超細纖維水刺復合技術的發展現狀

陳　喆　陳龍敏　賈耀芳

一、超細纖維的生產及復合化加工

超細纖維是指超過一般細度的纖維。對于超細纖維的劃分，目前尚無統一的標準，一般傾向于將 0.3 dtex 作為細旦纖維和超細纖維的界限。

由于纖維極細，用傳統的熔體直接紡絲方法很難紡制出超細纖維，這也迫使科學家們尋求其它的技術和途徑。l964年，美國DuPont（杜邦）公司發明了復合紡絲法超細纖維的生產技術并申請了專利。隨后，日本的可樂麗、鐘紡等公司開發出用多層結構的特殊紡絲法和剝離分裂法生產的超細纖維，我國在 20 世紀 90 年代也成功地開發出了超細纖維的生產技術。

目前相對比較成熟的超細纖維生產技術主要為直接紡絲、復合紡絲、共混紡絲、靜電紡絲、熔噴和閃蒸技術等。其中復合紡絲和共混紡絲不能直接得到超細纖維，需要通過機械或化學方法處理后才能取得；而靜電紡絲、熔噴和閃蒸技術還不能得到排列整齊的纖維，因此主要用于非織造材料的生產。

1．熔體直接紡絲法

熔體直接紡絲法是在普通纖維紡絲技術的基礎上，通過優化紡絲工藝技術和設備而得以實現。目前，由直接紡絲法可制造PP、PET、PA等的超細纖維，其纖度可達 0.3 D 左右。該類超細纖維主要用于精細紡織品和濕法非織造布的生產。

2．復合紡絲法

復合紡絲法又可分為分裂型復合纖維和海島型復合纖維。

分裂型復合纖維是采用兩種粘合性有差異的聚合物通過復合紡絲制備桔瓣形、米字形、中空桔瓣形或齒輪形等復合纖維，然后利用兩種組分的相容性和界面粘結性較差的特點采用機械或化學剝離得到超細纖維。目前，PET、PA、PP等都可以生產分裂型復合纖維，由分裂型超細纖維經過化學或機械方法剝離分裂后，可得到 0.15 dtex 左右甚至更細的超細纖維。

海島型復合纖維的紡絲法是利用兩種聚合物在同一種溶劑中溶解性能不同的原理進行復合紡絲，從纖維的橫截面看是許多島組分被海組分包圍著，海組分與島組分在纖維軸向上是連續、均勻的，將所得復合纖維采用適當的溶劑將海組分溶解后即可得到只保留島組分的超細纖維。復合的形式主要有PA/PET、PA/PE或PET/PE等，所采用的比例多為 70/30，采用該方法可得到 0.05 dtex 甚至更細的超細纖維。

該類超細纖維主要用于高檔紡織品和非織造布的生產。

3．共混紡絲法

共混紡絲法是利用非相容高聚物體系共混紡絲，由于兩組分的組成比與熔體的粘度比有一定的關系，因此可使一種組分形成分散相，另一種組分形成連續相，分散相以微纖狀分散在基體相中，即所謂的“不定島”式海島型共混纖維，將其中的海組分溶解掉即可得到超極細纖維。采用共混復合紡絲纖維經溶解后可得到0.000 5 dtex 左右的束狀超極細纖維網絡體，該網絡體是制造高檔人造麂皮的最佳纖維材料。

目前該類超細纖維主要用于高檔合成革基布的生產。

4．靜電紡絲法

靜電紡絲法即聚合物噴射靜電拉伸紡絲法。紡絲過程中，將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點被加速。當電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流，并在電場中拉伸，最終在接收裝置上形成非織造狀的超細纖維。用該方法可得到 50 ～ 1 000 nm 的納米級纖維。

早在1934年就有人申請了靜電紡絲技術的專利，但是直到近 10 年來，靜電紡絲技術才得到了比較系統的理論研究和實驗認證，并逐漸成為許多公司和科研機構研究的熱點。可用于電紡絲的高分子材料有多種，幾乎不受任何限制，如聚環氧乙烷（PEO）、聚丙交酯（PLA）、膠原、聚苯胺、聚苯乙烯等等。

5．熔噴非織造法

聚合物樹脂經擠壓熔融后，通過計量泵的精確計量送入一特殊的熔體分配腔，再通過整流后進入紡絲熔體池，經紡絲微孔噴出；同時噴絲組件與氣刀之間形成一特殊的氣腔，高壓熱風氣流通過氣腔狹縫以近似于音速的速度噴射，氣刀刃部與噴絲組件尖端形成一紡絲錐。當熔體從紡絲微孔中噴出后，在紡絲錐處被高速氣流夾持牽伸拉細，經冷卻后形成非織造狀的超細纖維。

用該方法制得的纖維細度一般為 2 ～ 10 μm。隨著技術的發展，近年來已可制得 1 μm 左右甚至納米級纖維。

6．閃蒸非織造法

閃蒸法也叫瞬時紡絲法，是一種超細纖維非織造技術。該方法是將紡絲用的聚合物在高溫高壓下溶于適當的溶劑中，紡絲時經擠壓機通過噴絲口而降為常壓。由于壓力突然降低，溶劑急劇揮發，引起聚合物高度原纖化而成為超細纖維，再經直接成網、熱軋粘合等工序，制成超細纖維非織造布。目前用該技術制得的纖維直徑一般在 0.1 ～ 10 μm（0.2 ～ 0.3 D）之間。

超細纖維以多種形態存在，既有復合態，也有原纖態，既有長絲和短纖，也有非織造布。長絲和短纖形態的超細纖維需要進行紡、織、整理和再加工，才能成為應用的產品并體現其特殊性能，而非織造布形態的超細纖維則可以直接或與其它材料組合、復合后使用，但最終目的都是要應用其“超細”的特質。

為了使超細纖維材料及其產品充分發揮其“超細”的特質和滿足特定應用的需要，很多情況下都要對其進行“超細纖維的功能化處理”，而復合化就是常用的處理方法之一。

由于紡織工藝的局限，超細纖維產品的復合化大都采用非織造工藝來實現。目前應用最多的主要有針刺法、水刺法、熱粘合法、化學粘合法、超聲波粘合法等等，其中水刺復合法將是今后超細纖維復合技術研究中最重要的一項技術。

基于非織造行業的通識，本文將復合纖維的“超細化”處理也納入“復合”的范疇進行論述。

二、水刺工藝及其復合技術潛力巨大

近年來，水刺固結和紡粘工藝一樣已成為目前世界上發展最快的非織造工藝之一。據統計，2008年我國水刺非織造布的產量達到 15.5 萬t。

水刺非織造生產技術是20世紀 70 年代中期由美國DuPont公司和Chicopee公司發明并于 80 年代實現工業化生產的一種新技術，90 年代中后期逐步引入我國。該技術是利用高壓微細水柱對纖維網進行噴射，在壓力的作用下，水流穿過纖網層并受托持網簾的反彈穿刺，使其纖維產生相互位移、穿插、纏結和抱合，從而使纖網層得到加固形成水刺非織造布。

水刺固結的優點在于，產品克重較輕時，固結強度好于針刺，且手感柔軟，懸垂性好，表面細致、平整，尤為其它固結方法所不及。特別是對于裂片型雙組分超細纖維，水刺工藝可以把開纖和固結兩種加工同時完成，因此發展潛力不可估量。

除了對紡絲成網和梳理成網直接用水刺聯線進行固結外，輕克重的紡絲成網和梳理成網非織造布也可經輕度熱軋下機后再經水刺處理。水刺可以把部分熱軋點打開，并以水刺纏結來代替，這樣的結果可以改變原來熱軋固結手感硬板、粗糙的感覺，從而使產品變得非常柔軟、蓬松、細膩，在這種情況下水刺的速度可以開得很高（國外有開到 600 m/min的）。這種產品非常適合用作揩布，國際上已有一些企業采用這種工藝正常生產。

Fleissner（福來司拿）公司還提出克重較大的產品如土工布等采用水刺工藝的可能性。他們認為土工布等產品一般采用針刺工藝，速度過慢，針刺機采用高速又會損傷纖維。而如果采用水刺固結，可以加快速度提高效率，同時還可增加強度。由于水刺固結強度增大，還可適當降低克重，因此可以提高其經濟性。Fleissner為了促進這種設想，已設計、制造了寬幅（超過 5 m）的水刺設備。

同樣，一般意義的水刺復合技術也是以微細高壓水流為手段，通過對兩種或兩種以上材料的穿透，使纖維在兩種或兩種以上材料的界面相互纏結而形成一個功能性整體的復合技術。然而，采用水刺方法對復合纖維的“超細化”處理在行業里通常也被認為是水刺復合技術。

與普通水刺非織造技術一樣，水刺復合技術具有工藝靈活、原料適應性廣、生產效率高、無污染等特點；復合后的產品不含化學助劑、手感柔軟、透氣性好、均勻度高、產品多樣，且外觀接近紡織品，因此在許多領域得到應用，水刺復合技術也就成為現代柔性材料復合技術的主要發展方向。

目前，應用比較多的有木漿水刺復合、紡粘水刺復合、加強網水刺復合及超細纖維水刺復合等技術。

三、超細纖維水刺復合技術的開發

在超細纖維水刺復合技術領域，應用比較多的有分裂纖維水刺開纖法、雙組分紡絲水刺復合法、靜電紡絲水刺復合法、超細纖維濕法非織造布與機織物水刺復合等等，本文簡要介紹幾種方法的技術特點和現狀。

1．分裂纖維水刺開纖法

主要形式：分裂型復合短纖網 ＋ 水刺。

水刺開纖主要采用分裂型復合短纖維經梳理成網后，經過高壓水針壓力的機械作用使其分割為 0.1 dtex 左右的超細纖維，同時經過水針壓力的穿刺和不同方向的反彈穿刺而成為結構致密細膩的超細纖維水刺非織造材料。分裂纖維水刺開纖法是在超細纖維水刺法中應用最早且最為成熟的一種工藝方法，日本東麗、帝人、鐘紡等公司在該領域處于世界領先地位，在國內僅有杭州路先、海南欣龍等幾家公司掌握該技術，但是離國外先進水平還有一定的差距。

水刺開纖法中主要采用的纖維為桔瓣形分裂纖維，分 36 瓣、24 瓣、16 瓣、6 瓣等類型，其組分的構成也有若干種，較常見的有PA/PET、PP/PET、PE/PA等，在兩種聚合物的比例上有55/45、70/30、60/40等區分。不同類型的分裂纖維，其分裂程度、單絲細度及對水刺工藝的要求不盡相同。在水刺法中應用較多的為 16 瓣分裂纖維，其組成比為PET/PA（70/30），纖維經高壓水刺開纖后單絲細度可達 0.11 dtex，開纖率可達 80% 以上。水刺工藝是技術的核心，壓力太高容易將纖維打斷，而太低又影響開纖的效果，因此不同的設備需要配置不同的水刺工藝。

分裂纖維水刺非織造材料經過進一步的涂層、磨毛、刷毛等工藝便可制成高仿真的人造麂皮。采用分裂纖維水刺法制成的人造麂皮具有手感柔軟、懸垂性好、透氣、透濕、色澤鮮艷多樣、絨毛豐滿均勻、有利于設計裁剪等特點。由其制成的服裝材料與真皮相比，具有可水洗、不易蟲蛀、易保養等特點，在國外已大量應用。分裂纖維水刺非織造布在高級揩布、過濾材料、汽車內飾等領域也有自己獨特的優勢。

2．熔噴超細纖維水刺復合法

主要形式：熔噴＋機（針）織布、熔噴＋非織造布、熔噴＋纖維網。

熔噴法非織造布由于具有纖維超細、過濾效率好等特性，因而廣泛用作保溫材料、過濾材料、吸油材料等。但是由于應用領域窄、后處理缺失、研發薄弱等影響，因而熔噴非織造布近幾年增長緩慢，但熔噴水刺復合技術的應用成為了熔噴技術應用的一個新亮點。

熔噴＋機（針）織布、熔噴＋非織造布或熔噴＋纖維網等組合通過水刺復合后，熔噴超細纖維被分散到其它纖維組織材料中，經過相互的穿插結合，成為一種全新的結構體，在布面的柔軟度、強度、均勻性、摩擦系數、手感等方面得到了完全不同的效果。

水刺熔噴復合材料可廣泛應用于擦拭材料、過濾材料、衛生材料等領域；還可以根據需要經過涂層或功能性整理，應用于服裝、防護等領域。

熔噴水刺復合技術是一項最新的水刺法復合技術，如何得到性能俱佳的熔噴水刺復合材料，不同的應用需要和生產線配置在工藝上也有不同，需要很好地解決水刺工藝以及不同熔噴布對復合工藝的影響。

3．靜電紡絲水刺復合法

主要形式：靜電紡絲 ＋ 機（針）織布。

靜電紡絲作為一種簡便高效的生產超細及納米纖維的新型加工技術，由于其制備的納米纖維所具有的獨特優勢，引起了人們的廣泛關注。由靜電紡絲法生產的非織造材料在生物醫藥領域可用于軟組織修復、保護傷口不被細菌感染的醫療防護產品，還可用作皮膚護理、皮膚清潔或具有其他治療性能的醫用面膜；在服裝材料方面，可用于制作生化領域的防護服，抗靜電、抗紫外線、耐日曬服裝等；由于具有高介電常數、低介電損耗和較好的熱穩定性能，因此可用于生產防電磁輻射、防腐類產品。

靜電紡絲＋機（針）織布的水刺復合技術是首先將靜電紡絲紡出的纖網與機（針）織布的組合體在高壓水針下進行復合，復合后可得到特殊的表面性能，具有良好的均勻度和透氣性，外觀平整。目前該工藝還未形成產業化，國內外對靜電紡絲水刺復合產品的研究尚處于實驗室研究階段。

4．超細纖維濕法非織造布與機織物水刺復合法

主要形式：濕法非織造布＋機（針）織布。

該技術的工藝路線為，首先將由熔體直紡得到的超細纖維切斷為長度在 3 ～ 10 mm左右的短纖維，然后通過濕法非織造技術得到超細纖維濕法非織造布，再將濕法非織造布與機織物經過水刺高壓復合成為濕法超細短纖水刺非織造布。

由該方法得到的超細纖維水刺非織造布再經過收縮、軋光、PU處理、熱處理、水洗、干燥、拋光、染色、（磨毛）等整理方法后可得到超細纖維合成革等材料，用于箱包、服裝、運動鞋等產品中。

四、行業發展前景

水刺復合技術的出現，不但克服了部分非織造布產品的缺陷，增加了花色品種，大大拓展了其應用領域，而且還促進了水刺技術本身乃至整個非織造布工藝的發展和提高。而超細纖維水刺非織造布是一種具有高性能、高附加值的產品，也是一種發展趨勢。