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特种纤维的发展对纤维生产商来说基本上是一种自然和条件反射式的行为。不断变化和推进的市场很少能够让生产商停下来评估市场然后再发展新产品。

Specialty development for a fiber producer is a task that is often addressed in a chaotic and knee-jerk manner. The continuous push-and-pull of the market seldom allows a producer to sit back and reassess markets and develop new products.

人们有时因为创新而推出新产品,但这很可能遇到困境,因为这种行为是不规律的,是由个人的一时激情而决定的,而不是基于科学的基础。对于一个系统性的长丝产品开发分析,应该回顾一下历史,这种开发过程 — 从过去到未来 — 可以分成不同的 3 个时间段。第一段:1930 — 1960年;第二段:1960 — 2010年;第三段:2010年到未来。

很明显,每个时期的发展和成长都有不同的鼎盛期。从1930 — 1960年,主要发展基本的纤维。在过去几十年里,特种纤维、超细纤维、弹力纤维和工业高强纤维占据了发展的主角。从2010年往后,可持续性的、可回收的、具有生物降解性的、纳米技术的纤维将会是发展重点。这种发展的动力来自于特殊功能的额外功能。过去,能够模仿天然纤维的产品更昂贵,而现在消费者的偏好已经超出了这个简单的认知。对可持续性的偏好现在变得更为科学和现实,更多对天然纤维可持续性能的精确分析使之不断开始受人关注。天然纤维不能简单地被认定成比人造纤维具有可持续发展性,准确的生命周期成本还需做全面调查。

很明显,环境对棉花的影响远远大于一些人造纤维(考虑杀虫剂和磨损的影响)。考虑到生态安全,棉的活性染料染色也不是很理想的方法。在过去 50 年里,纤维发展主要被限制在西方国家和日本的纺织、纤维、石油公司。以前的利润率使他们可以维持研发活动、试验工厂、市场行为以及几年的亏损来开发新产品。目前,这已经不可能了。

发展的驱动力

目前纤维的发展主要集中在几个大的区域。对不同区域的定义十分重要,因为开发新产品可能会失败,或者开发的产品没有商业利用价值。这 8 个区域分别为:强韧、安全、耐用、精细、环保、舒适、快捷和美丽。它们能够让人们找出最能带来利润的方向而进行研究。未来,更环保、更具可持续性发展、可回收利用的纤维将流行。经济扩张时期需要发展更快、更可靠的生产系统,而经济收缩时,更明智的做法是生产新型、有用、功能性的产品,让消费者没有理由拒绝购买。

传统原料的特征

纤维原料的属性对最终成品的影响很大。对原料的选择,如熔体,是十分重要的。熔体的物理和化学性质十分重要,但是熔体的经济成本决定了它的应用。由于经济上的原因,涤纶工业丝在过去的几十年中已经替代了锦纶工业丝。同样,由于经济因素,相比PA6而言,PA66的使用已经受到限制。分析过去 20 多年里纤维市场的数据对比情况。红色字体标出的部分如果作为原料将对其应用不利。因此,湿法纺丝和干法纺丝的速度只能分别被限制在 100 m/min和1 000 m/min左右。这些纺丝法的原料,如腈纶和纤维素纤维(包括Lyocell)并不能很好的纺出长丝。然而,在短纤方面尚可。丙纶的染色性差,因此也不适合染色。

最近,BASF推出了可染的丙纶,品牌名为“MOOO>TM”,但是现在来评估它未来几年在服装应用上的能力还为时过早。如果原料的性质不够灵活,它的应用潜力就不大。涤纶的应用范围十分广泛,因为涤纶的性质可以调整且适应性强,且其原料也比其他纤维便宜,有利于它优势的发挥。

新型原料的特征

看一看一些新型原料的特性。一些特殊熔体的属性,如PLA、PTT、PBT、PU和PHA,可参见表 1 中的具体比较说明。PLA是一种来源于植物的可熔纺纤维,其最与众不同的优势就是原材料可以自我更新且没有污染。当湿度为 98%、温度超过 60 ℃时可水解,PLA能被微生物分解,它的组成原子可以重新利用以进一步种植玉米、甜菜、水稻等。

如表 1 所示,PTT有较强的弹性回复力和较低的初始杨氏模量,使得纤维质地柔软,具有令人舒适的延展力。表中仅列出了常规未改性的纤维级熔体。拉伸应力曲线和杨氏模量决定了纤维的应用范围,纤维的拉伸应力应变曲线显示了不同纤维轴向应力的不同。

当将基本聚合物作为特殊纤维开发时,需要确立与成品的功能要求相匹配的好性质是非常重要的。因此,比起其它的可回收聚合物来说,PLA纤维是对环境更友好的纤维,因为其它那些可回收的材料在不可用之前,可回收的次数是有限的,但PLA纤维不同。但使之可降解的属性同时也造成其耐久性低,高分子量全同立构的PLA纤维则能使这种情况得到平衡。最初,设想PLA在包装薄膜和纺织纤维中的应用应是 50∶50,但由于纤维本身和纤维的市场营销问题,目前PLA主要应用于包装材料。一个长丝方面潜在的应用是通过与其它聚合物进行复合纺丝。PHA/PHB是出自P & G公司和Mobilex的一种生物可降解聚合物,这种聚合物已于最近推出,并已开始了绿色长丝生产的研究。

PTT和PBT本身是聚酯的变形,具有特种纤维的潜力,它们使用了1,3 - 丙二醇而不是一般的甲醇,必须优化传统的纺丝过程来处理这些聚合物。另一种聚酯是基于DMT和丁烷的混合物,它的市场占有率极小,因为加工过程比较困难,要求低速,尤其是对细旦丝而言。其他负面因素包括有限的使用寿命,以及频繁使用后拉伸和回复特性的迅速恶化。然而,这种材料在欧洲也有其高端市场,被用于运动装和内裤,因为它很容易在低温下染色,具有膨松性和延展性,且比氨纶更容易加工。聚氨酯或氨纶仍然是特殊纤维的一种,但它总是需要与其他一些纱相结合用于纺织领域。

各种应用

任何特殊纤维的应用都必须始于某种可变的特性。什么是可以引起长丝性质变化的属性呢?可通过 6 种基本操作来为长丝改性:(1)基本材料结构改变(基础聚合物属性);(2)不同高分子材料混合(添加剂和混合)(3)纤维截面形状的改变;(4)长丝合股结构(复丝合股);(5)纤维表面结构改变;(6)长丝组分混合。

在讨论了材料的基本属性后发现,没有任何材料能够满足所有的需求,特殊纤维的生产多要求材料进行混合。这些材料可以是添加剂(色母粒、抗菌物质等),甚至共混物(两种不同的聚合物、反应液、增塑剂等)。改变长丝形状来制造特殊纤维的方法已经众所周知。复丝合股结构也可以决定最后的性质。

如果将研究集中在纺织和工业丝市场,很明显,一种单一的聚合物或系统无法满足各种功能和技术要求。没有一种后纺工艺可以生产所有功能的纤维或获得所有想要的效果。不同的长丝可以有不同的表面结构,而这对其本身而言也是个生产特殊品种的方法。在主流长丝品种的生产中,使用激光和纳米技术是生产特种纤维的另一种很经济的方法。

还有很多长丝的混合物,包括组合不同的长丝以获得感兴趣的差别化纤维。将 2 股或 3 股色丝用于地毯纱领域,这种方法是改性的最简单形式。

将来要讨论的主题将会是技术、生产方法和特殊长丝的现代分类方式。