超细纤维水刺复合技术的发展现状

陈　喆　陈龙敏　贾耀芳

一、超细纤维的生产及复合化加工

超细纤维是指超过一般细度的纤维。对于超细纤维的划分，目前尚无统一的标准，一般倾向于将 0.3 dtex 作为细旦纤维和超细纤维的界限。

由于纤维极细，用传统的熔体直接纺丝方法很难纺制出超细纤维，这也迫使科学家们寻求其它的技术和途径。l964年，美国DuPont（杜邦）公司发明了复合纺丝法超细纤维的生产技术并申请了专利。随后，日本的可乐丽、钟纺等公司开发出用多层结构的特殊纺丝法和剥离分裂法生产的超细纤维，我国在 20 世纪 90 年代也成功地开发出了超细纤维的生产技术。

目前相对比较成熟的超细纤维生产技术主要为直接纺丝、复合纺丝、共混纺丝、静电纺丝、熔喷和闪蒸技术等。其中复合纺丝和共混纺丝不能直接得到超细纤维，需要通过机械或化学方法处理后才能取得；而静电纺丝、熔喷和闪蒸技术还不能得到排列整齐的纤维，因此主要用于非织造材料的生产。

1．熔体直接纺丝法

熔体直接纺丝法是在普通纤维纺丝技术的基础上，通过优化纺丝工艺技术和设备而得以实现。目前，由直接纺丝法可制造PP、PET、PA等的超细纤维，其纤度可达 0.3 D 左右。该类超细纤维主要用于精细纺织品和湿法非织造布的生产。

2．复合纺丝法

复合纺丝法又可分为分裂型复合纤维和海岛型复合纤维。

分裂型复合纤维是采用两种粘合性有差异的聚合物通过复合纺丝制备桔瓣形、米字形、中空桔瓣形或齿轮形等复合纤维，然后利用两种组分的相容性和界面粘结性较差的特点采用机械或化学剥离得到超细纤维。目前，PET、PA、PP等都可以生产分裂型复合纤维，由分裂型超细纤维经过化学或机械方法剥离分裂后，可得到 0.15 dtex 左右甚至更细的超细纤维。

海岛型复合纤维的纺丝法是利用两种聚合物在同一种溶剂中溶解性能不同的原理进行复合纺丝，从纤维的横截面看是许多岛组分被海组分包围着，海组分与岛组分在纤维轴向上是连续、均匀的，将所得复合纤维采用适当的溶剂将海组分溶解后即可得到只保留岛组分的超细纤维。复合的形式主要有PA/PET、PA/PE或PET/PE等，所采用的比例多为 70/30，采用该方法可得到 0.05 dtex 甚至更细的超细纤维。

该类超细纤维主要用于高档纺织品和非织造布的生产。

3．共混纺丝法

共混纺丝法是利用非相容高聚物体系共混纺丝，由于两组分的组成比与熔体的粘度比有一定的关系，因此可使一种组分形成分散相，另一种组分形成连续相，分散相以微纤状分散在基体相中，即所谓的“不定岛”式海岛型共混纤维，将其中的海组分溶解掉即可得到超极细纤维。采用共混复合纺丝纤维经溶解后可得到0.000 5 dtex 左右的束状超极细纤维网络体，该网络体是制造高档人造麂皮的最佳纤维材料。

目前该类超细纤维主要用于高档合成革基布的生产。

4．静电纺丝法

静电纺丝法即聚合物喷射静电拉伸纺丝法。纺丝过程中，将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流，并在电场中拉伸，最终在接收装置上形成非织造状的超细纤维。用该方法可得到 50 ～ 1 000 nm 的纳米级纤维。

早在1934年就有人申请了静电纺丝技术的专利，但是直到近 10 年来，静电纺丝技术才得到了比较系统的理论研究和实验认证，并逐渐成为许多公司和科研机构研究的热点。可用于电纺丝的高分子材料有多种，几乎不受任何限制，如聚环氧乙烷（PEO）、聚丙交酯（PLA）、胶原、聚苯胺、聚苯乙烯等等。

5．熔喷非织造法

聚合物树脂经挤压熔融后，通过计量泵的精确计量送入一特殊的熔体分配腔，再通过整流后进入纺丝熔体池，经纺丝微孔喷出；同时喷丝组件与气刀之间形成一特殊的气腔，高压热风气流通过气腔狭缝以近似于音速的速度喷射，气刀刃部与喷丝组件尖端形成一纺丝锥。当熔体从纺丝微孔中喷出后，在纺丝锥处被高速气流夹持牵伸拉细，经冷却后形成非织造状的超细纤维。

用该方法制得的纤维细度一般为 2 ～ 10 μm。随着技术的发展，近年来已可制得 1 μm 左右甚至纳米级纤维。

6．闪蒸非织造法

闪蒸法也叫瞬时纺丝法，是一种超细纤维非织造技术。该方法是将纺丝用的聚合物在高温高压下溶于适当的溶剂中，纺丝时经挤压机通过喷丝口而降为常压。由于压力突然降低，溶剂急剧挥发，引起聚合物高度原纤化而成为超细纤维，再经直接成网、热轧粘合等工序，制成超细纤维非织造布。目前用该技术制得的纤维直径一般在 0.1 ～ 10 μm（0.2 ～ 0.3 D）之间。

超细纤维以多种形态存在，既有复合态，也有原纤态，既有长丝和短纤，也有非织造布。长丝和短纤形态的超细纤维需要进行纺、织、整理和再加工，才能成为应用的产品并体现其特殊性能，而非织造布形态的超细纤维则可以直接或与其它材料组合、复合后使用，但最终目的都是要应用其“超细”的特质。

为了使超细纤维材料及其产品充分发挥其“超细”的特质和满足特定应用的需要，很多情况下都要对其进行“超细纤维的功能化处理”，而复合化就是常用的处理方法之一。

由于纺织工艺的局限，超细纤维产品的复合化大都采用非织造工艺来实现。目前应用最多的主要有针刺法、水刺法、热粘合法、化学粘合法、超声波粘合法等等，其中水刺复合法将是今后超细纤维复合技术研究中最重要的一项技术。

基于非织造行业的通识，本文将复合纤维的“超细化”处理也纳入“复合”的范畴进行论述。

二、水刺工艺及其复合技术潜力巨大

近年来，水刺固结和纺粘工艺一样已成为目前世界上发展最快的非织造工艺之一。据统计，2008年我国水刺非织造布的产量达到 15.5 万t。

水刺非织造生产技术是20世纪 70 年代中期由美国DuPont公司和Chicopee公司发明并于 80 年代实现工业化生产的一种新技术，90 年代中后期逐步引入我国。该技术是利用高压微细水柱对纤维网进行喷射，在压力的作用下，水流穿过纤网层并受托持网帘的反弹穿刺，使其纤维产生相互位移、穿插、缠结和抱合，从而使纤网层得到加固形成水刺非织造布。

水刺固结的优点在于，产品克重较轻时，固结强度好于针刺，且手感柔软，悬垂性好，表面细致、平整，尤为其它固结方法所不及。特别是对于裂片型双组分超细纤维，水刺工艺可以把开纤和固结两种加工同时完成，因此发展潜力不可估量。

除了对纺丝成网和梳理成网直接用水刺联线进行固结外，轻克重的纺丝成网和梳理成网非织造布也可经轻度热轧下机后再经水刺处理。水刺可以把部分热轧点打开，并以水刺缠结来代替，这样的结果可以改变原来热轧固结手感硬板、粗糙的感觉，从而使产品变得非常柔软、蓬松、细腻，在这种情况下水刺的速度可以开得很高（国外有开到 600 m/min的）。这种产品非常适合用作揩布，国际上已有一些企业采用这种工艺正常生产。

Fleissner（福来司拿）公司还提出克重较大的产品如土工布等采用水刺工艺的可能性。他们认为土工布等产品一般采用针刺工艺，速度过慢，针刺机采用高速又会损伤纤维。而如果采用水刺固结，可以加快速度提高效率，同时还可增加强度。由于水刺固结强度增大，还可适当降低克重，因此可以提高其经济性。Fleissner为了促进这种设想，已设计、制造了宽幅（超过 5 m）的水刺设备。

同样，一般意义的水刺复合技术也是以微细高压水流为手段，通过对两种或两种以上材料的穿透，使纤维在两种或两种以上材料的界面相互缠结而形成一个功能性整体的复合技术。然而，采用水刺方法对复合纤维的“超细化”处理在行业里通常也被认为是水刺复合技术。

与普通水刺非织造技术一样，水刺复合技术具有工艺灵活、原料适应性广、生产效率高、无污染等特点；复合后的产品不含化学助剂、手感柔软、透气性好、均匀度高、产品多样，且外观接近纺织品，因此在许多领域得到应用，水刺复合技术也就成为现代柔性材料复合技术的主要发展方向。

目前，应用比较多的有木浆水刺复合、纺粘水刺复合、加强网水刺复合及超细纤维水刺复合等技术。

三、超细纤维水刺复合技术的开发

在超细纤维水刺复合技术领域，应用比较多的有分裂纤维水刺开纤法、双组分纺丝水刺复合法、静电纺丝水刺复合法、超细纤维湿法非织造布与机织物水刺复合等等，本文简要介绍几种方法的技术特点和现状。

1．分裂纤维水刺开纤法

主要形式：分裂型复合短纤网 ＋ 水刺。

水刺开纤主要采用分裂型复合短纤维经梳理成网后，经过高压水针压力的机械作用使其分割为 0.1 dtex 左右的超细纤维，同时经过水针压力的穿刺和不同方向的反弹穿刺而成为结构致密细腻的超细纤维水刺非织造材料。分裂纤维水刺开纤法是在超细纤维水刺法中应用最早且最为成熟的一种工艺方法，日本东丽、帝人、钟纺等公司在该领域处于世界领先地位，在国内仅有杭州路先、海南欣龙等几家公司掌握该技术，但是离国外先进水平还有一定的差距。

水刺开纤法中主要采用的纤维为桔瓣形分裂纤维，分 36 瓣、24 瓣、16 瓣、6 瓣等类型，其组分的构成也有若干种，较常见的有PA/PET、PP/PET、PE/PA等，在两种聚合物的比例上有55/45、70/30、60/40等区分。不同类型的分裂纤维，其分裂程度、单丝细度及对水刺工艺的要求不尽相同。在水刺法中应用较多的为 16 瓣分裂纤维，其组成比为PET/PA（70/30），纤维经高压水刺开纤后单丝细度可达 0.11 dtex，开纤率可达 80% 以上。水刺工艺是技术的核心，压力太高容易将纤维打断，而太低又影响开纤的效果，因此不同的设备需要配置不同的水刺工艺。

分裂纤维水刺非织造材料经过进一步的涂层、磨毛、刷毛等工艺便可制成高仿真的人造麂皮。采用分裂纤维水刺法制成的人造麂皮具有手感柔软、悬垂性好、透气、透湿、色泽鲜艳多样、绒毛丰满均匀、有利于设计裁剪等特点。由其制成的服装材料与真皮相比，具有可水洗、不易虫蛀、易保养等特点，在国外已大量应用。分裂纤维水刺非织造布在高级揩布、过滤材料、汽车内饰等领域也有自己独特的优势。

2．熔喷超细纤维水刺复合法

主要形式：熔喷＋机（针）织布、熔喷＋非织造布、熔喷＋纤维网。

熔喷法非织造布由于具有纤维超细、过滤效率好等特性，因而广泛用作保温材料、过滤材料、吸油材料等。但是由于应用领域窄、后处理缺失、研发薄弱等影响，因而熔喷非织造布近几年增长缓慢，但熔喷水刺复合技术的应用成为了熔喷技术应用的一个新亮点。

熔喷＋机（针）织布、熔喷＋非织造布或熔喷＋纤维网等组合通过水刺复合后，熔喷超细纤维被分散到其它纤维组织材料中，经过相互的穿插结合，成为一种全新的结构体，在布面的柔软度、强度、均匀性、摩擦系数、手感等方面得到了完全不同的效果。

水刺熔喷复合材料可广泛应用于擦拭材料、过滤材料、卫生材料等领域；还可以根据需要经过涂层或功能性整理，应用于服装、防护等领域。

熔喷水刺复合技术是一项最新的水刺法复合技术，如何得到性能俱佳的熔喷水刺复合材料，不同的应用需要和生产线配置在工艺上也有不同，需要很好地解决水刺工艺以及不同熔喷布对复合工艺的影响。

3．静电纺丝水刺复合法

主要形式：静电纺丝 ＋ 机（针）织布。

静电纺丝作为一种简便高效的生产超细及纳米纤维的新型加工技术，由于其制备的纳米纤维所具有的独特优势，引起了人们的广泛关注。由静电纺丝法生产的非织造材料在生物医药领域可用于软组织修复、保护伤口不被细菌感染的医疗防护产品，还可用作皮肤护理、皮肤清洁或具有其他治疗性能的医用面膜；在服装材料方面，可用于制作生化领域的防护服，抗静电、抗紫外线、耐日晒服装等；由于具有高介电常数、低介电损耗和较好的热稳定性能，因此可用于生产防电磁辐射、防腐类产品。

静电纺丝＋机（针）织布的水刺复合技术是首先将静电纺丝纺出的纤网与机（针）织布的组合体在高压水针下进行复合，复合后可得到特殊的表面性能，具有良好的均匀度和透气性，外观平整。目前该工艺还未形成产业化，国内外对静电纺丝水刺复合产品的研究尚处于实验室研究阶段。

4．超细纤维湿法非织造布与机织物水刺复合法

主要形式：湿法非织造布＋机（针）织布。

该技术的工艺路线为，首先将由熔体直纺得到的超细纤维切断为长度在 3 ～ 10 mm左右的短纤维，然后通过湿法非织造技术得到超细纤维湿法非织造布，再将湿法非织造布与机织物经过水刺高压复合成为湿法超细短纤水刺非织造布。

由该方法得到的超细纤维水刺非织造布再经过收缩、轧光、PU处理、热处理、水洗、干燥、抛光、染色、（磨毛）等整理方法后可得到超细纤维合成革等材料，用于箱包、服装、运动鞋等产品中。

四、行业发展前景

水刺复合技术的出现，不但克服了部分非织造布产品的缺陷，增加了花色品种，大大拓展了其应用领域，而且还促进了水刺技术本身乃至整个非织造布工艺的发展和提高。而超细纤维水刺非织造布是一种具有高性能、高附加值的产品，也是一种发展趋势。