聚氨酯弹性纤维

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简介

聚氨酯弹性纤维是指以聚氨基甲酸酯为主要成分的一种嵌段共聚物制成的纤维,简称氨纶。国外商品名有莱卡[Lycra(美国)]、内欧纶[Neolon(日本)]、多拉丝弹[Dorlastan(德国)]等。

聚氨酯弹性纤维

结构

一般的聚氨基甲酸酯均聚物并不具有弹性。目前生产的聚氨酯弹性纤维实际上是一种以聚氨基甲酸酯为主要成分的嵌段共聚物纤维。

在嵌段共聚物中有两种链段,即软链段和硬链段。软链段由非结晶性的聚酯或聚醚组成,玻璃化温度很低(Tg=-70~-50℃),常温下处于高弹态,它的相对分子质量为1500~3500,链段长度15~30nm,为硬链段的10倍左右。因此在室温下被拉伸时,纤维可以产生很大的伸长变形,并具有优异的回弹性。硬链段采用具有结晶性且能发生横向交联的二异氰酸酯,虽然它的相对分子质量较小(M=500~700),链段短,但由于含有多种极性基团(如脲基、氨基甲酸酯基等),分子间的氢键和结晶性起着大分子链间的交联作用,一方面可为软链段的大幅度伸长和回弹提供必要的结点条件,另一方面可赋予纤维一定的强度。正是这种软硬链段镶嵌共存的结构才赋予聚氨酯纤维的高弹性和强度的统一,所以聚氨酯纤维是一种性质优良的弹性纤维。

由于聚氨酯弹性纤维链结构中的软链段可为聚醚或聚酯,又有聚醚型聚氨酯弹性纤维和聚酯型聚氨酯弹性纤维之分。如杜邦(Du Pont)公司的莱卡(Lycra)、我国烟台和连云港氨纶厂的产品均属聚醚型,而德国拜耳的多拉丝弹(Dorlastan)和美国橡胶公司的韦纶(Vyrene)则属聚酯型。

性能

由于聚氨酯弹性纤维具有特殊的软硬镶嵌的链段结构,其纤维特点如下。

(1)线密度低:聚氨酯弹性纤维的线密度范围为22~4778dtex,最细的可达11dtex;而最细的橡胶丝约180号(约合156dtex),比前者粗十余倍。

(2)强度高:聚氨酯弹性纤维的断裂强度,湿态为0.35~0.88dN/tex,干态为0.5~0.9dN/tex,是橡胶丝的2~4倍。

(3)弹性好:聚氨酯弹性纤维的伸长率达500%~800%,瞬时弹性回复率为90%以上,与橡胶丝相差无几。

(4)耐热性较好:聚氨酯弹性纤维的软化温度约200℃,熔点或分解温度约270℃,优于橡胶丝,在化学纤维中属耐热性较好的品种。

(5)吸湿性较强:橡胶丝几乎不吸湿,而在20℃、65%的相对湿度下,聚氨酯弹性纤维的回潮率为1.1%,虽较棉、羊毛及锦纶等小,但优于涤纶和丙纶

(6)密度较低:聚氨酯弹性纤维的密度为1.1~1.2g/cm3,虽略高于橡胶丝,但在化学纤维中仍属较轻的纤维。

(7)染色性优良:由于聚氨酯弹性纤维具有类似海绵的性质,因此可以使用所有类型的染料染色。在使用裸丝的场合,其优越性更加明显。

另外,聚氨酯弹性纤维还具有良好的耐气候性、耐挠曲、耐磨、耐一般化学药品性等。但对次氯酸钠型漂白剂的稳定性较差,推荐使用过硼酸钠、过硫酸钠等含氧型漂白剂。再有,聚醚型的聚氨酯弹性纤维耐水解性好;而聚酯型的聚氨酯弹性纤维的耐碱、耐水解性稍差。

用途

聚氨酯弹性纤维在针织或机织的弹力织物中得到广泛应用。归纳起来其使用形式主要有以下四种:裸丝、包芯纱、包覆纱、合捻纱。

1.裸丝

裸丝是最早开发的聚氨酯弹性纤维品种。裸丝的拉伸与回复性能好,且不用纺纱加工便可用于生产,因此具有成本低的优点。由于裸丝的摩擦系数大,滑动性差,直接用于织造织物的不多,一般适宜在针织机上与其他化纤长丝交织。主要纺织产品有:紧身衣、运动衣、护腿袜、外科用绷带和袜口、袖口等。

2.包芯纱

以聚氨酯弹性纤维为芯纱,外包一种或几种非弹力短纤维(棉、毛、腈纶、涤纶等)纺成的纱线。芯层提供优良的弹性,外围纤维提供所需要的表面特征。例如棉包芯纱,除了弹性好以外,还保持了一般棉纱的手感和外观,其织物具有棉布的风格、手感和性能,可以制出多种棉型织物;毛包芯纱的服装面料不仅要有一般毛织物的外观和良好的保暖性,而且织物的回弹性好,穿着时伸缩自如,增强了舒适感,并能显现出优美的体型。包芯纱是聚氨酯弹性纤维中应用最广泛的纱线品种。

3.包覆纱

包覆纱又称为包缠纱。它是以聚氨酯弹性纤维为芯,用合成纤维长丝或纱线以螺旋形的方式对其予以包覆而形成的弹力纱。包覆纱的手感比较硬挺,纱线较粗,织造的面料比较厚实。

包覆纱又可分为单包覆纱和双包覆纱两种。单包覆纱是在聚氨酯弹性纤维外层包上一层长丝或纱线。由于施加于芯纱上的包覆圈数较少,在高伸长的弹性织物上有时会出现露芯现象,主要用于袜子、纬编内衣等弹力织物。双包覆纱是在聚氨酯弹性纤维外层包覆两层长丝或纱线,且两层包裹方向相反。由于外层纤维以相反的螺旋角对称包裹,纱线不用再加捻就可以达到成纱弹力的平衡。双包覆纱的加工费用较高,主要用于护腿、弹力带、袜子口、连袜裤等弹力织物。

4.合捻纱

合捻纱又称合股纱。它是在对聚氨酯弹性纤维牵伸的同时,与其他无弹性的两根纱并合加捻而成。如果使这种纱线退捻,在使张力减弱的同时对整个纱线施加较轻的冲击,使各纱线间相对移动达稳定状态,最后导致弹性纤维进入纱芯中,其他无弹性的纱成为外包层,合捻纱结构得以稳定。利用这种方法也可以生产各种花式捻线或三合一的合捻纱。

合捻纱多用于织造粗厚织物,如弹力劳动布、弹力单面华达呢等。优点是条干均匀、产品洁净。缺点是手感稍硬,弹力纤维有的露在外面,使染色时容易造成色差,一般不用于深色织物。

新品种

耐高温聚氨酯弹性纤维

日本钟纺公司在80%的聚己二酸己二醇酯和二苯基甲烷-4,4′-二异氰酸酯(MDI)及1,4-丁二醇组成的聚合物中,加入20%的聚己二酸丁二醇酯和MDI合成的预聚体,得到的熔纺聚氨酯纤维,具有较好的耐热性能。

日本旭化成公司用脂肪族聚碳酸酯二醇、1,6-己二醇和1,5-戊二醇的混合醇与MDI合成的聚氨酯,采用干法纺丝,得到的纤维的伸长率为618%,具有较好的耐高温性能。

日本可乐丽公司用含有1,9-壬二醇或聚碳酸酯二醇的混合二醇,制取得熔纺聚氨酯纤维,具有优异的耐高温性能。

美国韦诺恩(NOVEON)公司采用聚四氢呋喃二醇、MDI、芳香族低分子二醇制取的熔纺聚氨酯纤维,可以在130℃下染色,具有良好的耐高温性能。

日本东洋纺开发的艾斯帕(エスパ)T-765是一种干纺的高耐热性、耐化学品的聚氨酯纤维。它是不易变黄、脆化,耐光、耐洗涤、耐煤气,具有优异的耐伸缩疲劳性且透明的聚氨酯纤维。它可以与聚酯纤维混纺和在高温下染色,在干热及湿热处理时具有较高的稳定性。

耐氯、耐水解聚氨酯弹性纤维

由于普通聚氨酯纤维结构上的原因,使其不耐氯,不耐水解。当前有25%的聚氨酯弹性纤维用于制造游泳衣,因此研究耐氯、耐水解的聚氨酯弹性纤维是急需解决的问题。聚酯型聚氨酯纤维有较好的耐氯性,但其耐真菌性能比较差,故人们努力研究耐氯性聚醚型聚氨酯纤维。

水中含有的活性氯不仅充满纤维的表面,并且扩散到纤维的内部,使醚键氧化断裂,导致纤维脆化、强度下降直至纤维断裂。在纤维中添加活性氯中和剂,如络合氧化物、氢氧化镁、氢氧化锌和氢氧化铝,再用聚烷基硅氧烷和含磷酸酯的矿物油处理,这样,在醚键断裂之前,纤维中含有的氧化物微粒子,可捕捉到活性氯,防止醚键破坏,提高纤维的耐氯性。

旭化成公司研制的耐氯、耐水解聚醚型聚氨酯纤维是向聚氨酯中添加用高级脂肪酸或硅烷偶联剂处理过的水合碳酸铝镁盐,再经熔体纺丝制取聚氨酯纤维。它可以在(3×10-4)%的NaCl的水溶液中浸渍68h,仍然保持50%的强度。未改性的聚氨酯纤维在上述的NaCl的水溶液中浸渍29h,才可保持50%的强度。

杜邦公司以聚(2,2-二甲基-1,3-癸二酸二丙酯)、MDI、1,3-二氨基环己烷、1,2-乙二胺合成的聚氨酯,再经干法纺丝制取聚氨酯纤维,它可以在pH为3的70℃含氯的热水中浸渍1h,仍保持40%的强度。普通的聚氨酯纤维在同样的条件下强度已经下降到零。杜邦公司生产的T-259型聚氨酯纤维制成的游泳衣,其耐氯性能是普通聚氨酯纤维制成的游泳衣的4倍。

耐潮、耐菌的聚氨酯弹性纤维

东洋纺采用聚己二酸乙二醇丁二醇共聚酯和MDI制成的预聚物,用1,2-丁二醇扩链并添加2,3,5,6-四氯代烷-4-甲磺基吡啶,再经干法纺丝纺制的聚氨酯纤维织物经20次洗涤后,其抗菌性能仍符合日本工业标准的要求。在70℃和相对湿度为95%的条件下,保持14天后,其强度仍保持90%,而一般的聚氨酯纤维织物的强度保持率仅有30%。

富士纺公司研究出一种抗菌吸臭的聚氨酯纤维。在氨基甲酸酯纺丝溶液中加入环糊精包囊杀菌剂和Zn、Cu或Ni的二价金属硅酸盐粉末组成的添加剂,再经干法纺丝制取聚氨酯纤维,灭菌率可达到99.5%。

具有良好低温性能的聚氨酯弹性纤维

旭化成公司研制了一种新型催化剂,用于合成含有支链的2,3-丁二醇的生产。再用2,3-丁二醇合成含有支链的聚醚二醇来生产聚氨酯纤维,其纤维模量较低,可制作适于老年人和幼儿穿着的服装;在低温下有良好的低温性能,可用于制作冰上运动服。

日本大赛路公司采用聚己二酸戊四醇酯与ε-己内酯进行酯交换的产物,与MDI反应合成聚氨酯,再经熔体纺丝制取聚氨酯弹性纤维,其弹性回复率可达75%~90%,具有良好低温性能的聚氨酯弹性纤维,主要用于制作运动装。

可乐丽公司采用壬二酸、1,4-丁二醇和MDI合成预聚体,用3-甲基-1,5-戊二醇扩链得到热塑性聚氨酯,再共混一定量的聚氧化乙烯硅氧烷,得到具有良好低温性能的聚氨酯弹性纤维,该纤维在0℃时伸长50%条件下的弹性回复率为97%,而用1,4-丁二醇扩链的聚氨酯纤维在同样条件下的弹性回复率仅为40%。

另外,还有含有四氯邻苯二甲酸、亚磷酸酯等阻燃剂的阻燃型聚氨酯弹性纤维;含有聚有机硅氧烷的滑爽型聚氨酯弹性纤维;与传统添加TiO2生产消光聚氨酯弹性纤维不同,将对苯二甲酸丁二酯的结晶聚酯和热塑性聚氨酯共混经熔体纺丝制取的消光纤维等。

发展史

聚氨酯弹性纤维最早由德国拜耳(Bayer)公司于1937年试制成功,但当时未能实现工业化生产。1958年美国杜邦(Du Pont)公司也研制出这种纤维,并实现了工业化生产。最初的商品名为斯潘德克斯(Spandex),后来更名为莱卡(Lycra),意为像橡胶一样的纤维。由于它不仅具有像橡胶丝那样的弹性,而且还具有一般纤维的特征,因此作为一种新型的纺织纤维受到人们的青睐。20世纪60年代初,聚氨酯弹性纤维的生产出现高潮,发展速度较快。60年代末及70年代,由于生产技术、成本核算、推广应用以及聚酰胺弹力丝的高速发展对聚氨酯弹性纤维市场的冲击等原因,其发展速度较为缓慢。进入80年代,随着加工技术的进步,包芯纱、包覆纱、细旦丝等新产品不断涌现,使聚氨酯弹性纤维的用途逐步扩大,进入了第二个高速发展时期。我国聚氨酯弹性纤维的开发较晚,但发展速度很快。在20世纪80年代末和90年代初先后从日本东洋纺公司引进技术设备,在烟台和连云港建成两个年产300t聚氨酯弹性纤维的干法纺丝氨纶厂,2010年两厂经多次扩建,产能分别达到22千吨和14千吨。2010年底我国干纺氨纶企业数量已经上升到30家,总产能达到336千吨/年。国内干法氨纶制造设备近年来技术不断提升。其中郑州中远氨纶工程技术公司开发成功连续聚合工艺全套制造技术,并已装备了国内多家氨纶企业,且已出口国外,对推动国内氨纶制造设备实现国产化起到了很好的示范作用。国内熔纺氨纶发展也很快,2010年底已有36家熔纺氨纶企业,总产能达35.6千吨/年。品种以15旦、12旦和30旦细旦丝为主。

2012年底,中国氨纶产能达到48万吨,稳居世界第一大氨纶生产国,国内氨纶已处于供过于求的局面。行业已从快速发展阶段过渡到平衡发展阶段,行业盈利水平处于历史低点。未来差别化氨纶将更受市场青睐。