喷丝板的厂家较少,其中自主研发海岛纤维喷丝板(或纺丝组件)并申请专利的公司还不足10家.大连赛阳化纤公司、深圳市中晟公司、中国石化仪征化纤公司、济南欣海公司等公司先后成功研发海岛纤维喷丝板,此类技术的发展在一定程度上提高了国内海岛纤维的质量水平.

紫气东来

3.1.纯水溶性海相切片研发

海岛纤维的海组分的发展趋势为苯溶性→碱溶性→水溶性.在开纤去除“海”组分时,若“海”组分为PE或PS等,则采用苯减量处理,若为COPET、PPS等,则采用碱减量处理.但因甲苯为有机溶剂,对环境和人体存在危害,已有淘汰趋势.为此国内外开始研发水溶性海岛纤维,即在开纤时,不需要其他化学试剂,直接利用水为介质对海岛纤维作减量处理.现已开发出的水溶性“海”组分有改性PVA、SP等,但多数仅处于实验室阶段,目前世界上已产业化的溶于水的合成纤维仅有改性PVA,而社会上常说的水溶性海岛纤维,实则多为碱溶性,纯水溶性海相切片研发的完成是水溶性海岛纤维开发的前提.

超纤革

超纤革,被称为第四代人工皮革,是当今世界最接近天然皮革的人造革材料.图2为超纤革图片.

1.物理特性

超纤革表面浸渍聚氨酯,使其具有聚氨酯微孔网状表面结构和束状内部结构,这与天然皮革的粒面层和网状层的结构形态极其相似.除此之外,超纤革的质感也可与天然高级皮革相媲美,而且在强度、舒适性、透气透湿性、耐化学性、抗皱性、可洗涤性、可加工适应性以及质量均一性等方面优于天然皮革,是替代天然皮革的最佳产品.超纤革与天然皮革相比主要有以下特点:

a)耐折牢度高.常温下弯曲达20万次无裂纹,低温(-20℃)下弯曲3万次无裂纹;

b)伸长率适中;

c)撕裂强度和剥离强度较高.

2.工艺流程

定岛型海岛纤维超纤革的生产工艺流程大致如下:

定岛型海岛纤维短纤→无纺布制造→无纺布定性→浸渍聚氨酯→聚氨酯固化→减量→后整理.

而普通人造革的生产主要包括基布处理、胶料制备、涂覆、贴合、凝胶化、表面处理、压花、冷却、卷取等工序.超纤革和普通人造革在涂覆材料和底基材料等方面存在差异.超纤革以超细纤维非织造布为基布,浸渍聚氨酯;而普通人造革以传统织物为基布,涂覆聚氯乙烯或聚氨酯树脂.

3.研发方向

3.1.省去PVA含浸

定岛型海岛纤维非织造基布可省去PVA预处理.海组分本身使基布中的纤维表面附着一层薄膜,再将该基布浸于聚氨酯中,让聚氨酯在海岛纤维非织造布的三维网状组织中形成具有无数微孔的连续弹性体,随着海组分的去除,即形成理想结构.

3.2.超纤革新型染色技术

海岛纤维染色困难,染色后的显色度低且颜色不够鲜艳,选择合适的染料、助剂、介质和工艺才能获得较好的染色效果.郭生伟采用酸性染料与分散染料拼混染色的方法,添加增深增艳剂APA处理PA6超纤革,达到了理想的染色效果.随着CO2染色法、溶剂法、真空染料升华染色法等无水染色技术的发展,超纤革染色革命的步伐将进一步加快.

3.3.记忆性定岛型海岛纤维超纤革的开发

定岛型海岛纤维超纤革存在易变形的缺点.选用PTT等形状记忆型纤维作为海岛纤维组分,从纤维性能的提升、非织造结构的改进等方面入手,解决当前超纤革保型性差等难题,为开发车用革、服用革和正装鞋用革奠定基础.

3.超纤革的应用

定岛型海岛纤维超纤革的用途广泛,可应用于鞋、服装、箱包、家具、汽车内饰等的各领域.

3.1.鞋用超纤革

超纤革有良好的物理机械性能,吸水、透汗,能保护人的脚面免受鞋帮接缝和夹层衬垫凸出的边角擦伤,故可用来生产高级鞋的鞋面和鞋里.但鞋用超纤革的耐曲挠性、变形恢复性和吸湿性能还需进一步提高.Wu等采用在1064、532nm和355nm波长处的3种激光器来构建超纤革上的微孔阵列,提高了超纤革的水蒸汽透过率.为提高其吸水、保水性能,还可在鞋用超纤革中添加高保水材料,使鞋内形成干爽、舒适的内部环境.可以说,进一步提高超纤革的力学性能和吸湿换汽能力应成为我国正装鞋用革发展的主攻方向.中国先后制定了防护鞋用合成革和运动鞋用聚氨酯合成革的行业标准,但对于正装鞋用合成革仍是空白.

3.2.家具用超纤革

超纤革家具的耐磨性和耐老化性俱佳,性能稳定,纹路整齐规律,取材方便,且价格低于真皮家具,是除真皮外,制作高档家具的另一选择.但这一市场的高端产品几乎被日本垄断.中国相关企业和研究机构应在家具用超纤革的手感及外观仿真皮、环保无异味和保型性等方面进一步加强研究.

3.3.服装面料

服用超纤革的开发和生产难度较大,目前基本被日本垄断.定岛型海岛纤维用于服用超纤革主要有两大类产品.一是选用定岛型海岛超细纤维的长丝,将其织成织物,采用涂层技术对基布处理再经起绒加工,在织物成品的表面形成了细密均匀的绒毛,制成具有书写效果的高档人造麂皮,蓬松、飘逸、悬垂性及柔软性极好,手感舒适,被广泛用于外套、夹克等;二是选用定岛型海岛超细纤维的短纤维,将其织制成非织造布,再通过浸渍聚氨酯、除去岛组分、片皮和起绒加工等工序,制成具有书写效果的高档人造麂皮或桃皮绒.日本可乐丽生产的Amaretta和东丽生产的Ultrasuede高级人造麂皮超纤革,作为风衣、夹克等高级时尚服饰材料广获市场好评.

3.3.车用超纤革

与天然皮革相比,超纤革在厚度均匀性、耐霉菌性、材料利用率和成本等方面都具有明显优势.它具有更高的耐久性和质量,在内饰中的应用部位也逐步扩大.东丽公司称,汽车超纤皮革的高级感等性能成为国内外汽车设计者的核心所在,从中高级轿车到质量较好的小型车,普遍应用了超纤革作为内饰.

车用超纤革对超纤革的质量要求很高.中国于2011年制定汽车用聚氨酯合成革的行业标准(QB/T4194—2011),提出了对其色牢度、耐磨性、耐折牢度、耐老化性、耐光性等指标的技术要求.为了提高车用革的色牢度和保型性,纤维着色技术和多纤维混纺技术在高性能车用革领域得到了较快的发展.

问题与展望

虽然定岛型海岛纤维的生产工艺逐渐成熟,但依旧存在很多问题.生产的定岛型海岛纤维的质量和水平还有待提高,纤维的表征有待完善;开纤过程浪费掉大量的海组分或岛组分,导致资源浪费;海岛纤维制成的织物染色均匀性差,且染色过程会造成大量的水资源的污染和浪费,加大了环保压力;生产设备投资较大,中国生产的喷丝板组件与日本、德国、韩国等国家还有较大差距,多数需要进口.

虽然超纤革的性能与天然皮革相近,甚至某些性能优于天然皮革,但它也存在不足,如海岛纤维非织造布的内外密度相同,而天然皮革在截面上存在密度梯度,这导致超纤皮的韧性和折曲手感与天然皮革有一定差异.另外,超纤革表面也未能达到天然皮革面层所特有的自然优美的纹路和手感,透气和透湿性与天然皮革相比有差距.

定岛型海岛纤维作为一种新型复合纤维已经在海内外市场表现出十分强劲的发展势头,尽管中国的山东临邑大正特纤新材料有限公司已全面突破了定岛型海岛纤维加工技术,成功地开发出64岛海岛纤维,但我国的定岛型海岛纤维的进口量依旧很大,与日本存在的差距也不容忽视.而定岛型海岛纤维生产技术作为一种高新技术,只有上下游产品结合起来,加大技术投入,在新功能、新技术上不断探索,开发定岛型海岛纤维超纤革及其他海岛纤维附属产品,才能有效提高海岛纤维产品的国际竞争力.