国内外低熔点纤维的发展现状及趋势

徐朝晨，吉 鹏，王朝生，王华平,2

(1.东华大学 材料科学与工程学院，上海 201620；2.东华大学 纺织产业关键技术协同创新中心，上海 201620)

低熔点纤维是一种相比于常规纤维具有更低熔点的纤维，可以在更低温度下熔融，并具有较强的黏结性能，相比于其他种类的胶黏剂，其具有黏结快、性能稳定、力学性能好、弹性好、无毒、无污染、能耗低等优良性能[1-2]。以低熔点纤维作为原料，经混合梳理垂直铺网后采用热风熔黏加工可形成多空隙立体结构，呈现出类似海绵的回弹及抗压性，商品名称为直立棉，具有良好的透气透水性，同时蓬松度、抗老化、产品安全环保性能及生产清洁等性能也全面提升，在家纺、汽车内饰、内衣、体育用品及医用卫生等领域应用广泛，可取代聚氨酯发泡材料。

1 低熔点纤维的黏结和卷曲原理

低熔点纤维依据组分数可分为单组分、双组分和多组分，多组分低熔点纤维由于生产工艺复杂，目前研究较少。单组分低熔点纤维包括聚烯烃、共聚酰胺、共聚酯等，虽然单组分低熔点纤维制备容易，黏结强度高，性能稳定，但是在热熔黏结时存在易树脂化的问题，失去纤维的形态，对性能和手感有较大的影响，在应用上有一定的局限性。双组分低熔点纤维，采用低熔点组分和常规组分结合的形式，如皮芯复合结构，皮层为低熔点组分，起到黏结的作用，芯层熔点高，力学性能好，保持纤维形态。双组分的结合提高了纤维的强度等性能，解决了低熔点纤维在热熔黏结时易发生树脂化的问题，但是制备工艺复杂，价格昂贵，主要类型有聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)、低熔点聚对苯二甲酸乙二醇酯(LMPET)/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、PE/PET等。

1.1 黏结原理

界面的作用力使两块材料黏附在一起，这些作用力包括分子间官能团的相互作用、界面处分子的扩散交缠、极性与非极性分子间的相互作用、粗糙界面形成的机械黏结等。基于这些力的作用形式，研究者提出了多种热熔黏结理论模型[3]。

吸附理论：分为物理吸附和化学吸附，物理吸附指氢键、范德华力的相互作用。化学吸附指化学共价键的作用。扩散理论：当聚合物相互黏合时，分子在表层中相互扩散，形成两物质在界面处扩散型交缠网络。机械理论：低熔点纤维熔融后，渗入黏结物表面缝隙中，冷却固化后如钉子一般，产生黏结的效果。

1.2 卷曲原理

对于低熔点纤维来说，产生卷曲效果有2个最基本的条件：(1)必须是双组分纤维，且结构不为中心对称；(2)双组分间热收缩率不同。

卷曲原理即为双组分间热收缩率不同，当受热后，双组分受力不均，从而产生卷曲的效果。

2 低熔点纤维国内外发展概况

2.1 国外发展历史

最早的低熔点纤维可追溯到20世纪70年代末，日本智索公司开发了一款低熔点PP/PE复合纤维产品，商品名为ES[4]。目前市场上的ES纤维主要分为PE/PP和PE/PET两种，产品规格主要以1.65～6.60 dtex。ES纤维经过热处理后，纤维间会发生黏结，形成不用黏合剂的无纺布成形体，但低熔点聚烯烃纤维耐干洗性差，应用领域上存在一定的局限性。低熔点聚酯复合纤维的出现，满足了人们对经济实惠低熔点纤维的需求，韩国汇维仕采用同心型皮芯结构，以涤纶作为芯层，低熔点聚酯作为皮层，主要成分为PET，开发了一款低熔点聚酯复合纤维，商品名为“4080纤维”，后韩国世韩、韩国泰光、美国南亚等公司相继开发出各种类“4080”纤维产品。

日本帝人公司开发出聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)基高收缩偏心复合低熔点纤维，采用双组分并列偏心复合结构，皮层为涤纶弹性体，芯层为涤纶，商品名为elk，其结构与性能分别见图1和表1。

图1 elk纤维的微观结构Fig.1 Microstructure of elk fiber

表1 elk纤维与聚氨酯海绵性能对比Tab.1 Performance comparison of elk fiber and polyurethane sponge

1)按JIS K 6400-1—2004测试。

2)按JIS K 6400-2—2004(25%压缩时)测试。

3)75%压缩时的工作量回复率。

4)65%应力/25%应力。

从图1和表1可看出，elk纤维的缠绕式弹簧构造，聚酯纤维呈立体交错，纤维的交错点以类似变形虫状态固定，产生出柔软的弹性和优异的耐久性；与聚氨酯海绵相比，其回弹性更好。

2.2 国内发展历史

相比于国外，我国起步较晚，工艺不成熟，直到20世纪80年代，我国第一次制备出低熔点纤维—乙纶短纤维。进入21世纪后，低熔点纤维更加被重视，国内低熔点纤维产业进入飞速发展期。2002年，低熔点纤维被列入我国化纤行业重点发展目录。2005—2006年，远纺工业(上海)有限公司、厦门翔鹭化纤股份有限公司、四川汇维仕化纤有限公司3家公司纺制4080纤维等产品，在国内低熔点纤维市场异军突起[4-5]。近年来，国内越来越多的公司对低熔点纤维做了很多的研究，立足于开发多种功能性低熔点纤维。

表2 远纺工业(上海)有限公司4080纤维产品Tab.2 Products of 4080 fiber made by Shanghai Yuanfang Industry Co., Ltd.

表3 厦门翔鹭化纤股份有限公司低熔点纤维产品Tab.3 Products of low-melting point fiber made by Xiamen Xianglu Chemical Fiber Co., Ltd.

厦门象屿兴泓特种材料有限公司[6]通过在聚酯过程中添加改性剂制得熔点为90～120 °C的改性PET共聚酯，以PET共聚酯作为皮层，常规PET作为芯层，经复合纺丝可得加工温度低、黏结性能好的低熔点聚酯纤维，可用于生产导流层用热风无纺布。中国石油化工股份有限公司[7-8]制备熔点为140～190 °C的低端羧基PBT或PET改性共聚酯切片，将感光变色材料或感温变色材料与制备的共聚酯共混，分别制得感光变色聚酯母粒和感温变色聚酯母粒。以感光变色聚酯母粒作为芯层，共聚酯作为皮层，制备出的感光变色聚酯纤维可应用在服饰、家纺、医疗等领域；若以感温变色聚酯母粒作为中间层，共聚酯作为外层，可制备三层具有感温变色的低熔点聚酯薄膜，具有模量低、手感好、热黏合性好等优点，可应用于汽车、建筑、热封包装膜等领域。

3 低熔点纤维的制备及其难点

3.1 低熔点纤维的制备

低熔点纤维的制备以熔融复合纺丝为主，其工艺流程为双组分分别从料仓A和料仓B进入螺杆挤出机中熔融挤出，在纺丝组件内汇合后从喷丝板挤出，经拉伸、上油、卷绕等工艺后制得[9]。依据纺丝组件的设计类型，分为并列型和皮芯型两种。

3.2 低熔点纤维切片干燥

对于熔融纺丝工艺，切片含水量对纺丝过程影响很大，以聚酯纤维为例，当含水量过高时，水分子将加速酯键的水解，导致分子聚合度下降，影响纺丝性能。在纺丝过程中，水分受热气化后，易使丝线断裂。因此，在纺丝过程中，切片含水量的控制尤其重要，含水率一般低于50 μg/g，但低熔点切片结晶性差，在干燥时易黏结，影响后加工。目前，低熔点切片常采用梯度升温、逐步干燥的方式，干燥温度低于100 °C，可以有效防止黏结[10]。

3.3 双组分熔体复配时黏度的控制

复合熔融纺丝相比于单组分熔融纺丝，最大区别在于双组分出喷丝孔的复合过程，对纺丝成败有着关键的影响。确保双组分从喷丝孔挤出时的熔体黏度相近，可使纺丝过程顺利进行，它是制备理想双组分低熔点纤维的必要条件。双组分从喷丝孔挤出时熔体黏度相差较大，在复合时将产生严重的滑移问题，难以形成完整的复合界面，此时纤维的性能难以保证，产品品质受到很大影响。

双组分熔体黏度的控制对纺丝成败非常重要。通过流变性能测试分析低熔点组分和常规组分表观黏度与剪切速率的关系，分析得到两种切片结构黏度指数、黏流活化能与温度的关系，结构黏度指数越大，对应的可纺性及纺丝稳定程度越差，因此纺丝温度的选择要尽量确保两种切片的结构黏度指数相近且值尽量小；黏流活化能可反映熔体黏温依赖性，低熔点组分的黏流活化能一般受剪切速率的影响较于常规组分更加的敏感。王少博等[11]对常规PET切片和低熔点PET切片(LPET)的流变性能进行分析，剪切速率为500～10 000 s-1，确定结构黏度指数与温度的变化关系，并结合Miller提出的异形喷丝板出口剪切计算公式，确定合适的纺丝工艺。

3.4 复合纺丝中初生纤维温度的冷却

低熔点组分的黏流温度低，常在200 °C以下，而纺丝熔体的温度较高，一般高于250 °C。当熔体从喷丝板挤出复合后，初生纤维若得不到快速冷却，在重力作用下，易沿着纤维方向流动，导致纤维复合比例变化，纤维的拉伸性能、黏结性能受到严重破坏。针对低熔点组分黏结温度低，冷却程度对皮芯复合比例及纤维性能影响大的问题，可采取以下办法：(1)设计加长整流筒，采用“W”型开孔布局，即错孔吹风，增大吹风面积，提升冷却效果；(2)增加纺丝甬道对流提升冷却效果；(3)采用低温多道上油，提升热传导降温效果。由于皮层聚合物的熔点低，挤出后因温度较高，黏性较大，在后加工过程中，应避免初生纤维发生粘连。通常在拉伸过程中增设水冷处理措施、增加冷却槽长度，减压低温烘燥等技术来实现。

4 低熔点纤维的应用

低熔点纤维作为一款“绿色胶黏剂”，黏结性能强，合理利用低熔点纤维极佳的热熔黏结性能，将其他纤维与低熔点纤维交织，可以很好地改善产品的各项性能，在服用纺织品、产业用纺织品和非织造布等领域应用广泛。

4.1 在服用纺织品中的应用

雪尼尔纱是一种新型花式纱线，采用两根股线作为芯线，通过加捻将羽纱夹在中间纺制而成，具有高档华贵、柔软舒适、不易起球、环保质地、绒面丰满等优点。将低熔点纤维添加到其制备过程中，将各股纱线黏合在一起，可以有效防止松散纤维脱落。采用丝绒混纺纱制作的裙子，深受消费者的喜爱。但丝绒混纺纱起毛起球问题严重，纤维保形性差，极大影响了丝绒的使用，添加低熔点纤维混纺后，增加纤维间的摩擦力，从而改善起球的问题[12]。

4.2 在产业用纺织品中的应用

高强邦迪线由多股涤纶或尼龙长丝互相捻合和黏合而成，使得纱线更加均匀，耐磨能力更强，达到增强可缝性的目的，被广泛用于高品质皮具产品的车缝用线。低熔点纤维在其中起到黏结的作用，在缝纫期间可以防止线分裂。

劳动保护手套，具有穿戴舒适、隔热绝缘、抓握物品精确、使用寿命长等优点，在日常生活中有着广泛的应用。低熔点纤维可以在袖口处有效地封边，提高劳保手套的实用性。

4.3 在非织造布中的应用

相比于其他的黏合剂，低熔点纤维具有安全、能耗低、价格便宜等优异的性能，在非织造布行业中，结合低熔点纤维优异的热熔黏结性能，能够保持非织造布的结构，拓宽非织造布应用领域。偏心型低熔点纤维具有自卷曲的效果，经热处理后，形成空间多点位黏结，具有独特的三维立体多空隙结构，透气透水性、回弹性好。

在服用和家纺领域，可用于制造床垫、沙发里面的填充物，质轻，面密度最低可达到100 g/m2，透气透水性、保暖性好。在低熔点纤维中掺入抗菌剂，生产的环保代棕棉，用于床垫，可以抑制细菌生长，防菌防螨；用于坐垫，软硬适中，不易变形。内衣杯垫支撑着女性胸部，贴身织物需要透气性高才能有舒适的触感，直立棉独特的立体构造，能够让湿气从纤维缝隙中排除，能够防止不舒服的闷热感。在卫生用品领域，可应用于纸尿裤、口罩、防护服等，实现质轻、透气等功能。将低熔点纤维应用于口罩的生产中，使口罩外层无纺布和中层熔喷布黏合紧密，给予口罩饱满和舒适性，增加防潮防湿的效果。在工业领域，可用于吸音、隔音、过滤、绝缘等材料的制造，如汽车行业，发动机舱、行李舱等位置的隔声、吸声材料，能够控制噪声的传播，保护人们的身心健康[13]；采用低熔点纤维制备的吸音棉，面密度低于40 g/m2，可应用于音响，将喇叭辐射的音波屏蔽掉，不让声波进行无休止的反射和折射，提高音质。低熔点纤维也可用于建筑用材，包括片材、包装材料、家具用材等，如地板、吊顶、墙面、屋顶等，可实现透气防水、阻燃、缓震的效果[14]。

5 低熔点纤维未来发展趋势

5.1 原料的绿色制造

低熔点纤维原料主要为低熔点组分与常规组分，而低熔点组分主要通过共聚或共混的方式制备，成本仍较高。自从聚酯工业化以来，聚酯材料得到了广泛的应用，但随着时间的推移，废弃聚酯如何处理成为了一大难题。若能有效利用废弃聚酯，不仅能够降低原料生产成本，还可开拓绿色产业链，推动低熔点纤维绿色制造[15]。

5.2 纤维制造技术

低熔点切片软化点较低，干燥时，切片受热后易粘连，对干燥工艺影响极大。低熔点聚酯熔体直纺技术简化生产工艺，减少切片干燥、再熔融等工序，降低能耗物耗的同时提升纤维的品质，目前正在试生产与推广中。

浙江恒澜科技有限公司[16]提出一种共聚改性低熔点尼龙纤维的熔融直纺方法，通过加入共聚改性组分，破坏尼龙分子链的规整性，降低尼龙分子链间的氢键密度以及结晶度，达到降低尼龙熔点目的，可以将尼龙熔点在90～200 °C之间调控，并有效控制尼龙熔体中低聚物的含量，大大扩宽低熔点尼龙产品品质和应用范围。

中国纺织科学研究院[17]开发一种连续聚合熔体直纺低熔点聚酯复合纤维的制备方法，将聚酯低聚物与聚醚混合均匀后共聚制备低熔点聚酯熔体，熔点60～230 °C，后与常规聚酯熔体复合纺丝制备得到低熔点聚酯复合纤维。添加聚醚组分不仅可以降低反应中的热降解副反应的发生，提高低熔点聚酯熔体的可纺性，并可以改善双组分复合过程中熔体复配的问题，纤维成形性良好。

5.3 功能性拓展

低熔点纤维黏结性能好，依据其优异的热熔黏结性能，开发出更多功能性的低熔点纤维产品，提高产品附加值，更能够推动相关产业的高速发展。近年来，国内推出了多种功能性低熔点纤维产品，如优彩环保资源科技股份有限公司[18]选用再生聚酯材料，结合复合纺丝工艺，经上色后，推出多款免染产品，降低生产能耗，扩宽应用领域，符合绿色制造的主题。

5.4 产品绿色可降解

低熔点复合纤维由于多种组分的存在，在降解上具有一定的难度。开发可降解低熔点纤维产品，如低熔点脂肪族-芳香族共聚酯聚(己二酸丁二醇-对苯二甲酸丁二醇)酯(PBAT)和聚(丁二酸丁二醇-对苯二甲酸丁二醇)酯(PBST)[19-20]，综合了脂肪族聚酯优异的降解性能和芳香族聚酯良好的力学性能，且熔点可控，然而熔体经喷丝板挤出后，初生丝束黏性较大，可纺性较差，目前常用来与聚丙交酯(PLA)进行共混纺丝，但黏结强度和弹性回复率仍有待改善。

6 结语

(1)低熔点纤维凭借其优异的黏结性能和安全无毒无污染的优点，具有广阔的市场前景。目前市场上低熔点纤维产品主要为ES纤维、4080纤维和elk纤维等，但国内外在同类产品仍存在一定差距，且国内在高端低熔点纤维上存在较大缺口。

(2)双组分低熔点纤维主要通过复合纺丝工艺制备，工艺日趋成熟，但低熔点在干燥工程中易发生粘连，实现低熔点纤维熔体直纺，可以增加产能，更可以节能减排，促进低熔点纤维行业飞速发展。低熔点纤维在服用纺织品、产业用纺织品、非织造布等行业应用广泛，如卫生用品、服用、家纺、建筑材料、滤材、热熔胶等领域。

(3)未来国内低熔点纤维产业主要以缩小与国外的差距为主，开发新型功能性低熔点纤维，提高产品附加值，增加产品竞争力。更要以绿色制造为宗旨，开发生物可降解低熔点纤维，走可持续发展的道路。