产业用纤维的技术现状与发展趋势

本文重点介绍了国内外产业用纤维的应用近况,并从聚合物纳米纤维、生物聚合物以及可再生资源利用等方面阐述了世界产业用纺织品发展的新动向,通过分析目前我国产业用纤维材料的结构,探讨国内产业用纺织品深入发展的可能性。

The article introduced the application status of technical fibers worldwide, and stated the development tendency of technical textiles in terms of polymeric nanofibers, biopolymer and application of renewable resources. Based on studying the current structure of technical fiber industry, the author explored the improvement possibility of China technical textile industry.

近年来,产业用纺织品(又称技术纺织品)的开发及应用呈高速增长态势,这是一种基于特定环境下使用的高技术含量产品。一般认为,产业用纺织品是指应用于生产过程的纺织品,或是与其他材料组合或复合在一起供各行业使用的特殊纺织品,门类多,应用范围广,性能要求各异且严格。可以说,没有高技术含量和稳定的品质,就没有产业用纺织品如今的市场地位。

1海外产业用纺织品的应用动态

人类改善生存条件,从事大型设施建设需要土工用纺织品;资源枯竭使石油工业面临严峻的挑战,但也给涤纶工业丝在石油开采的近海作业上使用提供了机遇;不断发生的地区战争和日益猖獗的恐怖活动亦刺激了防护纺织品的发展。

具有高性价比的纺粘/针刺土工用纺织品市场潜力巨大。香港机场的建设使用了近 700 万m2丹麦Fibertex公司的PP纺粘非织造布,主要用于道路建设和排水系统,特别是在岸堤防护中的应用为其赢得了赞誉。

在阿拉伯迪拜棕榈岛的建设中,土工用纺织品的使用非常引人注目。该岛有 32 家豪华酒店,2 000 套高档别墅。17 条棕榈叶状半岛,每岛长 2 km,宽 75 m。在棕榈岛的施工中,使用了大量Fibertex PP纺粘/针刺产品,包括:F 2B UV系列(克重为 140 g/m2)、F 3S(克重为 230 g/m2),用于护堤挡板;F 300(克重为 190 g/m2),主要用于滤水或过滤/分离材料等。

海上钻井要求系留平台在气候剧烈变化时能够长期保持平台的精确位置。Performance Fibers公司提供的高强力PET工业用丝,已经开辟和确立了在海上作业系留装置中的使用。

该公司采用IW 81型PET工业丝,装备了海上平台的系留系统即“Seagard”。该装置是一组由绳索系留海面浮动平台的装置,能维系适当张力,以确保平台留于钻井区域。通常该系统由 7 根空心管组成,它们可提供浮力和保持相对的稳定性,其外部覆盖的部分即为“Seagard”。装置使用的PET纤维与其他产品不尽相同,是将纤维的强度、模量和蠕变性能优化于一体,以满足长期海上作业的苛刻条件。这些高强度PET纤维在飓风条件下可吸收应力负荷,并在湿态张力下保持纤维间的磨损最小。

美国Seaman公司选用Performance Fibers公司的高强力PET纱开发了单层纤维基防水基材,其商品名为“FiberTete®”,具有十分好的强力和耐用性能。Seaman公司采用独特的涂层工艺,使表层与底层形成分子粘合,从而赋予FiberTete® 可抑制芯吸功能、抗剥离功能和缝合强力。FiberTete® 选用的涂层聚合物具有抗UV性、耐化学试剂性和耐用性。FiberTete® 的断裂强力和撕裂强度均超过ASTM新的单层膜材标准,可完全替代传统改性沥青防水卷材。

美国Texas大学环境与人类健康研究所开发了一款新型的针刺非织造揩拭织物Fibertech,可净化可能出现的化学试剂或有毒化学物质。Fibertech为三明治结构,芯层为活性炭,顶部和底部为吸附层。该产品系列具有良好的挠性和可吸附性,不仅可用作净化材料,亦可用于防护服装衬里、过滤介质及网材。目前该产品已通过芥子气等多种有害化学制剂测试,形成了数十种规格的净化材料,被称为新一代无颗粒干态净化系统。且这项研究已被列入美国国家净化技术与科学现代化战略研究的一部分。

2产业用纺织品及其纤维材料的研究与开发动向

2.1高性能聚合物纤维的应用领域不断扩大

近年来,高性能聚合物纤维在过滤与分离工业的核心部件即过滤介质中的应用取得了成功。PTFE、PVDF、PEI、PPS及PEEK等的纤维制品得到了产业用纺织品市场的认可。如PVDF纤维的耐化学性、压电性、热电性等受到广泛关注。PVDF的热降解温度达 350 ℃,采用熔法纺丝已成功制得单丝、中空纤维、三叶异形截面长丝、复丝等产品。德国ITA研究所纺制的PVDF长丝的纤度为 1 ～ 3 D,已于组织工程中试用。日本东京技术大学与高知女子大学采用静电纺丝工艺,制得了多孔隙结构的PVDF纳米纤维,产品可用于精密过滤,此外还成功制得了PVDF/PMMA纳米复合纤维。

德国Aachen大学纺织技术研究所(ITA)开发出水溶性PVA,经过改性处理后采用熔纺工艺纺制长丝,纤维可用作水泥增强材料,用于提高纤维与混凝土之间的亲合能力,并可使添加的增强纤维均匀分布。PVA增强纤维可降低建筑物的重量负荷,同时可提高构筑物 80% 的负载能力。

日本可乐丽公司开发的聚芳酯纤维LCP(商品名为Vectran®)已投放市场,目前产能达 1 000 t/a。纤维产品包括单丝、复丝、纺前着色丝及双组分长丝和短纤维。

德国AMI公司与STFI研究所合作开发了密胺纤维。密胺树酯可进行挤压成型。STFI研究所采用改进的熔喷新工艺,制得了克重为 35 ～ 250 g/m2的纤维网材,其单丝Hipe Fibre® 的直径低于 1 μm。该产品具有优良的使用性能,极限氧指数为 32,受热状态下不熔滴,热分解温度为 400 ℃,使用温度达 200 ℃以上,目前与针刺非织造布的复合产品已广泛用于过滤、室内装饰方面。

为满足2020年的运载能力、使用效率,特别是环保指标要求,美国航空航天局(NASA)及美国波音公司联合进行了N+2代大型客机的研究,其噪音要求比民用客机第四阶段的标准降低 42 dB,油耗较之于波音B777要下降 40%,氮氧化物的排放量至少降低 75%。新设计的BWB机型为机翼机身一体机,HWB机为机翼机身混合型飞机,两款设计均要求客机在可使用复合材料处 100% 使用纤维增强复合材料。

2.2聚合物纳米纤维进入产业用纺织品市场

聚合物纳米纤维在产业用纺织品市场拥有巨大的发展空间,这主要是基于纳米纤维具有的技术特征,即:具有 50 ～ 500 nm的直径和表面微细结构;比表面积很大,通常是熔喷非织造网的 40 倍,纺丝成网的 400 倍。

近年来,纳米纤维材料在过滤/分离工业领域取得了很大成功。较之传统过滤介质,该类材料显示出超强的过滤效率与操作性能。美国Donaldson公司开发的纳米纤维过滤介质Ultra Web系列用于灰尘收集,Endurane系列用于重型引擎过滤,Spider Web系列用于透平过滤,均取得了理想的使用效果。

纳米纤维的出现促进了增强复合材料的技术进步。采用纳米级结构单元的复合材料,可依据需要设计加工成弹性极高、物理性能可大幅调整的产品。如用 15%(wt%)静电纺PBI纳米纤维与橡胶进行复合,其杨氏模量可提高 10 倍。

由于纳米纤维成形中的牵伸作用,纤维直径更接近分子尺度,聚合物分子高度取向。通常情况下,较细的纤维具有较大的强力值,纤维也较少有缺陷,即通过纳米技术可制得更高性能的纤维材料。目前重要的成纤聚合物诸如PA6/PA66(溶剂甲酸)、PAN(溶剂DMF、DMAc)、PET(溶剂三氟乙酸、二甲基氯化物)以及熔融法PP静电纺丝的研究和开发已取得长足进展。部分纳米纤维及其膜材料的技术特征与应用如表 1 所示。

聚合物纳米纤维的大比表面积使其具有开发活性过滤、催化、生物活性芯以及化学敏感器件等的潜在可能。中科院长春应化所的研究人员将PAN和醋酸钯溶于二甲基甲酰胺中配置了纺丝液,并采用静电纺丝制成纳米纤维网,经过还原、碳化处理后制得钯纳米纤维复合材料。该改性纳米纤维材料可直接用于催化反应,无杂质,不需钝化处理,可广泛用于电化学、生物传感系统等领域,也可用于制备燃料电极或参与催化合成反应。

碳纳米纤维的直径通常在 100 nm左右。高纯度碳纳米纤维的使用,可推动增强复合材料的物理性能,包括热传导性能、热膨胀系数、吸湿性、电磁辐射散逸性能、电导性能、阻燃性能、电发射功能以及减振性能等的改进,可以说碳纳米纤维是生产低成本、高性能增强复合材料的新技术途径。

静电纺丝制纳米纤维技术的工业化给纳米纤维的应用提供了现实条件。美国Clemson大学与土耳其伊斯坦布尔大学合作,开发了汽车专用噪音防护材料。汽车专用噪音防护材料通常使用克重为 250 g/m2的PET或PP针刺非织造布与10 ～ 80 g/m2的熔喷非织造布复合而成,而专用噪音防护材料的克重通常达到 600、800、1 000 g/m2。在使用纳米纤维网材作为中间复合层的实验中,证实在克重为 600 g/m2的针刺毡中夹一层克重为 8 g/m2的纳米纤网后,其噪音防护功能与克重为 800 g/m2的针刺毡相同,即添加纳米纤维层后,可减少 25% 噪音防护用材。对于一辆乘用车来说,可节约 5 kg左右的重量。

2.3再生纤维素纤维的应用研究步伐明显加快

源于优良的吸湿性、柔软性和生物可降解性,再生纤维素纤维非织造布产品日益受到消费者青睐。纤维素是重要的再生资源,而纤维素直接成网更具有成本上的优势。

进入21世纪以来,Lenzing(兰精)公司的Lyocell纤维Tencel® 在梳理成网非织造布领域的应用呈上升趋势,主要用于揩布、医用卫生保健用品及过滤介质材料。使用 4 mm或更短的Tencel® 短切纤维制成特种纸,可用作绝缘纸、食品工业的热油过滤介质、汽车燃油系统滤材和烟用滤 材等。

目前纤维素原料的深加工技术也取得了进展。欧洲Fraunhofer应用聚合物研究所(IAP)与德国莱芬豪舍公司合作,使用美国Weyerhaeuser公司的浆粕,配置了以NMMO为溶剂的纺丝液,在幅宽 600 mm的Reicofil熔喷设备上,进行了Lyocell熔喷非织造布实验,产能可达 60 kg/(h・m),单丝纤度< 1 dtex,产品克重为 10 ～ 250 g/m2;德国Nanoval公司和TITK、美国Biax Fiberfilm与Reicofil合作,也开展了Lyocell熔喷非织造布的实验。

此外,Lenzing公司Lyocell纺丝成网非织造布实验也取得了引人注目的进展。

2.4生物聚合物在产业用纺织品中的应用

正常状态下,外部材料直接植入人体会出现排异反应,因此用于生物医学领域的聚合物必须具有生物相容性,不引起人体内组织或表面组织发生过敏性反应,这对于长期植入人体内的生物聚合物医用纺织品尤为重要。生物相容性主要包括两个方面,即生物惰性和生物粘合性能。

在过去数十年间,生物材料越来越受到研究人员和医学界的关注。生物聚合物材料在人造器官、组织工程和医学装置上的使用,是近年来临床医学领域最为引人关注的变革。甲壳素非织造布可用作人造皮肤;中空生物聚酯纤维或膜材已用于人造肝脏;中空抗霉菌再生纤维素纤维束和板式膜已用于人工肾。

目前,PGA、PLGA、PHBV等生物聚酯,分别以单丝、复丝、非织造布或静电纺纳米纤维网的形式进入医学 领域。

德国Max Bergmann生物材料公司、Dresden技术大学和Leibniz聚合物研究所共同开发了新型医用纺织品,即采用静电植绒方法制得组织工程支架,所用原料为PA6纤维,纤维的切断长度为 1 mm,直径为 30 μm(相当于 6.7 dtex)。该试验采用Maag RF400/500静电植绒设备,电场 60 kV,静电植绒时间 20 s,植绒间距 12 cm,静电植绒的工艺条件可随纤维材料的不同而变化。此项研究的真正目的是采用具有生物相容性和可吸收的生物聚合物材料,如PHB、PLA、PGA以及壳聚糖等替代PA6纤维,目前以PHB与壳聚糖膜作静电植绒基布的实验已在进行中。

德国STFI研究所和Leibniz聚合物研究所合作开发了以PLA为原料的纺粘非织造布产品。使用的PLA原料有 3 种规格,即再生PLA R、PLA NW以及PLA混合物PLA R/C。纺丝成网实验在Reicofil 4试验生产线上完成,工艺如表 2 所示。产品的后处理有 3 种工艺:热粘合、水刺或针刺。

日本帝人集团开发的耐热生物聚合物,熔点达 210 ℃,具有立体络合结晶结构。目前已用于马自达混合动力车的座椅织物,这种座椅织物优化了原料结构,改进了染整加工性能,适宜大规模汽车内饰使用。

2.5天然纤维增强复合材料的开发与应用呈上升态势

由于具有优良的机械性能和较低的生产成本,天然纤维已成为聚合物增强复合材料的实用选择之一。天然纤维的低密度特征有助于使增强复合材料制品节省 10% ～ 30%的用料。天然纤维增强复合材料加工性能好,并有优良的声学效果,与常用的玻璃纤维比较具有明显的优点,易于加工并可再生。

在欧洲,天然纤维增强复合材料已用于乘用车领域,其他潜在市场诸如卡车、公共汽车、火车等的内饰以及书柜、椅子和橱柜等家具系列产品也在开发之中。

一般来说,热塑性树脂的增强复合材料中,天然纤维的含量在 50% ～ 60% 之间。表 3 对可用于增强复合材料主体的玻璃纤维与各类麻纤维的性能进行了比较。

选用天然纤维作聚合物增强复合材料时,纤维的杨氏模量、断裂应力与密度的比值是评价增强复合材料性能的重要指标。比较发现,亚麻与荨麻的杨氏模量/密度值及抗张刚性/密度值均大大高于玻璃纤维。

德国IVW研究所以大麻、洋麻为原料,采用针刺工艺将天然纤维制得纤维毡片,同时利用BASF(巴斯夫)公司提供的水溶性丙烯酸系树脂对毡片进行预浸处理,干燥使产品含湿率在 15% 左右后再成型。成型后的产品具有优良的机械性能,完全可以满足汽车内饰部件的要求,主要应用于门板、坐椅背板等中。该研究所通过实验证实,将天然纤维成网 增强热定形处理 预浸 成型,这是制取高强、高刚性天然纤维聚合物增强复合材料的可行工艺,其材料消耗低,且整个加工过程无有害物质排放。

奥地利Kompetenzzentrum公司同样以麻为原料,但在制备针刺非织造毡时,将纤度偏低的亚麻和较粗的洋麻以50/50的配比混合,明显改进了产品的稳定性。依据使用的聚合物类型,即热塑型、热固型原料的不同,可分别采用两种工艺进行加工。

3国内产业用纤维的开发现状与技术差距

产业用纺织品的发展基于高性能聚合物的应用及纤维制品的开发,同时得益于聚合物纳米纤维技术、生物技术等前沿学科的融入,而这正是当今我国化纤工业结构调整的重要任务之一。因此,我国产业用纺织品将随着化纤工业结构调整的逐步深化,取得在品种、质量和技术含量等方面的不断提升。

3.1国内产业用纺织品纤维原料的结构尚需优化

依据中国化纤工业协会及中国产业用纺织品行业协会的统计数据,2008年我国产业用纺织品的产量为 606.5 万t,而国内可提供的产业用纤维材料只有 220 万 ～ 230 万t/a左右。在不考虑统计误差等因素的前提下,这一数据基本反映了产业用纤维原料的结构现状。

从国内每年的产业用纺织品产量与可提供的产业用纤维数量存在的巨大差异不难看出,国内产业用纺织品使用的纤维原料存在着很大的不确定性,且高性能聚合物与纤维的研究开发相对较弱。这种原料结构的不合理性,应是国内产业用纺织品档次低下的重要原因之一。目前,国内热衷于数量的粗放经营理念以及市场供需预测能力低下的现状虽有改观,但近来非织造行业百余条小型纺熔生产线蜂拥而入的现实也反映出,无序、无约束及不科学的发展状况会使我国产业用纺织品行业的产业结构调整变得更加困难。

3.2梳理型非织造布用短纤维的品质亟待改善

梳理型非织造布属传统品种,几乎占非织造布产品市场的一半份额。通常,纤维原料的品种与性能制约着非织造布的使用性能。另外,其价格也是非织造布产品成本的主要决定因素,一般占 50% ～ 60%。

2008年我国梳理型非织造布产品的产量近 50 万t。除揩布、婴儿尿布、成人失禁尿布、妇女卫生保健用品等多以进口纤维或进口设备生产的纤维为原料外,其他基本系20世纪80年代的VD403/VD404及改造的VD405纺丝设备生产的短纤维,纤维品质特别是影响纤维加工性能的毛丝、疵点、超倍长等指标较差。为降低成本,相当多的企业在常规纺丝设备上高比例使用质量参差不齐的回收料。目前在屋顶防水基材、土工布等的生产中基本全部使用回收瓶片。

目前,国外用于非织造布的纤维品种多达 400 余个,其中,PET占 40%、PP占 17%、PA占 12%、粘胶纤维占 8%、双组分纤维占 6%、高技术聚合物纤维占 9%。欧洲用于非织造布的聚合物纤维品种已有近 300 个,其中,PP占 22%、双组分纤维占 7%、PET占 36%、粘胶纤维占 7%、PA纤维占9%、PE占 3%、PAN纤维占 2%。其中高性能纤维在非织造布中的应用十分广泛,如芳纶、聚酰亚胺、含氟纤维、含氯纤维、PPS以及PEEK等。我国非织造布用纤维品种较为单一,虽也开发了一些特色品种,如有色纤维、热粘合纤维等,但由于品质和价格因素,使用面并不大。可以说,国内梳理型非织造布用短纤在质量和品种上与国外尚有不小差距。

3.3重视天然纤维增强复合材料的开发

鉴于天然纤维的可再生性及优良的机械性能,近年来,天然纤维增强复合材料的研究与开发取得了可喜的进展。

天然纤维具有较高的机械性能,表明其单位重量的增强复合材料具有比玻璃纤维更强的刚性。此外,作为生物质资源,天然纤维在种植、纤维制取、制毡和增强复合加工的成本上要低于玻璃纤维。一般情况下,天然纤维的制毡成本为 1.8 欧元/kg,玻璃纤维为 2.6 欧元/kg。

据统计,全球每年可利用的生物质原料达 2 万亿t。我国是麻纤维资源较为丰富的国家,具有发展天然纤维增强复合材料的条件。

3.4新型纤维材料的研究与开发迫在眉睫

生物纺织品(Bio-Textile)是生物技术的一个重要研究和潜在应用领域。目前生物高分子在医用纺织品如医用防护服装、可植入制品、血液过滤、人造皮肤、人工肺和人工肾等方面的研究已取得了巨大进展。而国内在这一领域的研究和应用基本空白。

近年来,聚合物纳米纤维已用于过滤与分离操作以及高效高性能催化系统,而生物聚合物纳米纤维由于具有微孔结构和高比表面积特征,在医用领域已展现出巨大的使用空间。

据Rapra Review报道,2008年我国关于静电纺纳米纤维研究的论文数量与美国相当,多于日本、德国等国家,但在其应用研究方面与这些国家的差距却十分明显。在全球首条Elmarco静电纺纤维生产线投放市场的当年,尽管静电纺丝在生产效率、制造成本上并非十分完美,但美国、日本等的多家公司竟相购买了 12 条该生产线,这种在纳米纤维实用化方面的快速投入值得思考。应该说,这些新兴技术的研究和应用并非十分遥远,它将引领和促进产业用纺织品市场的变革性发展。

4结语

产业用纤维及其制品是一个不断融入高新技术的领域。目前,我国的产业用纺织品纤维原料在结构上不尽合理,梳理型非织造布用纤维的品质和品种还不能满足市场要求。一些已融入该领域的新产品,诸如生物可再生高分子材料、聚合物纳米纤维等的研究开发也刚刚起步。我国产业用纤维材料作为化纤工业的一个重要组成部分,只能在整个行业的结构调整中寻求新的发展,并无捷径可走。

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