双组分纺粘技术在超纤非织造材料领域的应用进展

王俊南，钱晓明，张 恒，刘 冲，梁继源

(1.天津工业大学纺织学院，天津300387;2.山东天鼎丰非织造布有限公司，山东德州251500;3.宁夏中银绒业股份有限公司，宁夏灵武750000)

超细纤维非织造材料作为最近几年发展最快的一种非织造材料［1］，由于其独特的致密结构、高比表面积、手感柔软等特性，在工业领域(高温过滤、汽车内饰等)、个人护理(擦拭布、口罩等)和合成革等领域有着广泛的应用［2－4］。目前生产超细纤维非织造材料的方法主要有:静电纺丝技术、熔喷技术以及双组分纺粘非织造技术［5］。双组分纺粘非织造技术相较于其他两种生产方法，具有生产速度快、产品强力大等特点，并且已经成功地商业化应用。较为典型的实例是德国Freudenberg公司的Evolon®产品和廊坊中纺新元无纺材料有限公司的Fintex®产品。作者对双组分纺粘非织造技术在超细纤维非织造材料领域的应用研究进展进行综述，包括双组分纺粘纤维的成形、开纤以及固网方式和产品的特点，以期拓展双组分纺粘非织造技术的工业化应用。

1 双组分纺粘纤维网的成形

双组分纺粘非织造技术是传统双组分熔体纺丝技术和纺粘非织造技术的结合。双组分纺粘非织造材料的生产系统主要包括:熔体纺丝、冷却、拉伸、分丝铺网和负压抽吸等系统。在生产过程中，两种干燥的热塑性聚合物切片，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚己内酰胺(PA6)分别经过料斗喂入到螺杆挤压机内，在高温、挤压的作用下软化、熔融形成聚合物熔体。经熔体过滤器去除杂质的两种聚合物熔体在计量泵的挤出作用下定量喂入到双组分纺丝组件中，并从喷丝孔按照一定的比例和排列形式挤出。此后，聚合物熔体在拉伸和冷却作用下细化，形成具有一定细度和强力的双组分长丝。最后，双组分长丝在分丝铺网系统作用下均匀铺放成双组分纤维网［6］。

2 双组分纺粘非织造材料的分类

双组分纺粘非织造材料可按照其原料、纤维截面形态、加固方式及其应用方式等分类(见图1)。通常主要习惯于按原料及截面形状分类。

图1 双组分纺粘非织造材料的分类Fig.1 Variety of bicomponent spun-bonded nonwoven material

2.1 按原料分类

双组分纺粘非织造技术的纤维成形工艺源自于传统的双组分熔体纺丝技术，因此在纤维原料选择时首先考虑的是两种组分的可纺性，其次考虑的是纤维的开纤性和功能性［7］。20世纪90年代德国R.Groten等［8］采用纺丝温度较为接近的PET和PA6作为原料，利用橘瓣形纺粘-水刺开纤方法制备Evolon;2002年日本可乐丽(R.Kuraray)［9］公司利用一种名为 ExcevalTM可生物降解的可溶性聚合物与PP，PE或PA6等进行复合纺丝-水洗的方式制备超细纤维非织造布。此后，N.Fedorova［10］探究了利用 PLA-PA6 海岛型纺粘-水刺开纤方法制备超细纤维非织造布的可行性，以期获得更容易分裂的双组分纤维。

随着水刺开纤技术和聚合物技术的发展，国外研究人员的目光开始集中到各种聚合物组合方式的双组分纺粘技术，比如:N.Anantharamaiah等［11］探讨了PE-PA6海岛型双组分纺粘非织造材料利用水刺开纤制备超细纤维非织造材料的可行性，并分析了不同配比的双组分纤维对非织造材料力学性能的影响。此后研究人员开始研究PEPA6海岛型双组分纺粘-水刺非织造材料的各种应用特性，如:B.Y.Yeom 等［12］研究了不同岛的数量对PE-PA6海岛型纺粘-水刺开纤方法制备的超细纤维非织造材料的过滤性能的影响，F.Suvari等［13］则探讨了 PE-PA6海岛型纺粘-水刺非织造材料隔音吸声特性。

目前市场上比较常见的用于生产超细纤维的双组分纺粘聚合物的种类包括:PET/PA6，PA6/PE，PP/PE，PLA/PA6，另外，PET/PE，PA6/PP 也可以用作生产超细纤维的原料。但不同的原料所适用的场合有所不同［14］。

2.2 按截面形态分类

双组分纺粘非织造技术在超细纤维领域的应用，首先考虑的是其截面形态的可分裂性，如图2所示是各种异形截面的双组分纤维。图2b为Evolon产品，选用的是橘瓣形纤维结构［15］。为了获得更好的机械开裂能力，Fintex产品采用了中空-橘瓣形的结构(图2c)［16］。为了获得更细的纤维，N.Fedorova［10］进行了海岛型(图 2d)双组分纺粘超细纤维的制备，随后国外许多的研究者将其目光投向利用海岛型双组分纺粘技术来制备超细纤维。A.Durany等［17］利用海岛型双组分纺粘-水刺工艺制备具有高比表面积的超细纤维，并对纤维的岛的数目对非织造材料的物理性能的影响进行了分析。此后，有更多的研究人员对海岛型双组分纺粘纤维的岛的数量对非织造材料性能的影响进行了探讨。如:B.Y.Yeom等［12］分析了纤维的岛数目对非织造材料的孔隙率(小)以及过滤性能(大)的影响，而 F.Suvar等［13］则探讨了海岛型双组分纺粘材料中双组分纤维的岛的数量对材料吸声性能的影响。

同时，有研究者对双组分纺粘非织造技术制备的超细纤维非造材料的结构特征以及双组分纺粘技术做了更深层次的研究和分析，如:E.Shim等［18］利用数字立体成像技术研究了橘瓣形双组分纺粘在高压水射流作用下的开纤效果、缠结情况以及3D 结构［17］。

图2 双组分纤维的截面形状示意Fig.2 Cross section shape of bicomponent fiber

3 开纤方式

国外于1994年开始了双组分纺粘非织造材料开纤技术的研究，T.Nakajima等［19］在出版的Advanced Fiber Spinning Technology(Woodhead Publishing)中，首次提出了利用分裂型双组分长丝技术/水刺技术制备超细纤维非织造材料的方式。随后研究者将目光集中到如何利用各种开纤方式获得各类型的超细纤维材料上。1999年R.Groten等［8］利用双组分长丝成网技术制备超细纤维非织造材料，开发了Evolon产品。为了进一步研究高压水射流对非织造材料的拉伸性能和开纤效果的影响，Mbwana Suleiman Ndaro 等［20］对海岛型双组分纺粘材料的水刺开纤工艺进行了探究。与此同时，N.Fedorova等［10］采用化学开纤的方式制备出了超细纤维。

开纤方式不同，其开纤效果也会有所差异，每种开纤方式既有其优势又存在其不足。从图3可以看出，利用水刺开纤方式双组分纺粘非织造材料具有较致密的结构，针刺开纤工艺相对于水刺开纤工艺、化学开纤工艺会形成较为清晰的“夹心层”结构，并认为这与针刺开纤的工艺有很大的关系［21］。

图3 PET/PA6中空-橘瓣形纤维开纤效果电镜照片Fig.3 SEM images of splitting effect of hollow segmented-pie PET/PA6 fiber

4 纺粘超细纤维非织造材料的应用

利用双组分纺粘非织造技术生产的超细纤维非织造材料，因其手感柔软、机械性能好、比表面积高等许多优良的特性［22］，广泛应用于过滤材料、革基布、隔音材料等领域。

(1)过滤材料

相较于传统的过滤材料，经开纤后形成的双组分纺粘超细纤维非织造材料在结构和工艺上都具有明显的优势，因此国内外的研究者纷纷对双组分纺粘超细纤维非织造材料在过滤领域的应用进行开发研究。B.Y.Yeom 等［12］研究了 PA6-PET海岛型双组分纺粘非织造材料通过水刺开纤后的结构特征与气溶胶过滤性能的关系，并研究分析了岛的数目对过滤效率和过滤阻力的影响，结果表明纤维的岛数目对非织造材料的孔隙率影响很小，但对气溶胶过滤性能影响很大。与此同时，国内也有研究者对双组分纺粘超细纤维非织造材料在过滤材料方面的应用进行了研究，卢延蔚等［22］研究橘瓣形双组分非织造材料的开纤技术及过滤性能，当纤维线密度很小的情况下继续减小纤维的直径能够提高滤材的过滤效率，双组分纺粘超细纤维非织造材料在过滤材料领域应用具有纤维线密度和纤维截面的优势。张恒等［23－24］则阐述了基于水刺开纤的不同规格的PET-PA6中空-橘瓣形双组分非织造材料在气溶胶过滤领域的应用。

(2)革基布

随着世界各地人们环保意识的增强，真皮制品的开发已经受到限制。因此，革基布取代真皮已经成为必然。双组分纺粘纤维经开纤后形成的超细纤维具有手感丰满、机械性能好、透气性好等优点，因此可以用于革基布的生产［25］。

国内利用双组分纺粘非织造技术生产革基布的研究很多，如，金敬业等［26］研究了海岛复合纤维的聚氨酯(PU)革基布碱法开纤工艺，研究发现开纤率提高，PU革基布的透气性显著增加，弯曲长度减小。

(3)隔音材料

噪声污染不仅对人类身心造成危害，还会加速建筑物、机械设备的老化。因此，对隔音材料的研究迫在眉睫。双组分纺粘纤维经开纤后形成的超细纤维具有高孔隙率、柔软、多孔的特性，是隔音吸声较好的材料［27］。

近年来国内外对于隔音材料的研究络绎不绝，例如，F.Suvari等［13］研究了 PA6/PE 海岛型双组分纺粘-水刺材料中双组分纤维的岛的数目对于材料的吸声性能的影响，并研究了多层复合的双组分纺粘-水刺材料与加入了高蓬松的双组分纺粘非织造材料的吸音性能的差异。研究结果发现108岛的多层复合非织造材料在近一半的吸声频率范围内具有较好的表现。

5 结语

目前，利用双组分纺粘非织造技术生产超细纤维非织造材料的技术关键是双组分纤维的开纤，各种开纤形式和应用领域都存在着一定的局限性，因此，对于双组分纺粘纤维的研究要从最开始的制备工艺、开纤工艺和产品的物理机械性能的研究逐渐地转移到双组分产品的结构和功能性应用研究。今后双组分纺粘非织造技术的发展趋势具有以下特点:(1)多技术复合。利用双组分纤维的特性结合现有的非织造加工技术进行复合，生产出具有结构差异、性能不同的新型非织造材料。如双组分纺粘成网技术和水刺开纤加固技术、针刺开纤加固技术、化学开纤加固技术的复合应用;(2)聚合物种类及纤维复合的形式多样化。随着社会的发展，传统的用于生产超细纤维的双组分纺粘非织造材料的原料和截面形态的异形纤维已经无法满足人们对多样化的需求。因此，聚合物种类及纤维复合形式的多样化是双组分纺粘技术用于超细纤维生产领域的必然趋势;(3)应用领域广。双组分纺粘非织造材料不仅能用于过滤材料、高级生态合成革基布、隔音材料，经过开纤后形成的超细纤维还可用做高级擦拭布防护、口罩、床上用品以及印刷媒介的原料［28］。

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