双组分聚酯纤维技术和产品应用进展

纪晓寰，方彦雯，孙 宾*，王鸣义

(1.东华大学材料科学与工程学院，上海 201620； 2．和也健康科技有限公司，浙江 湖州 313000)

在可持续发展的背景下，传统纺织品和技术纺织品应用市场的拓展对纺织原料提出了更高的要求，双组分纤维作为复合纤维的重要组成部分，可实现单组分纤维难以达到的性能，如热黏合、超细化、功能性等。聚酯纤维是消费量最大的化学纤维品种，占全球纺织纤维消费量的52.2%[1]，同时随着聚酯纤维在纺织加工应用中的主导地位不断增强，并列型、皮芯型、海岛型、裂片型等[2]双组分聚酯纤维的消费量也在不断增长，2020年消费量超过1 500 kt，既拓展了应用市场，也符合可持续发展的理念。

作者从聚酯原料合成技术、复合纺丝加工技术及产品市场开拓发展的角度，综述含聚酯原料的双组分纤维的研究、生产、应用的进展，指出我国双组分聚酯纤维部分研究和产业化取得很大成效，围绕可持续发展的技术进步仍有较大的提升空间，高性能市场产业化应用值得关注。

1 双组分聚酯纤维技术

双组分聚酯纤维从合成至应用的技术复杂程度相对高于单组分聚酯纤维，目前其研究主要体现在：(1)“新”聚酯及其共聚/共混改性聚酯的合成，以及双组分纺丝成形技术；(2)提高复合纤维质量稳定性和降低制造成本的熔体直接纺丝、喷丝口外复合纺丝等新工艺技术；(3)超细化、功能化的复合纤维异形截面，以及适合后续再加工过程的分离、溶解等工序的新技术；(4)采用新型纳米技术、静电纺丝技术等手段开拓新的应用领域。

1.1 热熔黏型皮芯复合纺丝技术

热熔黏聚酯因具有黏结迅速、无需溶剂、应用面广、相对无毒害、污染少等特点而被誉为“绿色胶黏剂”，是当今世界胶黏剂发展的一个重要方向。热熔黏聚酯纤维可分为双组分和单组分纤维两类，长丝可用于蚊帐、窗帘、缝纫线，短纤维可用于非织造布等。

低熔点聚酯一般作为热熔黏型皮芯复合纤维的皮层，采用共聚改性法，通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中加入间苯二甲酸、脂肪族二元醇等共聚单体而制备，根据最终产品要求，共聚物的熔点可下降至110～160 ℃[3]。

日本尤尼吉可株式会社[4]于1981年开发了世界上第一种用于非织造布和纤维填充物的皮芯型系列双组分聚酯纤维MELTY®。其中，MELTY®-4080的皮组分是含有间苯二甲酸的共聚酯；MELTY®-6080的皮层采用高密度聚乙烯，专门用于婴儿纸尿裤或卫生巾，具有高柔软性的触感。此外，为了满足在高温环境下使用时织物不易变形的需求，开发了CASVEN®-7080，其皮层熔点160 ℃，共聚第四单体是1,4-丁二醇，可用于汽车内饰、座椅组件、行李箱、地板衬垫、引擎盖消音垫或发动机空气和机油滤清器、床上用品等，还可用于纺纱，通过空气加热对细纱织物或针织物进行整理，具有长时间的尺寸稳定性和良好的染色性。

采用低熔点聚酯切片皮芯复合纺丝的技术难点在于低熔点聚酯的干燥及配套纺丝工艺的优化。俞海峰等[5]以熔点为110 ℃的改性切片(Co-PET)为皮，常规PET切片为芯，采用转鼓对Co-PET低温(80℃)12 h真空干燥后复合纺丝，优化的生产工艺是皮芯质量比为70:30，拉伸速度3 800～4 000 m/min，拉伸倍数2.0～2.2，拉伸温度55～70 ℃，定型温度80～100 ℃，获得的33.3 dtex/24 f皮芯复合全拉伸丝(FDY)质量稳定。陶国平等[6]采用新型复合纺短纤维工艺手段制备了热熔黏型皮芯复合纤维，皮层为切片螺杆熔融聚烯烃材料，芯层为特性黏数0.67 dL/g的直接纺PET熔体，相对黏度降小，拉伸性能优于切片纺聚酯纤维；皮层也可采用熔点为110～125 ℃改性聚酯，同样可采用直接纺工艺，避免了低熔点聚酯干燥过程降解的难题。

原料全部采用聚酯合成双组分热熔黏材料，从技术角度已经可以规模产业化，其在耐久性的聚酯纤维织物(填充物)的回收再生领域具有优势，而对于“用即弃”的非织造布领域，采用脂肪族-芳香族生物可降解聚酯合成双组分纤维值得关注。

1.2 海岛复合纺丝技术

在海岛复合纺丝技术进展中，海组分始终是研发的重点，第一代PET为岛的海成分为聚乙烯，后续加工过程需要用溶剂将海成分溶解，溶剂需要回收再生，相对成本高。第二代采用聚苯乙烯为海成分，甲苯为溶剂，尽管成本降低，但溶剂的安全性被质疑。第三代以PET的酸改性共聚酯为海成分，引入第三单体间苯二甲酸-5-磺酸钠，得到的切片纺丝性能良好，在稀碱性热水中能够非常好地溶解，已实现工业化生产。另外，第三代优化方案还包括引入第四单体间苯二甲酸(IPA)，破坏结晶性能，使碱液易于渗透；引入第五单体聚乙二醇(PEG)，降低共聚酯的玻璃化温度，从而降低水解温度[7]。但是溶出液难以生物降解，且溶出液中的锑系催化剂对环保造成压力。

近年来，采用脂肪族水溶性聚酯且摒弃重金属催化剂成为研发的重点。柳伟[8]以衣康酸(IA)、磺化产物丁二酸-2-甲基磺酸钠(ISNa)和1,4-丁二醇(BDO)为原料，采用直接酯化-缩聚法制备新型水溶性聚亚甲基丁二酸丁二醇酯(PBIINa)。随着ISNa含量增加和温度的提升，水溶性增强，但钛酸四丁酯为催化剂时，易与体系中原料反应造成催化剂失活。金开元等[9]采用有机无机杂化钛系催化剂，在一定程度上避免了脂肪族水溶性聚酯制备过程中催化剂水解失活的难题。目前，原料IA、ISNa、BDO已实现工业化，生产成本大幅下降，未来这种对环境友好的可生物降解的“海”成分“新”聚酯合成工业化可期。

1.3 并列复合纺丝技术

采用不同黏度聚酯或改性聚酯熔融并列复合纺丝，可获得良好卷曲形状和回弹性的纤维，部分取代聚氨酯纤维，解决聚氨酯纤维制造过程相对复杂、合成成本高、对环境影响程度大、难以回收再生等问题。1980年，金惠芬等[10-11]系统地研究了熔融复合纺丝成形及再加工工艺，并列复合熔体界面运动规律及组分、成形条件与卷曲性能的相互关系。

1987年，日本Ester公司采用特性黏数为0.47 dL/g的间苯二甲酸-5-磺酸钠改性PET共聚酯(CDP)与特性黏数0.687 dL/g的PET以质量比50:50并列复合纺丝，得到卷曲数高达82个/25 mm的弹性纤维，纱线的弹性回复率为98%，与氨纶包芯纱相近[12]。我国也开发并工业化生产了类似的具有相当弹性，且可以采用阳离子染料染色的差别化“仿腈纶”毛型纤维[13]，商品名波斯纶®。

张培红[14]采用特性黏数为1.24 dL/g的聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)与0.67 dL/g的常规PET切片并列中空复合纺丝，得到卷曲弹性率达到90.5%的中空短纤维，发现两组分受到的纺丝张力差是两组分潜在热收缩性差异的主要因素，通过拉伸及热处理，有效释放其潜在的差异，可获得较高的卷曲弹性[15]。

林海[16]选取高、低黏度PET(特性黏数分别为0.908，0.502 dL/g)作为并列的两种组分复合纺丝，发现面积比为1:1时纤维的卷曲率最高，在低黏度组分中添加质量分数15%的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，纤维的强度及模量都有所提高。

王宇等[17]采用不同相对分子质量的PEG对PET进行共聚改性制得到共聚酯(PEGT)，再将PEGT与PTT按质量比50∶50，以“8”字形进行复合纺丝制得PEGT/PTT并列复合弹性纤维，相比PET/PTT并列复合纤维卷曲弹性提高，且可实现分散染料常压沸染。

并列复合纺丝的优势在于纤维的卷曲弹性可根据应用领域的要求精确调控。在纺织面料领域，两组分不同的分子结构或热性能可赋予染色性能变化(例如阳离子染料可染、阴离子染料可染、分散染料可深染等)、柔顺性手感的变化，以及亲水或抗静电性等多功能性。在填充领域，采用不同黏度的回收再生聚酯作为并列中空双组分，非对称冷却复合纺丝，既符合持续发展要求，又可大幅度降低纤维的制造成本。

1.4 生物相容性皮芯复合纤维技术

PET纤维经过表面改性后可用于医疗行业[18],但缺陷是不具有良好的生物相容和可降解性，脂肪族聚酯如聚羟基烷酸酯(PHA)、聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)等具有良好的生物相容性及生物可降解性，但单独成纤性能较差，纤维的物理机械性能相对弱，采用脂肪族聚酯为皮，同样具有生物可降解性能的聚乳酸(PLA)为骨架，皮芯复合纺丝，可弥补单组分的不足。

R．HUFENUS等[19]应用特别开发的装置进行双组分熔纺获得PLA为芯和PHBV为皮的双组分纤维，克服了PHBV不易拉伸成形的缺陷，可用于织物。用人体真皮细胞与该双组分纤维试验，证明这些纤维具有生物相容性且无毒性；培养10 d后，细胞沿着单个纤维和跨越纤维交叉点增殖良好，能够用于医学治疗领域。

1.5 裂片型复合纤维技术

裂片型复合纤维是一种重要的超细纤维，按截面形状可分成橘瓣型、齿轮型、米字型、多层型等。早期裂片型复合纤维主要以长丝为主，熔点相近但界面不相容的两种聚合物组分通过同一喷丝孔冷却成形，经过拉伸定型后，依然保持一根纤维形态，而后通过机械、加热和溶剂等方式在后加工过程中开纤得到超细单纤维。近年来随着国内针刺法非织造布、水刺法非织造布领域开始使用复合超细短纤维为原料制作非织造布人工皮革底基，裂片型复合超细短纤维开始呈现出较快的增长态势。

邓沁兰等[20]认为采用化学开纤是比较可取的方案，开纤时用质量分数1%～2%的氢氧化钠溶液，在沸腾状态下对涤/锦复合丝处理30～40 min，涤/锦复合丝可分裂成“8+1”或“8+8”根纤维。赵义侠[21]采用双组分纺黏实验线，利用管式牵伸制备16瓣聚酰胺6(PA 6)/PET (质量比40:60)的中空橘瓣型双组分超细纤维制品，相对于常规裂片分割，中空裂片分割可相对容易地形成16×2的超细纤维，单丝线密度可以达到0.2～0.25 dtex，且分离后的纤维界面类似于三角形，具有良好的外观。

裂片型超细纤维织物与普通纤维织物相比，其纤维本身具有极小的直径、独特的截面形状和极大的比表面积，纤维之间存在大量的微细空隙。因此，这种织物有很强的纳尘、去油、去污能力[22]。例如，由质量分数70%的PET和质量分数30%的PA 6制备的米字形裂片复合纤维，具有较好的静电吸尘性，且吸尘量随开纤率增加而增大，纱线吸尘性比纯棉纱线高96.71%，比普通PET拉伸变形丝(DTY)高566.39%[23]。

1.6 功能性皮芯复合纤维技术

皮芯复合纺丝是简单且合适制备功能性聚酯纤维的方法，该法既可保持聚酯纤维的物理机械性能，又能发挥其功能性。

W．STEFANI等[24]开发一种超吸水复合短纤维，商品名为Sabko®。将高吸水性聚合物(SAP)研磨至粒径约为5 μm，先与聚乙烯(PE)加工成母粒再与PE混合，制得高吸水PE皮层，然后与PET芯层复合纺丝，SAP质量分数为1.6%时，纤维保水率高达20%。

王鸣义[25]采用熔点较高的PET为皮层，吸附油性香料的乙烯-醋酸乙烯(EVA)与聚丙烯(PP)共混物为芯层复合纺丝制备了具有持续释放芳香气味的纤维，香味难以从PET皮层散发，只能沿纤维轴向从切断的横截面逐渐逸出，达到持久芳香的效果，相比微胶囊法处理纤维表面留香更持久，并耐水洗。

尽管高含量消光剂(例如二氧化钛(TiO2)质量分数高于4%)对涤纶薄型织物防透视效果明显，但TiO2质量分数达到2.5%及以上时易造成纺丝、拉伸过程不稳定，纤维断裂强度大幅度降低[26]；而皮芯复合纺丝可弥补这一缺陷，控制芯层组分中TiO2含量保持0.3%不变，当皮层组分中TiO2质量分数为1.5%～8.0%时，纤维的断裂强度降幅仅1.85%，皮层组分中加入质量分数4.0%的消光剂就能够使透射率降低至1.378%[27]，达到防透视的功能目标。

周卫东[28]以PA 6为皮层，PET为芯层，复合比为50∶50，制成2.85 dtex皮芯型双组分短纤维，机械性能较PA 6短纤维有较大的改善，断裂强度增至3.77 cN/dtex，断裂伸长降至64.4%，相比涤纶短纤维，回潮率由0.4%提高至1.7%，可用于一次性卫生用品。

韩烽等[29]采用改性PET(含碱溶成孔剂)为皮层，含有驱蚊剂(液态、固态)的PP为芯层，得到复合纤维后再用碱液处理，使皮层中的成孔剂溶出，使芯层中的驱蚊剂能够通过微孔释放，达到驱蚊的目的。候忠等[30]开发了皮层含有原位聚合电气石的PET，芯层含有驱蚊剂的复合纤维，具有负离子功能及驱蚊性能。

史利梅等[31]制备了皮芯复合PET相变纤维，采用质量分数35%的十八烷吸附到凹凸棒土中制得复合相变材料，然后复合相变材料与PET按质量比1:9混合制得的共混母粒为芯层，再与PET皮层按质量比1:1复合纺丝，制备的复合相变纤维具有较好的调节温度性能，可明显地延缓外界温度对纤维内部温度的影响，维护纤维内部的温度相对较稳定，形成微气候。

段菊兰等[35]探索了复合纺丝法制备聚酯瓣状光纤的纺丝工艺，采用聚碳酸酯(PC)为高折射率组分、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为低折射率组分，在喷丝导孔中复合进入喷丝孔，挤出成为一根纤维；再通过水浴冷却，然后卷绕，制备的纤维均匀连续，可以减少光纤的接头损耗，且生产效率高。

1.7 纤维纳米化技术

海岛纤维溶解法、分裂法等均可以制备纳米纤维。H．YAMANAKA等[32]依靠双组分海岛纤维Ultrasuede®工业化技术，制备了使纳米合金可以在纳米尺度上产生微分散的多组分聚合物。将海组分和岛组分聚合物混合并通过捏合机造粒而制成纳米合金聚合物粒料。然后，这些粒料作为岛组分熔融纺丝，获得纳米合金纤维。再通过碱处理从这些纤维中去除海组分，从而得到纳米纤维。通过透射电镜可观察到这些岛的平均直径约为60 nm，长度为不等长的短纤型纤维，这些短纤维具有层级结构，能自组装形成纳米纤维束，这些纤维束又形成纳米纤维束复丝。

静电纺丝是相对简单且成本较低的制备纳米纤维的途径。刘晓凤等[33]使用强静电场来吸引带电的聚合物溶液或聚合物熔融体制造纳米纤维。在最佳溶液或熔体材料特性和纺丝条件下，可以获得100 nm的纤维。采用熔融体的最大优势在于不需要溶剂，可以省却溶剂回收并大幅度提升材料的使用安全性能。

同轴熔融静电纺丝采用皮芯复合基本原理，芯层可以包裹特殊的材料，包括液态甚至气态的物质，因而这些纳米纤维备受关注并有望获得更广泛的应用。在这个过程中，两种不同的材料分别通过同轴毛细管输送，并通过电场拉动以生成皮芯复合纳米纤维。当熔融聚合物或溶液按高压充电时，电荷积累主要发生在从外同轴毛细管中流出的“护套”皮层液体的表面。护套中产生的应力通过黏性拖动和接触摩擦施予核心液滴的剪切力，使核心液体变形为圆锥形，形成小范围的施加电压，可以形成一个稳定的复合泰勒锥体。

R. B. VENTURELLi等[34]采用回收PET瓶片再生原料，芯层为薄荷油，通过同轴和双射流静电纺丝技术获得纳米级纤维，作为芳香疗法的芳香剂释放源，30 d后释放的油量为33%。

纳米纤维具有特殊的性能，在生命科学、医疗、美容等领域应用前景广阔，已得到行业的极大关注。未来以聚酯为皮层，利用同轴熔融静电纺丝法制备纳米纤维还需进一步研究。

2 双组分聚酯纤维的应用

聚酯双组分纤维的应用市场大致分为五个领域：纺织热熔黏辅料约占27%，非织造布(包括短纤维和熔喷、纺黏长丝)约占25%，医疗、超洁净及高性能产业等约占18%，地毯等家装纺织品约占15%，功能性纺织品约占15%。热熔黏辅料领域代表性双组分纤维是PP/PET和Co-PET/PET皮芯复合纤维；非织造布及织造布超细纤维领域主要是Co-PET/PET海岛复合纤维、PET/PA 6橘瓣分裂复合纤维等；高性能产业领域主要是PMMA/PC皮芯复合光导纤维、同轴静电纺纳米纤维；功能性纺织品领域主要是PET/PTT并列复合弹性纤维、PET/EVA-PP皮芯复合芳香纤维等。大部分的双组分纤维在我国已产业化，并形成了有效的规范和标准[35]。

2.1 “用即弃”非织造布领域

随着消费者生活水平的提高，“用即弃”非织造布市场不断增长，主要表现在：婴儿和成人纸尿裤、女性卫生用品的需求增加显著；城市化建设使汽车产量和家居用纺织品快速增加；美容、理疗和防疫等新型市场扩展迅速。

热熔黏皮芯复合聚酯纤维是消费量最大的双组分聚酯纤维，相比单一聚合物纤维，热熔黏皮芯复合聚酯纤维成本低，且具有良好耐化学性和物理性能，是非织造布领域需求增长的主要动力，预计在中国等新兴市场渗透率不断提高的推动下将实现高速增长。据市场研究公司分析， 2024年全球热熔黏皮芯复合聚酯纤维市场可能达到22.669亿美元。

2.2 合成革耐久性非织造布领域

目前，超细纤维制成的高级人造革已经广泛应用于鞋、服装、家具、球类及汽车内饰等技术纺织品领域(如全球90%以上的运动鞋鞋面采用超细纤维合成革制成，部分交通载具座椅也采用超细纤维合成革替代天然皮革)。

传统的海岛超细、裂片超细短纤维正在被加工过程更高效、成本更低、品种规格更易调整的熔喷、纺黏技术所逐步替代，如橘瓣型纺黏非织造布的强力一般比短纤维非织造布高出30%，且吸水量、吸湿速度及透气量较为理想，与海岛超细纤维相比，不需要溶去海成分，大幅度降低成本和对环境的污染[36]。

据人造革、合成革委员会估计，2020年我国超细纤维(含聚酯复合超细纤维)合成革消费量占人造革、合成革消费量的6.31%，年均增速达到10.04%，用于制鞋业约占41%、家居约占20%、服用约占17%、箱包约占12%、交通载具座椅约占8%，运动体育用约占2%。

2.3 功能性纺织品

虽然目前传统的双组分复合纺超细纤维在时装面料、高密织物、高性能擦拭布、仿桃皮绒织物、人麂皮等领域已经逐渐被单组分熔体直接纺和新型骤冷系统得到的0.33 dtex超细PET所替代[37]，部分高成本的PTT/PET双组分弹性纤维也正在被不同黏度的PET并列复合纤维所取代[38]。但是新型双组分复合纤维在纺织品领域依然有所发展，例如导电、抗静电双组分聚酯工业丝、导电纤维织物[39]、单丝线密度小于0.2 dtex的PA/PET中空裂片超级清洁擦拭布、超级滤布等。

2.4 新型产业应用领域

2.4.1 塑料光纤

相比石英玻璃纤维光纤，塑料光纤具有制作简单、成本低、柔性高、接续损耗较低的特点，采用皮芯复合纺丝工艺，芯层(直径1.0 mm)为可长期耐温115 ℃的PC，皮层为氟改性的聚丙烯酸树脂，覆盖层为PP(总直径为2.2 mm)，其360°的弯曲半径达5 mm[40]，可应用在狭窄弯折空间和相对高温的场合。

塑料光纤通信系统是全面实施“光进铜退”的重要手段，也是实现“宽带中国”战略的一个重要选择，应用前景广阔。此外，其在工业控制、电力行业、石油化工行业、医疗、交通工具(汽车、高铁、飞机、舰船等)、军工、室内短距离数据传输等领域也获得了广泛的应用。据中国塑料光纤产业联盟战略研究中心报告预测，2022年中国塑料光纤需求将达到2.237×107km。

2.4.2 纳米纤维

按应用市场细分，纳米纤维可应用于水和空气过滤、汽车和运输、纺织品、医疗、电子、储能等领域[41]。其中，用于水和空气过滤介质的需求占50%以上，主导纳米纤维市场需求。电纺纳米纤维基过滤介质具有高表面/体积比，低压降，良好的空隙互连性及可控的连接性和形貌，是实现高效过滤的理想之选，将其用于高效微粒空气过滤器，可除去至少99.97%的空气传播的直径为0.3 μm颗粒；用于工业领域，纳米纤维基过滤介质可以保持指定环境无颗粒污染物，如电子芯片加工、生物医药制品洁净室等。

在水处理领域，纳米纤维可作为压力和渗透膜工艺中薄膜复合膜的支架。此外，其还用于水处理的热驱动膜蒸馏工艺。

在生物医药领域，采用同轴皮芯复合纳米纤维或利用芯层所包含特殊的理疗成分，可用于药物缓释体系、组织工程支架构建、载药医用敷料和缝合线等。

3 结语

双组分聚酯纤维在传统纺织品领域的开发生产相对比较成熟，并占有一定市场份额，采用皮芯复合可满足单组分纤维难以达到的功能性要求；采用具有较好染色性能和亲水性能的聚合物为皮层，聚酯为芯层复合纺丝，可提升织物的穿着美观和舒适性；通过新型聚酯和共聚酯的开发和工业化生产，采用并列复合纺丝可赋予纤维优良的弹性，使产业链的成本降低；虽然涤纶单丝线密度已经低至0.33 dtex，但海岛型、裂片型超细纤维用于时装面料仍有市场竞争力。

双组分聚酯纤维在技术纺织品领域的发展值得期待。在塑料光纤、纳米纤维、生物医疗等领域，科研院校、生产企业应紧密联合，开展合成方法、纺丝技术、产品应用研究，如开发大容量无需机械接触拉伸的熔喷纺黏超细化技术和新型双组分静电纺丝纳米技术等，并实施产业化，形成利益共享的产业链。在“用即弃”非织造领域，应进一步降低生物可降解聚酯的原料成本，采用安全环保的聚酯合成催化剂和纤维表面处理剂，加快实施生物可降解聚酯复合纺丝的工业化，并尽快替代难以生物降解的“用即弃”聚合物纤维。