超细纤维非织造布生产工艺的新进展

 

        超细纤维是化学纤维向高技术、高仿真化方向发展的代表性产品，目前国际上虽尚无对该类纤维的统一定义，但日本化纤行业普遍将线密度低于0.3 dtex的单丝称为超细纤维。超细纤维非织造布可用于过滤、医疗卫生、劳动防护等多个领域。目前，超细纤维的制备方法主要有熔喷法、闪蒸法、离心纺丝法、静电纺丝法等，本文将着重介绍两种新方法及相关工艺的进展。

        Spunblown®工艺

 

        Spunblown®是一种复合工艺，结合了常规的熔喷工艺和纺粘工艺。该工艺的喷丝孔设置与纺粘技术类似，为多行喷丝孔。但长丝的拉伸变细与熔喷工艺类似，都是通过从喷嘴喷出高速气流拉伸纤维来实现。因而，Spunblown®可以生产出细度接近熔喷纤维、强度接近纺粘纤维的材料。

        Spunblown®/Meltblown系统

 

        据测试，Spunblown®纺制的超细纤维的断裂强度介于纺粘和熔喷纤维之间，但断裂伸长率明显高于纺粘和熔喷纤维。该工艺由于安装了稳固的喷丝板可以承受高达13.8 MPa的工作压强，可纺熔体的流动速率范围更广，在0.5 ～ 250 g/min之间，并且可以在更低温度下进行生产，这使得超细纤维的生产更加灵活，能耗更低。

        Spunblown®工艺拉伸出的非织造纤维膜

 

        Spunblown®工艺将聚合物树脂制造成超细纤维，并将其制成非织造纤网。Spunblown®工艺的特点是采用双轴多排的喷丝板，从而具有可观的产量和利润率。Spunblown®工艺能够拉伸出一种独特的非织造超细纤维膜。通过薄膜挤出的聚合物纤维被拉伸至超细状态，这些超细纤维均匀分布在膜的宽度方向上，其强度也均匀分布。这意味着这种薄膜可以比传统的拉伸膜薄得多，因而具有很高的强度和优良的经济性。『染化学堂』

        MicroSpan拉伸设备

 

        MicroSpan拉伸设备用于对非织造纤维膜进行拉伸，为环件轧制，具有双轴结构。机体占地面积很小，只有普通拉幅机的1/10，拉伸能力很强，均匀性也很好。拉伸过程中可以提高纤维膜的强度并改善其手感。

        溶液喷吹系统

 

        溶液喷吹系统是使用高速气流力作为纤维成形的驱动力，从聚合物溶液中拉伸出超细纤维。双轴多排喷丝板每米多达12 000个喷嘴，生产出来的纤维直径在 1 ～ 25 μm之间，产量高达500 kg/（m · h）。『染化学堂』喷丝板分为若干区域，每个区域都配备了自己的齿轮泵控制聚合物流量，以保证纤维膜单位面积重量分布均匀，每个齿轮泵单独驱动。

 

        双轴多排喷丝板

 

        与常规熔喷工艺相比，Spunblown®工艺还有一个优势就是生产能力比较高，一般要比常规的熔喷工艺高1.5 ～ 5倍，最高可以达到500 kg/（m · h）。与此同时，多排喷丝板设计使得从喷丝板喷出的粗纤维和细纤维混合在一起，从而使非织造布中纤维的直径分布更宽。从最终应用上来说，这种非织造布用作过滤介质时可具有更高的容尘量，比常规熔喷非织造过滤材料高 2 ～ 4 倍。

 

        静电纺丝新方法

 

        静电纺丝分为溶液静电纺丝和熔融静电纺丝。前者操作简单、易于控制，但纺丝过程中溶剂的挥发会对环境造成污染，且存在纺丝产率低等问题；后者可避免化学溶剂对人体和环境的危害，是一种更经济、环保、安全的静电纺丝方法。『染化学堂』单针头静电纺丝机生产率极低，只能达到0.1 ～ 1 g/h，因而生产成本过高，无法实现大规模生产。相关研究人员先后研制了多针头、无喷头的静电纺丝装置，使产量有了一定程度的提高。

 

        单针头静电纺丝的基本装置

        多针头静电纺丝

 

        为了提高产量，研究者们最先想到的方法就是将单针头变成多针头。由于采用多针头使得射流的运动状态变得非常复杂，而且非常容易造成针头的堵塞，纤维直径的均匀性变差；同时由于纺丝射流之间相互排斥引起边缘效应，严重时甚至不能被接收装置接收，这也造成了原料的浪费和成本的增加。『染化学堂』多针头静电纺丝并没有如预期般使纤维的产量大幅提高，因此研究针头的间距和数量对纤维成形的影响，以获得均匀性较高、产量更高的超细纤维，就成为众多研究者的研究方向。与此同时，无针头静电纺丝也被提了出来。

        多针头静电纺丝装置

        无针头静电纺丝

 

        世界上首台无针头静电纺丝装置是由捷克Elmarco公司研制的NanospiderTM，该技术利用滚筒转动的离心力供液，取代了传统针头静电纺装置中的针头。其特点主要包括：无针头，超细纤维非织造布的克重为0.1 ～ 5 g/m2，纤维直径仅为50 ～ 500 nm，成本也相对较低。

 

        其首先将配好的聚合物溶液置于溶液储槽内，通过移动Carriage模块将溶液涂覆在相对静止的电极丝表面；然后将整个系统置于高压电场内，受到静电力牵引的液滴形成一根根射流，不断拉伸劈裂，最后形成的超细纤维沉积在移动的基材表面得到纤维网。纺丝过程中可通过调节基材移动速度来控制纤维网的厚薄，而改变溶液性质以及电场强弱则可控制超细纤维的形态和粗细。

        NanospiderTM的工作原理

 

        NS 8S1600U是Elmarco公司最新开发的超细纤维非织造布生产设备，相较于传统的纺丝方法，该技术保证了纤维直径及纤网厚度的均匀性以及24 h连续生产的稳定性。『染化学堂』生产出的超细纤维网克重仅为0.03 g/m2，纤维平均直径为150 nm，年生产能力可达20 km2，也可通过将多台NS8S1600U纺丝单元组合在一起实现年产量的成倍增加。

        NS 8S1600U

        超细纤维的研究方向

 

        一是能够制备更生态环保的超细纤维，如生物拟态或仿生设计的应用；二是降低生产成本；三是更加重视超细纤维的基本性能和功能设计，不仅应当注重基本性能的改进，还应赋予其复合化、高性能化、功能化等特点。