雙組分紡粘技術在超纖非織造材料領域的應用進展

王俊南，錢曉明，張 恒，劉 沖，梁繼源

(1.天津工業大學紡織學院，天津300387;2.山東天鼎豐非織造布有限公司，山東德州251500;3.寧夏中銀絨業股份有限公司，寧夏靈武750000)

超細纖維非織造材料作為最近幾年發展最快的一種非織造材料［1］，由于其獨特的致密結構、高比表面積、手感柔軟等特性，在工業領域(高溫過濾、汽車內飾等)、個人護理(擦拭布、口罩等)和合成革等領域有著廣泛的應用［2－4］。目前生產超細纖維非織造材料的方法主要有:靜電紡絲技術、熔噴技術以及雙組分紡粘非織造技術［5］。雙組分紡粘非織造技術相較于其他兩種生產方法，具有生產速度快、產品強力大等特點，并且已經成功地商業化應用。較為典型的實例是德國Freudenberg公司的Evolon?產品和廊坊中紡新元無紡材料有限公司的Fintex?產品。作者對雙組分紡粘非織造技術在超細纖維非織造材料領域的應用研究進展進行綜述，包括雙組分紡粘纖維的成形、開纖以及固網方式和產品的特點，以期拓展雙組分紡粘非織造技術的工業化應用。

1 雙組分紡粘纖維網的成形

雙組分紡粘非織造技術是傳統雙組分熔體紡絲技術和紡粘非織造技術的結合。雙組分紡粘非織造材料的生產系統主要包括:熔體紡絲、冷卻、拉伸、分絲鋪網和負壓抽吸等系統。在生產過程中，兩種干燥的熱塑性聚合物切片，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚己內酰胺(PA6)分別經過料斗喂入到螺桿擠壓機內，在高溫、擠壓的作用下軟化、熔融形成聚合物熔體。經熔體過濾器去除雜質的兩種聚合物熔體在計量泵的擠出作用下定量喂入到雙組分紡絲組件中，并從噴絲孔按照一定的比例和排列形式擠出。此后，聚合物熔體在拉伸和冷卻作用下細化，形成具有一定細度和強力的雙組分長絲。最后，雙組分長絲在分絲鋪網系統作用下均勻鋪放成雙組分纖維網［6］。

2 雙組分紡粘非織造材料的分類

雙組分紡粘非織造材料可按照其原料、纖維截面形態、加固方式及其應用方式等分類(見圖1)。通常主要習慣于按原料及截面形狀分類。

圖1 雙組分紡粘非織造材料的分類Fig.1 Variety of bicomponent spun-bonded nonwoven material

2.1 按原料分類

雙組分紡粘非織造技術的纖維成形工藝源自于傳統的雙組分熔體紡絲技術，因此在纖維原料選擇時首先考慮的是兩種組分的可紡性，其次考慮的是纖維的開纖性和功能性［7］。20世紀90年代德國R.Groten等［8］采用紡絲溫度較為接近的PET和PA6作為原料，利用橘瓣形紡粘-水刺開纖方法制備Evolon;2002年日本可樂麗(R.Kuraray)［9］公司利用一種名為 ExcevalTM可生物降解的可溶性聚合物與PP，PE或PA6等進行復合紡絲-水洗的方式制備超細纖維非織造布。此后，N.Fedorova［10］探究了利用 PLA-PA6 海島型紡粘-水刺開纖方法制備超細纖維非織造布的可行性，以期獲得更容易分裂的雙組分纖維。

隨著水刺開纖技術和聚合物技術的發展，國外研究人員的目光開始集中到各種聚合物組合方式的雙組分紡粘技術，比如:N.Anantharamaiah等［11］探討了PE-PA6海島型雙組分紡粘非織造材料利用水刺開纖制備超細纖維非織造材料的可行性，并分析了不同配比的雙組分纖維對非織造材料力學性能的影響。此后研究人員開始研究PEPA6海島型雙組分紡粘-水刺非織造材料的各種應用特性，如:B.Y.Yeom 等［12］研究了不同島的數量對PE-PA6海島型紡粘-水刺開纖方法制備的超細纖維非織造材料的過濾性能的影響，F.Suvari等［13］則探討了 PE-PA6海島型紡粘-水刺非織造材料隔音吸聲特性。

目前市場上比較常見的用于生產超細纖維的雙組分紡粘聚合物的種類包括:PET/PA6，PA6/PE，PP/PE，PLA/PA6，另外，PET/PE，PA6/PP 也可以用作生產超細纖維的原料。但不同的原料所適用的場合有所不同［14］。

2.2 按截面形態分類

雙組分紡粘非織造技術在超細纖維領域的應用，首先考慮的是其截面形態的可分裂性，如圖2所示是各種異形截面的雙組分纖維。圖2b為Evolon產品，選用的是橘瓣形纖維結構［15］。為了獲得更好的機械開裂能力，Fintex產品采用了中空-橘瓣形的結構(圖2c)［16］。為了獲得更細的纖維，N.Fedorova［10］進行了海島型(圖 2d)雙組分紡粘超細纖維的制備，隨后國外許多的研究者將其目光投向利用海島型雙組分紡粘技術來制備超細纖維。A.Durany等［17］利用海島型雙組分紡粘-水刺工藝制備具有高比表面積的超細纖維，并對纖維的島的數目對非織造材料的物理性能的影響進行了分析。此后，有更多的研究人員對海島型雙組分紡粘纖維的島的數量對非織造材料性能的影響進行了探討。如:B.Y.Yeom等［12］分析了纖維的島數目對非織造材料的孔隙率(小)以及過濾性能(大)的影響，而 F.Suvar等［13］則探討了海島型雙組分紡粘材料中雙組分纖維的島的數量對材料吸聲性能的影響。

同時，有研究者對雙組分紡粘非織造技術制備的超細纖維非造材料的結構特征以及雙組分紡粘技術做了更深層次的研究和分析，如:E.Shim等［18］利用數字立體成像技術研究了橘瓣形雙組分紡粘在高壓水射流作用下的開纖效果、纏結情況以及3D 結構［17］。

圖2 雙組分纖維的截面形狀示意Fig.2 Cross section shape of bicomponent fiber

3 開纖方式

國外于1994年開始了雙組分紡粘非織造材料開纖技術的研究，T.Nakajima等［19］在出版的Advanced Fiber Spinning Technology(Woodhead Publishing)中，首次提出了利用分裂型雙組分長絲技術/水刺技術制備超細纖維非織造材料的方式。隨后研究者將目光集中到如何利用各種開纖方式獲得各類型的超細纖維材料上。1999年R.Groten等［8］利用雙組分長絲成網技術制備超細纖維非織造材料，開發了Evolon產品。為了進一步研究高壓水射流對非織造材料的拉伸性能和開纖效果的影響，Mbwana Suleiman Ndaro 等［20］對海島型雙組分紡粘材料的水刺開纖工藝進行了探究。與此同時，N.Fedorova等［10］采用化學開纖的方式制備出了超細纖維。

開纖方式不同，其開纖效果也會有所差異，每種開纖方式既有其優勢又存在其不足。從圖3可以看出，利用水刺開纖方式雙組分紡粘非織造材料具有較致密的結構，針刺開纖工藝相對于水刺開纖工藝、化學開纖工藝會形成較為清晰的“夾心層”結構，并認為這與針刺開纖的工藝有很大的關系［21］。

圖3 PET/PA6中空-橘瓣形纖維開纖效果電鏡照片Fig.3 SEM images of splitting effect of hollow segmented-pie PET/PA6 fiber

4 紡粘超細纖維非織造材料的應用

利用雙組分紡粘非織造技術生產的超細纖維非織造材料，因其手感柔軟、機械性能好、比表面積高等許多優良的特性［22］，廣泛應用于過濾材料、革基布、隔音材料等領域。

(1)過濾材料

相較于傳統的過濾材料，經開纖后形成的雙組分紡粘超細纖維非織造材料在結構和工藝上都具有明顯的優勢，因此國內外的研究者紛紛對雙組分紡粘超細纖維非織造材料在過濾領域的應用進行開發研究。B.Y.Yeom 等［12］研究了 PA6-PET海島型雙組分紡粘非織造材料通過水刺開纖后的結構特征與氣溶膠過濾性能的關系，并研究分析了島的數目對過濾效率和過濾阻力的影響，結果表明纖維的島數目對非織造材料的孔隙率影響很小，但對氣溶膠過濾性能影響很大。與此同時，國內也有研究者對雙組分紡粘超細纖維非織造材料在過濾材料方面的應用進行了研究，盧延蔚等［22］研究橘瓣形雙組分非織造材料的開纖技術及過濾性能，當纖維線密度很小的情況下繼續減小纖維的直徑能夠提高濾材的過濾效率，雙組分紡粘超細纖維非織造材料在過濾材料領域應用具有纖維線密度和纖維截面的優勢。張恒等［23－24］則闡述了基于水刺開纖的不同規格的PET-PA6中空-橘瓣形雙組分非織造材料在氣溶膠過濾領域的應用。

(2)革基布

隨著世界各地人們環保意識的增強，真皮制品的開發已經受到限制。因此，革基布取代真皮已經成為必然。雙組分紡粘纖維經開纖后形成的超細纖維具有手感豐滿、機械性能好、透氣性好等優點，因此可以用于革基布的生產［25］。

國內利用雙組分紡粘非織造技術生產革基布的研究很多，如，金敬業等［26］研究了海島復合纖維的聚氨酯(PU)革基布堿法開纖工藝，研究發現開纖率提高，PU革基布的透氣性顯著增加，彎曲長度減小。

(3)隔音材料

噪聲污染不僅對人類身心造成危害，還會加速建筑物、機械設備的老化。因此，對隔音材料的研究迫在眉睫。雙組分紡粘纖維經開纖后形成的超細纖維具有高孔隙率、柔軟、多孔的特性，是隔音吸聲較好的材料［27］。

近年來國內外對于隔音材料的研究絡繹不絕，例如，F.Suvari等［13］研究了 PA6/PE 海島型雙組分紡粘-水刺材料中雙組分纖維的島的數目對于材料的吸聲性能的影響，并研究了多層復合的雙組分紡粘-水刺材料與加入了高蓬松的雙組分紡粘非織造材料的吸音性能的差異。研究結果發現108島的多層復合非織造材料在近一半的吸聲頻率范圍內具有較好的表現。

5 結語

目前，利用雙組分紡粘非織造技術生產超細纖維非織造材料的技術關鍵是雙組分纖維的開纖，各種開纖形式和應用領域都存在著一定的局限性，因此，對于雙組分紡粘纖維的研究要從最開始的制備工藝、開纖工藝和產品的物理機械性能的研究逐漸地轉移到雙組分產品的結構和功能性應用研究。今后雙組分紡粘非織造技術的發展趨勢具有以下特點:(1)多技術復合。利用雙組分纖維的特性結合現有的非織造加工技術進行復合，生產出具有結構差異、性能不同的新型非織造材料。如雙組分紡粘成網技術和水刺開纖加固技術、針刺開纖加固技術、化學開纖加固技術的復合應用;(2)聚合物種類及纖維復合的形式多樣化。隨著社會的發展，傳統的用于生產超細纖維的雙組分紡粘非織造材料的原料和截面形態的異形纖維已經無法滿足人們對多樣化的需求。因此，聚合物種類及纖維復合形式的多樣化是雙組分紡粘技術用于超細纖維生產領域的必然趨勢;(3)應用領域廣。雙組分紡粘非織造材料不僅能用于過濾材料、高級生態合成革基布、隔音材料，經過開纖后形成的超細纖維還可用做高級擦拭布防護、口罩、床上用品以及印刷媒介的原料［28］。

［1］ 侯翠芳.PET/PA6雙組分纖維紡粘水刺非織造布生產技術［J］.紡織導報，2009，9(1):79 －80.

［2］ 成楓，朱義鵬，黃有佩.雙組分紡粘水刺法非織造布生產及其在過濾材料領域的應用［J］.非織造布，2009，17(3):11－13.

［3］ 冷純廷，程宏.汽車工業用紡粘非織造布的現狀及前景［J］.產業用紡織品，2006，24(2):5－8.

［4］ 倪冰選，焦曉寧.紡粘水刺復合非織造布的發展概況［J］.產業用紡織品，2010，28(1):1 －4.

［5］ 陳喆，陳龍敏，賈耀芳.超細纖維水刺復合技術的發展現狀［J］.非織造技術，2009(5):35 －37.

［6］ 張黎.雙組分纖維的開發及應用［J］.合成技術及應用，2004，19(1):38 －41.

［7］ 趙義俠，劉亞.PA6/PET中空橘瓣纖維雙組分紡粘超細纖維的制備［J］.福建輕紡，2012(3):49 －54.

［8］ Groten R，Baravian J，Riboulet G.Nonwoven lap formed of very fine continuous filaments:US，5970583［P］.1999 －10 －26.

［9］ 劉偉媛，陳廷.紡粘非織造技術的發展現狀［J］.紡織導報，2012，23(9):34 －38.

［10］Fedorova N.Investigation of the utility of islands-in-the-sea bicomponent fiber technology in the spunbond process［D］.Raleigh:North Carolina States University，2006.

［11］Anantharamaiah N，Verenich S，Pourdeyhimi B.Durable nonwoven fabrics via fracturing bicomponent islands-in-the-sea filaments［J］.J Eng Fiber Fabr，2008，9(2):41 －47.

［12］Yeom B Y，Pourdeyhimi B.Aerosol filtration properties of PA6/PE islands-in-the-sea bicomponent spunbond web fibrillated by high-pressure water jets［J］.J Mater Sci，2011，46(17):5761－5767.

［13］Suvari F，Ulcay Y，Maze B，et al.Acoustical absorptive properties of spunbonded nonwovens made from islands-in-the-sea bicomponent filaments［J］.J Text Inst，2013，104(4):438 －445.

［14］董萌，王汝敏，姚梅.改善聚合物共混材料界面相容性的研究進展［J］.涂料涂裝與電鍍，2006，4(5):15 －19.

［15］許紅恩.Freudenberg在超細紡粘非織造布Evolon方面的新進展［EB/OL］［2004 －8 －10］.http://www.texindex.com.cn/Articles/2004 －8 －10/32766.html.

［16］林桐，陳凱.雙組份紡粘非織造布技術研究進展［J］.福建輕紡，2010(3):48－50.

［17］Durany A，Anantharamaiah N，Pourdeyhimi B.High surface area nonwovens via fibrillating spunbonded nonwovens comprising islands-in-the-sea bicomponentfilaments:structure-processproperty relationships［J］.J Mater Sci，2009，44(21):5926 －5934.

［18］Shim E，Pourdeyhimi B.Three-dimensional analysis of segmented pie bicomponent nonwovens［J］.J Text Inst，2010，101(9):773－787.

［19］Nakajima T，Kajiwara K，McIntyre J E.Advanced fiber spinning technology［M］.UK:Woodhead Publishing，1994:1 －256.

［20］ Ndaro M S，Jin Xiangyu，Chen Ting，et al.Effect of impact force on tensile properties and fiber splitting of splittable bicomponent hydroentangled fabrics［J］.Fiber Polym，2007，8(4):421－426.

［21］盧志敏，錢曉明.橘瓣型雙組分紡粘法非織造布的開纖效果及開纖效果探討［J］.產業用紡織品，2011，29(3):23 －26.

［22］盧延蔚，錢曉明，張恒.橘瓣型雙組份非織造材料的開纖技術及過濾性能［J］.合成纖維工業，2014，37(2):64 －67.

［23］張恒，錢曉明，宋衛民，等.雙組分紡粘非織造材料的過濾性能［J］.東華大學學報:自然科學版，2014，40(2):129 －133.

［24］ Zhang Heng，Qian Xiaoming，Zhen Qui，et al.Research on structure characteristics and filtration performances of PET-PA6 hollow segmented-pie bicomponent spunbond nonwovens fibrillated by hydro entangle method ［J］.J Ind Text，2014，1528083714521073.

［25］錢程.人造合成革基布的生產現狀及發展［J］.產業用紡織品，2005，23(1):5 －9.

［26］金敬業，楊建忠.海島復合纖維的聚氨酯革基布堿法開纖的工藝［J］.合成纖維，2011，40(8):12 －16.

［27］劉永勝，錢曉明，張恒.非織造多孔吸聲材料的發展與研究現狀［J］.棉紡織技術，2013，41(10):746 －747.

［28］盧志敏，錢曉明.桔瓣型雙組分紡黏水刺超纖技術及其應用［J］.棉紡織技術，2011，39(7):473 －476.