細(xì)旦非織造布技術(shù)進(jìn)展

細(xì)旦非織造布技術(shù)進(jìn)展

采用聚合物直接成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)生產(chǎn)的細(xì)旦非紡織面料已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥產(chǎn)品、醫(yī)療用品和高性能過濾和吸附材料領(lǐng)域。對于細(xì)旦非織造布來說，其單絲平均直徑通常在25μm或更小。隨著成纖聚合物直接成網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是細(xì)旦化和納米纖維技術(shù)的實用化，細(xì)旦非織造布產(chǎn)品的市場潛力已引起纖維業(yè)界普遍關(guān)注。細(xì)旦非織造布可加工成性能各異的產(chǎn)品，論其工藝技術(shù)，人們很容易聯(lián)想到制漿造紙行業(yè)的濕法工藝，也會想到水刺加工以及紡粘/熔噴法工藝。采用聚合物直接成網(wǎng)技術(shù)制備細(xì)旦非織造布，具有一步法連續(xù)化工藝特點，目前已工業(yè)化生產(chǎn)的有紡粘法、熔噴法、閃蒸紡和靜電紡工藝。這是生產(chǎn)細(xì)旦非織造布產(chǎn)品最普通，也是當(dāng)今化纖業(yè)最具活力的工藝技術(shù)領(lǐng)域之一。1直接聚合物成本法1.1細(xì)旦非織造布在雙組分紡粘生產(chǎn)線上的發(fā)展紡粘法是最重要的用聚合物直接制備細(xì)旦非織造布的工藝之一。一般來說，用該法加工的纖網(wǎng)單絲直徑為15～35μm。紡粘法生產(chǎn)裝置主要包括：原料及添加劑計量和喂入系統(tǒng)；擠壓系統(tǒng)（主擠壓機(jī)和回收料擠壓機(jī)）；熔體計量裝置和紡絲箱體；冷卻和牽伸單元，配置有纖維收集和運(yùn)送以及纖維分布裝置；粘合裝置；切邊和卷繞系統(tǒng)。紡絲成網(wǎng)技術(shù)具有非常高的生產(chǎn)效率，且單絲細(xì)旦化的趨勢十分明顯。在紡絲組件孔密度超過7000～10000孔/m、紡絲速度高達(dá)6000m/min的條件下，纖網(wǎng)單絲纖度可低于1dtex。20世紀(jì)80年代，德國Reifenhauser（萊芬豪舍）公司開發(fā)的第一代Reicofil1，纖網(wǎng)單絲纖度范圍為2.9～3.9dtex，隨著技術(shù)進(jìn)步，Reicofil2產(chǎn)品的單纖細(xì)度降到2.4～2.8dtex，而Reicofil3產(chǎn)品的單纖細(xì)度進(jìn)一步降為2.2dtex，目前，Reicofil4生產(chǎn)線的單絲纖度已低于0.9dtex。細(xì)旦非織造布的開發(fā)大大拓展了產(chǎn)品的市場，也為設(shè)備制造商接受，紡粘設(shè)備的加工范圍也迅速向細(xì)旦化方面延伸，如OerlikonNeumag（歐瑞康紐馬格）公司的AST紡粘生產(chǎn)線產(chǎn)品的單絲纖度范圍達(dá)0.6～6.0dtex、RieterPerfojet公司為1～10dtex、日本Kobe公司為0.7～10dtex。Reifenhauser公司專門用于生產(chǎn)醫(yī)用非織造產(chǎn)品的Reicofil紡粘設(shè)備，配備6箱體，即SSMMMS，加工速度達(dá)800～1000m/min。在細(xì)旦超細(xì)旦薄型非織造產(chǎn)品領(lǐng)域，Reifenhauser公司雖然面臨OerlikonNeumag公司、法國RieterPerfojet公司和意大利Fare（法瑞）公司的激烈競爭，但仍占據(jù)了約87%的市場份額。近年來，雙組分紡絲成網(wǎng)制超細(xì)纖維網(wǎng)技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。美國Hills（希爾）公司在海島型雙組分紡絲成網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中，島組分的纖維直徑已小于2μm，與常規(guī)熔噴法生產(chǎn)的纖網(wǎng)單纖直徑相當(dāng)。采用雙組分紡絲成網(wǎng)方法生產(chǎn)細(xì)旦、超細(xì)旦非織造產(chǎn)品時，海組分溶去會增加成本并產(chǎn)生環(huán)境污染。因此，美國Eastman公司開發(fā)出了EastoneS211型共聚酯，專門用于海島型雙組分紡粘非織造布的生產(chǎn)。該聚合物可完全回收，二次回收的S211樹酯仍能重復(fù)使用，具有環(huán)境友好特征。1.2熔噴法非織造布生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)熔噴法是生產(chǎn)微米/亞微米級纖維網(wǎng)材最普通的加工技術(shù)。熔噴法生產(chǎn)采用連續(xù)一步法工藝，基本設(shè)備單元組成為：原料及添加劑計量喂入系統(tǒng)；擠壓機(jī)；計量泵系統(tǒng)；熔噴頭；壓縮空氣系統(tǒng)；熱空氣制備；纖維接收及輸送裝置；抽吸系統(tǒng)及切邊卷取。熔噴法使用的原料與紡粘法相似，為熱塑性高聚物及共聚物。熔噴工藝技術(shù)依據(jù)熔噴頭組件的結(jié)構(gòu)形式，可分為兩個系列，即：(1)單排孔形分布的熔噴頭組件，由Exxon公司開發(fā)；(2)多排離心孔型設(shè)計，由Biax/Schwarz公司開發(fā)（表1）。Exxon公司設(shè)計的熔噴頭組件，其紡絲孔呈單排布置，錐型孔角度為30°～90°，孔密度為20～50孔/英寸，平均孔徑為0.25～0.50mm。熔噴頭結(jié)構(gòu)可適應(yīng)不同空氣孔道和氣流變化的需要。Biax/Schwarz公司開發(fā)的熔噴頭，紡絲孔為離心式氣孔，呈多排孔分布。此熔噴組件具有較高的生產(chǎn)效率和效率系數(shù)，纖網(wǎng)品質(zhì)好。在IDEA07上，Biax公司展出的熔噴頭孔型排布1～18列，孔密度達(dá)8000～12000孔/m，纖網(wǎng)單絲直徑為1.4～1.5μm。美國Hills公司最近研究出的新一代熔噴頭，紡絲板孔徑<0.1mm，長徑比高達(dá)100以上，孔密度>100孔/英寸（最多達(dá)200孔/英寸）。纖維的單絲直徑達(dá)250nm，網(wǎng)面密度可做到2g/mRieterPerfojet公司在IDEA07上也展出了新型熔噴裝置。新的熔噴系統(tǒng)可以生產(chǎn)細(xì)旦纖維網(wǎng)，單纖直徑<1μm，紡制的纖網(wǎng)面密度在1g/m纖網(wǎng)單絲直徑變小，會使成型能耗降低、孔間距縮小、生產(chǎn)效率提高，同時也帶來產(chǎn)品性能的改進(jìn)，如孔隙率變小、過濾效率提升、制品手感柔軟等。熔噴產(chǎn)品的細(xì)旦化也大大促進(jìn)了熔噴生產(chǎn)中專用原料技術(shù)的進(jìn)步。以PP為例，2000年以來，原料的MFR達(dá)到了1200～1500。1.3tyviktivdtyvik點粘合產(chǎn)品20世紀(jì)60年代，DuPont（杜邦）公司開發(fā)了閃蒸紡技術(shù)，其商品名為TyvekTyvekTyvek點粘合產(chǎn)品多用于防護(hù)裙、罩衫類防護(hù)服、無塵室服裝、手術(shù)室服裝和鞋套等；面粘合產(chǎn)品主要用在郵件及包裝材料上。閃蒸紡工藝適宜加工具有相對高結(jié)晶度的成纖聚合物，如PE和PP等。Tyvek1.4靜電紡導(dǎo)電纖維生產(chǎn)線靜電紡絲裝置主要由4部分組成，即紡絲液供給系統(tǒng)、噴射組件、收集裝置和高壓靜電場發(fā)生器。靜電紡納米纖維直徑及成網(wǎng)機(jī)理的影響因素較多，主要涉及聚合物的種類、溶劑類型、紡絲液濃度、電場電壓、噴射組件與收集裝置間距以及成型產(chǎn)出效率等。研究實踐表明，納米纖維的成型效率和成網(wǎng)強(qiáng)度指標(biāo)在很大程度上取決于噴射組件與收集裝置間的電場強(qiáng)度。在采用靜電紡成型70～500nm的產(chǎn)品時，紡絲液擠出速率0.01～0.03mL/min，使用的電場強(qiáng)度為10～30kV，紡絲頭與收集裝置的間距為50～300mm。捷克Elmarco公司于2006年開發(fā)了全球第一條靜電紡納米纖維生產(chǎn)線Nanospider，并已投放市場。產(chǎn)品的單絲直徑范圍在200～500nm。該生產(chǎn)設(shè)備維修簡便，能耗利用率、產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率較高。Nanospider是改良型靜電紡工藝，使用聚合物溶液成型。每個紡絲單元設(shè)置8個紡絲大頭，通常提供兩個基本系列，即NS8A–1600和NS16A–1600系列，產(chǎn)品幅寬達(dá)1600mm。當(dāng)纖維直徑在50～150nm時，產(chǎn)品的面密度為0.03g/m鑒于納米纖維產(chǎn)品的高技術(shù)含量和應(yīng)用研究的需要，Elmarco公司專門設(shè)計并可提供試驗型靜電紡設(shè)備，即NSLAB系列，專門用于新產(chǎn)品的研究開發(fā)。該機(jī)可提供工業(yè)性試驗數(shù)據(jù)，非常適宜研究院所和大學(xué)使用。試驗設(shè)備有兩種型號可供選擇，即NSLAB–200S型和NSLAB–500S型。2纖網(wǎng)直徑小、分布寬紡粘法與閃蒸紡成型是在冷卻條件下完成牽伸的，纖維具有相對高的結(jié)晶度和分子取向，產(chǎn)品具有較高強(qiáng)力。纖維網(wǎng)的縱橫向強(qiáng)力比良好，并具有均勻的纖維直徑，可適應(yīng)產(chǎn)品的不同用途要求。熔噴法與靜電法成型是在聚合物熔體呈流動態(tài)時完成的，導(dǎo)致纖維有限的取向和較低的強(qiáng)力。鑒于這些纖網(wǎng)的纖維直徑較小，產(chǎn)品多采取與紡粘材料復(fù)合的形式投入使用。熔噴成型的條件變異大，纖網(wǎng)均勻性低，纖維直徑分布較寬。在同一纖維網(wǎng)材中，纖維直徑可從亞微米到十幾微米，這些固有的特點在一定程度上也促進(jìn)了其在過濾、吸收材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。表3為幾種細(xì)旦非織造布的技術(shù)特征比較。亞微米或納米級纖維網(wǎng)材具有較高的面積/體積比和較小的孔徑，表4為靜電紡、熔噴和紡粘3種方法的纖維細(xì)度、比表面積及面密度。通過對亞微米或納米級的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)和纖維直徑分布進(jìn)行SEM分析，發(fā)現(xiàn)使用直徑為70～500nm的纖維相互連接成的纖維網(wǎng)具有十分小的孔尺寸，用其制成的過濾介質(zhì)的流體過濾阻力明顯發(fā)生變化，而介質(zhì)阻力可以通過調(diào)節(jié)介質(zhì)厚度和孔尺寸來完成。基于上述原因，以常規(guī)機(jī)織物或非織造產(chǎn)品為基布，可將亞微米或納米級纖維網(wǎng)材敷于其上。工業(yè)試驗已證實，這種材料非常適于用作液體或氣態(tài)物流的高效濾材。3細(xì)旦化紡粘法目前，在聚合物直接成網(wǎng)制微細(xì)旦非織造布的研究開發(fā)中，細(xì)旦化趨勢已進(jìn)入納米級，即使傳統(tǒng)的紡粘和熔噴法生產(chǎn)，也已完成了納米級產(chǎn)品的商業(yè)化試驗。3.1海島復(fù)合紡粘法日本Kuraray（可樂麗）公司采用海島型雙組分紡粘工藝制備的納米級纖網(wǎng)已完成商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)百根島組分形成的纖網(wǎng)品質(zhì)和強(qiáng)力指標(biāo)與傳統(tǒng)熔噴產(chǎn)品相似，被溶去海組分的纖度均勻性也比較理想。采用海島復(fù)合紡粘工藝，在不溶去海組分的條件下制備納米纖網(wǎng)的方法目前也在美國非織造布協(xié)作研究中心（NCRC）的試驗中。此項研究的主要特點是：海組分纖維相互纏結(jié)，并和島組分纖維一并交絡(luò)，具有節(jié)約資源和無廢水排放的特點。Nanoval3.2熔噴法非織造布的制備工藝簡稱“mfr”美國Hills公司立足于原有的雙組分熔噴設(shè)備，開發(fā)了以均聚物為原料的納米級纖網(wǎng)，熔噴組件的擠出效率為1.6kg/（m·h），單絲平均直徑小于250nm，其中40～400nm的纖維約占90%以上，實驗為無溶劑回收流程。Hills公司聲稱其商業(yè)化裝置的單頭生產(chǎn)效率可望達(dá)到12kg/（h·m）。常規(guī)熔噴產(chǎn)品的單絲直徑一般在1000nm左右。當(dāng)紡制納米級產(chǎn)品時，紡絲板孔的熔體擠出要減少，按成型工藝要求，熔體壓力和擠出速率降低，將難于保證纖網(wǎng)的均勻性。Hills公司認(rèn)為，在紡制納米級熔噴產(chǎn)品時，所用聚合物的MFR要求為1500～1800。熔噴頭的壓力要求保持在數(shù)百psi才能確保纖網(wǎng)的均勻性。為適應(yīng)高壓和低熔體擠出速率的變化，紡絲板的孔徑低于0.12mm，長徑比控制在15:1，甚至是100:1。熔噴頭使用壓力在3.45MPa左右，孔密度約為100孔/英寸。3.3靜電紡絲試驗裝置采用靜電紡絲工藝開發(fā)納米級非織造布產(chǎn)品的廠家非常廣泛。美國Nanostatic公司目前已建成幅寬1000～2000mm的靜電紡絲試驗裝置，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)100m/min。該公司還和美國Texas大學(xué)合作共同開發(fā)了PU納米非織造布產(chǎn)品。德國Danalson公司以PA作原料、甲酸為溶劑，在幅寬1500mm的靜電紡絲試驗設(shè)備上成功紡制了單絲直徑為200nm的纖網(wǎng)。3.4熔噴法非織造布的生產(chǎn)美國DuPont公司最近開發(fā)了一種混合膜產(chǎn)品，這是一種介于傳統(tǒng)非織造布和微孔膜之間的技術(shù)，其紡絲頭和傳統(tǒng)的熔噴法組件相似。纖網(wǎng)由直徑100～1000nm的連續(xù)長絲構(gòu)成。該新品由DuPont公司位于韓國的工廠生產(chǎn)。4細(xì)旦非織造布的應(yīng)用隨著非織造布纖網(wǎng)纖度的細(xì)旦化，其單絲直徑已可做到納米級尺度，為細(xì)旦非織造布產(chǎn)品在醫(yī)學(xué)生物工程、化工、建筑和環(huán)境產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用創(chuàng)造了條件和機(jī)遇。4.1細(xì)旦非織造布的特點細(xì)旦非織造布及其復(fù)合產(chǎn)品在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域已經(jīng)使用了多年，如醫(yī)用長衫、帽、罩和網(wǎng)類制品，繃帶以及消毒用巾等。在美國，此類醫(yī)用紡織品可以分成兩大系列，即多功能系列和單一用途系列，指定手術(shù)室通常使用單一用途系列，產(chǎn)品兼有屏蔽和防護(hù)功能。這些用可棄產(chǎn)品主要用于防護(hù)、預(yù)防感染和消毒作業(yè)方面，具有非常好的懸垂性和柔軟性。不同用途的醫(yī)用紡織品需具有不同功能，但均需具備如下性能：(1)屏蔽性能；(2)透氣性；(3)懸垂性；(4)強(qiáng)力；(5)具有柔軟的手感。進(jìn)一步提高非織造布產(chǎn)品的防護(hù)性和舒適性，同時制定實用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)旦非織造布產(chǎn)品將具有傳統(tǒng)防護(hù)和外用醫(yī)用紡織品無可比擬的性能。醫(yī)用紡織品的屏蔽性能基本取決于織物結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)。非織造布產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，依據(jù)最終用途，基本上由如下參數(shù)決定，包括纖維直徑、纖維尺寸分布、纖維取向度、纖維分布、密度、厚度、單位面積重量、孔隙尺寸、孔的分布和纖網(wǎng)的均勻性。而纖維直徑、密度和孔隙尺寸是最重要的指標(biāo)。細(xì)旦非織造布產(chǎn)品通常以復(fù)合材料的形式使用。如SMS制品中，紡粘層作為外部骨架，提供產(chǎn)品的強(qiáng)度支持，而熔噴組分則承擔(dān)產(chǎn)品的過濾和屏蔽功能。大多數(shù)高性能醫(yī)用紡織品都需對細(xì)旦非織造布進(jìn)行化學(xué)處理，以使織物具有乙醇排斥表面，進(jìn)而提高產(chǎn)品的屏蔽性能。如美國Ahlstrom（阿斯龍）公司研制的可呼吸Viral屏蔽織物（BVB）最近又有新的防護(hù)性極佳的產(chǎn)品投放市場。此類型產(chǎn)品的織物結(jié)構(gòu)采用類似三明治的復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)層柔軟舒適，外層具有良好的表面排斥能力，兩層中間為一極具敏感性的單片膜材，該膜材依靠分子擴(kuò)散作用傳輸水分子，可使其進(jìn)入聚合物中。BVB復(fù)合材料具有導(dǎo)濕、阻止病毒通過的功能，并能靠濕傳導(dǎo)速率變化而提高人體體溫。內(nèi)層柔軟多孔的表面賦予其極佳的舒適感，給使用者理想的防護(hù)。DuPont開發(fā)的Tyvek4.2納米級雙組分纖維過濾材料隨著聚合物直接成網(wǎng)制細(xì)旦非織造布技術(shù)的進(jìn)展，已經(jīng)出現(xiàn)了單纖直徑達(dá)納米級的產(chǎn)品。靜電紡納米纖維已投入規(guī)模生產(chǎn)。從細(xì)旦非織造布到納米級纖維網(wǎng)，產(chǎn)品的性能發(fā)生了巨大變化。納米級非織造布具有非常優(yōu)異的空氣過濾性能、屏蔽性能、液體分離性能和抗菌性能。納米纖維可促進(jìn)細(xì)胞生長，在醫(yī)學(xué)生物工程的研究進(jìn)程中已顯露出巨大的市場潛力（表6）。4.3高性能過濾和吸附材料(1）細(xì)旦非織造材料的結(jié)構(gòu)表征細(xì)旦非織造布產(chǎn)品，特別是納米級非織造布產(chǎn)品，具有一系列獨特性能，如：高氣體過濾性、高比表面積、低密度、小纖維直徑和高孔隙率等?？紫冻叽缬欣谄帘渭?xì)微顆粒、細(xì)菌或病毒通過，低密度優(yōu)化了規(guī)?；a(chǎn)的可能性，小的纖維直徑可以獲取高過濾效率和低壓力降。細(xì)旦非織造布具有高性能過濾介質(zhì)的基本特性。如Elmarco公司開發(fā)的antimicrobe-web產(chǎn)品用于空氣凈化，具有消除機(jī)械和生物雜質(zhì)污染物的性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、電子、汽車與航空、化妝品、食品和飲料等行業(yè)。(2）吸音系統(tǒng)的組成細(xì)旦或納米級非織造布膜制品具有低頻率下的震蕩性能，這種特性是靠纖維間面積的尺寸效應(yīng)實現(xiàn)的。當(dāng)聲音進(jìn)入膜制品時，發(fā)生共鳴，形成聲波震蕩和振幅的最大值。以纖維結(jié)構(gòu)制備的這種吸音膜，具有可充分遏制和消除由于共鳴而形成的聲能積累，并將其轉(zhuǎn)換為熱能。這種吸音單元相互疊加即可組成一個完整的高效吸音系統(tǒng)。捷克Elmarco公司開發(fā)的Acoustic-web產(chǎn)品即為具有特別吸音性能的材料。目前，此類吸音材料已用于聲學(xué)和噪音防止的研究，以及音樂廳、大型演講會堂、劇院、電影院、教室、體育場館和工業(yè)大型廠房的吸音降噪處理。5市場份額紡粘和熔噴非織造布產(chǎn)品占據(jù)著全球非織造布近一半的市場份額。作為新興產(chǎn)業(yè)，聚合物直接成網(wǎng)制細(xì)旦非織造布技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展歷程，凸顯出當(dāng)今世界快速變化的市場需求和高新技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)周期明顯縮短的趨勢。5.1熔噴非織造布技術(shù)的開發(fā)面對全球性的能源和原料沖擊，專業(yè)化的技術(shù)合作已成為企業(yè)面對日益嚴(yán)峻的市場競爭、尋求發(fā)展的現(xiàn)實選擇。Reifenhauser公司在開發(fā)纖維素熔噴產(chǎn)品時，與歐洲最大的應(yīng)用技術(shù)研究所——德國Franhofer應(yīng)用聚合物研究所合作，并聯(lián)合全球最大的針葉林纖維素材料生產(chǎn)廠家美國Weyerhaeuser公司，實現(xiàn)了工藝技術(shù)/裝備/原料品質(zhì)的最佳組合，大大縮短了纖維素熔噴非織造布的商業(yè)化實驗周期。OerlikonNeumag公司和美國Ason工程公司合作，開發(fā)了AST紡粘生產(chǎn)系列設(shè)備，并使用Nanoval公司技術(shù)，建設(shè)了Nanoval美國Nanostitic公司和美國Texas大學(xué)合作