紡絲成網技術及其產品的最新進展

蘆長椿

摘要：傳統紡絲成網生產已步入高附加值，功能性、耐用性紡粘非織造布產品受到人們的關注。紡絲成網技術在快速高效、復合功能、生產彈性以及革新性技術的開發和使用方面取得了長足的進步。本文介紹了部分耐用性紡粘非織造布新產品的性能和應用狀況，包括高比表面積產品、彈性紡粘非織造布產品、異形截面纖維產品、生物基聚合物產品、超細纖維紡粘非織造布產品等，希望能為高附加值紡絲成網非織造產品的開發提供一些參考和借鑒。

關鍵詞：紡絲成網；雙組分纖維；彈性紡粘非織造布；生物基聚合物；異形截面；超細纖維非織造布

中圖分類號：TS174 文獻標志碼：A

The Latest Developments of Spunlaid Technologies and Products

Abstract： Conventional spunlaid production has become more value-added， while functional and durable spunbond nonwovens become more popular. Great progress has been made on spunlaid technology， which is reflected in higher speed and efficiency， composite functions， production flexibility as well as the development and applications of revolutionary technologies. By introducing the properties and applications of some durable spunbond nonwovens， including high-specific surface nonwovens， elastic spunbond nonwovens， products based on profiled fibers， products based on biomass polymers， spunbond nonwovens based on superfine fibers， etc.， this paper tries to offer certain reference for developing high value-added spunlaid nonwovens.

Key words： spunlaid； bicomponent fiber； elastic spunbond nonwovens； biomass polymer； profiled section； nonwovens based on superfine fiber

1 全球紡絲成網非織造布行業的亮點概況

據統計，2013 — 2018年的 5 年間，世界非織造布市場需求穩步增長，預計年增長率在7.6%左右，其中紡絲成網產品占一半以上的市場份額。2014年我國非織造布產量達263萬t/a，其中，紡粘非織造布占45%，產量達118萬t。

傳統紡絲成網生產已步入高附加值，功能性、耐用性紡粘非織造布產品受到人們的普遍關注。大量非織造布產品實現了專用化，如車用非織造布、農用非織造布、過濾與分離介質材料、醫用紡織品等。過去的10年間，普通紡熔非織造布產品的克重亦從13 ～ 15 g/m2進一步降至 8 g/m2。紡絲成網技術在快速高效、復合功能、良好的生產彈性以及革新性技術開發和使用方面取得了長足的進步。比如美國Hills公司開發的高端紡熔技術可以視消費者的需求提供定制產品。

在原料的選擇上，綠色資源、生物聚合物、智能材料等已成為紡粘非織造布生產發展的選擇。依據Textile Intelligence公司的預測，2020年非織造布工業將進入100%可再生和可回收再利用資源時期。比如P&G（寶潔）公司就聲稱其紙尿褲及一次性衛生保健產品將100%使用可再生或可回收利用資源，規劃第一階段的使用比例將達到25%。

目前，全球非織造布一次性衛生保健用品市場中，聚丙烯（PP）的使用量超過了80%。依據歐洲生物塑料協會的預測，石油基PP食品包裝薄膜、醫用和一次性衛生保健非織造布產品將被生物基聚烯烴大面積替代。聚烯烴的優良使用性能，使其較之于其他聚合物更適合制作醫療、衛生保健用技術紡織品。隨著生物技術的蓬勃發展，生物基PP的商業性開發已步入快速實施階段，如巴西Braskem公司年產20萬t/a的生物基聚乙烯已實現投產。

另外，纖維素纖維是非織造布行業的重要原料，亦是紡熔非織造布技術研究開發的亮點課題之一。利用纖維素資源，通過紡熔工藝制得的非織造布產品具有高效、低能耗、環保和使用性能良好等特點。自上世紀末以來，蘭精公司、德國萊芬豪森公司、Nanoval公司、美國Biax公司以及歐洲應用聚合物研究所（Fraunhofer）等企業和研究院所爭相投入了巨大研究力量，開展了“Tencelweb”研究計劃，即利用Lyocell的紡絲液，直接紡絲成網制備纖維素紡熔非織造布，該項研究被聚合物與纖維材料業界寄予期望。

2 耐用型紡粘非織造布新產品

2.1 高比表面積產品

開發新一代過濾/分離材料，即高比表面積和功能化的纖維材料始終是業內關注的課題。進入新世紀以來，潛在的生物恐怖襲擊，會使人們面臨懸浮于空氣中的病毒、毒氣、化學制劑以及細菌的侵襲。清潔的空氣和水資源供給以及生物醫藥工業的安全生產已然成為全球性的問題。嚴峻的現實告訴人們，開發新一代過濾/分離材料，是工業生產和日益惡化的公共環境安全的需要。

新的過濾材料應具備“可再利用性”，在疫情環境下具有很高的顆粒物捕集能力、消毒條件下的穩定性以及清潔與再生過程的實用性。在遭遇生物恐怖襲擊事件時，無論是室內還是公共場所，個人防護裝備的過濾介質都要確保人員的絕對安全。

纖維基過濾與分離介質要求纖維具有較高的比表面積，提高這一參數通常采用 2 種方法，即減小纖維的直徑或改變纖維橫截面的形狀。一般來說，普通單絲線密度為 2 D的產品，其比表面積在0.2 m2/g左右；直徑 1 μm的纖維，比表面積約2.9 m2/g，而納米級纖維材料的單纖直徑為200 nm，其比表面積可高達14 m2/g。雙組分紡絲成網工藝制得的纖維，經撕裂或水刺處理形成的原纖化纖維網，其單絲直徑可達到300 nm甚至更細。

美國Eastman（伊士曼）公司采用雙組分紡絲方法成功制得了截面呈深槽形的纖維，即4DG纖維。單絲線密度為 6 D的4DG纖維與同類型纖維比較，比表面積提高了 4 倍，用作過濾介質顯示出良好的顆粒物捕集能力。

觀察 6 D的4DG單根絲條的截面，其長寬尺寸為47μm×34 μm，溝槽部分的尺寸即長×寬為13 μm×8 μm，纖維截面的溝槽面與纖維截面的比值約0.49。歐瑞康紐馬格公司和Ason公司合作開發的4DG紡絲成網生產技術已有報道。4DG紡絲成網產品在醫用血液分析、創傷敷料、化妝品、油吸附材料以及屏蔽材料等領域具有很大的應用潛力。

纖維截面呈翼片形（winged fiber），單絲直徑10 ～ 15μm，其比表面積可達到10 m2/g，相對于圓形截面的熔噴法纖維而言，欲達到同樣的比表面積，其單絲直徑需要達到亞微米尺度。翼片數決定著纖維比表面積大小及其捕集顆粒物或污物的能力，目前翼片形紡粘非織造布單絲的翼片數可以做到8、16及32片，64片的多翼片形成形組件亦投入了使用。

纖維截面呈翼片形的紡絲成網生產通常采用兩步法工藝，即雙組分紡絲成網和緊隨其后的水刺工序，旨在實現不同組分聚合物的剝離并對纖網進行機械加固。水刺裝置為5 模頭配置，工作壓力250 bar。后加工過程包括退卷、堿浴（濃度6% ～ 10%，90 ℃，2 min）、水浴洗滌、中和浴、干燥及卷繞成形。

翼片形紡絲成網工藝中，芯層組分一般選用PA、PET、PE和PP，皮層組分一般為PLA、CoPET，皮層組分可于堿液或去離子水中溶出。表 1 為翼片形雙組分紡絲成網的技術特征。

翼片形紡絲成網非織造布用作過濾/分離介質，從生產效率、過濾介質結構、成本以及操作性能上考量，其技術、經濟等綜合性能明顯優于熔噴非織造布介質。美國NFT公司將翼片形PP紡絲成網過濾材料用于空氣過濾（HEPA）領域，其過濾承載能力較之于傳統過濾介質可提高2.5倍；韓國制作的Lecare面膜，選用翼片形PA紡絲成網非織造布作基布，產品在鎖水、保濕、緊致皮膚等方面受到消費者好評。

2.2 彈性紡粘非織造布產品

在衛生保健和醫用紡織品的使用中，提高舒適性對病人或消費者來說具有吸引力。聚烯烴紡粘非織造布是重要的醫用紡織品，但產品的彈性和延伸性略顯不足。皮芯型雙組分彈性紡粘非織造布已在衛生保健用品、一次性嬰兒尿褲等領域得到使用。常用彈性紡粘非織造布的克重一般在50 ～ 150 g/m2之間。

彈性紡粘非織造布使用10% ～ 30%低熔點與低取向聚烯烴即L-MODU聚合物，該聚合物的熔融指數有 3 種規格，即20、35和50 g/10 min，常用的熔融指數為50 g/10 min，分子量13萬，Mw/Mn為 2。

彈性紡粘非織造布生產可采用雙組分紡粘工藝，皮芯型組件，芯組分使用L-MODU聚合物，皮層用PP，厚度0.20 ～ 0.52 mm，產品克重50 ～ 100 g/m2，斷裂伸長380%（MD）、400% ～ 426%（CD）。

L-MODU聚合物還可以改善紡絲成網的性能，實驗結果顯示，當其混入量為10%時，PP SSS紡粘非織造布的斷裂模量可提高39%（CD）、15%（MD）。同樣10%的混入量，生產PP SSMMS紡粘非織造布時，可降低半制品后加工的熱軋溫度，即可從126、127 ℃降至108、104 ℃。

苯乙烯嵌段聚合物熱塑性彈性體是專門用于紡粘非織造布的特定樹脂，有加工溫度為230 ～ 235 ℃和250 ～ 300℃兩個系列。加工中，雙組分纖維網的芯層組分為SBC彈性體，皮層聚合物多選擇PP、共聚酯或PP混合體。表 2 為已投放市場的該類彈性紡粘非織造布產品的技術性能。

目前已用于彈性紡粘非織造布生產的熱塑性彈性體主要包括苯乙烯嵌段聚合物（商品名Kraton）、聚烯烴彈性體、聚丙烯聚乙烯共聚體、聚烯烴共聚體以及低分子量聚烯烴等。國內國僑實業公司使用ExxonMobil（埃克森美孚）公司的VistamaxxTM彈性體，成功制得了彈性紡粘非織造布，產品的伸長率為200% ～ 500%，彈性回復率達90%以上。

2.3 鑲尖三葉形雙組分紡粘非織造產品

鑲尖三葉形雙組分紡絲成網非織造布產品具有與傳統絲綢相似的懸垂性，這源于聚合物組分剝離后纖網單絲線密度和纖維表面狀態的變化。鑲尖三葉形雙組分紡粘非織造布的單絲截面有兩種結構，一種為聚合物A組分和B組分，均外露；另一種為組分B處于組分A的包圍之中。

在PA與PET的鑲尖三葉形雙組分紡絲成網實驗中，選用PA為芯組分，PET為翼端皮層組分，芯層/鑲尖組分比為75/25或50/50。后加工采用水刺工藝實現兩種聚合物的剝離，此時即形成兩種聚合物材料，纖維網中單根纖維的平均直徑約15 μm，纖網的斷裂強度為54.4 kg（MD）、32.3 kg（CD），撕裂強度為2.2 kg（MD）、2.72 kg（CD）。和同類型常規產品相比其比表面積明顯增加，同時撓性和強力提高，并顯示出良好的吸附性、手感和抗起球性能。產品可用作擦拭布、床上用品及裝飾織物。

2.4 中空/異形截面產品

中空紡粘非織造布產品已成功進入市場，為絕緣材料、吸油介質、特種防護服以及醫用紡織品提供了新的可用原料。

PP中空紡粘非織造布選擇熔融指數為27 g/10 min的PP樹脂，紡絲成形在Reicofil-4裝置上進行，紡絲組件7 360孔，圓形孔，雙開口或三開口，孔外徑1.00 mm，內徑0.60 mm。擠出量0.75 g/（min·h），冷卻成形溫度35 ～ 50 ℃，牽伸速度達4 300 ～ 5 000 m/min。

中空紡粘非織造纖維網的單絲線密度一般為2.3 ～3.3 dtex，強力25 ～ 28 cN/tex，纖維截面的中空區占有率為10% ～ 15%。采用紡絲成網/水刺工藝的中空紡粘非織造布的克重為30 ～ 100 g/m2，采用紡絲成網/針刺工藝的產品克重為 60 ～ 150 g/m2。中空紡粘非織造布的技術特征如表 3 所示。

日本尤尼契卡公司開發了商品名為“Marix”的PET紡粘非織造布，該產品的單絲截面呈十字狗骨形，具有優良的耐熱性和強力。其克重40 ～ 90 g/m2的纖網厚度僅0.34 ～0.49 mm，具有十分好的氣體和液體透過率，可用作過濾介質。“Marix”也可以選擇使用回收瓶片料生產。

2.5 生物基聚合物產品

近年來，高性能生物基紡絲成網技術的研究與開發取得了不小的進展。如我國上海合成纖維研究所在聚乳酸（PLA）紡粘非織造布生產方面積累了豐富的經驗，其100%生物基聚合物雙組分紡粘非織造布產品投放市場后引起了相關生產企業的注意。德國STFI研究所的研究團隊成功開發了克重為25 ～ 80 g/m2的皮芯型復合紡粘非織造布產品，使用原料包括生物基PLA/PHB、PLA/PBAT，其組分比為90/10；PLA/PBS，組分比為70/30。該研究所開發的PLA SMS紡粘非織造布的技術特征如表 4 所示。

Biovation公司選用單絲直徑為1 ～ 20 μm、克重10 ～2 000 g/m2的PLA紡熔非織造布材料制成的醫用和個人防護用品引起了行業注意，如開發的血壓計防止交叉感染封套，采用了具有抗霉菌功能的熔噴PLA纖網的復合產品，用以阻斷血壓測定過程中可能引起的接觸感染。在控制耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）傳播的臨床使用測定中，其屏蔽效率可達99.999%。PLA高性能創傷敷料的吸附能力達50 ～ 60 g/100 cm2，使用舒適安全。

Fitesa公司開發的100%生物基皮芯型雙組分紡粘非織造布產品已投放市場。該產品選用生物基PE為皮組分，PLA作芯層，克重13.5 ～ 85 g/m2，幅寬3 200 mm。纖網斷裂強度約為9.76 N/cm，斷裂伸長率57%，空氣透過率為972 m3/h。該產品選用了Braskem公司開發的源于甘蔗原料的生物基PE，環境效益明顯。目前該產品已投放市場，批量用于擦拭布、婦女衛生用品、醫用服裝、尿褲、過濾介質以及一次性衛生保健用品中。

Kimberly-Clark（金佰利）公司使用新型生物基納米纖維素材料和PLA混合紡絲，制得了高性能紡粘非織造布，其纖網縱向強力可提高57%，是開發高端生物基納米紡熔非織造布產品的新嘗試。

2.6 超細-納米紡粘法非織造布

2.6.1 超細旦紡粘非織造布

采用雙組分紡粘工藝可以制得細旦-超細旦纖維網材，并可賦予產品功能特性。目前使用裂片型、中空裂片型或并列型復合組件，通過紡絲成網工藝制得的纖維網經水刺處理得到的超細紡粘法非織造布產品已批量進入市場。

德國Freudenberg（科德寶）公司開發的新一代超細紡粘非織造布產品“Evolon”，選用PET和PA為原料，采用裂片型雙組分紡絲成網及水刺工藝，產品單絲直徑約 2 μm。超細纖維賦予Evolon擦拭布不起毛、結實、機械穩定性強及縱橫向強力均衡等特點，提高了一次性和半一次性干、濕薄型擦拭布的耐用性和使用穩定性。由于單根纖維的細度僅為普通超細纖維的1/10左右，采用Evolon技術生產的擦拭布具有卓越的無痕清潔性能，可吸收比自身重量高 4 倍的水和高 8 倍的油。這些主要特點使其非常適于在高科技工業環境中使用。目前，其已廣泛用于高端工業用擦拭布、特種服裝、印刷介質、工業包裝以及吸音材料等領域。“Evolon”超細纖維紡粘非織造布的技術特征如表 5 所示。

由于克重可低至30 g/m2，同等面積下Evolon超細纖維擦拭布的重量可比普通產品輕1.5 ～ 2倍。此外，其產品設計和圖案更靈活，包括扁平、網眼或新型3D結構，可滿足客戶的不同需求。圖案原本在消費市場上是更嚴格的需求，但現在工業市場也越來越多地要求產品開發商提供具有卓越清潔性能同時外觀獨特的產品。Evolon產品可滿足這一需求。

許多用戶通過對Evolon基材進行預浸漬來提供定向薄型擦拭布，以滿足越來越細分的工業市場的需求。由于超細纖維的特殊結構，其在產品的整個生命周期浸漬都保持穩定，確保液體釋放性能不變。Evolon超細纖維紡織品的構成使其適合使用各種預浸漬清潔劑、溶劑和IPA。與其他一些類似材料不同，Evolon還可以耐過氧化物為基礎的消毒劑。

Evolon輕質基材可以很容易地轉化成各種形式的產品，如扁平式、點斷式卷裝、抽取式和折疊式。其擦拭布的克重范圍在30 ～ 240 g/m2之間，目前已經通過了Oeko-Tex Standard 100的I級產品認證。

2.6.2 高強力納米纖維

超細-納米尺度的纖維材料在吸音、絕熱、液相容附能力、屏蔽性等方面顯示出獨特性能和巨大的市場潛力。一般來說，靜電紡（ES）纖維的直徑在40 ～ 2 000 nm內，熔噴法（MB）纖維為0.5 ～ 10 μm。采用海島型雙組分紡絲成網工藝生產聚合物納米纖維，具有生產效率高、聚合物選擇性寬、成形工藝相對容易的優勢。熔噴納米纖維的生產效率大約是靜電紡（2 kg/（m·h））的50倍，而紡粘法制備納米纖維的生產效率達到300 kg/（m·h），遠高于熔噴的生產效率。

采用海島法雙組分紡絲成網工藝制備的超細-納米纖維網材，具有強力高、比表面積大和耐用性良好等特點。本世紀初，研究人員曾選擇PA6作島組分、PLA為海組分，采用紡絲成網工藝成功制得單絲直徑為0.36 ～ 1.3 μm的纖維網。當島組分數由36增加到360個時，PA基紡粘法納米纖維的單絲直徑可從2.3 μm降低到0.5 μm。PA6島組分占75%，PLA海組分占25%，后處理工序溶去PLA組分，并通過水刺工藝賦予纖維網粘結性能。表 6 為108島超細-納米紡粘非織造布的技術特征。

在雙組分超細-納米紡粘非織造布的實驗中，PA/PLA組分比為75/25或50/50，當海組分溶去后纖網的單絲直徑可以達到納米尺度，如表 7 所示。目前美國Hills公司在超細-納米紡粘非織造布的研究和實驗中，從紡絲組件的設計角度已成功制得了2 100島和10 000島組件。

美國北卡州立大學的研究人員開發的新一代海島型雙組分紡粘非織造布，單絲截面相似于皮芯結構，島組分聚合物與外部環境沒有接觸面，在后加工中，纖維網經冷軋處理而致使纖維被機械撕裂，并賦予纖維網粘結功能。水刺工藝的速度為10 m/min，配置 5 組水刺裝置，5 組水刺頭的使用壓力分別為30、100、150、200和200 bar。由于海組分聚合物纖維的原纖化，擯棄了溶出過程，因而在成本和環境效益方面更具特點。目前，克重150 g/m2，PA6為島、PE為海，PA/PE組分比為75/25的雙組分紡粘纖維網的撕裂強力達到96 N。

基于已商業化的納米纖維產品的技術現狀分析，可以清楚地看到，制備工藝、設備特征以及生產效率關系著納米纖維市場的拓展，超細旦-納米紡粘非織造布技術的綜合性能更具競爭力。

3 結束語

據統計，我國紡粘非織造布生產線已達1 073條，其中萬噸級廠家大約占40%，年增長率約10.8%。應該說，國內紡粘非織造布工業已成規模，但常規和低端產品為主體的現狀也面臨著挑戰。如購物袋產品占據著國內紡粘非織造布近1/3的產能，且無法降解，因此很難稱其為“環保產品”。對備受爭議的紡粘非織造布購物袋，適時開展“紡粘非織造布購物袋生命周期分析（LCA）研究”已顯得十分必要，這對提高國人對纖維制品的消費理念有好處，或許這將成為我國紡熔非織造布行業轉型的切入點。

參考文獻

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