Lenzing纤维公司开发的Lyocell纤维构成了一个纤维产品系列, 用于要求具有吸湿性、纯度、柔软性强度和生物降解性的各种各样非织造产品。述评了长度短的短纤维(低于20 mm )的特性和制得的织物的性质, 重点是如何能利用上述纤维设计高性能非织造材料的重要产品性质。
关键词: Lyocell纤维, 非织造材料, 性能
Lyocell纤维是由纯木浆经溶液纺丝得到的100% 纤维素纤维。Lyocell纤维以商标名Tancell在市场上销售, 确立了Tencell和Lenzing Lyocell产品系列。上述高纯度、多用途和可完全生物降解的纤维开发于上世纪80年代, 采用非常环保的工艺制造,从一开始就把工艺设计为对环境的影响最小。Lyocell纤维大规模的工业生产始于199年, 在美国阿拉巴马州Mobile 建了第一套Tencell装置。虽然最初的目标放在时装方面, 但在90 年代末利用Lyocell纤维独特的性质, 研制非织造材料成为一项相当重要的业务在21世纪最初5年中, Lyocell非织造材料方面的增长是Tencel 和Lenzing Lyocell产品系列的主要战略目标。目前在Tencel纤维销售额中, 非织造材料占有显著的比例。
Lenzing 公司是唯一以工业规模生产Lyocell纤维的制造商, 生产装置分布于美国、英国和奥地利。Tence l取得成功的主要领域是抹布、医疗卫生以及过滤用途。其中, 最近几年已有许多资料印证了射流喷网法抹布市场的强劲增长, 而专为气流成网和湿法成网研制的长度短的短纤维(一般长度小于20 mm) 也是重要的增长领域。针对各种加工技术(包括造纸、湿法成网和气流成网)以及用作聚合物或无机基质的增强纤维生产不同的纤维。
1 Tencel纤维生产和单丝性质
Tencel纤维的生产是基于把提纯的溶解级木浆溶于氧化胺溶剂( N-甲基吗啉-N-氧化物), 以形成粘胶纺丝溶液。木浆是可再生原料, 源自精心经营的森林, 在严格控制的条件下提纯, 以确保在Tencel工艺中具有最佳性能(图2)。对于长度短的短纤维Tencel的生产, 在洗涤、后处理和干燥等整个工艺过程中, 纤维始终保持连续的丝束形式, 仅在生产的最后才把纤维切断成短纤维, 根据所需的切断长度采用丝框切断抑或离线切断机切断。然而在某些情况下,为了特殊的下游工艺, 纤维以丝束的形式收集。丝束生产和短纤维切断工艺之间的明显差异, 提高了生产灵活性, 能选定最佳的纤维牌号, 以形成广泛的精心特制产品的系列。Tencel纤维的特点在于其表面光滑、圆形截面、杰出的单丝强度和在湿态仍能很好保持的高模量(表1 )。吸水性接近于粘胶纤维, 远远超过聚酯( PET )和聚丙烯( PP)纤维。
2 短切纤维应用中的Tencel
Tence l短切纤维所有应用的特征在于要求短纤维的长度小于20 mm, 要求单丝容易打开和分离, 纤维在空气、水或有机介质中均能容易地分散。为了充分优化每种应用的纤维牌号, 纤维的参数(如切断长度、纤维末端切断质量、线密度、油剂类型、油剂含量、光泽和卷曲)要进行特别设定, 以满足产品所需的纤维加工和性能特征的要求。
3 气流成网
用于气流成网的Tence l纤维牌号, 其切断长度范围通常介于4~ 10 mm 之间。Tencel赋予织物丰满柔软的手感, 纤维用在多层织物结构中的最外层, 可以强化这种手感。与浆粕纤维比较, Tence l使织物厚度有较大的增加, 织物的吸水性得到改善。与浆粕纤维相比, Tence l单丝强度大, 纤维长度长, 随着Tencel比例的提高, 能提高织物的强度。用化学(树脂)粘合、热熔粘合纤维热粘合, 或用水刺(气流成网)法使纤维网固结。与英国利兹大学联合进行的研究确定了纤维参数(如切断长度、油剂类型和纤维卷曲度)对单丝在气室中分散性的影响。已经制定了纤维规格清单, 以优化纤维网的形成, 从而提高织物质量和性能。气流成网的Tencel织物的应用包括高性能抹布、食品包装和医疗用品。
4 湿法成网
由基于丝束的Tencel工艺生产的平行的无捻长丝, 与高湿纤维模量结合, 即使纤维的切断长度比较长, 也能在湿法成网系统的混合箱中促使纤维良好地分散。在这类应用中一般的切断长度范围为5~ 12 mm, 采用低原料浓度时, 即使长度达16mm 的短维, 其分散也是可能的。平滑的纤维表面使纤维网中纤维间很好地接触, 从而赋予湿纤维网高的抱合力, 使纤维网粘合前能高效输送。在干燥过程中, 纤维的湿稳定性高, 使织物收缩率降低, 并保持织物的均匀性。在使用中, 湿法成网Tence l由于纤维强度高, 粘合性能优良, 使织物具有杰出的低起毛性, 可用作要求苛刻的绝对清洁室环境的抹布。和要求不透明和覆盖性的医疗用织物大不相同, 有光Tence l纤维已经用于湿法成网织物中, 以使产品具有优良的透明性, 在非织造材料中产品的透明性指标是一项关键的营销目标。在这种情况下,平滑的纤维表面和一致的折射率使光散射减少, 从而使光透过织物达到最大。在湿法成网, 甚至干法成网织物的设计中, 容易处置是一个日益重要的因素。例如, 织物强度随着Tencel纤维切断长度而增加, 但如果在进入生活自来水管道和污水系统处置时, 要求产品是可分散的,则长度较短的纤维可能更好。许多公司已经用短切Tencel纤维与对水敏感的粘结剂, 研制了可分散的织物, 其中一些发表于专利文献, 例如K imberly-C lark 公司的USP 5 986 004 和O ji Seish i公司的JO9228214, 而另一些在商业上甚至是更加高度机密的。在这种结构中使用Tence l的基本原理是, 给予织物能够使用的足够的强度, 但又要减少固结, 使织物重量更轻更蓬松, 在冲洗时织物压折, 然后破裂。T encel一旦浸入水中就塑化, 纤维模量下降, 可能引起解缠结过程。Tencel是完全可生物降解的, 所以在纤维进入污水或废物处理系统时, 在酶的作用下纤维降解为二氧化碳和水。纤维埋藏于土壤下发生降解的显微照片说明了这种情况(图4)。在典型的污水场厌氧消化器中, Tencel在8天内完全降解, 一般的存留周期大约是20 d。Tencel湿法成网织物的应用包括滤布, 印花辊筒清洁、电子元件清洁和其他绝对清洁室环境用的特种抹布以及可冲洗的医疗用品。
5 特种纸
Tencel独特的原纤维结晶结构使其可以通过机械湿研磨而分裂, 例如在传统的造纸工艺的打浆阶段。湿法研磨生成亚微米直径的圆形截面微纤维,保留于纤维网状组织中, 形成微孔结构, 适合于过滤。除了控制过滤特性和织物渗透性外, 控制Tencel的原纤化也可用来改变织物不透明性、拉伸强度和撕裂强度。由于造纸工艺的特性, 应使用长度最短的Tence l短纤维, 典型的切断长度为4 mm 或更短。由Tencel制成的纸的用途包括电子元件绝缘纸、接触食品的热油过滤材料和汽车用材料, 以及作为卷烟过滤嘴用纸。在所有这些应用中, Tencel的高纯度及其原纤化(图5)的可控制性和可再现性是至关重要的。
6 复合材料增强
Tencel纤维能以短切短纤维或连续丝束的形式用作聚合物或无机基质的增强材料。未卷曲的
短切纤维在聚合物基质如PP中的分散, 使复合材料的性能相当于玻纤增强材料(图6)。与玻纤增强材料相比, Tence l增强赋予更好的隔音和绝热性, 提高了可回收利用的可能性。无机基质材料如陶瓷和水泥也得益于Tencel增强, 每立方米只加入1 kg 的Tece l就能改善材料的压缩和弯曲强度, 而最大优点是耐龟裂, 免遭动态疲劳、冻熔作用和过热龟裂作用等的破坏。Tencel的不熔化性意味着其能安全地用于高性能水泥铸件生产中的热压釜固化和高放热水泥。
7 结束语
叙述了产品差别化和市场增长的巨大可能性, Tencel短切纤维品级有以下改进:
- 改善织物蓬松性、柔软性和强度;
- 改善过滤性能;
- 改善复合材料的韧性和强度。这些优点使其用途广泛, 已经专门研制了各种牌号的Tencel纤维, 使其在造纸、湿法成网、气流成网和复合材料转化技术中具有最佳性能。Tence l非织造材料的快速增长基于市场对抹布吸湿性纤维的持续的需求。在固有的纤维性质和先进的产品开发相结合的基础上, 该纤维为开发各种用途的新产品提供了非常广阔的机会。这是
Tencel纤维的早期的经历, 也是人们继续从事的事业。
