熔體紡絲異形化纖維及其非織造材料的應用研究進展

摘 要：為了改善纖維市場中產品單一化、附加值低和性能同質化等問題，開展纖維異形化技術的相關研究至關重要。對熔體紡絲法制備異形纖維的技術及應用進行了綜述，首先介紹了熔體紡絲工藝原理及異形纖維生產設備，并概括了常見異形纖維截面形狀及特性，同時對現有的熔體紡絲法制備異形纖維技術進行分類，進而對異形纖維截面形狀改變以及工藝參數改變對纖維性能的影響進行了總結，揭示纖維異形化過程中的共性問題；隨后介紹了異形纖維及其非織造材料的應用；最后對異形纖維在發展應用中存在的問題進行了分析，并展望了未來技術發展前景。

關鍵詞：熔體紡絲工藝；差別化纖維；異形纖維；非織造材料；應用

中圖分類號：TS156

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2025）02-0010-13

自20世紀第一種合成纖維尼龍工業化生產以來，合成纖維開始大量工業化生產，截止至2021年，全球合成纖維市場占據纖維市場總量的66%^［1-2］。雖然傳統工業化的合成纖維占據了目前大部分的市場，但這些普通合成纖維的性能已經逐漸無法滿足人們的需求，且容易出現產品單一化、產品附加值低和性能同質化等情況，因此開展差別化纖維的研究至關重要。

差別化纖維在某些性能方面與傳統纖維存在差異，主要通過物理或化學改性方法來提升化學纖維的性能。差別化纖維包括超細纖維、復合纖維和異形纖維等，其中異形纖維應用領域廣泛，截面形狀各異^［3-4］，相關的研究也引起了全球研究學者的廣泛關注。20世紀50年代初，美國DuPont公司首先采用膨化黏著法作為紡制異形纖維的技術^［5］，隨后又申請了制造三角形截面和三葉形截面纖維的相關專利^［6-8］。在接下來的幾十年里，全球各國開始對異形纖維進行研究。德國緊隨其后研制了五角形截面纖維，而德國Enka公司的噴絲板加工技術處于國際領先地位。日本也是異形纖維制造大國，到20世紀末日本合成纖維的差別化率已經超過了50%^［9］。中國在異形纖維研究方面起步較晚，大約在20世紀70年代開始形成了自主研發的異形纖維體系，并于20世紀80年代開始試制。這些異形纖維主要包括三角形、米字形和H型^［2］。近年來，國內研究學者深入開展異形纖維的研究，自主研發了多種異形纖維并申請了相關專利^［10-12］。

熔體紡絲工藝是一種高效、無需有機溶劑的綠色纖維生產技術，適用于異形纖維的產業化生產。本文從熔體紡絲工藝原理出發，系統梳理目前采用該技術制備異形纖維的研究現狀，并探討在此過程中所面臨的共性問題，為實現高效、環保的異形纖維生產提供理論參考。

1 熔體紡絲原理及異形纖維生產設備

1.1 熔體紡絲原理

熔體紡絲生產線中主要包括螺桿擠出機、過濾裝置、計量泵、紡絲箱體、紡絲組件、導絲輥、牽伸裝置和卷繞裝置等，熔體紡絲工藝圖如圖1所示^［13］。熔體紡絲是通過將聚合物切片從料斗中喂入到螺桿擠壓機進行熔融，經過濾裝置去除雜質后，以計量泵定量地輸送均勻的熔體至紡絲箱體。在經過紡絲組件分配之后，通過噴絲板上的毛細孔擠壓出形成熔體細流，并在紡絲甬道中被冷卻空氣冷卻成纖維的工藝過程。從紡絲甬道出來的初生纖維經過施加紡絲油劑后，經牽伸并使用卷繞裝置纏繞成一定規格的卷裝。而基于熔體紡絲原理，利用異形纖維生產設備制備異形纖維，具有工藝流程短、生產效率高和產品性能多樣化的特點。

1.2 異形纖維生產設備

1.2.1 異形孔噴絲板

異形孔噴絲板是生產異形纖維的關鍵部件，通過具有特定形狀微孔將聚合物熔體擠出，從而形成截面具有特定形狀的纖維。這些微孔的設計以及模具的精度對于制造異形纖維來說是保證纖維成品質量的重要條件之一，因此微孔的磨損、腐蝕和雜質堵塞都會帶來纖維質量上的問題^［14］。根據纖維組分的不同，異形噴絲板可以大致分為單組分和復合纖維用異形噴絲板。圖2中展示了部分異形噴絲板及其對應的纖維截面形狀。

1.2.2 層疊器

微納層疊技術是一種新型聚合物成型加工技術，其工作原理如圖3所示^［15］。通過將兩種性能不同的聚合物材料經過擠出機熔融后疊加匯流至層疊器中，經過多次層疊倍增后牽引擠出聚合物，通過后續物理或化學的手段將層疊聚合物材料分層，再通過后續的物理或化學手段對層疊聚合物材料進行分層處理，最終實現制備微納米級別的層狀結構聚合物材料。

層疊器是微納層疊技術中實現聚合物熔體層疊倍增的關鍵部件，通過層疊器可以將聚合物熔體從最初的兩層或多層結構向數百甚至數千發展，熔體最終層疊數量取決于所使用的層疊器個數^［15-17］。

2 異形纖維概述

異形纖維是相對于圓形而言，具有一定非圓截面形狀的纖維。它是一種重要的差別化纖維^［3］。纖維異形化是對纖維截面進行改變，從而獲得不同纖維性能的物理改性的方法^［18］，是一種制備異形纖維的重要手段。纖維的截面形態變化如圖4所示^［19］，纖維異形化可分為兩種：一是纖維截面形狀的異形化，包括纖維輪廓波動和直徑不對稱；二是纖維截面中空和復合化。通過對纖維截面異形化的方法日益增多，因此目前研究學者已經開發出了多個品種的異形纖維，如三角形、米字形、C字形、中空狀和橘瓣形等。纖維截面異形化一般會改善纖維某方面性能，從而改變纖維的應用領域。

隨著纖維截面異形化技術的發展，纖維的異形化已經從僅改變纖維直徑擴展到改變纖維輪廓的程度；中空纖維由原來單孔異形進一步發展為多孔異形，并且也從單組份纖維進一步演變為多組分纖維。因此，纖維異形化技術的進步使得化學纖維不再存在性能缺陷和功能單一問題，而是向著性能多樣化和多功能化方向發展^［20］。表1中展示了常見異形纖維截面形狀和纖維特性。

3 纖維截面異形化技術

纖維截面異形化技術根據實現纖維橫截面的形狀的方式不同，可被分為異形噴絲板法、膨化黏著法、復合纖維加工技術、擠壓法和微納層壓技術^［5，17］。本文將重點介紹其中4種異形纖維制造技術。

3.1 異形噴絲板法

異形噴絲板是制造異形纖維的關鍵部件，國內外的研究學者普遍采用經過專門設計的異形噴絲板來生產異形纖維^{［11，23］}。使用異形噴絲板可以在紡制纖維的過程中通過調整工藝參數來獲得目標截面形狀的異形纖維，這是獲取異形纖維最常用的方法之一。與其他纖維異形化技術相比，采用異形噴絲板制備異形纖維的流程短，并且可以通過調整噴絲孔幾何形狀來改變纖維截面，從而在保持合成纖維原有性能特征的基礎上獲得類似于天然纖維的功能特點。當熔體從噴絲板上的異形毛細孔擠壓出來后，由于儲存的彈性勢能和表面張力的影響，其截面在離開噴絲孔時會趨向圓形。因此，如果熔體能夠更快地在冷卻空氣中凝固，就能更好地保留纖維的異形截面形狀^［14］。

Qin等^［23］根據分子間絡合增塑原理，選擇水作為增塑劑，并采用熔體紡絲法來制備4種不同截面形狀的聚乙烯醇（PVA）纖維，并研究了這些PVA纖維的輪廓特征，并使用掃描電子顯微鏡來表征纖維的形態（見圖6）。該研究發現，相較于三角形和十字形的側面，波浪形纖維的側面由于更復雜的纖維截面形狀導致熔體流動更加不穩定，進而使得異形度高的纖維出現了更明顯的擠出膨大情況。

Badrul等^［24］通過熔融紡絲工藝制備了圓形和十字形截面形狀的聚酯長絲，并研究了纖維橫截面形狀對纖維性能的影響。該研究發現，十字形長絲的取向度較高。這是因為在熔融紡絲過程中，十字形纖維表面積增加，從而擁有更高的冷卻速率，在紡程中的變形區縮短，導致取向度增加。然而，與圓形纖維相比，十字形纖維的拉伸性能較差。這是由于十字形纖維表面存在缺陷，導致異形纖維力學性能降低。

Prahsarn等^［25］使用熔融紡絲工藝制備了十字形聚丙烯（PP）纖維和聚乳酸（PLA）纖維，探究了聚合物性能和工藝參數對纖維截面形狀的影響。該研究發現，隨著紡絲溫度的升高，聚合物熔體黏度呈下降趨勢（見圖7（a））。同時，在表面張力的作用下，纖維截面形狀由十字形轉變為圓形，其中PLA纖維的趨勢尤為明顯（見圖7（b））。與紡絲溫度相比，卷繞速度和泵供量對纖維截面形狀影響較小。

3.2 膨化黏著法

膨化黏著法是一種應用于生產異形截面纖維的技術，其中設計和制造特殊形狀的噴絲板是該技術的關鍵，噴絲板上設有相互靠近、具有特定幾何形狀的噴絲孔，在紡絲過程中，熔體細流通過毛細孔擠出，并在負壓作用下被空氣吸引。同時，在擠出膨大效應和負壓的共同作用下，熔體細流之間相互黏附，在適當的溫度和冷卻條件下形成纖維。該技術設計原理利用巴魯斯效應，也被稱為擠出膨大效應^［26-27］。這種效應是由于高分子聚合物具有粘彈性，在受到力和變形時將能量儲存為彈性勢能，當高分子聚合物自由膨脹時，釋放儲存的彈性勢能，迅速發生彈性恢復并形成聚合物膨脹現象。形變量與聚合物所儲存的彈性勢能成正比。

He等^［28］提出了一種制備多葉中空異形纖維的紡絲技術，并通過實驗研究探索了異形纖維截面的形成規律。該研究中噴絲板微孔結構和纖維截面形狀如圖8（a）所示。該實驗探究了紡絲工藝參數對纖維截面的影響。當冷卻風速增加時，異形纖維的葉片輪廓及其空心結構形成的更加完善（見圖8（b）），纖維截面形狀的形成與冷卻風速相關；當噴絲孔單孔體積流速增加時，纖維細度提高；當初始冷卻高度增加時，異形纖維的葉片輪廓清晰度降低，并且方形中空孔結構會轉變為圓形中空孔結構（見圖8（c））。

Pelzer等^［29］研究了不同紡絲參數對中空纖維形態的影響，尤其是溫度和卷繞速度。研究發現，在熔體紡絲過程中，纖維形狀主要受到紡絲溫度的調控，提高紡絲溫度有助于改善纖維截面形態；而隨著卷繞速度增加，中空纖維內外徑差值減小。

Yang等^［30］采用膨化黏著法制備了聚乳酸（PLA）與低熔點聚乳酸（LM-PLA）雙組分纖維，是一種可生物降解的啞鈴狀截面結構的雙組分纖維（見圖9（a））。該研究發現，在相同結晶條件下，LM-PLA的結晶能力明顯較弱于PLA，從而導致在后續的熱處理過程中產生了不平衡收縮并形成了三維卷曲纖維（見圖9（b））。

3.3 復合纖維加工技術

復合纖維加工技術利用兩種或者兩種以上的聚合物制備特殊結構和性能的纖維，不同類型的聚合物沿著纖維軸向長度方向以特定圖案分別排列^［31］。這種特性使得復合纖維能夠簡單地賦予纖維附加性能。復合纖維的設計和應用是實現纖維制品多功能化的重要手段之一，通過噴絲板微孔形狀設計、聚合物配方設計以及纖維截面形狀設計等多種方式，可以獲得性能和風格多樣的新型纖維制品^［32］。

Tran等^［33］采用復合纖維加工技術，以PP和PLA為原料，制備了以熱能開裂的PP/PLA橘瓣型雙組分纖維。研究發現，在加熱、冷卻和拉伸過程中，利用PP和PLA不同的脹縮性能，在經歷熱處理后成功實現了兩組分的分離，從而制備出具有異形截面的超細纖維（見圖10（a））。

Haslauer等^［34］利用復合纖維加工技術制備了一種具有海島型結構的纖維。該纖維采用水溶性聚合物EastONE作為島組分，以PLA作為海組分，并通過復合紡絲設備獲得了含有12個定島結構的海島纖維。最后，將海島纖維制備成織物，并放入水中萃取其中的島組分，形成具有中空多孔結構的異形纖維（見圖10（b））。

Mooney等^［35］使用共軛紡絲技術，制備了一種具有齒輪狀截面的纖維，這種特殊的截面形狀可以增加纖維的比表面積。實驗采用水溶性聚乙烯醇（GP）作為皮層材料，聚丙烯（PP）作為芯層材料，并通過兩臺螺桿擠出機將這兩種材料分配到同一個噴絲板中，制備成纖維。最后，通過水萃取皮層材料聚乙烯醇，得到了具有齒輪形態的PP纖維（見圖10（c））。

3.4 微納層疊技術

微納層疊技術是一種利用層疊器強制組裝聚合物熔體的方法，通過該技術可以實現制備多層交替堆積的微納米尺度、多層多組分復合材料^［15-16］。

Joseph等^［17］將熔體靜電紡絲與微納層疊技術相結合，制備出了一種納米帶狀纖維，他們利用層疊器將聚乙烯（PE）和聚己內酯（PCL）兩種聚合物層疊堆積至257層，然后通過電場力使熔體牽伸成纖維，最后在超聲或溶劑沖洗作用下分層形成了納米帶狀纖維（見圖11）。

4 熔紡異形化纖維及其非織造材料的應用

纖維截面異形化賦予了纖維材料新的性能，不同截面的纖維可以展現出不同的特性。根據材料所展現出來的新特性，可以將該材料應用于相應領域。

4.1 吸濕速干材料

吸濕速干服裝面料是指通過紡織方法制備而成，具有吸濕和速干功能的纖維材料。目前市場上應用較成熟的產品通常采用異形纖維、中空纖維或超細纖維^［36］。其中異形纖維的吸水機理是利用纖維異形化后增加了內外聯通的微孔或者表面溝槽，" 這樣的改變一方面使得水分更容易進入纖維間，另一方面纖維表面的溝槽為水分遷移提供了通道^［37］。常見的異形纖維包括杜邦公司的COOLMAX系列異形聚酯纖維、韓國曉星公司的Aerocool四葉形截面聚酯纖維以及泉州海天輕紡集團的Cooldry纖維等^［28］。

Yang等^［38］開發了具有十字形截面和Y形截面的異形聚乳酸（PLA）纖維。研究表明，與圓形截面的PLA纖維相比，異形PLA纖維制備的針織物吸濕性能顯著提高（見圖12（b））；與聚酯纖維針織物相比，異形PLA纖維織物具有相當的吸濕性能，這說明該纖維能夠在應用過程中廣泛取代石油基纖維。

4.2 保溫材料

人體熱量向外傳遞的重要形式之一是熱傳導。由于人體所穿著的服裝主要是用纖維構成的，因此通過采用低導熱率的材料制造服裝，就有效減少熱傳導。靜止空氣具有較低的熱導率，而中空纖維內部的空腔能夠儲存更多靜止空氣，從而降低材料的熱導率，并實現保溫效果。

Jia等^［39］通過靜電紡絲技術，將聚丙烯（PP）中空纖維與聚丙烯腈（PAN）納米纖維相結合形成仿生分層結構的紗線，如圖13（a）所示。該研究發現，PAN@PP復合材料的表面與手指皮膚之間的溫差（|ΔT|）高于PP中空纖維（見圖13（c）），這說明PAN@PP復合材料在保溫方面優于PP中空纖維。該方法成功構建了穩定的多孔結構，并展示出卓越的保溫性能。

4.3 空氣過濾材料

過濾材料是一種用于提高被過濾物純度并分離其他物質的材料。它可應用于固/氣相分離、固/液相分離和液/液相分離^［40］。與傳統圓形截面纖維相比，異形纖維具有更高的比表面積，從而能夠容納更多需要過濾的物質。考慮到非織造材料復雜的三維纖維結構，在其有限的材料空間中存在許多微小空隙和彎曲通道，并且已經充分展示了其較大比表面積、良好吸附性和高容塵量等特點，使其在過濾領域得到廣泛應用^［19］。若能將非織造材料中的傳統圓形纖維轉變為異形纖維，可進一步提升其過濾性能。

Duo等^［41］基于雙組分紡粘水刺技術（見圖14（a）），通過采用低結晶度聚酯（LCPET）和PA6作為原料，制備了易開纖的LCPET/PA6橘瓣型超細纖維非織造材料。研究發現，在相同水刺壓力下，LCPET/PA6復合非織造材料的過濾效率遠高于聚酯（PET）/PA6復合非織造材料，同時，LCPET/PA6復合非織造材料對粒徑大于1.0μm的顆粒具有接近99.9%的過濾效率（見圖14（b））。

4.4 油水分離材料

海上原油泄漏被認為是對水體污染最嚴重的生態系統危害之一。由于其便攜性和處理過程簡單，油水分離材料已成為在處理水體污染中具有應用前景的修復材料^［42］。因此，開發一種高效生產、性能優秀的油水分離材料至關重要。非織造油水分離材料具有復雜的三維結構，可實現更高的空隙率、更大的" 比表面積和更高效的分離效率。而通過引入異形纖維進一步提升比表面積，則可以進一步提高油水分離材料的分離效率。

Zheng等^［42］采用紡粘成網工藝與熱致相分離相結合的方法制備了一種具有亞微米孔洞的C形聚丙烯紡粘非織造材料（見圖15（a））。這種多孔結構的C形異形纖維，由于特殊的線性凹槽賦予材料更大的比表面積、更高的孔隙率以及獨特的毛細管效應，從而提高了材料吸油能力。該研究發現，材料展示出優秀的可重復使用性能，在經歷了15次吸附和解吸附循環后，其性能水平仍然保持在50%以上（見圖15（b））。

4.5 吸音材料

吸音材料是在車輛、工業機器和建筑等領域中應用于噪聲控制的一種重要材料。非織造材料由于其復雜的孔隙結構，使得聲波能夠從外部進入到材料內部，并通過振動將聲能轉化為熱能，從而起到降低噪聲影響甚至隔絕噪音的作用^［43］。非織造材料是一種以纖維為基礎的多孔材料，因此改變纖維的形態結構就可以改變整體材料的性能。在相同線密度條件下，異形纖維相較于圓形纖維具有更高的比表面積，提高纖維的比表面積可以提升非織造材料的吸音性能。

Lee等^［44］探究了不同纖維截面對材料吸音性能的影響。他們選用了五種異形纖維原料，通過機械梳理-干法成網法輸出纖網，并利用針刺固網技術制備非織造布。最后，他們采用熱軋工藝將非織造布厚度控制在統一水平上。該研究發現，圓形截面纖維的吸音性能明顯低于異形纖維，且材料的吸音性能與纖維形狀因子呈正相關。

5 結論與展望

本文介紹了基于熔體紡絲原理的纖維截面異形化技術，并闡述了異形化纖維及其非織造材料的研究進展。目前，研究關注點主要集中在利用熔體紡絲直接制備異形纖維方面，而將纖維異形化技術與非織造技術相結合的研究相對較少。然而，作為一種源自于熔體紡絲技術并應用于生產非織造材料的方法，盡管設備和工藝存在差異，但將高速熔體紡絲特性與紡粘法非織造技術相融合，在提升產品差別化率方面具有優勢，并可為生產異形纖維及其衍生產品提供一條途徑。

未來在纖維截面異形化技術的應用方面可以圍繞以下4點開展進一步研究：

a）目前合成纖維的物理改性研究已相當成熟，但纖維異形化技術與非織造成網工藝結合的研究較少。基于非織造技術特點，未來可將這兩種技術相結合，開發出獨特的非織造材料，為生產新產品提供更多可能性，并推動技術進一步發展和應用。

b）將纖維異形化技術與非織造固網技術進行多領域組合創新是未來技術發展的重要方向和產業化趨勢。例如，通過結合微納層疊技術和非織造針刺或水刺等固網技術，實現高效分層開纖，提高微納米纖維的生產效率。

c）隨著國家對產業綠色化的要求不斷提高，應加大熔紡工藝中切片原料的綠色化研發力度，并深入探究可降解材料在異形纖維中的應用。

d）加大異形纖維應用領域探究，非織造擦拭布已成為清潔材料中的主流產品之一。目前單一的紡粘非織造擦拭材料存在孔隙率低和去污能力差的問題。將異形纖維引入非織造擦拭布可以改善這些缺點，提升產品競爭力。

纖維截面異形化技術可以為各類高性能產品提供結構優化和性能提升，從而滿足人們對高品質生活和可持續發展的需求。通過不斷地推動纖維異形化技術的發展，可以為各行業帶來更多創新和發展機會。

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Research progress on the application of melt spinning profiled fibers and nonwoven materials

WU" Wanhua，" QIAN" Xiaoming，" TANG" Xiaoyan，" LOU" Wei，" YANG" Xueke，" LAN" Yina

（School of Textile Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract：

To improve the problems of product homogenization， low added value and performance homogenization in the fiber market， it is imperative to conduct relevant research on fiber profilization technology. Melt spinning， an efficient and environmentally friendly fiber production technique， proves suitable for industrial-scale manufacturing of profiled fibers. The melt spinning process's fiber profilization technology is comprehensively analyzed from various perspectives. Firstly， we provide a detailed introduction to the principles of melt spinning and specialized equipment used for producing profiled fibers while emphasizing the pivotal role played by profile spinnerets in the production process. Subsequently， we present an overview of profiled fibers along with enumerating their cross-sectional shapes and characteristic features. Additionally， we describe the fiber profiled technology in detail， focusing on the profiled spinneret method， the bulking and sticking method， the composite fiber processing technology and the micro-nano stacking technology. Furthermore， we present an overview of the recent status and research findings pertaining to these technologies.

After the implementation of fiber profiling technology， profiled fibers exhibit distinctive characteristics， rendering them suitable for diverse applications. For instance， in the field of moisture-absorbing and quick-drying materials， Yang et al. developed a moisture-absorbing and quick-drying fabric using polylactic acid as a raw material by using profile spinnerets， and the special-shaped fibers effectively enhanced the hygroscopic properties of the fabric. In terms of thermal materials， Jia et al. combined polyethylene hollow fibers with polyacrylonitrile nanofibers through electrospinning technology to construct a stable porous structure that exhibits exceptional thermal insulation properties. Furthermore， in the domains of air filtration， oil-water separation， and sound absorption materials， the intricate three-dimensional structure， large specific surface area， good adsorption properties and high porosity inherent in nonwoven materials enable further optimization by incorporating the characteristics of profiled fibers. For example， Zheng et al. employed a combination of spunbond mesh process and thermal phase separation to prepare C-shaped polypropylene spunbond nonwoven material featuring submicron holes， and this material demonstrated excellent reusability performance in oil-water separation.

Finally， the development of profiled fibers is prospected. According to the current situation of fiber special-shaped technology， we put forward four research directions. Firstly， it is necessary to expand the application fields of fiber special-shaped technology in combination with nonwoven mesh technology to promote its further development. Secondly， in the future technology development and industrialization trend， it is an important direction to combine and innovate fiber special-shaped technology with nonwoven fixed network technology. Thirdly， it is necessary to research and develop" green polymer slicing to promote the environmental development of fiber raw materials. Finally， profiled fibers are applied in the field of nonwoven wipes， and product performance is optimized to improve competitiveness. By continuously promoting the development of fiber special-shaped technology， more innovation and development opportunities can be brought to various industries.

Keywords：

melt spinning process; differential fiber; profiled fiber; nonwovens; application