中空纖維的應(yīng)用與發(fā)展

中空纖維的應(yīng)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(xué)纖維，簡(jiǎn)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(shí),經(jīng)過特殊紡絲工藝或后整理得到的抗菌、遠(yuǎn)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(yīng)用前景并刺激了市場(chǎng)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(jí)仿毛面料、高級(jí)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(duì)中空纖維的市場(chǎng)需求量成級(jí)數(shù)增長。1990年前市場(chǎng)需求量不到10kt,而到1998年市場(chǎng)需求量在200kt以上,至2002年底市場(chǎng)的消費(fèi)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(nèi)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(yīng)用到引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的過程。初期由于纖維價(jià)格昂貴,生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、效率低,產(chǎn)量很少。直到1990年儀化公司引進(jìn)日本東洋紡年產(chǎn)4kt的中空纖維制造設(shè)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(nèi)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(yīng)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(yuǎn)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(yuǎn)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(shù)早在上世紀(jì)70年代就相當(dāng)發(fā)達(dá),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(xì)旦(可達(dá)0.77dtex)中空纖維等。3多孔纖維加工技術(shù)中空纖維的生產(chǎn)主要有兩種方法:直接熔融紡絲和復(fù)合紡絲。3.1中空噴絲板回收技術(shù)直接熔融紡絲法通過中空噴絲板來獲得中空纖維,經(jīng)濟(jì)合理,相關(guān)工藝技術(shù)比較成熟,許多關(guān)鍵工藝都能控制,為目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)所采用。在中空噴絲板中裝入微孔導(dǎo)管,在纖維空腔中充入氮?dú)饣蚩諝饪色@得高中空度的充氣中空纖維,避免了生產(chǎn)過程中機(jī)械作用壓扁纖維導(dǎo)致中空度下降,并使得纖維導(dǎo)熱性比空氣更差,大大提高了保暖性,該技術(shù)要點(diǎn)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(shí)通過特殊噴絲板可以獲得3~7個(gè)孔的多孔中空纖維,但其中空率不高,在30%以內(nèi)。3.2直接熔融紡絲法復(fù)合紡絲是指采用具有不同溶解性能的聚合物熔體同時(shí)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(fù)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(shí)機(jī)械作用將孔壓扁導(dǎo)致中空率減少的缺點(diǎn),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(dá)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(fù)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(shí)受到的剪切力不同導(dǎo)致斷面上內(nèi)應(yīng)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(fù)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(chǔ)上,紡絲時(shí)共混入特殊的微細(xì)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(xì)孔,從而得到微孔中空纖維。3.3后紡拉伸技術(shù)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(shù)上的重點(diǎn)在于噴絲板設(shè)計(jì)、環(huán)吹風(fēng)非對(duì)稱冷卻及后紡拉伸控制技術(shù)。除此外,如果要獲得理想的中空度,則必須合理安排設(shè)計(jì)相關(guān)工藝參數(shù)。3.3.1孔形尺寸對(duì)中空纖維細(xì)度的影響噴絲板的設(shè)計(jì)包括其形狀和結(jié)構(gòu)尺寸兩方面,前者用于異性截面中空纖維,其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求相關(guān),常用的孔形有多邊形、C形、圓弧形、多點(diǎn)形等;后者則是中空纖維能否形成的關(guān)鍵因素,包括噴絲孔的狹縫長度、兩狹縫尖端距離、當(dāng)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(shè)計(jì)尤其重要。3.3.2提高風(fēng)速與紡絲環(huán)風(fēng)溫環(huán)吹風(fēng)非對(duì)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(shù)關(guān)鍵。環(huán)吹風(fēng)非對(duì)稱冷卻工藝包括吹風(fēng)速度、溫度和濕度及均勻性這四個(gè)方面,其中吹風(fēng)速度對(duì)纖維成形影響最大。提高風(fēng)速將加強(qiáng)纖維截面的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)從而獲得潛在卷曲更好的初生纖維,但風(fēng)速過大將引起絲條振蕩、出絲不暢、原絲預(yù)取向度大、拉伸性能惡化等,因此要選取合適的風(fēng)速以兼顧原絲的潛在卷曲和拉伸性能;雖然降低環(huán)吹風(fēng)溫使得冷卻條件加劇,但同時(shí)原絲預(yù)取向增加、拉伸性能下降,因此風(fēng)溫也應(yīng)適當(dāng);環(huán)吹風(fēng)還應(yīng)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(dòng),并利于控制冷卻條件;同時(shí)提高環(huán)吹風(fēng)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(xué)性能,而是使初生纖維內(nèi)部的應(yīng)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(yīng)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(shù)參數(shù)。按拉伸介質(zhì)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(zhì),纖維在拉伸中產(chǎn)生二次取向,導(dǎo)致纖維內(nèi)在結(jié)構(gòu)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(zhì),是絕熱拉伸,取向一次完成,比較而言蒸汽拉伸后纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)更加明顯和穩(wěn)定。拉伸倍率和溫度的選擇都要同時(shí)兼顧初生纖維的拉伸性能以及卷曲的釋放。此外拉伸點(diǎn)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(duì)維中空度的影響中空度的中空控制貫穿于整個(gè)紡絲過程中,從噴絲孔尺寸到后紡拉伸工藝對(duì)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(dǎo)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(yīng)用4.1材料的保暖性中空結(jié)構(gòu)減輕了纖維的重量并使它的內(nèi)部富含靜止空氣,大大增加了單位質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)硅整理后將使纖維更光滑。尤其是多孔纖維,當(dāng)纖維受力時(shí),中空纖維各孔之間的支撐結(jié)構(gòu)分擔(dān)壓力,相對(duì)比單孔結(jié)構(gòu)有更高的抗壓縮性和壓縮回彈性,是枕芯、睡袋、靠墊和高級(jí)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(qiáng),是理想的毛紡混紡原料4.4中空纖維在日本公司的應(yīng)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(yīng)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(nèi)腔向外或從外向內(nèi)腔透過中空纖維壁,而同時(shí)對(duì)另一些組分具有截留作用。現(xiàn)已廣泛應(yīng)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(lǐng)域除以上應(yīng)用外,微孔中空纖維由于具有芯吸效應(yīng),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(yīng)用于服裝襯里、汽車內(nèi)飾等高檔非織造布、輕質(zhì)織物和復(fù)合材料中。5市售中空纖維的優(yōu)點(diǎn)中空纖維經(jīng)過三十多年的發(fā)展,已成為具有多種細(xì)度、多孔、較高中空度和各種異形截面的高技術(shù)纖維,各種特種中空纖維如碳中空纖維和遠(yuǎn)紅外、抗菌等功能性中空纖維以及細(xì)旦中空纖維也在發(fā)展之中,并且其整體應(yīng)用和需求日益增長。但是中空纖維存在以下缺點(diǎn):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(zhì)的導(dǎo)通,另一方面兩端開孔不利于保持在空腔中填充介質(zhì)的性能且不利于要求拒水等性能的使用場(chǎng)合;②中空纖維最基本的特點(diǎn)是截面具有中腔,目前纖維中空度可達(dá)50%,理論上而言中空度越高越好,但是過高的中空度將導(dǎo)致纖維易壓縮且不易