特種絲的發展

Suprit Pal Sing

特種纖維的發展對纖維生產商來說基本上是一種自然和條件反射式的行為。不斷變化和推進的市場很少能夠讓生產商停下來評估市場然后再發展新產品。

Specialty development for a fiber producer is a task that is often addressed in a chaotic and knee-jerk manner. The continuous push-and-pull of the market seldom allows a producer to sit back and reassess markets and develop new products.

人們有時因為創新而推出新產品,但這很可能遇到困境,因為這種行為是不規律的,是由個人的一時激情而決定的,而不是基于科學的基礎。對于一個系統性的長絲產品開發分析,應該回顧一下歷史,這種開發過程 — 從過去到未來 — 可以分成不同的 3 個時間段。第一段:1930 — 1960年;第二段:1960 — 2010年;第三段:2010年到未來。

很明顯,每個時期的發展和成長都有不同的鼎盛期。從1930 — 1960年,主要發展基本的纖維。在過去幾十年里,特種纖維、超細纖維、彈力纖維和工業高強纖維占據了發展的主角。從2010年往后,可持續性的、可回收的、具有生物降解性的、納米技術的纖維將會是發展重點。這種發展的動力來自于特殊功能的額外功能。過去,能夠模仿天然纖維的產品更昂貴,而現在消費者的偏好已經超出了這個簡單的認知。對可持續性的偏好現在變得更為科學和現實,更多對天然纖維可持續性能的精確分析使之不斷開始受人關注。天然纖維不能簡單地被認定成比人造纖維具有可持續發展性,準確的生命周期成本還需做全面調查。

很明顯,環境對棉花的影響遠遠大于一些人造纖維(考慮殺蟲劑和磨損的影響)。考慮到生態安全,棉的活性染料染色也不是很理想的方法。在過去 50 年里,纖維發展主要被限制在西方國家和日本的紡織、纖維、石油公司。以前的利潤率使他們可以維持研發活動、試驗工廠、市場行為以及幾年的虧損來開發新產品。目前,這已經不可能了。

發展的驅動力

目前纖維的發展主要集中在幾個大的區域。對不同區域的定義十分重要,因為開發新產品可能會失敗,或者開發的產品沒有商業利用價值。這 8 個區域分別為:強韌、安全、耐用、精細、環保、舒適、快捷和美麗。它們能夠讓人們找出最能帶來利潤的方向而進行研究。未來,更環保、更具可持續性發展、可回收利用的纖維將流行。經濟擴張時期需要發展更快、更可靠的生產系統,而經濟收縮時,更明智的做法是生產新型、有用、功能性的產品,讓消費者沒有理由拒絕購買。

傳統原料的特征

纖維原料的屬性對最終成品的影響很大。對原料的選擇,如熔體,是十分重要的。熔體的物理和化學性質十分重要,但是熔體的經濟成本決定了它的應用。由于經濟上的原因,滌綸工業絲在過去的幾十年中已經替代了錦綸工業絲。同樣,由于經濟因素,相比PA6而言,PA66的使用已經受到限制。分析過去 20 多年里纖維市場的數據對比情況。紅色字體標出的部分如果作為原料將對其應用不利。因此,濕法紡絲和干法紡絲的速度只能分別被限制在 100 m/min和1 000 m/min左右。這些紡絲法的原料,如腈綸和纖維素纖維(包括Lyocell)并不能很好的紡出長絲。然而,在短纖方面尚可。丙綸的染色性差,因此也不適合染色。

最近,BASF推出了可染的丙綸,品牌名為“MOOO>TM”,但是現在來評估它未來幾年在服裝應用上的能力還為時過早。如果原料的性質不夠靈活,它的應用潛力就不大。滌綸的應用范圍十分廣泛,因為滌綸的性質可以調整且適應性強,且其原料也比其他纖維便宜,有利于它優勢的發揮。

新型原料的特征

看一看一些新型原料的特性。一些特殊熔體的屬性,如PLA、PTT、PBT、PU和PHA,可參見表 1 中的具體比較說明。PLA是一種來源于植物的可熔紡纖維,其最與眾不同的優勢就是原材料可以自我更新且沒有污染。當濕度為 98%、溫度超過 60 ℃時可水解,PLA能被微生物分解,它的組成原子可以重新利用以進一步種植玉米、甜菜、水稻等。

如表 1 所示,PTT有較強的彈性回復力和較低的初始楊氏模量,使得纖維質地柔軟,具有令人舒適的延展力。表中僅列出了常規未改性的纖維級熔體。拉伸應力曲線和楊氏模量決定了纖維的應用范圍,纖維的拉伸應力應變曲線顯示了不同纖維軸向應力的不同。

當將基本聚合物作為特殊纖維開發時,需要確立與成品的功能要求相匹配的好性質是非常重要的。因此,比起其它的可回收聚合物來說,PLA纖維是對環境更友好的纖維,因為其它那些可回收的材料在不可用之前,可回收的次數是有限的,但PLA纖維不同。但使之可降解的屬性同時也造成其耐久性低,高分子量全同立構的PLA纖維則能使這種情況得到平衡。最初,設想PLA在包裝薄膜和紡織纖維中的應用應是 50∶50,但由于纖維本身和纖維的市場營銷問題,目前PLA主要應用于包裝材料。一個長絲方面潛在的應用是通過與其它聚合物進行復合紡絲。PHA/PHB是出自P & G公司和Mobilex的一種生物可降解聚合物,這種聚合物已于最近推出,并已開始了綠色長絲生產的研究。

PTT和PBT本身是聚酯的變形,具有特種纖維的潛力,它們使用了1,3 - 丙二醇而不是一般的甲醇,必須優化傳統的紡絲過程來處理這些聚合物。另一種聚酯是基于DMT和丁烷的混合物,它的市場占有率極小,因為加工過程比較困難,要求低速,尤其是對細旦絲而言。其他負面因素包括有限的使用壽命,以及頻繁使用后拉伸和回復特性的迅速惡化。然而,這種材料在歐洲也有其高端市場,被用于運動裝和內褲,因為它很容易在低溫下染色,具有膨松性和延展性,且比氨綸更容易加工。聚氨酯或氨綸仍然是特殊纖維的一種,但它總是需要與其他一些紗相結合用于紡織領域。

各種應用

任何特殊纖維的應用都必須始于某種可變的特性。什么是可以引起長絲性質變化的屬性呢?可通過 6 種基本操作來為長絲改性:(1)基本材料結構改變(基礎聚合物屬性);(2)不同高分子材料混合(添加劑和混合)(3)纖維截面形狀的改變;(4)長絲合股結構(復絲合股);(5)纖維表面結構改變;(6)長絲組分混合。

在討論了材料的基本屬性后發現,沒有任何材料能夠滿足所有的需求,特殊纖維的生產多要求材料進行混合。這些材料可以是添加劑(色母粒、抗菌物質等),甚至共混物(兩種不同的聚合物、反應液、增塑劑等)。改變長絲形狀來制造特殊纖維的方法已經眾所周知。復絲合股結構也可以決定最后的性質。

如果將研究集中在紡織和工業絲市場,很明顯,一種單一的聚合物或系統無法滿足各種功能和技術要求。沒有一種后紡工藝可以生產所有功能的纖維或獲得所有想要的效果。不同的長絲可以有不同的表面結構,而這對其本身而言也是個生產特殊品種的方法。在主流長絲品種的生產中,使用激光和納米技術是生產特種纖維的另一種很經濟的方法。

還有很多長絲的混合物,包括組合不同的長絲以獲得感興趣的差別化纖維。將 2 股或 3 股色絲用于地毯紗領域,這種方法是改性的最簡單形式。

將來要討論的主題將會是技術、生產方法和特殊長絲的現代分類方式。