中空纤维制备技术的研究现状及进展

李 健，刘梦丽

(湖北欧创纺织装饰有限公司，湖北黄石 435000)

中空纤维制备技术的研究现状及进展

李 健，刘梦丽

(湖北欧创纺织装饰有限公司，湖北黄石 435000)

中空纤维作为一种重要的差别化纤维，因其特有的结构而赋予纤维、织物特殊的性能，通过纤维功能化来提高产品附加值并拓展应用领域。从中空纤维的制备方面，对熔融纺丝、溶液纺丝、复合纺丝等进行了论述，并针对纺丝条件对成纱质量的影响进行了分析，最后对中空纤维的结构与性能进行分析。通过对中空纤维应用的前景展望，探讨了中空纤维无论是在纺织服装领域还是在膜分离领域都有着广阔的应用前景。

中空纤维 制备技术 熔融纺丝 溶液纺丝 复合纺丝

0 前言

中空纤维是一种沿轴向具有管状空腔的异形截面化学纤维。通过其结构的特殊性而展现出质轻保暖、手感好、压缩回弹好、蓬松性好等优良性能，可用于内衣、休闲服饰、冬季服饰的面料开发，也可以用作被子、枕头、仿羽绒服、玩具的填充物，尤其是以聚酯类中空纤维在纺织服装领域有着广泛的应用[1-3]。此外，中空纤维也可以用于过滤膜材、复合材料的开发，也可被用于工业、医药等领域，也有许多研究表明中空纤维液相微萃取技术在对化学样品进行前处理时具有成本低、高效且能与多种分析仪器联合使用等优点，是分析化学研究的热点领域之一。由于天然纤维中的羽绒、北极熊毛、兔毛、木棉等，都有一定的髓腔，而这些纤维都具有良好的保暖、回弹等性能，因此中空纤维在模仿天然纤维的基础上，再结合自己本身的优良特性，而展现出特有的魅力。中空纤维的发展已有数十年的历史，主要是通过异形喷丝板，采用熔融纺丝或湿法纺丝或复合纺丝技术纺制而成，既可以直接纺出中空纤维，也可以通过复合后溶出中间部分间接得到中空纤维[4]。上世纪60年代末，日本东洋纺就通过异形喷丝板生产出中空涤纶短纤来制造聚酯絮棉，而随着该技术的不断深入与发展，中空纤维也从单一圆孔发展到三孔、四孔、七孔、九孔等，而孔的形状也有三角形、四边形、梅花形等，见下页图1。而纺丝原材料也从聚酯类发展到聚酰胺类、聚丙烯类、聚砜类、芳香杂环类、粘胶类等有机材料以及碳纤维、氮化硅等无机材料。中空纤维制备技术在国内外化纤、纺织行业中也取得飞速发展，国外主要有日本的东丽、帝人、旭化成、钟纺、可乐丽，韩国的晓星以及美国的杜邦等，在中空纤维制备与生产方面有着深入研究。而我国针对中空纤维的研究与生产起步相对较晚，主要是从上世纪80年代中后期开始有科研机构研制出中空纤维生产工艺，90年代开始随着人们生活水平的提高对产品也有了新的要求，差别化纤维得到了进一步发展，涤纶中空纤维需求也在进一步增长，我国的涤纶中空纤维还主要是依赖进口，直到90年代末随着我国化纤工业的发展以及国民经济的持续发展，国内中空涤纶纤维产能大大增加，而目前关于中空纤维的生产已经比较成熟，国内许多化纤企业都有独立的生产线，比如罗莱化纤、仪征化纤、恒力化纤、盛虹化纤等， 都能生产出多品种的中空纤维[5-7]。

图1 三孔中空纤维截面(无油丝)

1 中空纤维的结构与性能

中空纤维在形态结构上都具有一条或多条空腔，空腔截面可以是圆形也可以使异形。中空结构的存在赋予了纤维特殊性能，从结构上来讲空腔的存在则减少了原聚合物的用量，单位面积下的中空面料质量更轻，如果将中空POY原丝进行假捻变形加工，得到的中空DTY纱线具有明显的蓬松效果。因为有空腔的存在，纤维的毛细效应会增强，相对中实丝而言吸湿效果明显改善，如果中空带微孔，若中空部分与微孔相通，则可以形成导水和扩散[8-9]。纤维内部中空小孔的存在既可以阻止外部湿冷气流的侵袭也可以防止内部热量向外部扩散，利用其中空阻热的原理开发出保暖服饰面料和家纺产品[10]。利用侧吹风不同风速开发出非对称冷却中空纤维，由于纤维壁的结晶、取向不均匀，出现三维卷曲状，增加了中空纤维或织物的弹性。

2 中空纤维制备技术研究现状

根据聚合物的特性以及成丝性能的要求，中空纤维的制备方法主要有熔融纺丝、溶液纺丝、复合纺丝。熔融纺丝技术已相对成熟，大多企业在生产中空纤维时也是以熔融纺丝为主。

2.1 熔融纺丝

熔融纺丝主要是将聚合物切片熔融后通过喷丝板或连续聚合直接通过喷丝板来获得纤维，在这个过程中包含着聚合物熔化，纺丝流体流动与形变，丝条的固化、结晶与成型，并伴有再结晶过程。而这种熔融直接纺中空纤维主要是将熔融聚合物通过异形喷丝板来获得。中空纤维中空度、条干均匀度、强伸性能等是反映其物性的重要指标。而在纺丝过程中，切片的水分率、组件设计、纺速、纺丝温度、环(侧)吹风温度与速度等都对其成丝性能有着重要的影响[11-12]。

(1)喷丝板的设计作为生产出中空纤维的重要环节，主要是将数个不连续的弧形或直线狭缝设计组合在一起，主要是根据聚合物熔体在固化前发生Barus效应[13]而粘结在一起，冷却固化后形成异形纤维。对于喷丝板的设计还要考虑到微孔面积、狭缝宽度、区间间隙、微孔熔体平均流速、喷丝头拉伸比等因素，微孔面积影响到熔体流速、剪切速率以及孔口胀大程度，进而影响是否能真正常纺丝。狭缝宽度大小影响到聚合物单孔吐出量，如果狭缝太宽则会表现出纤维中空度小，反之狭缝宽度太小则中空纤维壁太薄进而影响中空纤维稳定性。区间间隙由纺丝工艺(纺POY或者FDY)、喷丝板材质、聚合物等方面因素决定的，聚合物熔体流出喷丝板后必须能有效的粘合在一起。

图2 圆中空喷丝板微孔形状

图3 三角中空喷丝板微孔形状

(2)纺丝温度可以影响熔体表面张力和流动性能，对纤维截面形状影响较大。纺丝温度升高，聚合物熔体粘度下降，流动性能增加，通过喷丝孔时膨胀率下降，熔体表面张力减小，中空度会降低；但是纺丝温度偏低，聚合物熔体粘度大，流动性变差，熔体表面张力与形变阻力增大，虽然可提高中空度，但对喷丝板以及组件压力都会产生一定影响，从而影响可纺性[14]。

(3)风速(环吹风或侧吹风)、风温对纤维成形影响较大，尤其是条干的均匀性，提高风速，可以加快冷却，加强纤维截面的不对称结构从而获得潜在卷曲更好的初生纤维。但是风速偏大，冷却速度过快，会引起丝条震荡，出现飘丝造成工艺困难，而且原丝取向度会增加、拉伸性能变差等，尤其是侧吹风装置，如果风速过大容易造成内外侧丝条受冷不均匀，出现取向、结晶不平衡而产生的非对称状况[15]。风温低则使丝条冷却条件加剧，也可以获得高中空度，但会影响原丝拉伸性能。因此在设计工艺条件的时候在基于纤维物性与纺丝状况良好的基础上，适当提高风速、降低风温，来获得较高中空度的中空纤维。

(4)此外，纺速、冷却距离、给油等对纺丝也会产生一定的影响，这和聚合物种类以及纺丝方式也有密切的联系。纺速增加如果要保持原设计纤度那么计量泵泵供量和单孔吐出量会增加，聚合物熔体在喷丝孔的流速也会增加，流动剪切速率增大，孔口胀大现象加剧，中空纤维壁增大而中空度会减小，而且纺速增大会使纱线断头率增加，毛丝增多影响可纺性能。有研究表明分别选用80cm、90cm冷却距离进行纺高速涤纶中空FDY时，80cm时纤维强度略高，纺丝稳定、条干不匀低，能达到所需中空度。纺丝油剂的选择主要是根据后续加工而定，给油位置对成纱质量也有着重要影响。

对于以中空喷丝板为基础的直接纺中空纤维的方法，国内相关学者也作了诸多研究，姜勇刚等[16]以聚碳硅烷(PCS)为原料经C型喷丝板熔融纺丝制备出C型、中空聚碳硅烷原丝，再经不熔化和高温处理后得到C型或中空截面碳化硅纤维，纺丝温度以及后处理工艺中的不熔化及烧成温度对异形度的影响较大。杨元坤[17]从喷丝板设计与纺丝工艺方面对高速纺涤纶POY中空纤维、涤纶FDY中空纤维进行了探讨，从纺速、熔体温度、拉伸比等方面对中空度的影响作了说明。赵瑞辉[18]将细旦中空涤纶短纤维熔融纺丝动力学与计算机技术相结合，对熔融纺丝工艺进行优化，全面提高纤维品质。

2.2 溶液纺丝

溶液纺丝主要是将高聚物浓溶液从喷丝板挤出，根据固化方式的不同又分为干法纺丝和湿法纺丝，干法纺丝主要是在热空气中形成纤维，湿法纺丝则要通过凝固浴析出而形成纤维。粘胶纤维通常采用湿法纺丝，通过用化学试剂溶解纤维素纤维或者蛋白质纤维，再通过喷丝板进行纺丝，纺出丝经过冷水浴冷却成型，这种方法制得的纤维强度相对熔融法制得纤维强度较低。采用湿法纺丝技术生产中空纤维，纤维的中空度主要是通过控制喷丝板中喷丝孔的大小、原液种类以及纺速来决定，而湿法纺丝技术制得的中空纤维常用作过滤膜。

2.3 复合纺丝

中空纤维的复合纺丝主要是将具有不同溶解性的聚合物熔体进行纺丝，成型后溶去中间组分，而使剩下的纤维具有轴向空腔的方法，比如在使用芯鞘、海岛等类型喷丝板时，芯组分或者岛组分采用易溶解聚合物，成型后再溶去芯组分或岛组分，则可以得到单孔或多孔中空纤维。这种间接式的方法可以避免直接熔融纺丝法中的拉伸、卷取、摩擦等作用使孔变形而降低了中空率，而且还可以控制各组分在纤维截面上的比例，这种方式制备的中空纤维中空度可达40%。而在双组份并列中空纤维，根据两种聚合物熔体的粘度差，熔体在流经喷丝孔时受到剪切力不同导致断面上内应力的差异从而产生潜在的卷曲，再经过后加工的拉伸、热定型后可以得到三维中空卷曲纤维。如果构成中空纤维的熔体中共混入特殊的微细孔形成剂，而在后处理过程中再溶解掉该部分，则可得到许多贯穿纤维表面与中空部分的细孔，从而得到微孔中空纤维[19-20]。关于中空纤维的复合纺丝法，许多学者也作了相应的研究，刘鑫等[21]采用聚丙烯(PP)为皮层、特殊改性共聚酯为芯层的皮芯结构复合纤维，再用碱溶液溶去芯层得到中空度为30%～50%的中空纤维，这种中空PP纤维密度更低。杨旭俭[22]等采用乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)与聚丙烯的共混物为芯层，PP为皮层采用熔融纺丝法制得皮芯复合中空纤维。秋庭英治[23]通过以海岛纤维(海成分为聚酯，岛成分为exceval T M水溶性树脂)，在90℃热水中处理30min溶出岛成分，从而得到多空中空纤维，中空度达40%，比重只有0.83g/cm3，如下页图4所示。西村正树[24]也通过对微孔中空纤维的研究，试验发现中空度为38%的中空纤维筒编物导水速度达55mm/min，验证了中空纤维具有轻量性、保温性、导水扩散等特性，同条件下普通纤维筒编物导水速度为15mm/min，在功能面料素材的开发中具有较大潜在价值，中空纤维截面见图5。

图4 热水溶出前后多孔中空纤维截面图

图5 中空纤维截面图

3 中空纤维制备技术存在的问题

中空纤维虽然具有诸多优点，但也有一些地方需要改善：(1)中空纤维截面是中空形态，直接法纺出的中空原丝(UY、POY等)并不能直接运用，而后序的拉伸或加弹变形加工中容易使中空压扁或变形，中空度降低，而且中空会减弱原纤维部分性能，做成织物后，持续使用，效果的保持性差；(2)从理论上讲中空度越高越好，但过高的中空度会导致纤维易被压缩且不易加工，而且容易使纤维壁发生破裂；(3)复合纺丝法生产出的中空纤维，由于要溶解掉中间部分，会增加原料成本。这里面有许多因素都是需要再考虑的；(4)中空纤维两端开口不利于保持在空腔中填充物的性能以及限制了在拒水功能方面的应用等。中空纤维经过数十年的发展，从聚合物选择、纺丝组件设计、工艺流程设计等方面都已经比较成熟，而且中空纤维已在多领域有着广泛的研究和应用，如何进一步拓展其应用领域，增加产品的附加值也是今后研究的重点，以及克服在研究与生产中所遇到的问题，开发出符合拥有市场的新型中空纤维[25-27]。在开发中空纤维过程中，包括细旦中空纤维、高速纺中空FDY，通过在纤维的中空部分内填充热敏材料开发出具有温控纤维，以及抗紫外、抗静电等功能化纤维的开发[28]。而且中空纤维在作为过滤膜材的重要原材料，在当今环保节能的主题下，以及实现资源的可持续发展中都具有重要作用。

4 展望

中空纤维作为一种差别化纤维，通过其本身的结构和特性来提高产品的附加值。虽然涤纶、锦纶中空纤维等在民用纺织品里面应用较多，技术也在日趋成熟，成套的工艺设备与生产流程也在进一步的完善，更深层次的研究和工艺优化还在不断探索中。中空纤维在纺织服装、膜分离领域有着广阔的应用前景，那么从原料、结构、工艺、用途等多方面对中空纤维进行深层次的研究也是今后研究开发的重点，最终展现出中空纤维的巨大价值。

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2016-04-02

李健(1987-)，男，硕士，研究方向：差别化纤维开发以及家纺产品设计。

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1008-5580(2017)01-0247-05