東華大學(xué)紡織學(xué)院, 上海 201620
近年來(lái),受益于持續(xù)增長(zhǎng)的需求推動(dòng),非織造行業(yè)儼然成為了全球紡織業(yè)中成長(zhǎng)最迅速、受關(guān)注最密切、創(chuàng)新最活躍的領(lǐng)域之一,非織造材料已成為現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的一種重要新型材料[1]。目前,我國(guó)非織造材料產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的40%以上,位居全球首位,是全球最大的非織造材料生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和貿(mào)易國(guó)。非織造材料是由纖維無(wú)序堆砌而成的,故纖維的品種和性能將直接決定最終非織造材料的性能和用途[2]。隨著非織造材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,以及生產(chǎn)線和設(shè)備的革新,非織造材料用新原料也不斷涌現(xiàn),這為非織造產(chǎn)品的發(fā)展提供了更加廣闊的空間。
表1歸納了非織造材料用生物基纖維的種類及其產(chǎn)品。
1.1.1 再生纖維素纖維
1.1.1.1 黏膠纖維
在非織造行業(yè)中,黏膠纖維用量較大,但其濕強(qiáng)度低,故常與其他纖維共混鋪網(wǎng)來(lái)制備非織造復(fù)合材料,如殼聚糖/黏膠纖維水刺非織造復(fù)合材料等。
表1 非織造材料用生物基纖維的種類及其產(chǎn)品
高性能、差別化、功能化、環(huán)保等新型黏膠纖維的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,是基本的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì),如阻燃型黏膠纖維、負(fù)離子型黏膠纖維等,但國(guó)內(nèi)黏膠纖維仍以常規(guī)品種為主,且發(fā)展相對(duì)緩慢[3]。伴隨著市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的不斷深入,由功能型黏膠纖維制造的非織造產(chǎn)品,其前景會(huì)越來(lái)越廣闊,如截面異形化、超短、超細(xì)等黏膠纖維既實(shí)現(xiàn)了非織造衛(wèi)生材料行業(yè)對(duì)纖維性能、質(zhì)量、包裝、安全等各方面的要求,還滿足了下游制造業(yè)對(duì)加工的要求。黏膠纖維水刺非織造材料有著巨大的市場(chǎng)需求,2017年我國(guó)非織造材料水刺專用黏膠纖維用量為21.0萬(wàn)t,另外還進(jìn)口了印尼SPV水刺專用黏膠纖維0.6萬(wàn)t、博拉水刺專用黏膠纖維0.5萬(wàn)t及蘭精黑色水刺專用黏膠纖維0.5萬(wàn)t。此外,醫(yī)療衛(wèi)生用無(wú)味黏膠纖維、可食用黏膠纖維、遠(yuǎn)紅外黏膠纖維、抗菌黏膠纖維、高吸附黏膠纖維、高濕強(qiáng)黏膠纖維等功能性黏膠纖維,都是目前國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)。
1.1.1.2 Lyocell纖維
憑借原料可再生及生產(chǎn)技術(shù)環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì),Lyocell纖維已然成為極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N再生纖維素纖維[4]。Lyocell纖維具有良好的吸濕透氣性,尤其是其濕強(qiáng)度與濕模量可與合成纖維相媲美。通過(guò)針刺、熔噴、水刺等工藝制備Lyocell纖維非織造材料,可用作面膜基材、過(guò)濾材料、合成革基材等產(chǎn)品[5]。國(guó)內(nèi)開(kāi)始Lyocell纖維的研發(fā)已有近30年的時(shí)間,從可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度及纖維本身的性能分析,Lyocell系列新溶劑法纖維素纖維勢(shì)必將占領(lǐng)市場(chǎng),并憑借其優(yōu)良的性能被消費(fèi)者接受和喜愛(ài)。2017年我國(guó)用于生產(chǎn)水刺非織造材料的Lyocell纖維約0.8萬(wàn)t。
Lyocell纖維產(chǎn)業(yè)是我國(guó)重點(diǎn)支持的新興產(chǎn)業(yè)。中國(guó)紡織科學(xué)研究院綠色纖維股份有限公司年產(chǎn)1.5萬(wàn)t的新溶劑法纖維素纖維(天絲)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目,經(jīng)過(guò)18年攻關(guān),工藝路線一次性全線打通,于2017年8月29日通過(guò)了科技成果鑒定。該項(xiàng)目是我國(guó)生物基纖維領(lǐng)域“綠色制造”工業(yè)化過(guò)程中取得的重要突破,推動(dòng)了我國(guó)化纖工業(yè)的綠色健康發(fā)展。
1.1.2 海洋生物基纖維
1.1.2.1 殼聚糖纖維
殼聚糖纖維作為生物基纖維新材料中的一種,其原料來(lái)自于海洋中的蝦蟹殼,資源豐富,可再生,具有良好的生物活性、生物相容性和生物可降解性,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛[6]。目前,全世界每年可獲得的甲殼素有15.0萬(wàn)t,但能生產(chǎn)使用的甲殼素不超過(guò)1.0萬(wàn)t[7]。山東海斯摩爾生物科技有限公司經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)性探索,最終攻克了高品質(zhì)純殼聚糖纖維與制品產(chǎn)業(yè)化全套的關(guān)鍵技術(shù),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,并實(shí)現(xiàn)了0.2萬(wàn)t的純殼聚糖纖維全自動(dòng)化生產(chǎn)線,其通過(guò)溶解提純后的殼聚糖再經(jīng)濕法紡絲及后處理加工獲得性能優(yōu)異的非織造用殼聚糖纖維[8]。
殼聚糖纖維具有顯著的殺菌防霉、止血促愈等生物學(xué)特性,其非織造材料一般采用針刺或水刺工藝制備,可用于醫(yī)用敷料、組織工程、面膜化妝品等領(lǐng)域。通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的具有良好吸附性能的殼聚糖纖維可實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展,如通過(guò)乳液靜電紡絲技術(shù)制備的殼聚糖/ 聚乳酸(PLA)納米纖維可用于牙周組織工程[9]。其他各種復(fù)合型殼聚糖纖維非織造材料也層出不窮,它們被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,如殼聚糖/黏膠纖維共混水刺面膜基材等。此外,采用濕法成網(wǎng)和水刺工藝制備的殼聚糖過(guò)濾介質(zhì)具有良好的過(guò)濾效果,可替代傳統(tǒng)的廢水、廢油過(guò)濾材料。
1.1.2.2 海藻酸鹽纖維
海藻酸鹽纖維具有阻燃、吸濕、生物相容、可促進(jìn)傷口愈合、生物可降解、成膠等性能[10]。這些優(yōu)異的性能使其在功能性醫(yī)用敷料、功能性面膜材料、婦幼衛(wèi)生用品、成人失禁產(chǎn)品等紡織材料中具有很高的應(yīng)用價(jià)值[11]。然而,純海藻酸鹽紡絲液的水凝膠性能較差,這導(dǎo)致了纖維的制備具有一定的難度,故目前常采用海藻酸鹽與非海藻酸高聚物(如纖維素等)共混紡絲制備海藻酸鹽纖維。在探索海藻酸鹽纖維的性能和應(yīng)用方面,我國(guó)的研究起步時(shí)間相對(duì)較晚,到21世紀(jì)初才開(kāi)始有較多的研究與關(guān)注。利用海藻酸鹽纖維制成的非織造材料被廣泛應(yīng)用于傷口敷料、繃帶、醫(yī)用紗布及組織工程復(fù)合支架、面膜材料等領(lǐng)域[12]。青島大學(xué)采用交聯(lián)整理法制備的新型海藻酸鈣/殼聚糖復(fù)合纖維不但具有優(yōu)良的吸濕性、抗菌性和光澤度,而且制備成本低廉,經(jīng)濟(jì)效益可觀[13]。將海藻酸鹽纖維和甲殼素纖維混合鋪網(wǎng)再經(jīng)針刺工藝制備的產(chǎn)品具有抑菌、吸濕透濕、舒適保健等功效。
1.1.3 生物基合成纖維
1.1.3.1 PLA纖維
我國(guó)PLA的發(fā)展起步較晚,PLA纖維的工業(yè)化基本處于初級(jí)發(fā)展階段,生產(chǎn)規(guī)模僅在1.5萬(wàn)t/a,其無(wú)論是在資金投入還是在研究隊(duì)伍及成果方面,均與國(guó)外存在明顯的差距。
PLA是一種集生物相容性、生物可降解性和生物可吸收性于一體的綠色熱塑性聚酯,具有較好的彈性模量、力學(xué)強(qiáng)度和熱成型性[14],但其生產(chǎn)過(guò)程依舊無(wú)法達(dá)到綠色制造的水準(zhǔn)。在非織造材料行業(yè)中,PLA纖維已在氣流成網(wǎng)、濕法成網(wǎng)、水刺、熱黏合、針刺等產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)現(xiàn)已形成約0.5萬(wàn)t/a 的PLA纖維、0.1萬(wàn)t/a的吹塑級(jí)或注塑級(jí)PLA產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模,其中東華大學(xué)等已掌握紡熔產(chǎn)業(yè)化PLA非織造材料的制造技術(shù)。紡黏、水刺、熱軋PLA非織造材料可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、包裝、過(guò)濾、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[15]。如:以PLA纖維和苧麻落麻纖維為原料制成的針刺非織造材料,可作為無(wú)土栽培的基質(zhì)[16];將靜電紡PLA納米纖維沉積在PLA熔噴非織造材料表面,可制備出高效率的空氣過(guò)濾材料[17]。此外,可產(chǎn)業(yè)化的超細(xì)PLA纖維非織造材料的開(kāi)發(fā)能進(jìn)一步提高PLA纖維的應(yīng)用效率和價(jià)值。
1.1.3.2 生物基聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纖維
生物基PTT纖維屬差別化、功能性纖維,其不僅兼具腈綸、滌綸及錦綸等化纖優(yōu)良的性能,還具有能回彈、生物可降解等特性,能在常溫下進(jìn)行染色,在非織造領(lǐng)域發(fā)展空間廣闊。國(guó)內(nèi)在生化法制備PTT及其纖維產(chǎn)業(yè)化成套裝備、工程化技術(shù)及其制品生產(chǎn)技術(shù)等方面發(fā)展迅速,這有利于克服生產(chǎn)成本高帶來(lái)的發(fā)展瓶頸。2014年,盛虹集團(tuán)開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PTT及改性PTT關(guān)鍵設(shè)備及成套生產(chǎn)技術(shù),是國(guó)內(nèi)最早集1,3-丙二醇生產(chǎn)、聚合紡絲、面料印染等完整PTT產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的公司,打破了國(guó)際壟斷[18]。PTT基非織造材料可使用PTT短纖(純纖或混纖)經(jīng)針刺或水刺纏結(jié)技術(shù)制得,也可采用紡黏或熔噴技術(shù)直接制得,用于醫(yī)療衛(wèi)生、家具座墊、車內(nèi)裝飾及建筑安全等領(lǐng)域[19]。
1.2.1 聚酯(PET)纖維
非織造用PET纖維主要有普通型、高收縮型、低熔點(diǎn)黏結(jié)型、阻燃型、遠(yuǎn)紅外型等,主要應(yīng)用于加工車用內(nèi)飾材料、土工合成材料、空氣或液體過(guò)濾材料、農(nóng)業(yè)地膜材料、水果花卉材料、家居抹布材料和醫(yī)療衛(wèi)生材料等[20]。我國(guó)是PET纖維生產(chǎn)大國(guó)[21],2017年P(guān)ET纖維產(chǎn)量約3 211.0萬(wàn)t,同比增長(zhǎng)5.4%。2017年國(guó)內(nèi)水刺專用PET纖維主要由熔體直紡技術(shù)生產(chǎn),水刺專用PET纖維總產(chǎn)量在50.0萬(wàn)~55.0萬(wàn)t,包括水刺專用無(wú)銻PET纖維等。同時(shí),我國(guó)非織造行業(yè)對(duì)于改性PET的需求越來(lái)越大,如低熔點(diǎn)PET纖維、抗熔滴PET纖維、粗旦(60 D即6.67 tex以上)PET纖維、添加抗過(guò)敏油劑的PET纖維等[22]。如今,新型多功能改性PET非織造產(chǎn)品已大量走向市場(chǎng),走向日常。
1.2.2 雙組分纖維
雙組分纖維的出現(xiàn)極大地拓展了非織造材料的產(chǎn)品種類,提升了非織造材料的質(zhì)量,推動(dòng)了非織造產(chǎn)品的進(jìn)步和創(chuàng)新[23]。如,具有功能性和高附加值的聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)、聚酯/聚乙烯(PET/PE)等雙組分纖維,其結(jié)構(gòu)主要有同芯型、并列型、偏芯型、橘瓣型等。PP/PE纖維是雙組分纖維中最重要和廣泛使用的品種[24]。2017年,我國(guó)PP/PE纖維產(chǎn)能為35.0萬(wàn)t,其推動(dòng)了熱黏合技術(shù)的進(jìn)步,降低了非織造材料的制造能耗,實(shí)現(xiàn)了婦嬰產(chǎn)品的低成本發(fā)展。橘瓣型雙組分纖維是一種新型的結(jié)構(gòu)化纖維,依靠機(jī)械力或水刺噴射力可使橘瓣剝離,實(shí)現(xiàn)纖維比表面積的增加及手感的改善。與海島型雙組分纖維相比,橘瓣型雙組分纖維更具獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[25]。橘瓣型雙組分中空纖維是具有異形截面的一種超細(xì)纖維,可廣泛應(yīng)用于制備水刺超纖革基材料、擦拭材料、床上用品、過(guò)濾材料等。目前,國(guó)內(nèi)正加大力度研發(fā)橘瓣型雙組分紡黏非織造材料的開(kāi)纖技術(shù)及水刺加固工藝,探討其力學(xué)性能與過(guò)濾性能等,并取得了顯著性突破。
1.3.1 聚四氟乙烯(PTFE)纖維
聚四氟乙烯(PTFE)纖維因化學(xué)穩(wěn)定性好,耐高溫、耐酸堿、抗老化及阻燃性能優(yōu)良等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、建筑、電子電器、機(jī)械、紡織等領(lǐng)域[26]。近年來(lái),我國(guó)PTFE纖維的生產(chǎn)規(guī)模已達(dá)到約2.0萬(wàn)t。膜裂法是非織造用PTFE纖維的主要生產(chǎn)方法,其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染,制得的纖維強(qiáng)度高,但纖維直徑不均勻,且對(duì)生產(chǎn)溫度有較高的要求,可加工成針刺非織造材料。上海靈氟隆新材料有限公司、上海金由氟材料股份有限公司等已具備生產(chǎn)PTFE纖維用膜、膜裂長(zhǎng)絲、短纖及縫紉線的技術(shù)和能力,產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于高精度梯度濾料。復(fù)合型PTFE產(chǎn)品也開(kāi)始走向應(yīng)用化,如PTFE/芳綸[27]、PTFE/聚苯硫醚(PPS)[28]、PTFE/聚酰亞胺(PI)[29]等復(fù)合濾料被大量應(yīng)用于高溫除塵過(guò)濾領(lǐng)域。有學(xué)者以PTFE纖維易產(chǎn)生靜電為出發(fā)點(diǎn),研究了摩擦駐極[30]對(duì)PTFE纖維非織造材料過(guò)濾性能的影響,也有一些專利報(bào)道了PTFE超細(xì)中空纖維膜的制備與結(jié)構(gòu)特征[31]。受益于國(guó)內(nèi)技術(shù)的創(chuàng)新和突破,我國(guó)PTFE纖維及其微孔膜的產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的70%。此外,國(guó)產(chǎn)PTFE纖維的部分性能已超過(guò)國(guó)際同類產(chǎn)品,其產(chǎn)量可在滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)需求的同時(shí),向亞洲、歐洲、美洲及中東等地區(qū)出口。
1.3.2 抗氧化聚苯硫醚(PPS)纖維
抗氧化聚苯硫醚(PPS)纖維具備優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性(200 ℃以下無(wú)溶劑可溶)、200~220 ℃時(shí)長(zhǎng)期使用的熱穩(wěn)定性,以及良好的阻燃、耐輻射和力學(xué)性能,優(yōu)良的電絕緣性能等,是一種不可替代的環(huán)保濾料原料[32]。目前,國(guó)產(chǎn)PPS纖維的年產(chǎn)量為0.4萬(wàn)~0.5萬(wàn)t,年進(jìn)口量為0.4萬(wàn)~0.5萬(wàn)t。由對(duì)二氯苯和硫化鈉縮聚形成的PPS聚合物,其分子結(jié)構(gòu)中的硫以二價(jià)的形式存在,這使得PPS纖維極易被氧化而發(fā)生破壞,造成濾料整體失效,并伴隨強(qiáng)力的大幅衰減[33]。通過(guò)添加抗氧化劑進(jìn)行熔融共混改性,可制備出具有明顯抗氧化性能的PPS纖維,同時(shí)其耐熱性能也得到了提高[34]??寡趸疨PS纖維可抑制工況條件下濾料的氧化失效,大大提高濾料的使用壽命,降低生產(chǎn)成本,是發(fā)電廠等企業(yè)高溫?zé)煔獬龎m過(guò)濾用的更安全、可靠、經(jīng)濟(jì)合理的一種纖維材料[35]。
高性能纖維已成為諸多應(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的材料,同時(shí)也是拓展非織造材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要原料。高性能纖維具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐強(qiáng)腐蝕和阻燃等性能,主要用于高溫過(guò)濾材料、高性能復(fù)合材料、耐高溫防護(hù)服、吸聲隔聲材料等。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維、芳綸[36]、聚對(duì)苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維[37]、芳砜綸(PSA纖維)[38]、PI纖維、玄武巖纖維及玻璃纖維等,是目前主要的高性能纖維,且大部分已用于制備具有特殊性能和用途的非織造產(chǎn)品。高性能纖維的研發(fā)和發(fā)展有助于推動(dòng)非織造材料向高科技產(chǎn)品進(jìn)軍。
非織造行業(yè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)非織造產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展,其所用新纖維原料的研發(fā)重點(diǎn)集中在天然纖維的升級(jí)利用,高性能生物基再生及合成纖維、新型生態(tài)化及功能化合成纖維的開(kāi)發(fā),PET纖維的高質(zhì)量回收利用等方面。
隨著生態(tài)環(huán)保理念的普及,原生態(tài)纖維材料將重新受到人們的廣泛關(guān)注。棉纖維作為傳統(tǒng)的生物基天然原生態(tài)纖維,綠色環(huán)保,產(chǎn)品易生物降解。伴隨著棉纖維專用非織造工藝和設(shè)備的日益完善,全棉水刺非織造材料的需求量逐年遞增,尤其是在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域,發(fā)展?jié)摿薮?。麻纖維強(qiáng)度高、模量大、質(zhì)硬、耐磨、耐腐蝕、耐水浸漬、可再生、可降解、熱穩(wěn)定性和聲學(xué)特性優(yōu)異,由其增強(qiáng)的非織造復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域、包裝領(lǐng)域和建筑領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。
近來(lái),人們對(duì)醫(yī)療、衛(wèi)生、家居干濕擦拭材料的消費(fèi)觀念逐漸趨于回歸自然,這大大帶動(dòng)了黏膠纖維需求的增長(zhǎng)。隨著國(guó)內(nèi)人均消費(fèi)水平的提高,傳統(tǒng)黏膠纖維非織造產(chǎn)品已不能滿足市場(chǎng)的需求,因此,以黏膠纖維為基體,開(kāi)發(fā)適用于非織造生產(chǎn)工藝的各種新型功能化黏膠纖維應(yīng)運(yùn)而生。未來(lái),應(yīng)加大研發(fā)力度,聚焦遠(yuǎn)紅外、超細(xì)、中空、負(fù)氧離子、阻燃等多功能復(fù)合黏膠纖維的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,進(jìn)一步促進(jìn)非織造材料向舒適、保健、特色化、功能化和高附加值方向發(fā)展。
Lyocell纖維、蠶絲纖維、殼聚糖纖維、海藻酸鹽纖維、PLA纖維及PTT纖維等生物基纖維在非織造行業(yè)中的應(yīng)用將日益廣泛,如農(nóng)林業(yè)用的育苗網(wǎng)材料、防霜防凍防雜草網(wǎng)材料、種子袋、農(nóng)用化學(xué)品和化肥袋;漁業(yè)用的養(yǎng)殖網(wǎng)、漁網(wǎng)、漁線、海岸網(wǎng)材料等;食品業(yè)用的非織造過(guò)濾材料、蔬菜水果等食品包裝非織造材料等。
我國(guó)已是回用PET纖維的第一生產(chǎn)大國(guó),PET回收量約占全球總量的28%,且一直保持著最高的回收率。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)PET回用行業(yè)的發(fā)展速度較慢,膜狀、塊狀PET廢棄材料如瓶片料、“泡泡料”等的回收與清洗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參差不齊,且尚未形成統(tǒng)一的規(guī)模,易造成二次環(huán)境污染。當(dāng)前PET的價(jià)格普遍較低,且我國(guó)PET回收業(yè)目前仍處于“作坊”的狀態(tài),所以未來(lái)要提高廢棄PET產(chǎn)品的回收利用率、回收技術(shù)水平和再生PET非織造產(chǎn)品的質(zhì)量,拓展回收PET在非織造行業(yè)中的應(yīng)用。
總之,功能化纖維將驅(qū)動(dòng)非織造材料向特色化、高附加值方向發(fā)展;生物基纖維及原生態(tài)纖維將在綠色生態(tài)型非織造材料的開(kāi)發(fā)中占據(jù)重要地位;高性能特種纖維是推動(dòng)非織造材料進(jìn)軍高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵;廢棄PET料的高效回收和高效再利用是整個(gè)非織造行業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)。未來(lái),在結(jié)合我國(guó)農(nóng)林業(yè)生態(tài)發(fā)展特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,將工程技術(shù)與生物技術(shù)緊密結(jié)合,宜開(kāi)發(fā)一系列栽培、養(yǎng)殖等多領(lǐng)域全覆蓋的非織造材料,重點(diǎn)研發(fā)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)林業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等應(yīng)用的綠色生態(tài)型非織造材料。