纺丝成网技术及其产品的最新进展

摘要：传统纺丝成网生产已步入高附加值，功能性、耐用性纺粘非织造布产品受到人们的关注。纺丝成网技术在快速高效、复合功能、生产弹性以及革新性技术的开发和使用方面取得了长足的进步。本文介绍了部分耐用性纺粘非织造布新产品的性能和应用状况，包括高比表面积产品、弹性纺粘非织造布产品、异形截面纤维产品、生物基聚合物产品、超细纤维纺粘非织造布产品等，希望能为高附加值纺丝成网非织造产品的开发提供一些参考和借鉴。

关键词：纺丝成网；双组分纤维；弹性纺粘非织造布；生物基聚合物；异形截面；超细纤维非织造布

中图分类号：TS174 文献标志码：A

The Latest Developments of Spunlaid Technologies and Products

Abstract： Conventional spunlaid production has become more value-added， while functional and durable spunbond nonwovens become more popular. Great progress has been made on spunlaid technology， which is reflected in higher speed and efficiency， composite functions， production flexibility as well as the development and applications of revolutionary technologies. By introducing the properties and applications of some durable spunbond nonwovens， including high-specific surface nonwovens， elastic spunbond nonwovens， products based on profiled fibers， products based on biomass polymers， spunbond nonwovens based on superfine fibers， etc.， this paper tries to offer certain reference for developing high value-added spunlaid nonwovens.

Key words： spunlaid； bicomponent fiber； elastic spunbond nonwovens； biomass polymer； profiled section； nonwovens based on superfine fiber

1 全球纺丝成网非织造布行业的亮点概况

据统计，2013 ― 2018年的 5 年间，世界非织造布市场需求稳步增长，预计年增长率在7.6%左右，其中纺丝成网产品占一半以上的市场份额。2014年我国非织造布产量达263万t/a，其中，纺粘非织造布占45%，产量达118万t。

传统纺丝成网生产已步入高附加值，功能性、耐用性纺粘非织造布产品受到人们的普遍关注。大量非织造布产品实现了专用化，如车用非织造布、农用非织造布、过滤与分离介质材料、医用纺织品等。过去的10年间，普通纺熔非织造布产品的克重亦从13 ～ 15 g/m2进一步降至 8 g/m2。纺丝成网技术在快速高效、复合功能、良好的生产弹性以及革新性技术开发和使用方面取得了长足的进步。比如美国Hills公司开发的高端纺熔技术可以视消费者的需求提供定制产品。

在原料的选择上，绿色资源、生物聚合物、智能材料等已成为纺粘非织造布生产发展的选择。依据Textile Intelligence公司的预测，2020年非织造布工业将进入100%可再生和可回收再利用资源时期。比如P&G（宝洁）公司就声称其纸尿裤及一次性卫生保健产品将100%使用可再生或可回收利用资源，规划第一阶段的使用比例将达到25%。

目前，全球非织造布一次性卫生保健用品市场中，聚丙烯（PP）的使用量超过了80%。依据欧洲生物塑料协会的预测，石油基PP食品包装薄膜、医用和一次性卫生保健非织造布产品将被生物基聚烯烃大面积替代。聚烯烃的优良使用性能，使其较之于其他聚合物更适合制作医疗、卫生保健用技术纺织品。随着生物技术的蓬勃发展，生物基PP的商业性开发已步入快速实施阶段，如巴西Braskem公司年产20万t/a的生物基聚乙烯已实现投产。

另外，纤维素纤维是非织造布行业的重要原料，亦是纺熔非织造布技术研究开发的亮点课题之一。利用纤维素资源，通过纺熔工艺制得的非织造布产品具有高效、低能耗、环保和使用性能良好等特点。自上世纪末以来，兰精公司、德国莱芬豪森公司、Nanoval公司、美国Biax公司以及欧洲应用聚合物研究所（Fraunhofer）等企业和研究院所争相投入了巨大研究力量，开展了“Tencelweb”研究计划，即利用Lyocell的纺丝液，直接纺丝成网制备纤维素纺熔非织造布，该项研究被聚合物与纤维材料业界寄予期望。

2 耐用型纺粘非织造布新产品

2.1 高比表面积产品

开发新一代过滤/分离材料，即高比表面积和功能化的纤维材料始终是业内关注的课题。进入新世纪以来，潜在的生物恐怖袭击，会使人们面临悬浮于空气中的病毒、毒气、化学制剂以及细菌的侵袭。清洁的空气和水资源供给以及生物医药工业的安全生产已然成为全球性的问题。严峻的现实告诉人们，开发新一代过滤/分离材料，是工业生产和日益恶化的公共环境安全的需要。

新的过滤材料应具备“可再利用性”，在疫情环境下具有很高的颗粒物捕集能力、消毒条件下的稳定性以及清洁与再生过程的实用性。在遭遇生物恐怖袭击事件时，无论是室内还是公共场所，个人防护装备的过滤介质都要确保人员的绝对安全。

纤维基过滤与分离介质要求纤维具有较高的比表面积，提高这一参数通常采用 2 种方法，即减小纤维的直径或改变纤维横截面的形状。一般来说，普通单丝线密度为 2 D的产品，其比表面积在0.2 m2/g左右；直径 1 μm的纤维，比表面积约2.9 m2/g，而纳米级纤维材料的单纤直径为200 nm，其比表面积可高达14 m2/g。双组分纺丝成网工艺制得的纤维，经撕裂或水刺处理形成的原纤化纤维网，其单丝直径可达到300 nm甚至更细。

美国Eastman（伊士曼）公司采用双组分纺丝方法成功制得了截面呈深槽形的纤维，即4DG纤维。单丝线密度为 6 D的4DG纤维与同类型纤维比较，比表面积提高了 4 倍，用作过滤介质显示出良好的颗粒物捕集能力。

观察 6 D的4DG单根丝条的截面，其长宽尺寸为47μm×34 μm，沟槽部分的尺寸即长×宽为13 μm×8 μm，纤维截面的沟槽面与纤维截面的比值约0.49。欧瑞康纽马格公司和Ason公司合作开发的4DG纺丝成网生产技术已有报道。4DG纺丝成网产品在医用血液分析、创伤敷料、化妆品、油吸附材料以及屏蔽材料等领域具有很大的应用潜力。

纤维截面呈翼片形（winged fiber），单丝直径10 ～ 15μm，其比表面积可达到10 m2/g，相对于圆形截面的熔喷法纤维而言，欲达到同样的比表面积，其单丝直径需要达到亚微米尺度。翼片数决定着纤维比表面积大小及其捕集颗粒物或污物的能力，目前翼片形纺粘非织造布单丝的翼片数可以做到8、16及32片，64片的多翼片形成形组件亦投入了使用。

纤维截面呈翼片形的纺丝成网生产通常采用两步法工艺，即双组分纺丝成网和紧随其后的水刺工序，旨在实现不同组分聚合物的剥离并对纤网进行机械加固。水刺装置为5 模头配置，工作压力250 bar。后加工过程包括退卷、碱浴（浓度6% ～ 10%，90 ℃，2 min）、水浴洗涤、中和浴、干燥及卷绕成形。

翼片形纺丝成网工艺中，芯层组分一般选用PA、PET、PE和PP，皮层组分一般为PLA、CoPET，皮层组分可于碱液或去离子水中溶出。表 1 为翼片形双组分纺丝成网的技术特征。

翼片形纺丝成网非织造布用作过滤/分离介质，从生产效率、过滤介质结构、成本以及操作性能上考量，其技术、经济等综合性能明显优于熔喷非织造布介质。美国NFT公司将翼片形PP纺丝成网过滤材料用于空气过滤（HEPA）领域，其过滤承载能力较之于传统过滤介质可提高2.5倍；韩国制作的Lecare面膜，选用翼片形PA纺丝成网非织造布作基布，产品在锁水、保湿、紧致皮肤等方面受到消费者好评。

2.2 弹性纺粘非织造布产品

在卫生保健和医用纺织品的使用中，提高舒适性对病人或消费者来说具有吸引力。聚烯烃纺粘非织造布是重要的医用纺织品，但产品的弹性和延伸性略显不足。皮芯型双组分弹性纺粘非织造布已在卫生保健用品、一次性婴儿尿裤等领域得到使用。常用弹性纺粘非织造布的克重一般在50 ～ 150 g/m2之间。

弹性纺粘非织造布使用10% ～ 30%低熔点与低取向聚烯烃即L-MODU聚合物，该聚合物的熔融指数有 3 种规格，即20、35和50 g/10 min，常用的熔融指数为50 g/10 min，分子量13万，Mw/Mn为 2。

弹性纺粘非织造布生产可采用双组分纺粘工艺，皮芯型组件，芯组分使用L-MODU聚合物，皮层用PP，厚度0.20 ～ 0.52 mm，产品克重50 ～ 100 g/m2，断裂伸长380%（MD）、400% ～ 426%（CD）。

L-MODU聚合物还可以改善纺丝成网的性能，实验结果显示，当其混入量为10%时，PP SSS纺粘非织造布的断裂模量可提高39%（CD）、15%（MD）。同样10%的混入量，生产PP SSMMS纺粘非织造布时，可降低半制品后加工的热轧温度，即可从126、127 ℃降至108、104 ℃。

苯乙烯嵌段聚合物热塑性弹性体是专门用于纺粘非织造布的特定树脂，有加工温度为230 ～ 235 ℃和250 ～ 300℃两个系列。加工中，双组分纤维网的芯层组分为SBC弹性体，皮层聚合物多选择PP、共聚酯或PP混合体。表 2 为已投放市场的该类弹性纺粘非织造布产品的技术性能。

目前已用于弹性纺粘非织造布生产的热塑性弹性体主要包括苯乙烯嵌段聚合物（商品名Kraton）、聚烯烃弹性体、聚丙烯聚乙烯共聚体、聚烯烃共聚体以及低分子量聚烯烃等。国内国侨实业公司使用ExxonMobil（埃克森美孚）公司的VistamaxxTM弹性体，成功制得了弹性纺粘非织造布，产品的伸长率为200% ～ 500%，弹性回复率达90%以上。

2.3 镶尖三叶形双组分纺粘非织造产品

镶尖三叶形双组分纺丝成网非织造布产品具有与传统丝绸相似的悬垂性，这源于聚合物组分剥离后纤网单丝线密度和纤维表面状态的变化。镶尖三叶形双组分纺粘非织造布的单丝截面有两种结构，一种为聚合物A组分和B组分，均外露；另一种为组分B处于组分A的包围之中。

在PA与PET的镶尖三叶形双组分纺丝成网实验中，选用PA为芯组分，PET为翼端皮层组分，芯层/镶尖组分比为75/25或50/50。后加工采用水刺工艺实现两种聚合物的剥离，此时即形成两种聚合物材料，纤维网中单根纤维的平均直径约15 μm，纤网的断裂强度为54.4 kg（MD）、32.3 kg（CD），撕裂强度为2.2 kg（MD）、2.72 kg（CD）。和同类型常规产品相比其比表面积明显增加，同时挠性和强力提高，并显示出良好的吸附性、手感和抗起球性能。产品可用作擦拭布、床上用品及装饰织物。

2.4 中空/异形截面产品

中空纺粘非织造布产品已成功进入市场，为绝缘材料、吸油介质、特种防护服以及医用纺织品提供了新的可用原料。

PP中空纺粘非织造布选择熔融指数为27 g/10 min的PP树脂，纺丝成形在Reicofil-4装置上进行，纺丝组件7 360孔，圆形孔，口或三开口，孔外径1.00 mm，内径0.60 mm。挤出量0.75 g/（min・h），冷却成形温度35 ～ 50 ℃，牵伸速度达4 300 ～ 5 000 m/min。

中空纺粘非织造纤维网的单丝线密度一般为2.3 ～3.3 dtex，强力25 ～ 28 cN/tex，纤维截面的中空区占有率为10% ～ 15%。采用纺丝成网/水刺工艺的中空纺粘非织造布的克重为30 ～ 100 g/m2，采用纺丝成网/针刺工艺的产品克重为 60 ～ 150 g/m2。中空纺粘非织造布的技术特征如表 3 所示。

日本尤尼契卡公司开发了商品名为“Marix”的PET纺粘非织造布，该产品的单丝截面呈十字狗骨形，具有优良的耐热性和强力。其克重40 ～ 90 g/m2的纤网厚度仅0.34 ～0.49 mm，具有十分好的气体和液体透过率，可用作过滤介质。“Marix”也可以选择使用回收瓶片料生产。

2.5 生物基聚合物产品

近年来，高性能生物基纺丝成网技术的研究与开发取得了不小的进展。如我国上海合成纤维研究所在聚乳酸（PLA）纺粘非织造布生产方面积累了丰富的经验，其100%生物基聚合物双组分纺粘非织造布产品投放市场后引起了相关生产企业的注意。德国STFI研究所的研究团队成功开发了克重为25 ～ 80 g/m2的皮芯型复合纺粘非织造布产品，使用原料包括生物基PLA/PHB、PLA/PBAT，其组分比为90/10；PLA/PBS，组分比为70/30。该研究所开发的PLA SMS纺粘非织造布的技术特征如表 4 所示。

Biovation公司选用单丝直径为1 ～ 20 μm、克重10 ～2 000 g/m2的PLA纺熔非织造布材料制成的医用和个人防护用品引起了行业注意，如开发的血压计防止交叉感染封套，采用了具有抗霉菌功能的熔喷PLA纤网的复合产品，用以阻断血压测定过程中可能引起的接触感染。在控制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）传播的临床使用测定中，其屏蔽效率可达99.999%。PLA高性能创伤敷料的吸附能力达50 ～ 60 g/100 cm2，使用舒适安全。

Fitesa公司开发的100%生物基皮芯型双组分纺粘非织造布产品已投放市场。该产品选用生物基PE为皮组分，PLA作芯层，克重13.5 ～ 85 g/m2，幅宽3 200 mm。纤网断裂强度约为9.76 N/cm，断裂伸长率57%，空气透过率为972 m3/h。该产品选用了Braskem公司开发的源于甘蔗原料的生物基PE，环境效益明显。目前该产品已投放市场，批量用于擦拭布、妇女卫生用品、医用服装、尿裤、过滤介质以及一次性卫生保健用品中。

Kimberly-Clark（金佰利）公司使用新型生物基纳米纤维素材料和PLA混合纺丝，制得了高性能纺粘非织造布，其纤网纵向强力可提高57%，是开发高端生物基纳米纺熔非织造布产品的新尝试。

2.6 超细-纳米纺粘法非织造布

2.6.1 超细旦纺粘非织造布

采用双组分纺粘工艺可以制得细旦-超细旦纤维网材，并可赋予产品功能特性。目前使用裂片型、中空裂片型或并列型复合组件，通过纺丝成网工艺制得的纤维网经水刺处理得到的超细纺粘法非织造布产品已批量进入市场。

德国Freudenberg（科德宝）公司开发的新一代超细纺粘非织造布产品“Evolon”，选用PET和PA为原料，采用裂片型双组分纺丝成网及水刺工艺，产品单丝直径约 2 μm。超细纤维赋予Evolon擦拭布不起毛、结实、机械稳定性强及纵横向强力均衡等特点，提高了一次性和半一次性干、湿薄型擦拭布的耐用性和使用稳定性。由于单根纤维的细度仅为普通超细纤维的1/10左右，采用Evolon技术生产的擦拭布具有卓越的无痕清洁性能，可吸收比自身重量高 4 倍的水和高 8 倍的油。这些主要特点使其非常适于在高科技工业环境中使用。目前，其已广泛用于高端工业用擦拭布、特种服装、印刷介质、工业包装以及吸音材料等领域。“Evolon”超细纤维纺粘非织造布的技术特征如表 5 所示。

由于克重可低至30 g/m2，同等面积下Evolon超细纤维擦拭布的重量可比普通产品轻1.5 ～ 2倍。此外，其产品设计和图案更灵活，包括扁平、网眼或新型3D结构，可满足客户的不同需求。图案原本在消费市场上是更严格的需求，但现在工业市场也越来越多地要求产品开发商提供具有卓越清洁性能同时外观独特的产品。Evolon产品可满足这一需求。

许多用户通过对Evolon基材进行预浸渍来提供定向薄型擦拭布，以满足越来越细分的工业市场的需求。由于超细纤维的特殊结构，其在产品的整个生命周期浸渍都保持稳定，确保液体释放性能不变。Evolon超细纤维纺织品的构成使其适合使用各种预浸渍清洁剂、溶剂和IPA。与其他一些类似材料不同，Evolon还可以耐过氧化物为基础的消毒剂。