双组分聚烯烃复合纤维的生产技术及应用现状

毛绪国，王立诚，吴 彭，窦 娟，孙俊芬*，陈 龙

(1.中国石化仪征化纤股份有限公司，江苏 仪征 211900； 2.东华大学 材料科学与工程学院，上海 201620；3.东华大学 纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620； 4. 中国化学纤维工业协会，北京 100020)

随着人们物质生活水平的不断提升、二胎政策的普及和人口的老龄化，人们对个人卫生的重视程度越来越高，双组分聚烯烃复合纤维(俗称ES纤维)作为纸尿裤、卫生巾的原材料越发受到重视。同时，2020年初，因新冠肺炎疫情的影响，医疗材料的需求大幅度增长，聚丙烯(PP)熔喷布作为医用非织造材料受到高度关注[1]。

双组分聚烯烃复合纤维最早由日本JNC公司开发，并于1977年实现工业化生产。双组分聚烯烃复合纤维主要通过熔融复合纺丝技术进行生产，主要过程为聚烯烃与第二组分分别进行熔融和计量，输送至纺丝组件并均匀地进入喷丝导孔，2种聚合物的熔体汇合最后经过冷却形成复合纤维。双组分聚烯烃复合纤维特别适合通过热黏合工艺制备成多种类型的非织造布，广泛应用于卫生医疗材料、保暖填充料等产品领域[2]。针对产品的不同应用领域，纤维组分结构的设计、纺丝设备与生产工艺的选择是双组分聚烯烃复合纤维生产技术的关键。与国外先进企业相比，我国双组分聚烯烃复合纤维行业起步较晚，整体的自主研发和创新能力较为薄弱，双组分聚烯烃复合纤维产品主要集中在国内中低端市场，国际市场被日韩美等国外先进企业垄断，在技术水平、产品性能、品牌形象等方面均存在一定差距[3]。近年来，我国加大了双组分聚烯烃复合纤维的研发力度，也取得了丰富的研究成果[4]。作者从双组分聚烯烃复合纤维的性能出发，阐述了该纤维生产中对原料的要求以及生产工艺技术特点，并介绍了该纤维的应用领域和未来发展趋势。

1 双组分聚烯烃复合纤维的分类及性能

双组分聚烯烃复合纤维包含2种组分，其中至少1种组分为聚烯烃类聚合物，用于制备双组分复合纤维的聚烯烃类物质主要为聚乙烯(PE)和PP。根据组分的排列形式，常见的双组分聚烯烃复合纤维可分为基质-原纤型、并列型和皮芯型，通过2种组分间不同的排列方式可以制备不同截面结构以及不同性能特征的复合纤维。

1.1 基质-原纤型复合纤维

基质-原纤型复合纤维根据组分的含量分别将2种组分定为基体相和分散相，2种组分间通常按照一定的规律相互交错的分布，比较常见的分布形式包括橘瓣型、海岛型。橘瓣型纤维的截面形状类似于橘子的造型，很容易在纺织加工过程中发生剥离，剥离后纤维的表面积增大，手感、透气透湿性能大幅度提高。海岛型纤维的分散相组分均匀嵌在连续相组分中，2种组分聚合物经螺杆熔融、喷丝孔高倍拉伸和剪切形变后，经过拉伸和热定型的工艺可以得到物理性能良好的高收缩纤维，还可利用聚烯烃耐酸碱的特性，通过溶解分散相能够制备出更多特殊形貌的复合纤维。P.MOONEY等[5]制备了一种截面形状为齿轮形的PP纤维，首先制备PP/聚乙烯醇(GP)的双组分复合纤维，其中GP为高度无定形的类型，这样的结构不仅能够溶于水并且不会产生发泡现象；初生纤维中分散相均匀分布在纤维的外圈，类似于橘瓣状分布，在经过水萃取后就能够得到齿轮状的PP纤维，此种结构有望应用于制备超疏水结构纤维。

1.2 并列型复合纤维

并列型复合纤维各组分聚合物在纤维横截面上呈并列分布。2种组分可以是不同聚合物，如PP/聚酰胺6(PA 6)、PP/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等；也可以是熔体流动速率不同的同种聚合物，如间规PP/等规PP。并列型复合纤维由于2种组分的干热收缩率不同，纤维经过热拉伸和热定型后产生收缩差，通常可用于制备高收缩织物。随着聚合物单体的设计技术不断发展，利用弹性更加出色的聚烯烃共聚体制备复合纤维往往能进一步提高纤维的卷曲度。C.PRAHSARN等[6]制备了一种含乙烯辛烯共聚物(EOC)和PP的并列型双组分复合纤维，所得EOC/PP双组分复合纤维表现出自卷曲行为，复合纤维的卷曲度随着EOC含量的增加而增加，EOC/PP质量比为50/50时复合纤维具有最高的卷曲度，这种自卷曲行为是由于EOC和PP之间的弹性和取向不同而产生的不平衡力，在纺丝过程中，纤维中的EOC和PP都被拉伸和变形；弹性大的EOC比PP更容易变形，增加EOC会导致纤维大量伸长，从而使纤维的直径变小。

并列型双组分复合纤维的截面形状还有ABA型的三明治结构排列形式，这样的结构可增加2种组分间界面的面积，得到的复合纤维不易分叉，能够表现出更好的功能效果。缪国华等[7]制备了一种着色PP纤维，正是利用了ABA型复合纤维结构，其中纤维外层A为低熔点改性易染PET，纤维中间层B为PP，得到的复合纤维能够进行深色分散染料的染色。R.HUFENUS等[8]制备了ABA型的双组分复合纤维，其中纤维外层均为聚十二内酰胺(PA 12)，中间层为掺杂了碳纳米管(CNT)的PA 6，中间层结构为薄层和楔形结构，虽然其含量不高，但能够在纤维之间形成导电网络，纤维具有优异的导电能力，采用该纤维制备的防护服具有很好的抗静电性能。

1.3 皮芯型复合纤维

皮芯型复合纤维中2种组分分别沿纤维纵向连续形成皮层和芯层，这是双组分聚烯烃复合纤维最常见的截面结构形式。利用聚烯烃熔点低的特点，PE作为皮层能够起到柔化触感、热黏合性强的作用；而芯层为PP或者PET以保证纤维的强度。这样的皮芯结构除了可用于制备热黏合非织造布外，还可通过皮层和芯层材料的多元化设计极大程度上丰富纤维的功能属性与应用领域。F.A.REIFLER等[9]以环烯烃聚合物(COP)为芯层、四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯三元共聚物(THV)为皮层，制备了能够应用于光纤的皮芯复合纤维，皮层的THV具有较低且稳定的光折射率，保证芯层能够稳定进行光的传导。

皮芯型复合纤维除了2种组分均为高温熔融的聚合物体系外，近年来将芯层替换为液体制备液芯复合纤维也受到了关注。ZHU S等[10]以含有共晶镓铟(EGaln)的液态金属合金作为芯层、聚[苯乙烯-b-(乙烯-共聚-丁烯)-b-苯乙烯](SEBS)树脂作为皮层制备了复合纤维，液态金属通过针筒注射入中空SEBS，依靠金属氧化物对纤维两端进行封端，在拉伸率为700%的状态下复合纤维仍能保持良好的电学性能。A.A.LEAL等[11]以饱和复合酯液体为芯层、PP作为皮层，制备了液体中空纤维，并用含表面活性剂的去离子水萃取纤维芯层的酯类物质，利用这种思路有望能够制备含有2种内芯结构的复合纤维。

2 双组分聚烯烃复合纤维的生产技术特点

2.1 原料的熔体流动性匹配

对于双组分聚烯烃复合纤维而言，原料中2种组分的流动特性达到一定范围内的平衡与匹配是关键。工业化生产中主要利用熔体流动指数(MFI)评价聚合物的流动性。一般来说，低MFI聚烯烃对应着相对分子质量高、支链较长和相对分子质量分布较窄，具有优异的机械强度[12]，但在生产复合纤维时要求树脂具有很好的流动性，研究表明聚烯烃的MFI为每10 min 15～25 g、相对分子质量为(7～12)×104时，基本能满足复合纺丝的要求[13]。从2种组分的组合进行分析，最常见的为PP/PE和PP/PET。PP与PE都属于聚烯烃，熔点上的差距不大，针对纺丝特性选择合适的高MFI品种即可。对于PP/PET组合而言，PET熔点远高于PP，因此通常应用于复合纤维芯层的PET均为低熔点品种。实现低熔点PET通常包括两种方法，第一种通过添加改性助剂破坏PET的结晶以降低熔点；另一种则是从化学结构的设计入手，选择合适的共缩聚单体(例如添加烷烃链更长的二酸和二醇单体)，降低主链的规整性，使得PET的本征熔点降低。对比两种改性方法，后者的效果更好，特别是随着PET熔体直纺的技术进步，通过从化学结构设计单体的方式更受到青睐[14]。

2种组分的复合配比也影响熔体流动性的匹配，并直接影响纤维的截面形貌。钱军等[15]研究PET/PE复合纤维时发现2种组分的复合比需合理选择，复合比过大，即皮层过厚，聚合物熔体在喷丝板汇合处的压力差异过大，容易造成纤维的粗细不匀，严重时皮层会破裂，皮层和芯层会发生严重的剥离现象。对于PE/PP复合纤维，当PE和PP的MFI之比接近1.0时，纤维的横截面呈皮芯型，当MFI之比大于1.5时，纤维的横截面呈偏芯型，2种组分的复合比可以根据纤维性能要求在30/70～70/30变化[16]。

2.2 纺丝箱体与组件的设计

双组分聚烯烃复合纤维生产中复合纺丝设备的核心是纺丝箱体，纺丝箱体的设计与纤维产品的最终形貌密切相关。通常，聚烯烃的熔点略低于其他聚合物的熔点，因此在原料熔点确定的条件下，纺丝箱体温度的控制是制备双组分聚烯烃复合纤维的技术关键。根据不同组分的化学性质，纺丝箱体内可以采用双温度系统，以达到精确控制各个组分的温度，G.SCHUTT等[17]认为通过设计双温度系统的箱体管路，可缩短对温度较敏感的聚合物例如聚苯乙烯、共聚聚酯、PA 6等在高温环境中的停留时间，避免聚合物发生高温降解。宁宇[18]在低熔点皮芯复合纤维的纺丝设备研究中，针对熔体分配管路及纺丝箱体采用2套加热系统，保证2种组分单独通过加热介质进行保温，而在箱体内主副箱隔离并进行精密控温，防止不同组分的温度相互影响导致熔体黏度的变化。对于双组分聚烯烃复合纤维纺丝组件的设计，应综合考虑双组分聚合物的纺丝条件和生产运行的稳定性。韩霞等[19]关于PET/PE复合纤维的组件研究中发现，随着纺丝组件中静态混合器圆盘数量的增加，复合纤维中分散相PET的分布均匀程度明显提高，纺丝过程也更加顺利，对于未经共混造粒的复合纤维静态混合器的圆盘应不少于6层。钱军等[15]研究发现纺丝组件采用插管式分配板可以得到截面结构稳定的纤维，并且该组合能够满足喷丝板孔数为800以上的纺丝要求，有效提高生产效率。宁宇[18]采用吊装下装杯型双腔多层混流式纺丝组件，在组件中增加熔体分配杯，减少了熔体流动空间和停留时间，保证了最终复合纤维能呈现较好的皮芯结构。

2.3 纺丝工艺参数的调节

双组分聚烯烃复合纤维生产中纺丝工艺参数主要包括纺丝温度、冷却成形条件、拉伸定形温度等。对于纺丝温度，应在螺杆熔融阶段保证各组分按照各自熔体特性完全熔融并且保证熔体黏度满足混合后的匹配要求进行调控。聚烯烃的纺丝温度宜控制在230～260 °C。需要注意的是，由于聚烯烃与其他聚合物的熔点存在一定差异，纺丝温度与纺丝速度的设置往往需要结合聚合物与纺丝设备两者的要求进行调整。如：林海等[20]在高密度聚乙烯(HDPE)/PA 6复合纤维的纺丝研究中发现，PA 6螺杆区温度为255～265 °C， HDPE螺杆区温度为170～235 °C，纺丝温度为265 °C，该温度下可保持2种组分的组件压力分别维持在13 MPa和15 MPa，纺丝中出丝顺利，纤维的皮芯结构完整；李斯文[21]在对PP/PA 6和PP/PET复合纤维进行纺丝研究时，通过毛细管流变仪确定PP/PA 6的纺丝温度为281 °C，而PP/PET的纺丝温度为294 °C。

双组分聚烯烃复合纤维的冷却成形过程相对于单组分纤维较为复杂，由于2种组分的熔点、晶型和结晶速率上存在差异，导致在相同的冷却成形和拉伸工艺条件下各组分的结晶与取向发展程度不一致，对纤维的机械性能产生影响。对于冷却成形，林海等[20]在HDPE/PA 6复合纤维的研究中认为宜采取大风量、低风温的形式进行冷却，以减少2种组分热传导能力不同带来的温度梯度，选择侧吹风温度为14～20°C、侧吹风速度为0.8～1.5 m/s，冷却成形效果好。对于拉伸温度，聚烯烃为PE时由于其初生状态下结晶度就较高，需要相对较高的拉伸温度，适宜的拉伸温度控制在60～80 °C[20]；而聚烯烃为PP时,其初生结晶度并不高，因此其复合纤维通常在室温下拉伸即可[21]。对于拉伸热定型的方式，刘金鑫等[22]在研究热拉伸及热定型过程对PE/PP复合纤维结构与性能的影响时，发现多级拉伸过程中纤维的取向度和结晶度逐渐增加，其中二级拉伸对纤维的取向、结晶度的提升最显著；热定型温度宜控制在100～120 °C，若热定型温度低于110 °C，聚合物链的运动缓慢，需要增加热定型时间，则影响生产效率。

3 双组分聚烯烃复合纤维的应用

双组分聚烯烃复合纤维中聚烯烃组分具有优良的耐酸碱性能、化学稳定性、电绝缘性和疏水特性，而第二组分又能提供纤维较好的机械强度。复合纤维经过热黏合加工后，得到的非织造布具有膨松、柔软、渗透性好的特点，因而在医疗卫生用品、民用纺织品、工程材料及电池隔膜等领域的应用越来越广泛。

3.1 医疗卫生用品

双组分聚烯烃复合纤维最大的应用领域是一次性医疗卫生用品，双组分聚烯烃复合纤维是生产第三、第四代一次性卫生用品表面包覆层非织造布的原料，也是N95口罩中热风棉的主体材料。由于聚烯烃的熔点低，复合纤维具有优良的热黏合性能，通过热风穿透黏合工艺能够适应新型卫生巾、纸尿裤生产线的高速生产。随着医疗卫生用品的性能要求越来越高，对于复合纤维织物的抗菌改性越发受到关注。陈露[23]将双组分聚烯烃复合纤维与天然竹、麻纤维混合制备非织造材料，经过抗菌剂整理后的织物的抗菌性显著提升，采用有机硅季铵盐整理后的织物经过水洗15次后，其抑菌率仍能超过GB/T 20944.3—2008的规定值[24]。由于聚烯烃的亲水能力较弱，对于需要具有一定吸水率的医疗卫生用品来说，复合纤维的亲水改性是该应用领域的研究重点。毛金露等[25]研制用于提高双组分聚烯烃复合纤维亲水能力的助剂，选取了聚醚硅油与表面活性剂复配，制备了HLB值(表面活性剂的亲水亲油平衡值)为8～13的聚醚硅油，经较低HLB值的聚醚硅油纺丝油剂整理后的非织造布具备快速和持续渗透性能，其返湿量为0.10 g、表面比电阻为2.59×108Ω·cm，能够基本满足卫生用品覆面材料的性能要求。

3.2 民用纺织品与工程材料

双组分聚烯烃复合纤维在民用纺织品中的应用也较为广泛，原因在于聚烯烃纤维的保暖性能较好，同时手感上较为柔软、蓬松，特别适合作为填充料、地毯、汽车用壁材和垫材、棉胎、保健垫褥等。孙京辉等[26]以聚乳酸中空纤维和双组分聚烯烃复合纤维为原料制备热熔絮片，随着聚乳酸纤维含量的增加，制备热熔絮片所需的加热温度升高，热熔絮片的保温性增强，但蓬松度和压缩性能呈下降的趋势，聚乳酸纤维与双组分聚烯烃复合纤维的质量比为7:3、加工温度为128 °C、热风穿透时间为1 min时，热熔絮片综合性能较好，适用于服装和家纺填充料。韩娜等[27]以相变材料为芯材，PP为皮层，采用复合熔融纺丝法制备了储热调温功能的复合纤维，随着相变材料含量的增加，纤维的温度调节能力增加，热焓值可提高至36～40 J/g，纤维的断裂强度和断裂伸长率分别为2.3 cN/dtex和29%，能满足纺织加工要求。

除了民用纺织品领域，双组分聚烯烃复合纤维在工程材料领域的应用也日渐增多。双组分聚烯烃复合纤维在进行热黏合加工时较为灵活，很适合工业化生产，广泛应用于过滤材料、绝缘材料、硬质纤维板、吸附过滤材料等。周晨等[28]以未驻极的双组分聚烯烃复合纤维热风非织造布为原料，对其进行电晕驻极处理，热风非织造布的纤维线密度越小、面密度越大，材料的驻极效果愈好；驻极前后织物的过滤效率有着明显提升；但由于双组分聚烯烃复合纤维热风非织造布本身较粗、空隙较大，对于微小颗粒的过滤效果并不理想，因此更加适合应用于较大颗粒的过滤材料。

3.3 电池隔膜

隔膜材料在电池材料中占有非常重要的地位，其主要作用就是隔绝正、负两极间相互接触、防止内部短路，但同时又要保证正、负离子能够穿透多孔薄膜快速通过，从而完成电化学反应过程中离子的快速迁移。随着电池越做越小巧、电池容量与密度的要求越来越高，对电池隔膜的稳定性、离子传输能力的要求也越来越高[29]。聚烯烃纤维由于较好的耐腐蚀特性，特别是低熔点的双组分复合纤维可以通过加热进行黏合，从而避免了黏合剂的添加，因此将复合纤维非织造布用于电池内部隔膜非常合适。

但同样由于聚烯烃的结构无极性，复合纤维制成的薄膜亲水性较差，容易降低电池内部的离子交换反应。因此，对用于电池隔膜的聚烯烃非织造布通常需要改性处理，主要方法包括接枝法、表面亲水处理法、与亲水化物质共混法和纤维结构微孔化法等[30-31]。这些处理方法的共同点是在隔膜机械性能损伤程度可接受的范围内，在隔膜表面引入大量的亲水或活性基团；或者增加表面沟槽数量提高粗糙度，增强表面毛细效应和表面能，从而提升表面积与亲水能力。例如，刘希夷等[32]将经过等离子体改性的接枝PP纤维与双组分聚烯烃复合纤维进行复配采用标准浆料疏解器疏解纤维，进行抄纸并干燥，最后利用双组分聚烯烃复合纤维的皮层热压下热黏结获得电池隔膜纸，热压温度为135 °C时纸张的各项性能指标较好，吸碱率为130%，抗张指数为24.1 N·m/g。

4 结语

双组分聚烯烃复合纤维从截面结构来分可分为基质-原纤型、并列型和皮芯型，皮芯型结构纤维是应用于热黏合织物的主要原料。在双组分聚烯烃复合纤维的生产中，除了选择合适的原料进行复合纺丝，也需要通过纺丝组件的设计以及工艺参数的调控配合，以实现2种组分熔体的流动性匹配，以满足最终产品的性能要求。

双组分聚烯烃复合纤维在医疗卫生用品、民用纺织品、工程材料以及电池隔膜等领域的应用越来越广泛。虽然复合纤维的抗菌、亲水、保温等性能的改进已有所突破，但现有的技术也还难以满足纺织品智能化、多功能化的要求。随着配位聚合催化体系的发展进步，含极性功能基团的共聚改性聚烯烃的制备技术愈发成熟，通过引入极性基团以改变聚烯烃分子链的结构，实现更加多样化的应用正成为研究热点[33-34]。若能将更加先进的功能化聚烯烃共聚物与复合纤维技术相结合，双组分聚烯烃复合纤维将朝着高端产品发展，并应用于高端材料领域。