长丝芯类填充料的开发与研制

周宏辉

（中山宗德无纺科技有限公司，广东 中山 528441）

1 保暖材料概况

人类凭借自己的智慧持续地追寻更实用的保暖材料。不管是有上千年历史的蚕丝，还是近年涌现的高端羽绒；不管是优质的天然棉絮，还是质轻的仿丝棉、水洗棉，在近几十年人们物质文化需求日益高涨、生活体验愈发丰富的情况下，这些材料原有的缺陷（沉重、难压缩、移位、板结、怕晒、怕潮、怕机洗）依然存在。因此，开发一款既轻盈又保暖、可机洗不位移、不怕潮、蓬松性好又易压缩、耐用的高性能保暖材料，满足国人日益增长的物质文化需要，是纺织和非织造布科技工作者的不懈追求，也是一项重要任务。

目前，市面上的短纤类填充物，不论是喷胶粘合成型，还是热熔粘结纤维粘合成型，或是两者的结合；不论是化学功能性纤维，还是天然纤维，都存在下述问题或不足。

（1）蓬松性差，且蓬松性随着使用周期的延长而降低；（2）不易压缩（压缩性差），体积较大，占用较大的空间，给储存、运输造成极大的不便；（3）容易分离并产生位移，形成块状，造成被褥、衣服、睡袋、枕头、手套等在使用过程中产生冷斑，严重影响保暖性；（4）压缩回弹性差，由于短纤类填充物本身压缩性差，经压缩后，回弹性会随着使用次数增加而显著减弱；（5）不耐水洗和机洗，短纤类填充物基本不耐机洗，稍加机洗就会形成块状、团状，有些短纤类填充物虽然耐水洗，但水洗次数有限，大部分都不耐水洗。

目前，市面上国产短纤填充物大部分用于中低端产品，极少数用于高端产品。被户外爱好者津津乐道的T棉、P棉和C棉，几乎占据了所有高端睡袋及其他户外用品市场。世界前十大户外品牌，如始祖鸟、北面、猛犸象等，户外产品中的睡袋，特别是户外高端睡袋（耐寒或耐极寒），填充物全部指定用T棉或P棉或C棉。这类用于高端产品的填充料都有一些共性：轻盈保暖、良好的蓬松性、压缩率及回复率很高。运用具有这些共性的填充料成为未来的发展方向。

2 开发长丝芯类填充料的可能性

人们对物质水平的追求，特别是在保暖材料方面，趋向于轻盈保暖、易打理的产品。短纤类填充料（絮片）的问题和不足制约了市场的深入发展和更高端的应用。

长丝作为填充料，显著的特点是非常轻盈、超强的蓬松性以及非常保暖，用较少的材料可以达到最佳的保暖性能，这样可以降低装备质量，实现装备轻量化。超强的压缩性能又可以减小装备的体积，便于野外作训携带；具有超强的压缩回复性，反复压缩仍能保持很高的回复率，保持产品的蓬松性，也就保证了产品优异的保温性能。长丝芯类填充料（保温棉）不像其他短纤维喷胶棉、仿丝棉那样因撕开或位移产生块状，因而不会像短纤维保温棉或者羽绒那样产生冷斑。因其特殊的3D结构，长丝保温棉能保持大量的空气，发挥持久高效的保温作用；可以水洗、机洗。

长丝芯类填充料（保温棉）是新型绝热保温填充材料，性价比非常高，是军队服装和户外睡袋、雪衣、夹克、棉被、枕头、手套等御寒用品的首选，也是高档民用家纺和高档户外睡袋行业的首选，应用前景广阔。

3 长丝芯类填充料的制造方法

3.1 研发路线的选择

化学短纤维填充料，包括仿丝棉和洗水棉，一般是通过非织造布制造方法实现的。化学短纤维经过混合、开松、梳理、铺网、喷胶（针刺）、烘燥、卷取等工序获得较为蓬松的喷胶棉（絮片）、仿丝棉或洗水棉。如何让化学纤维长丝变成化学短纤维填充料？经过调研、查阅文献[1-4]，通过技术创新，决定采用传统纺织和非织造布两者相结合的方式自主开发研究路线。

3.2 研发方案的确定

根据研发路线的需要，第一步选择材料；第二步设计制造专用的实验设备，选购合适的配套设备；第三步完成实验生产线的配套、改造和组合；第四步采取小试、中试、量产这种循序渐进、稳妥的研制步骤，使产品的主要性能指标超过目前国内仿丝棉、洗水棉的性能指标。小试和中试在自主开发的小型实验生产线上进行，量产在扩大版的实验线上进行。

3.3 方案实施

3.3.1 原材料种类的选择

本研究选择了涤纶纤维长丝（DTY）、丙纶纤维长丝、再生涤纶纤维长丝、锦纶纤维长丝作为实验用材料种类[1]。

3.3.2 原材料规格的选择

材料种类确定后，选择材料规格：300 D/96 f、 200 D/96 f、600 D/192 f、450 D/144 f。

3.3.3 专用设备的设计制造

要使长丝变得像短纤那样有卷曲、有弹性、有较好的压缩率和压缩回弹性，就必须有专用的设备，因此，专门设计制造了一台卷曲蓬松成型设备。为了保证优良的蓬松性和压缩回弹性，专门设计制造了一台热空气收缩定型机和冷空气松弛定型机。对非织造布生产工序中用到的铺网机进行改造，使之能够适合纤维长丝的铺网。

3.3.4 工艺路线

工艺路线为：退纱→上扣分丝→拉伸→卷曲→铺网→热空气定型→冷却定型→（喷胶）→（热烘）→压烫→卷取→包装。

将筒子架上退卷下来的多根化学纤维长丝通过分丝装置，在卷曲蓬松成型的设备上依次进行拉伸、自然松弛，使得化学纤维长丝形成蓬松的螺旋卷曲状。

将螺旋卷曲状化学纤维长丝通过铺网，形成均匀的、有一定厚度和宽度的纤维长丝网（芯类填充物雏形）。

将铺网成型后的纤维长丝网通过热空气收缩定型和冷空气松弛定型。根据产品应用环境的不同，可以向定型后的纤维长丝网喷洒胶水或胶粉，经过烘燥压烫，卷取包装。

3.3.5 产品性能分析

经过研发创新的专门实验设备生产出来的长丝芯填充料（保温棉）性能优异，产品的有关实验数据以常用规格120 g/m2为例，测试其热阻、克罗值、蓬松度、压缩弹性率（压缩率、回弹率）、透气率、水洗性能[5]。测试结果见表1。

表1 长丝芯填充料（保温棉）性能测试

对长丝芯填充纤维生产的仿丝棉、洗水棉和喷胶棉样品的性能指标进行对比，并进行了性能指标测试。对比结果见表2。

表2 长丝芯填充纤维生产的仿丝棉、洗水棉和喷胶棉样品的性能测试

对小试和中试试样进行分析测试、量产样测试、同类产品对比，从表1～2可以看出：产品达到研发设计方案的要求，特别是蓬松度、压缩率、压缩回弹性这3个直接反映填充料性能优劣的指标，非常优秀。高度蓬松的材料能够容纳更多的空气，锁住热量。优异的压缩性能便于收藏，易压缩、回弹性好，经久耐用，主要性能指标超过目前国内其他的填充料，处于国内领先水平，达到国际先进水平。

3.3.6 关键性能指标的研究

长丝芯类填充料具有高蓬松度且轻盈保暖、易压缩且易收纳、压缩回弹好、经久耐用、可机洗、易打理等优异性能，其关键性能指标蓬松度、压缩率和压缩回弹性三者相对平衡，达到了高度统一。

3.3.6.1 长丝的卷曲度、排列方向与蓬松度

一般而言，在非织造布纤网中，排除其他因素的影响，纤维的卷曲度越大，纤网的蓬松性就越好。卷曲度与蓬松度的关系见表3和图1。从实验测试数据可以看出，两者没有必然的联系，但仍然存在正切斜率为正的趋势。

表3 卷曲度与蓬松度的关系

图1 卷曲度与蓬松度的关系

长丝经过拉伸卷曲蓬松成型设备处理后，沿丝的长度方向形成三维螺旋卷曲，丝与丝之间或相互纠缠，或相互穿插，或相互并列，形成一个三维立体结构。如果卷曲度大的丝相互纠缠在一起，纠缠的丝越多，蓬松度受到的影响越大。

3.3.6.2 蓬松度与压缩率、压缩回弹性

长丝在纤维网中的排列方向会影响长丝芯类填充料（保温棉）的蓬松度。专用拉伸卷曲蓬松设备将拉伸卷曲后的长丝进行了平行排列与垂直排列[6]，改善了纤维网的蓬松度，且蓬松度能够在后续工序中继续保持甚至提高。

长丝芯类填充料（保温棉）就是一个纤维集合体[7]，纤维长丝的排列方向直接影响压缩性能和压缩回复性能。纤维长丝平行排列的蓬松性不及垂直排列，其压缩率却优于纤维垂直排列。压缩回弹性刚好相反，即纤维长丝平行排列的压缩回弹性弱于垂直排列。正是因为长丝芯类填充料这个纤维集合体的特殊组织结构，其蓬松性、压缩率与压缩回弹性得以高度平衡与统一。

4 问题和解决办法

尽管长丝芯类填充料已经可以在专门研发创新的实验生产线上规模化量产，但要实现工厂化量产、产品市场化，还要进一步解决专用设备的设计简化和操作优化问题、加大市场宣传推广力度。

4.1 自主创新设计的专用设备操作复杂、难度大

自主创新设计的专用设备由于融合了多种工艺，集多功能于一体，具有操作复杂、难度大的问题，常常需要专人操作。这就需要融合纺织与非织造两个领域多学科的知识，针对工艺技术要求，结合机电一体化，对现有设备进行机械设计改造和电气控制改造，达到操作简单、容易控制的效果。

4.2 产品的市场宣传推广与接受使用度亟待提高

相比于长丝芯类填充料，喷胶棉、仿丝棉、洗水棉采用的原材料短纤维变化多样，稍微添加一些其他功能性纤维便可成为一个卖点。长丝芯类填充料所用的纤维长丝原料品种选择有限，尽管产品本身的功能和性能非常优秀，但对市场来说仍然没有卖点，不但需要加大宣传推广力度，更需要各方大力支持。

5 结语

长丝芯类填充料研究开发的成功，解决了填充料高蓬松度和易压缩的矛盾，能锁住高热能，解决了短纤维填充料常见的不易压缩、不能机洗、压缩回弹性差的问题。长丝芯类填充料的超轻盈保暖性、较好的干燥和潮湿环境保暖性、持久的蓬松性、优异的压缩性和压缩回弹性，为家纺和户外产品的品质升级及新品开发提供了更为广阔的选择空间。用较少的原料、较低的成本，获得轻盈保暖易打理、具有高蓬松高压缩高回弹性、使用价值较高的产品，大幅度提高了品味与档次，也为家纺和户外产品进入高端市场奠定了基础。