热塑性聚氨酯(TPU)生产氨纶纤维的新方法
| 日期：05-04-22 10:00:54 编辑：亚洲纺织联盟网 |
乾纺法 (DSS)是生产氨纶弹性纤维的传统方法，然而以这方法生产的氨纶不单种类有限，弹性亦不足 - 原因是由于生产DSS氨纶纤维需要使用非常大型的化工设施，而大型厂房在固定模式下产能较佳，不过却局限了产品生产种类。再者，生产时使用的溶剂容易对环境产生污染，必须小心处理，令生产程序更为复杂。目前，全球只得几家跨国企业从事有关生产工作。 Noveon 公司研发出一种利用热塑性聚氨酯 (Thermoplastic Polyurethane - TPU) 生产氨纶纤维的新技术，让生产商自由选择纤维的性质、颜色及厚度，且成本实惠，更重要的是这方法毋需使用溶剂，是目前为止最环保的氨纶生产方法。这新技术使企业能自行生产氨纶，从而缩短产品生产周期，快速回应市场，并能按照客户需要定做产品。Noveon从事有关方面的研发工作已超过4年，并通过与世界各地不同企业的合作，崭新技术不断投放市场。TPU具有弹性优良、持久耐用和坚硬等优点，适用于注塑、吹塑薄膜、挤压及纺织涂层等技术。其实，用TPU制造氨纶纱的概念始于二、三十年前，但碍于TPU的耐热性及复原能力缺点，令这更合乎经济的技术未能普及。随著聚合作用、聚合物科技上的突破，用TPU生产氨纶终成事实，现在的TPU甚至能适应更苛刻的生产条件。不论是使用TPU或以传统的乾、湿纺织法，所生产出的氨纶化学性质基本上完全相同，但前者的生产过程就简单得多，且更环保、更经济。运用Noveon的最新挤出纺织氨纶(ESS)技术，任何生产商都可自行生产氨纶纤维，颜色、添加剂及纤维直径任君选择。本文将深入探讨ESS技术。TPU的物理及化学特性TPU是一组聚氨酯聚合物，可通过加热或加压成形及改造。TPU的其中一个物理特性是其超卓的弹性，但市场上可供选择的TPU，不论是弹性、复原能力、耐热性及纺织性能都未能符合氨纶的生产要求。因此Noveon研发出独特的聚合物方程序，透过先进的加工控制，生产出适合于氨纶纱线的TPU。生产商必须加强TPU的加工性能，因为这对确保纺织过程顺利十分重要。TPU独有的弹性源于其软硬兼备的份子结构。图1是TPU份子结构模型图。TPU分子链中的软组织由巨乙二醇 (Macroglycol) 组成，它们像一团不规则块，形成非晶结区，可在份子链中随意移动；而硬组织则由异氰酸酯组成，它们形成结晶体，分布在软不规则块上，限制著软组织的移动。这种软硬组织兼容于一巨份子链的现象称为「微形态分离」(Micromorphology Separation)。当份子链被外力拉动时，其软组织会因应改变移到新的位置。假如聚合作用控制精确的话，TPU可被拉长多达5倍。与此同时，分布在软组织之中的硬组织会约朿著软组织的活动，使其回复原来模样。因此，微形态分离现象是TPU拥有弹性不可或缺的重要元素。所有TPU的生产均需「异氰酸酯」、「巨乙二醇」及「增链剂」三种材料。必要时亦可加入其它物料如稳定剂、润滑剂、填充器及色素等。TPU的制造过程较传统的氨纶制造方法更具灵活性，可增加TPU的应用范畴。异氰酸酯：脂异氰酸酯或芳异氰酸酯皆适用于TPU生产。不论是用于ESS、MDI或其它技术的TPU，芳异氰酸酯均是异氰酸酯的基本原料。芳异氰酸酯的苯基环状结构令TPU硬度适中，微形态分离效果更佳。巨乙二醇：巨乙二醇与异氰酸酯接触产生化学反应，形成TPU中的软组织，并为聚合物提供诸如弹性及柔韧性等无结晶特点。巨乙二醇可以是聚酯、聚醚或聚己内胺型。前两种经常被用作生产ESS热塑性聚氨酯。值得一提的是，巨乙二醇的种类会影响ESS纱的抗化学及抗水解性能，而ESS纱将无可避免在漂染、后整理等加工过程中接触到水及化学品，因此巨乙二醇的选择十分重要。聚酯的抗UV、抗氧化及抗化学性能较佳；聚醚则以水解稳定性取胜；而份子量较高的巨乙二醇能生产较长的聚合物主链，令制成品具更高弹性。增链剂：增链剂与异氰酸酯反应，形成TPU的硬组织。最常用作生产TPU的增链剂是二醇或Diamides。顾名思义，增链剂的作用是通过与异氰酸酯产生化学作用，产生氨基甲酸乙酯或??塑料 (视乎所用的是二醇或Diamides)，从而增长分子链。为何采用挤压纺织氨纶技术 (ESS)?Dupont将乾纺法氨纶生产技术工业化已有50多年历史，这些年来，氨纶制造商主要用三种纺织法生产氨纶：即乾纺法、湿纺法及化学反应纺织法 (Chemical Reaction Spinning)。前两者较为普遍，而后者多年来皆被Radichi公司 (前称为Global Company) 所柯断。不论是乾式纺织或湿法纺织，其原材料高弹体及其它添加剂均必须溶于溶剂，以制成溶液。然后溶液会被挤出纺织孔形成经轴，过程中溶剂会被热氮除去 (乾纺法)，或被其它溶剂吸收 (湿纺法)，余下的高弹体则构成纱。现时最常用的两种溶剂是二甲基甲?胺及二甲基乙?胺，两者都极易挥发，会对健康及环境造成损害。因此氨纶生产商必须在溶剂的循环回收上作出庞大投资，以避免空气及水质污染，同时确保溶剂免受添加剂及染料污染。溶剂回收设施的安装及运作往往令投资及营运成本大大增加。挤压纺织氨纶技术(ESS)是近年发展出来的制造弹性纤维的新方法。Noveon公司是该行业的佼佼者，也是唯一一家厂商使染色后的聚酯在加入热塑性聚氨酯后(TPU)能成为抗高温和抗化学反应的产品。有了这项技术，热塑性聚氨酯的原料薄片可送往挤压机挤压，变成熔化物再推到喷丝头与Spandex纱线结合。这个熔体纺织程序跟用聚酯和聚胺的纺织程序相约。在过程中，不会产生有毒的溶剂和污染物，故无须运用复杂再生程序，也无恶臭，可算是一个绿色、无污染的ESS技术，由于不用处理污染物减低了额外的费用，也降低了生产商的投资及生产成本。ESS技术的国际形势早年间，只有数间日本企业运用ESS技术来生产弹性纱线，其中三大生产商为Nissibo，Kuraray及Kanebo。但近年的情况已改变了，尤其当Noveon在ESS技术上运用了耐热聚酯时，许多热塑性聚氨酯生产商和传统的熔体纺织生产商也开始留意这项新技术。中国是发展ESS的典型例子。近两年，已有超过三家的有关企业成立，另有两家亦在兴建中。这些工厂的产量由100Mt/a至200Mt/a，预计于2003年前，产量可由100Mt/a大幅增加至1000Mt/a。同时，多个专利及研究报告已在近年发表。Inventa-Fischer从多方面研究ESS技术的未来发展方向，现时已将ESS机械推出市场。这类ESS机械单行式设计的产量（基于40D）为100Mt/a。另一家德国熔体纺织机械生产商Forurne Polyer (FEP)也有研发这类机械，该机械有两个定位、24个喷丝头及48端的单式挤压机；配备４个12头的络纱机，单行式设计的产量可达50Mt/a。Sanyo Seiki是日本熔体纺织机械的厂商，该厂成功研制出有96端的ESS机械。Changyuan公司是Noveon于中国的合作伙伴，两司联合研制ESS机械在当地销售。为使TPU的应用在Spandex的生产上更为广泛，物料生产商及研究人员专注研究物料的再生方程序。总体来说，由于ESS抗热性高，其纱线能与棉花和尼龙混合以制造丝袜和汗衫。TPU的创新者Noveon也研制出一种以抗热性高为卖点的新ESS物料。ESS制作程序烘燥：TPU和交联剂在高温的情况下与湿气接触会产生尿素及二氧化碳。在熔化物挤压的过程中，湿气会使聚合物降解，影响纺纱效果。为防止化学反应及降解的情况出现，TPU薄片的烘燥程序必须在低温及稳定的湿度中进行。湿度应在80至50个PPM以下。如用间歇式真空干燥机把TPU薄片烘燥，该机的温度应设于80-100℃，需时约8-12小时；如用连续式烘燥机，可把露点设为-40℃，而热乾氮气温度为80-100℃。挤压：烘燥后的TPU被挤压及加热后可送至单式螺杆挤压机上。整个挤压过程可分为四至五个加热范围。挤压温度按TPU物料的熔点设为180-220℃。为确保该物料完全熔化，所设定的温度应高于该熔点。但挤压温度也不可过高，因TPU物料会在温度过高的情况下降解。交联剂：交联剂是一种与TPU分子结构相同的预聚合物。在挤压的过程中，TPU在高温和高压的情况会出现降解现象，TPU分子的结构分裂，TPU在挤压机末端熔解后，在这时候，TPU与交联剂混合，活跃的-NCO组内的预聚物交联剂会与分解后的较短的分子重整，交联剂在重整分子的重量中和分子的重量还原上发挥著重要的作用。-NCO组内的交联剂是活跃的化学物质，容易与湿气发生化学作用，或在高温下形成二聚物或三聚物，要储存于干燥和低温的地方。此外，也要留意交联剂的有效使用日期。纺纱：在这个步骤中，最要注意的是喷丝头的温度。熔解后的聚合物应妥善存放以流变性，减少TPU在喷纱头降解，温度可根据物料的溶解温度及实际纺纱轴的流变程度调节，建议的温度为170℃至200℃。骤冷及润滑：纺纱轴在纺纱房内由冷空气骤冷而成为实心纱线，为减少黏合的情况和阻力出现，在卷绕前会在实心纱线上涂上润滑剂。卷绕：卷绕是纺纱最后的一个步骤。富弹性的纱被绕在纸筒上而形成Spandex线轴，正常的绕线速度为每分钟500米，而绕线的张力及超餵的比例会影响纱线筒管的形状。熟化：熟化程序有别于一般熔体纺纱程序，由于原来的TPU物料与交联剂的化合作用未能在纺织的过程中完成，富弹性的纱线筒子要在60-80℃的熟化房内继续进行12-24小时的有关过程。ESS纱线在纺织上的应用ESS可应用于无包覆纱线和弹力纱线上，并可按包缠纤维的过程分成包芯纱及轴心纱两类。包心纱可延长300-400%，轴心纱可延长150-200%。制造包缠纤维的可以是棉花，羊毛、丝、尼龙及聚酯。由于一般无包覆纱弹力强，在制作的过程中难于控制，但如果用无包覆的ESS纱线代替弹性线，则可减少产品成本，并可应用于针织布及丝袜上。除了袜和丝袜以外，ESS纱线也可应用于运动服、泳衣、内衣及女性胸衣。ESS技术的快速发展及弹性线生产方法的改良，将为行业带来更多绿色及无污染、低成本的产品。ESS技术将发展成为行内生产弹性纱线的重要方法。(本文由Noveon Asia Pacific Co. Ltd., Shanghai 提供，一切资料以原文为准。)
