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纺织纤维发展和新型纤维应用

2019-04-28 17:23 公司动态 已读

纺织纤维发展和新型纤维应用

纺织纤维品种、产量和质量的发展,既关乎纺织业的发展,又涉及工业、农业、军工、国防、航天、航海、环境和交通运输等。科技创新和社会需求的不断提升,正促进着纺织纤维不断发展。新纤维的开发对纺织工艺、设备、器材和配件等也提出了新要求。研究纺织纤维的变化和发展趋势,开发新型纤维产品,具有重要的社会和经济意义。

1世界纺织纤维的发展概况

从1970年至今40多年来,世界纺织纤维得到飞速发展。据欧瑞康(Oerlikon)集团对1970年~2006年全球纤维的供应量统计(见图1和图2),可看出化学纤维用量已明显超过天然纤维的供应量,近40年来化学纤维增长份额为54%,棉、毛、丝天然纤维的增长份额为37.4%。图1表明20世纪90年代开始,化学纤维已成为最重要的一类纤维。

图1全球纤维供应统计

图2全球纤维产量

图3表明化纤长丝供应量增长比短纤快,这主要归功于涤纶长丝的发展和产业用长丝的增加。

图3纱线和纤维产量

从1980年至2006年,化纤的年均增长率为4.1%,而天然纤维的年均增长率为2.4%,再生纤维年均增长率为5.6%,这与粘胶类短纤的增长有关。

当今西欧、日本和美国整个化纤行业持续萎缩,据有关资料显示,1985年这些国家和地区的化纤总产量所占市场份额从53%下降至20%,而日本以外的亚洲地区占据了72%的市场份额,其中2/3来自中国大陆。

2纺织纤维发展趋势

2.1化纤的发展仍将大于天然纤维

由于耕地面积减少,地价不断攀升,全球人口继续增加,粮食生产依靠种植;棉花等天然纤维供应量将持续减少。此外,也与化纤性能不断改善有关。

2.2化纤长丝发展远大于短纤

纺织纤维已大量进入产业利用,如:交通运输、建筑、航空、航海、汽车、航天、军工和国防均以长丝为主。

2.3再生纤维将持续高速发展

再生纤维一般都能生态降解,符合循环经济发展的要求,如再生纤维素纤维、再生蛋白质纤维等。符合环保要求的,必将持续发展,品质优异、功能较好的纤维将成为亮点,如天使纤维、Modal纤维等。

2.4应大力发展绿色纤维、生态纤维

绿色纤维泛指不用农药,不施化肥,在生产、储存、销售等过程中无污染的天然纤维。生态纤维常指生产过程中无污染环境、无毒液、毒气、毒物排出的纤维,纤维本身能自然分解。绿色纤维、生态纤维尚未建立可检测的国家标准,其概念还缺乏定性、定量的解释,有待完善。目前一般认为的天使纤维,生态有机棉等也只能称为准生态纤维。

2.5应限制或禁止污染环境的相关纤维的生产

如丙纶纤维生产污染较大、不能生态降解且纤维易产生静电,可纺性差,染色性和导湿性也不好,全球市场2006年比2005年下降1.9%,见表1。目前主要用于制造地毯等,但在我国丙纶长丝束编织的手提袋却泛滥成灾,对土地严重污染,建议有关部门给予干涉。

表1主要的人造纤维产量

2.6应大力发展差别化纤维

对20世纪70年代的“纶”族纤维应通过改性实行差别化改造,提高使用价值和性价比。目前,国外腈纶差别化率已达50%以上。

传统的“纶”族化纤有涤纶、腈纶、维纶、丙纶、氯纶等,其共有的缺点是回潮率低,吸湿、放湿性差,可依其特点,通过差别化改性,甚至成为仿真和超真天然类纤维。

2.7纳米复合纤维将成为今后发展的方向

纳米技术通过特定材料超微化或二维化处理,使材料性质发生变异形成纳米晶粉或薄膜,再用物理或化学方法,如涂层、空隙渗透、膨化、溶剂介入、氧化、还原、渗透、嫁接等方法,从而使纤维具有高强度、高模量、高弹性、高导电、高储能、高透光、抗屏蔽、高保暖、抗细菌、阻燃、防臭等特殊功能,这也是今后高科技纤维的发展方向。当前,石墨烯纳米复合纤维已成为发展的重点,其应用也日益广阔。

2.8积极发展高性能纤维

高性能纤维比一般纤维具有高得多的强度、模量,有优异的耐高温、难燃性和化学稳定性,被称为第三代合成纤维,包括有机、无机两大类。世界各国都十分重视高性能纤维的发展,市场竞争激烈,因为其发展与国防、军工、航天、航海等发展密切相关。

2.9纤维发展应重视环保,可循环利用

由于合成纤维一般都无法自然分解,用后易造成环境污染。世界各国都十分重视纤维的回收利用,据2014年统计,全球聚酯(涤纶)瓶回收量已达670万t,预计2020年将超过1500万t,其他纺织品回收利用也全面开展。我国也已开发涤纶回收利用技术,回收纤维经处理后可用于非织造布、服饰产品和充填物。因此,废旧纺织品的再生利用技术应进一步深入探索。

3新型纤维分类和应用

3.1天然植物纤维

3.1.1木棉

木棉属单细胞种子纤维,是最轻、最细的天然纤维。其中空度高达85%,线密度为0.9dtex~3.2dtex,密度约为3.9g/cm3,平均长度为25mm~35mm,表面光滑,无天然卷曲,耐酸碱、强度低,有光泽,呈微黄色,防菌、防蛀、防霉;但抱合力和可纺性差,加捻效率低,只能少量混纺,开发舒适保暖的内衣类高档织物。

3.1.2牛角瓜纤维

牛角瓜纤维又称水晶棉纤维、树棉纤维,是近年发现的原创性纤维,它是一种灌木果实,状似牛角,每年能收获多次纤维,长度为20.0mm~40.5mm,平均长度为34.75mm,密度约为棉纤维的一半,线密度约为0.93dtex。与木棉相似,其可纺性差,有较强的抗菌能力,中空度达80%,宜少量混纺,用于制作保暖内衣等,用途受限。

3.1.3麻类新纤维

传统麻纤维有苎麻、亚麻和黄麻等。当今麻类纤维采用新型脱胶技术,能改善其线密度和可纺性,改善麻纤维带来的刺痒感,充分发挥麻类优良的吸湿、排湿功能和抗菌、抑菌作用。如:由大麻无毒改进的汉麻,其放湿性优于苎麻,色洁白,可减少静电集聚,耐热性好,不易起毛、起球;圣麻以黄麻为原料,采用特殊的专利技术,使其纤维具有干湿强度高、透气、抑菌、防霉等特征,制成的织物滑爽、悬垂性好,深受用户欢迎;此外,还有剑麻、罗布麻等,产量很低。

3.1.4天然彩棉

天然彩棉是利用生物技术培育的新型纤维,具有色彩自然,手感柔和,无需染色、漂白,不会在衣服中残留有害金属离子和酸碱等有害物质。世界主要产棉国都致力于彩棉的研究,我国新疆甘肃已培育出15个系列、45种色泽的品种。但色谱尚不完善,色牢度较差,纤维线密度细、成熟度差、强度低、产量较低,因此发展较慢,尚需努力。

3.1.5菠萝叶纤维

菠萝叶纤维是从菠萝叶片中提取的特细纤维,长度为0mm~100mm,直径为真丝的四分之一,特点是滑爽、柔软、强度较低,不能单独纺纱,只能混纺制成织物,吸湿透气,滑爽如绸,抑菌防臭,宜做高档服装和床上用品。

3.2动物纤维

动物纤维近年来无显著变化,除传统的绵羊毛、蚕丝外,新动物纤维有山羊绒、兔毛、牦牛毛、绢丝、紬丝,但可纺性都比较差,纺纱时需要添加和毛油、抗静电剂等表面活性剂,生产成本较高,产品以混纺为主。其中,山羊绒、兔毛产品属高端产品,主要用于秋冬毛衣、大衣和西装。

3.3再生纤维素新纤维

再生纤维素新纤维,是在粘胶纤维基础上发展形成的。粘胶纤维是我国第一代再生纤维素纤维,也是我国第一种化纤,已有百年历史,其原料为棉短绒制成的浆粕,生产工艺较复杂,其中黄化、脱硫工序对环境有污染,能耗、水耗大,发达国家已限制生产;但我国21世纪初还在快速发展。粘胶纤维主要特点是湿模量低、遇水易收缩变形,湿强度低;但其可纺性好,常用于混纺。与粘胶纤维相似的再生纤维还有铜胺纤维、醋酯纤维等,醋酯纤维主要用作香烟的过滤嘴等。

3.3.1高湿模量纤维

20世纪50年代,日本首先研制高湿模量粘胶纤维——虎木棉等,其湿模量大大改善。奥地利兰精公司于20世纪80年代研发了Modal纤维,是以木浆为原料,克服粘胶纤维所有缺点,产品具有柔软、光滑、快干、高湿模量的特性,深受用户青睐,是第二代再生纤维素纤维。

类似Modal纤维的具有高湿模量纤维的品牌产品有Formotex、Richcell、Viloft等。

3.3.2莱赛尔(Lyocell)纤维

莱赛尔纤维是第三代再生纤维素纤维,港台地区注册的商业名称为“天使纤维”。它以榉木浆粕为原料,用“溶剂纺丝法”生产,生产过程全封闭,溶剂循环使用,无环境污染。产品综合棉、涤纶、粘胶纤维的优点,基本符合生态纤维的要求,具有高强力、高模量、柔软、悬垂性好、吸放湿能力强等优点。莱赛尔纤维已在全球生产,有多种品牌,产品已实现系列化:G100型是原纤化型,易起毛、起球,适用于桃皮绒、绒类织物。A100型无原纤化型,适用于一般光洁织物。

3.3.3再生纤维素纤维的衍生新产品

基于上述再生纤维素纤维的基理,当前已衍生如下新产品。

a)以竹浆粕取代木浆粕的竹浆纤维,产品具有柔软、滑爽、吸湿等特点,稍有抗菌作用;

b)将超细珍珠粉或贝壳粉共混于粘胶液中制成的珍珠纤维,产品具有滑爽、润肤、抗紫外线等保健功能。

3.4蛋白质再生纤维

3.4.1牛奶蛋白纤维

牛奶蛋白纤维由牛奶中提取的蛋白质酶素制成,含有多种氨基酸和天然保湿因子,手感柔软、光滑,抗菌率达80%,纤维密度小、有弹性和丝一样的光泽,抗日晒牢度优,抗起毛、起球。

3.4.2大豆蛋白纤维

大豆蛋白纤维用大豆制成豆粕羟基和氰基高聚合物纺丝而成,可生物降解,密度小、手感柔软、抗皱性好、悬垂性优。

3.4.3玉米类蛋白纤维

玉米类蛋白纤维以玉米、红薯、甜菜等淀粉提炼的乳酸为原料制成,具有蓬松、柔软和吸湿等特点。

3.4.4蚕蛹蛋白纤维

蚕蛹蛋白纤维是以30%的蚕蛹蛋白与70%的粘胶共混制成的一种复合纤维,兼有真丝和粘胶丝两种纤维的特性,可生物降解,具有导湿、透气、抗紫外线等护肤保健功能。

蛋白质再生纤维的缺陷是易产生静电,纤维的抱合力差,一般易起毛、起球,适宜混纺,开发针织类产品。

4差别化纤维

差别化纤维一般指将传统纤维如以石油为原料的“纶”族纤维、天然纤维、再生纤维通过物理或化学方法改善其性能,提高其一项或多项功能,使之有更好的性能或性价比,或者针对某一种纤维为目标进行仿造或超越,提高其使用价值。主要分类如下。

4.1异形纤维

通过改变纤维的横截面改善性能,如中空型纤维可改善保暖、柔软和吸湿效果;三角形可增加纤维的反光、闪光特性,使纤维具有仿丝效果;扁平形可使纤维具有仿麻、仿丝效果等。

4.2细特纤维

降低纤维线密度可增加成纱中纤维根数;增加比表面积以改善其可纺性;降低纺纱的线密度,充分发挥纤维表观效果和色彩,提高柔软性,适用仿丝织物、高密仿绒类织物、桃皮绒面料等。

4.3易染纤维

某些纤维的可染性差,使染料适应性差、染色不鲜艳,可通过改性加以解决,扩大其产品用途,如开发阴离子可染涤纶、常压常温可染涤纶、酸性染料可染腈纶、可染彩色涤纶、易染丙纶等。

4.4阻燃纤维

通过阻燃处理可开发阻燃粘胶、阻燃腈纶和阻燃涤纶等纤维。

4.5高收缩纤维

通过对纤维高收缩改性,可使一般纤维收缩率达到20%以上,该纤维可用于开发膨体纱产品、拉舍尔毛毯等高收缩织物。

4.6抗静电纤维

通过纤维抗静电改性,可减少或消除纺、织、染后加工中静电的影响,保障正常生产,清除隐患,确保安全。

4.7高吸湿、放湿性纤维

多数合成纤维,如涤纶、丙纶等吸湿、放湿性能较差,影响服装舒适性,通过对纤维截面进行多孔性或多沟槽形改造,可增大纤维的吸湿、放湿功能,如杜邦公司Coolmax纤维截面有四条细微凹槽,具有导汗、快干、凉爽、舒适等功能。

4.8“超天然”化纤

“超天然”化纤就是将化纤通过新技术、新工艺开发出综合功能优于天然纤维的新产品,如天使纤维、Modal纤维等,其综合功能已明显比棉纤维更佳。近期发展的涤纶差别化纤维,如仪征化纤厂的仪纶,改善了其导湿通气、染色性差、抗静电性差等缺点,保持了涤纶抗皱、保形、易洗、快干的特点,综合性能已优于原棉。由此证明现代化新化纤的品质能超越天然纤维。随着化纤价格降低,今后天然纤维占市场比例将继续下降。

5功能性纤维

这里泛指开发原创性有特殊功能的纤维,与传统纤维无紧密的关联。

5.1导电纤维

导电纤维指在标准环境下(温度为20℃,相对湿度为65%),质量比电阻不大于108Ω·g/cm3的纤维,导电纤维能消除和防止静电的产生,性能远大于抗静电纤维,其纺织品具有防爆和屏蔽微波的功能,在军工、国防领域应用较多。导电纤维分为无机和有机两种。无机导电纤维通常有铜、铝、镍、银、金和不锈钢等。有机导电纤维按导电成分在纤维中分布可分为表面披覆型、复合型和均匀分布型三种。常用基体纤维有涤纶、锦纶6、锦纶66、维纶等。有机导电纤维一般都与棉、羊毛、粘胶、涤纶等纤维混纺使用,强调混和均匀。无级导电纤维和导电纳米复合纤维可直接织入织物中,开发可穿戴类纺织品或服装。

5.2光导纤维

光导纤维常见的有石英光导和塑料光导两种,一般由内外两层组成,内芯层直径为数微米,外层为覆盖层。光导纤维的集光能力、透光性、分辨本领和对比度是传递光象的主要指标。光导纤维广泛用于通信、光电、医学、激光、国防、航天及交通等领域。

5.3防辐射纤维

防辐射纤维有防紫外线的多种涂层纤维,防X射线的复合纤维,防高频微波辐射的金属涂塑纤维,防不带电荷、具有很强穿透力的中子辐射复合纤维。一般均需加工成机织物和非织造布或紧密针织品。

5.4保温、调温、保湿类纤维

如Outlast纤维是利用纤维内植胶囊,可根据外部环境变化产生固态、液态相变,吸收或排放热量来调温、保温的纤维。现在使用较广的有远红外线保暖纤维,碳化锆微粒聚合物制成皮芯复合保温放热纤维,导电性碳纤维制成的保温纤维等。将磷脂聚合物固化在纤维表层,减少肌肤水分蒸发的保温、保湿纤维等。日本东邦公司近期推出Sunburner纤维,是依靠自身吸湿能力而散热的纤维,其散热量是羊毛的3倍,是棉花的6倍,还具有抗菌、除臭、调节pH值、吸湿、抗静电、阻燃等功能。

5.5水溶性载体纤维

在维纶生产工艺中改变醛化工艺,可制成水溶性维纶,它常用作载体纤维与其他纤维混纺成纱。如在较低温度下进行水溶维纶后加工,可改善其可纺性;如提高成纱的线密度,纺制特细纱或将可纺性差的纤维纺成纱,开发无捻纱或低捻纱、空芯纱或绣花底布等。

5.6低熔点纤维

利用低熔点涤纶、丙纶等纤维为粘合剂,可推行粘合新型纺纱,或用于开发非织造布、一次性医疗用品等。

5.7抗菌、防臭类纤维

抗菌、抑菌、防臭类新纤维主要有甲壳素纤维、含银类纤维、竹炭类纤维、椰炭纤维及咖啡炭纤维等多个品种。

5.8夜光纤维

夜光纤维是利用稀土材料为发光体,经特种工艺制成的一种纤维。其具有在光照时能捕获激发态电子,在停止照射后能持续发光跃迁的功能,只要收集可见光时间达10min,便能将光能储蓄在纤维中,在黑暗中持续发光10h以上,并可连续无限次循环使用。夜光纤维制品可用于航空、航海、交通运输、建筑及广告等产业。

5.9高弹性纤维

高弹性纤维是指断裂伸长率不小于400%、低模量和高弹性回复率的纤维。市场上种类较多,主要如下。

5.9.1氨纶纤维

氨纶纤维学名为氨基甲酸酯纤维,由美国杜邦公司首创生产,我国也有10多家生产厂。氨纶纤维断裂强度为0.5cN/dtex~0.9cN/dtex,断裂伸长率为400%~700%,回弹率为95%~98%,密度为1.2g/cm3。缺点是手感偏硬,不耐碱和高温。杜邦莱卡(Lycra)产品现已发展为不同特色的多种系列产品。

5.9.2DowxLATM弹性纤维

DowxLATM弹性纤维学名为聚烯烃纤维,由美国陶氏化学公司首先推出。其优点为:耐220℃高温,耐酸、耐碱,断裂伸长率达到500%,柔软性、悬垂性好,可以干洗,尺寸稳定,无需热定型。

5.9.3聚醚酯纤维

聚醚酯纤维由日本帝人公司首先推出,原料便宜,工艺简单,耐热性和耐氯漂性优良。聚醚酯纤维分为普通弹性型,抗拉强度为0.45cN/dtex~0.89cN/dtex,断裂伸长率为300%~800%;中强弹性型,抗拉强度为2.67cN/dtex~3.56cN/dtex,断裂伸长率为800%~1000%。

5.9.4PBT、PTT中弹性纤维

PBT、PTT中弹性纤维属聚酯纤维新品种,具有中等弹性,上染率高、色牢度优、洗可穿、挺括、尺寸稳定性好、手感较柔软等特点。PTT是PBT升级产品,但断裂伸长率小于上述的高弹性纤维,为310%~520%。

弹性纤维长丝可用于包芯纱或加工弹性类织物,如弹力运动服、弹力内衣和弹力牛仔服等。

6纳米复合纤维和石墨烯复合纤维

二者均属纳米量级的复合纤维,虽先要制成纳米晶粉或薄膜,然后根据其优异性能,研究如何与符合其要求的纤维组成复合纤维,才能充分发挥其效果。纳米复合纤维由于成本太高,目前只能用于高功能、高性能纤维的使用和高端技术领域,但从战略眼光来看,其产品具有极大的发展潜力。

7高性能纤维

高性能纤维发展较快,品种不断增多。目前主要高性能纤维的名称、特征和应用领域见表2。

表2高性能纤维的主要特征和应用领域

8结语

8.1纺织纤维是纺织品的原料,研讨纺织纤维的发展,开发新型纤维,具有重要的现实意义;纤维的性状是影响纺纱生产的第一要素,必须根据纤维特性设定纺纱工艺,包括混和方法、工艺流程、机械设备、重要器材和专件及生产环境。

8.2用于纺织的化学纤维增长率将大于天然纤维,化纤长丝产品将超过短纤。绿色纤维、生态纤维是纺织纤维发展的方向,应控制严重污染环境的纤维生产,强化不能生态降解纤维的回收和再利用。

8.3应重点开发再生性纤维、差别化纤维和功能性、高性能纤维,引导纺织企业开发超天然纤维的化学纤维。

8.4普及、深化、扩大纺织纤维在新兴产业,如航天、航空、交通运输、医学、化工等产业的利用率。

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