超细纤维高仿真合成革的研究开发.docx
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超细纤维高仿真合成革的研究开发
超细纤维高仿真合成革的研究开发
2009-09-2908:
33作者:
慧聪皮革网
【慧聪皮革网】
孙越励
浙江省产业用纺织品协会
1总论
近年来,随着高分子化学和复合材料新技术的发展,作为当代三大柔性材料之一的合成革(另外两种是布和纸)得到迅速增长。
合成革的基本结构是在纤维制成的基布上,通过化学复合、浸轧、粘贴等工艺,形成一层高分子聚合物膜,并经硫化、染色、整理而成,它是纺织、塑料、化工三个学科的交叉产物,是现代复合材料技术的重要成果。
合成革依靠其基布和高分子树脂的渗透复合,具有强度高,质感强,拒水透气,手感柔软以及光面和绒面的优良风格。
它不仅可与真皮革比美,某些性能还优于真皮。
目前合成革己广泛应用于各种箱包、鞋类、家俱、包装、服装、运动器材以及汽车、火车、船舶、飞机的内饰,军用装备的防护,某些高科技领域等方面。
它已成为许多产业部门必不可少的基本材料和配套材料。
我国合成革年产量达20亿平方米以上,居世界首位。
还将以8%的速度继续增长。
随着城乡居民消费水平的提高,西部大开发的实施,合成革作为一个新兴材料产业,具有广阔的发展前景。
1.1合成革技术的发展历程
合成革的发展过程经历了三次重大的技术更新。
第一代合成革采用全棉或聚酯/棉纱作经纬的机织布经拉绒整理作基布。
这种合成革有较好的尺寸稳定性、透气性强,但其弹性较差,平整度、均匀度、表面风格不理想。
目前作为中低档产品还大量使用,而作为高档合成革就不能胜任。
第二代合成革采用聚酯纤维纱或混纺纱的经编针织布作基布,浸涂树脂从聚氯乙烯(PVC)发展到聚氨酯(PU)。
由于经编织物的结构性能特征,产品纵横向均富有弹性,适合于鞋类、服装等要求有良好伸缩性能的用途。
但针织布和机织布同样由纱线织成,容易露出线头,其仿真效果受影响。
第三代合成革是以常规非织造布作基布,经聚氨酯多元树脂整理,纤维在成品内以三维结构无定向排列,产品的剥离强度和耐折牢度都大为提高。
同时和机织基布相比,断面无线头,且各向同性,有很好的仿真效果。
但由于常规非织造布所用纤维较粗,基布结构密度较低,还不能完全满足高档产品的要求。
新一代合成革就是超细纤维高仿真合成革。
它是以超细纤维为原料制成针刺或水刺基布,经减量开纤、染色、研磨、聚氨酯贴合等特种整理,制成高仿真,高密度,高性能的高档合成革。
它具有最佳的回弹性、柔软性、仿真性,完全满足国内外市场的高档需求,体现了合成革技术发展的主要方向。
1.2国外超细纤维合成革的兴起
美国杜邦公司、日本帝人株式会社从上世纪70年代研究开发超细纤维并取得成功,形成产业化。
到90年代各发达国家共有十多个化纤企业能生产0.02detex以下的聚酯短纤维。
稍后,美国、意大利、日本、韩国开始研究开发超细纤维非织造布并制成高档聚氨酯合成革。
这种产品以其较高的强度,优质真皮的质地感,柔软及良好的悬垂性以及抗皱折、抗静电、抗老化性能,使之成为高科技产品,使用价值超过真皮。
超细纤维合成革的出现,使合成革产品提高到一个新的层次,受到众多国际名牌的青睐:
如:
“耐克”、“阿迪达斯”的运动鞋,“皮尔卡丹”、“瓦伦帝诺”的高档服装,“高尔夫”手套等,均采用超细纤维产品而身价倍增。
目前,超细纤维合成革在国外市场(主要是发达国家)的年需求量达12亿平方米,并有继续扩大之势。
1.3我国超细纤维合成革研究开发现状
从二十年纪八十年代开始,我国合成革行业就开始关注超细纤维合成革的研究工作,并取得一定的进展。
如:
常州人造革总厂、昌邑同大公司、安徽淮化服装公司、烟台万华集团以及嘉兴禾欣公司等,都曾经试制生产过超细纤维合成革产品。
进入21世纪以来,超细纤维合成革的研究开发成为行业内的一个热点,不少单位已形成生产化规模,但在工艺上以不定岛为主,定岛型只有临安海曼公司进行了探索并取得成功;最近绍兴古纤道化纤公司引进国外技术也正在开发定岛型短纤。
据报导,国内高档超细纤维合成革的潜在需求达1.25亿平方米,具有广阔的市场前景。
1.4开发超细纤维高仿真合成革的技术关键
合成革达到逼真的仿天然皮革效果,迄今已取得重大成功,但还有差距。
其主要关键是:
现有合成革基布使用常规纤维,单纤直径在12μm以上,既不能充分体现真皮革纹理细腻的外观效果,又不能完全达到真皮革的致密结构。
因此,研究开发新一代超细纤细高仿真合成革,已成为国际合成革技术的发展必然趋势。
超细纤维高仿真合成革的研究开发,要解决纤维纺丝、无纺基布制造、合成革生产三方面的难题,涉及到海岛超细短纤的复合纺丝技术,双向、高频、高密度非织造布针刺技术,高压射流缠结复合水刺技术、超细纤维基布的减量开纤技术以及三维结构聚氨酯特殊整理技术等一系列研究课题。
2复合纺定岛型超细纤维的研究开发
复合纺丝技术,通常采用双螺杆、复合喷丝组件,并对熔体不同组分进行控制。
复合纺丝有皮芯型、桔瓣型、海岛型。
其中海岛纤维是纺得单纤最细,技术含量最高的一种。
海岛超细纤维分为定岛和不定岛两类不同工艺。
不定岛海岛纤维,通过双聚合物共混纺丝制得,该技术是日本可乐丽公司发明。
在不定岛纤维中岛的大小、数量、分布及其长度都存在随机性,纤维的平均线密度不确定,用溶剂抽取海的组分后,纤维的纤度在0.001~0.1D之间。
国内烟台万华、昌邑同大等企业均属此类。
不定岛超细纤维由于其纤度、长度不均匀,产品风格受到一定影响。
定岛型超细纤维,国内尚属起步阶段,主要技术关键有三:
第一是特殊纺丝组件的研制。
两种性能不同的熔体,在同一组喷丝板中熔融配列,其纤度又是十分微细,必须设计加工特殊的纺丝组件。
过去海岛型喷丝板以进口为主,我们和喷丝板生产厂家合作,经过多次试验、改进,终于攻克了这一难关,生产出效果比较理想的组件。
第二是可溶性高分子聚合物,也就是“海”的成份的研制。
由于岛的成分为聚酯(PET)和聚酰胺(PA),国外海的成分多选用易被溶出的高分子聚合物如聚苯乙烯(PS)及其改性体,低密度聚乙烯(LDPE),还有碱溶性聚酯、聚乙烯醇(PVA)等。
在处理过程中,可用水为介质将以碱溶性聚酯或PVA为原料的海溶去,而如果岛的原料是PS或LDPE,则需要采用甲苯等有机溶剂来抽吸溶出。
过去,国内进行定岛纺丝试验,多使用进口的可溶性树脂。
我们经过多次研究试验,已开发成功可溶性材料接近国外同类产品水平。
第三是复合纺丝工艺的研究。
两种非相容性的聚合物经双螺杆挤压进特殊喷丝组件纺出丝来,其工艺条件十分重要。
均匀的双聚合物共混体,只具有单一玻璃化转变温度Tg,其值介于两个相混聚合物各自原值之间。
该转变区域的宽度稍有增加,依赖于它们之间混溶性能的优劣。
这与当可混溶的增塑剂,被添加到一个聚合物或无规共聚物之中形成均匀体系时所观察到的行为是相似的。
尽管二级相转变(玻璃态――橡胶态转变)应用动态力学试验测定时发生超过了限定的温度范围;但Tg仍被认为是其相关的某些粘弹性函数(贮能模量E′和损耗角正切值tanδ)也呈现出最大值。
而海岛纤维亦可通过控制两种聚合物的粘度比与混合比来控制其加工过程。
纺制海岛纤维时应选用粘度相近的组分,严格控制切片含水率,合理选择纺丝温度和COPET与PET/PA6的配比,才能避免出现注头丝和弯头等不正常现象。
冷却成型条件是影响原丝的重要因素。
增加温度,适当提高环吹风速可以相应降低原丝伸长率,改善原丝的拉伸性能和岛相在海相中的分布。
选择适当的拉伸倍数,在保证成品纤维的强度基础上,控制好断裂伸长率,使岛相微纤得到充分的取向。
控制拉伸温度,通过设定油浴温度,调整拉伸应力,减少毛丝和断丝,严格控制后纺油浴槽的油剂浓度和均匀性,稳定成品纤维的比电阻,以利于后道的加工。
此外,海岛复合纺丝对物料的物性要求非常严格,COPET应与PET/PA6具有相似的物理化学性能和一定的相溶性,但是COPET流动性差,成纤性能差,所以要求尽量避免因两者的表观粘度相差太大,以及对温度、压力和剪切速率的敏感度不一致而导致纺丝困难,丝束成型差。
COPET是PET的改性共聚酯,所以可以通过它们的特性粘度来反映粘流活化能的差异,对于PA6与COPET则要用粘度计、流度仪等间接反映它们的流动性能差异,当然表观流动性与温度、压力和剪切速度等因素都有关系。
选用的COPET应具有良好的结晶性能,以保证预结晶,干燥的顺利进行。
3双向、高频、高密度针刺新技术
利用针刺法生产的无纺布,由于其表面平整、具有很好的强力、密度和弹性,而且具有良好的耐磨性、舒适性、屈挠性、各向同性等特点,因此被大量用作合成革基布。
而最先进的针刺合成革基布,原料以超细纤维为方向,工艺技术以双向、高频、高密度针刺为方向。
超细纤维的针刺加工,其产品抗拉强力和撕破强力、外观和均匀度、平整度、延伸性、柔软性、高密度、及各向同性等方面的性能均有较高的水平。
根据海岛超细纤维的生产工艺不同,海部分的成份不同,分为碱减量型和甲苯溶出型。
碱减量型海岛纤维生产的基布要求体密度较高,一般大于0.27,手感密实丰满,布面细腻,层间剥离强度高。
其纤维的可纺性较好,与普纤相差无几,因此,在基布的生产过程中开松、梳理的工艺变化不大。
甲苯溶出型海岛纤维生产的基布要求克重和厚度的均匀性要好,体密度较小,一般在0.19左右,层间剥离强度大于20N。
但甲苯溶出型纤维的可纺性较差,其海部分熔点很低,纤维间抱合力差,加工难度较大,主要问题出现在开松过程中易堵塞,梳理机易粘针布,出现棉网云斑等。
下面,主要分析碱减量型海岛纤维的针刺工艺技术:
3.1纤维原料
采用涤纶、锦纶海岛型超细纤维作为原料。
涤纶纤维和锦纶纤维均有良好的结晶性,较高的断裂强度。
但它们的长链分子的柔软性存在差异,涤纶纤维中由于引进了苯环,长链分子显得刚性一些,反映在性能方面,它的初始模量大,生产出来的基布,回弹性和手感柔软性要逊于锦纶纤维。
锦纶纤维的长链分子中含有一定数量的、能与水发生亲和作用的酰胺键,所以含有锦纶纤维合成革基布的吸湿性的提高,对后道PU革涂层和DMF含浸工艺有利。
而超细纤维针刺布,其外观和物理性能优选用30%锦纶70%涤纶比例。
3.2梳理和杂乱成网工艺
梳理和杂乱成网工艺直接影响成品的均匀度和各向同性,采用大锡林梳理机,双道夫,双杂乱辊,经交叉铺网成网的工艺,适用于超细纤维。
喂入的纤维网经大锡林和其上的五对工作辊、剥毛辊的作用,一部分长度较大,伸直度较好的纤维经上道夫转移出机,而另外一部分长度较短,伸直度较差的纤维再经锡林,由下道夫转移出机。
超细纤维的纤度小,重量轻,梳理速度和转移速度都应适当降低。
由于超细纤维是由两种聚合物纺丝制得,因此普通的纤维油剂难以解决生产中产生的大量静电积累问题,通常还需要对纤维进行给水或施加抗静电剂等前处理。
开松混合工艺采用“多点开松,柔和打击”的方式,适当增加打击点,降低打手的速度,减少打击力,以减少纤维损伤,降低梳理机的负荷,提高纤网的均匀度。
3.3针刺工艺
在针刺工艺中,为了达到良好的品质,必须选择合适的刺针型号,同时根据超细纤维的缠结效果和结构情况调整针刺深度、针刺密度针刺工艺参数。
在生产超细纤维薄型产品时,由于针刺深度较小,刺针进入纤网的刺钩数比较少,可以增加针刺密度,而厚型产品时,由于针刺深度的增加,有更多的刺钩进入纤维网,多枚针插入时将做更多的功并使更多的纤维定向,可以减少针刺密度。
超细纤维针刺布的密度比常规产品高,从而提高了最终成品合成革的仿真效果。
这是其基本特点之一。
高频针刺其刺入纤网的瞬间缩短,有利于纤维带入和退出时的缠结效果,使纤网既不分层,又保持均匀平整的结构。
双向针刺是当前最先进的针刺技术之一。
和单向针刺相比,提高了针刺效率,改善了成品质量,特别适用于超细纤维。
3.4热定型工艺
热定型工艺对基布的厚度控制起到重要的作用。
基布中纤维的随机排列从根本上导致织物密度的变化,这主要决定于纤维密度和纤维组合方式。
轧压过程改变了纤维的组合,针刺非织造布结构内超细纤维的弯曲和运动在热力作用下瞬间地进行,温度上升使纤维的增塑性较常规纤维增大。
4高压射流缠结、开纤水刺新技术
利用高压射流即水刺的机理,生产出均匀、平整、致密的薄型无纺基布,是开发超细纤维高仿真合成革的重要环节。
水刺法是一种利用高压水针,既能将海岛型纤维缠结成布,又能将分割型双组分纤维分裂成单一组分超细纤维的最有效方法。
双组分纤维其他的分裂途径是采用热收缩法分离或用化学处理法溶解其中一种聚合物。
水刺法是一种较为节省的使纤维分裂的方法。
4.1超细纤维的选择
因纺丝的需要,超细纤维采用的油剂品种不同于常规化纤,且油剂含量较高。
往往造成某些超细纤维的静电较大,无法梳理成网,或者容易导致水中产生大量泡沫,影响水刺效果,故在生产前要对超细纤维进行比电阻测试和油剂泡沫试验。
合适的比电阻范围是107Ω?
cm2~108Ω?
cm2,油剂试验需表明无明显泡沫。
4.2梳理工艺的控制
超细纤维分裂前纤维的纤度大,且长度大,梳理应无问题。
但某些超细纤维因组分与组分之间的粘接力较弱,会在梳理机针布大力的梳理作用下就发生局部开纤。
极细的纤维缠绕在针布上,使纤网质量受到破坏,严重时甚至没有纤网输出。
因此应适当控制梳理机锡林、工作辊和剥棉辊的速度。
4.3水刺工艺的研究
(1)提高开纤率
在水刺过程中,水柱夹持着纤维重新取向并加以缠结,使纤网得以压缩和加固,同时将分割型纤维分离成单纤维。
因而,水刺工序参数的设定对纤维的缠结和开纤尤为重要。
而超细纤维开纤率的高低,对产品的性能影响很大。
开纤率高(大于60%),产品柔软细腻、均匀致密、强度高;而开纤率低,不但达不到超细纤维应有的特点,还会影响后道染色的均匀性,若制成人造麂皮,则仿真性差。
(2)水针板处理
用于合成革,尤其是人造麂皮用途的超细纤维水刺非织造布对外观质量的要求比较严格,要求表面平整度好,水针痕迹少而细,否则后道磨毛、染色的质量会受到影响。
因此,在生产之前要对水循环系统进行比较彻底的清洗,必要时可投放适量的抗菌剂,以提高水质。
除此之外,应选用较新的水针板,且所有的水针板须经过仔细的冲洗,并选配水针板型号。
采取上述措施,可以有效地防止布面水针痕迹的产生。
(3)控制水针压力
分割型超细纤维水刺工艺,既要令纤维相互之间缠结良好,不发生表面起毛、中间分层的现象,又要使纤维得到充分的开纤。
要做到两者相统一,水刺压力是关键。
前三道水刺压力,尤其是第一道水刺压力的设定最为重要。
若设定偏低,则会较大地影响最终纤维缠结和开纤的效果;若设定偏高,则会导致纤维过早开纤,在产品表面形成较为致密的一层,从而会削弱第二、三道水刺的功效,造成产品“夹生饭”的现象。
根据实践经验,第一道水刺的压力以设定在设计值的70%~80%为佳,第二、三道水刺的压力依次增加。
4.4干燥工艺的设计
因水刺开纤后,超细纤维在棉层中形成大量的毛细管,因而棉层的吸水、含水率大大提高,再加上超细纤维水刺非织造布致密的结构影响干燥机热量的穿透,使超细纤维产品较之普通涤纶、锦纶产品不容易烘干。
因此,超细纤维的干燥温度设定要比相同定量的普通涤纶、锦纶产品高10℃~15℃。
5超细纤维合成革制造工艺技术
超细纤维合成革以水刺布针刺布为基布,以纤维细化为核心,采用特殊的PU树脂合成革工艺,半成品染整工艺和独特的表面后整理技术,模仿天然皮革的构造,制成既有天然皮革柔软、透气、富有弹性、穿着舒适等性能,又有可洗、耐霉变、色泽均匀鲜艳、色牢度高等比天然皮革更优特性的高档合成革。
5.1原材料筛选
海曼公司的海岛型超细纤维,中汇公司针刺布及路先公司水刺布是试用原料之一,也试了山东、韩国、日本的基布,并选用青岛宇田公司的树脂。
5.2工艺流程
工艺流程
5.3技术关键
用复合技术将超细纤维细化、聚氨酯合成革技术、染整和表面处理等进行科学组合。
(1)超细纤维化:
以两种互不相溶的高分子材料,经海岛型复合纺丝制成一定细度和长度的不同配比的海岛型纤维,经高密度针刺法非织造加工成一定厚度的海岛纤维无纺布为原料,在海岛型纤维中,“海”是可溶性聚酯,“岛”是聚酰胺纤维,通过碱减量处理,“海”部分被溶解,超细纤维显露,纤维可细化至0.05-0.01D,纤维直径在1-2.3微米。
(2)特殊的合成革工艺:
先用可溶性的树脂A对海岛型无纺布进行处理,使纤维外层及纤维之间填充A树脂,再经耐碱易上色的PU树脂处理,A树脂抽出后,PU树脂不与纤维完全直接接触,纤维外部留有空隙,使纤维间可滑动,增加革的回弹性和柔软性。
生产特薄型服装,可用专用剖皮设备进行,使之薄化。
(3)筛选各种染料,优选最佳染色工艺。
使PU树脂和合成纤维同浴上色,色泽均匀鲜艳,染色牢度达4级。
5.4工艺参数
(1)PU树脂含浸浓度8-16%;凝固浴DMF浓度20±5%。
(2)碱液浓度10-30%,车速10-20m/min。
(3)采用分散染料或弱酸性染料。
染色温度从58℃升温到70℃每1.5分钟升温1℃,从70℃升温到100℃每2-4分钟升温1℃,在100℃保温45-75分钟。
(4)“海”成分化学溶出整理。
下面是PET/PET的海岛纤维(37岛)针刺非织造布使用的一种减量整理工艺。
2%NaOH溶液,95℃,15min→水洗→18g/LHAC溶液中和10min→水洗至PH值达到6.5-7→烘干定型。
由于使用的成纤聚合物的差异,不同厂家生产的纤维在溶出整理时所需的碱液浓度有所不同。
实际生产中的工艺参数需要通过反复对比试验方可确定。
用上述特殊工艺生产的超细合成革,其柔软性和仿真效果达到新的水平。
6研究结论
通过本课题的全流程研究,开发出具有天然皮革柔软、透气、穿着舒适等性能,又有良好弹性,可洗涤,防霉变,色牢度高,色泽鲜艳等优于天然皮革特性的新一代高档合成革,研究解决了以下技术关键:
6.1复合纺海岛型束状超细纤维生产技术
采用双组份复合纺丝以生产细旦纤维。
其中“并列型”、“桔瓣型”、“皮芯型”已经在国内批量生产,而难度最大的“海岛型”复合纺丝,特别是以“定岛”工艺生产的超细纤维,是化纤生产中一项高新技术。
本项目开发的以可溶性树脂为海,以涤纶(或锦纶)为岛,定岛为37个,单纤达0.05D以下,以弱碱液为溶“海”分“岛”条件的束状超细纤维,解决了纺丝组件、可溶性树脂及复合纺丝工艺等关键技术,在国内开拓海岛型超细纤维工艺技术的新领域。
6.2双向、高频、高速、高密度针刺工艺技术
传统针刺非织造工艺一般采用单向、低速,其产品密度在0.2g/cm3以下。
为了适应超细纤维高仿真合成革基布的需要,在针刺设备和工艺上必须突破常规作出重大创新,解决两个难度很大的技术关键:
在同一台针刺机上采取双向对刺以及在提高针刺频率的同时提高出布速度。
然后才能生产出密度达到0.25g/cm3以上的针刺基布,同时还要求保持良好的抗拉强力和撕破强力、柔软性和悬垂性、平整度和均匀度。
6.3高压射流缠结及开裂工艺技术
采用先进的水刺工艺技术,以分割型的超细复合纤维为主要原料,借助高压水流对纤维的强烈撞击,不仅使纤维缠结形成纤网结构三维状态,同时使复合纤维抱合松动,逐步分裂成超细纤维,这是水刺工艺的重大突破,其特点是将纤网的加固与纤维的分裂在一次加工中同时进行,有利于形成平整的基布表面,为优质高仿真合成革的生产创造了条件。
6.4聚氨酯合成革特殊工艺技术
超细纤维合成革特殊工艺技术包括第一步通过弱碱溶液处理,将“海”部分减量溶解,使“岛”部分开裂分纤。
第二步再用过渡性的可溶性树脂进行预浸,填充在纤维外层及纤维与纤维之间,再经耐碱易上色的聚氨酯主体树脂处理,第三步将过渡性可溶树脂抽出后,主体树脂不与纤维内部直接接触,而留有空隙,使纤维间可滑动,增加了超细纤维合成革的回弹性和柔软性。
采用上述特殊工艺技术使其风格达到国外同类产品的先进水平,对国内合成革的发展具有创新意义。
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- 纤维 仿真 合成革 研究 开发