编者按:在2009年12月召开的国际棉纺织会议上,中国工程院院士、西安工程大学名誉校长姚穆应邀发表了题为《国际棉纺织新型材料的发展应用》的报告。报告全面介绍了目前用于棉纺织领域的新型纤维基本情况,并对未来可用于棉纺织工业的纤维原料进行了系统的梳理,为棉纺行业产品开发创新提供了思路和方向,、本刊同时为读者连载中国化纤协会会长郑植艺所作关于《新时期棉纺用化学纤维发展方向》的报告及东华大学王府梅教授的《木棉纺织品开发与应用》,以使读者全面了解此次国际棉纺织会议上讨论最多的新纤维。
棉纺织工业仍然是全球纺织生产的主要加工工业,全球每年棉花纤维产量约25700千吨,约占全球纺织纤维总产量的34.6%;全球每年棉型纱线产量约43500千吨,约占全球纺织纤维加工总量的59%。
棉纺织工业已经实现的纤维原料
十九世纪及以前,棉纺织工业只加工棉纤维。二十世纪开始,特别是1950年以后,棉纺织工业加工的纤维原料品种不断增加,化学纤维中的黏胶短纤维人造棉、涤纶短纤维、维纶短纤维、锦纶短纤维逐步成为棉纺织工业的重要原料,并使棉纺织产品扩展了一系列新领域,例如涤棉混纺产品的“的确良”等等成为纺织品的新潮流。1980年以后一系列短纤维(天然纤维和化学纤维)进入了棉纺织加工领域,包括山羊绒、苎麻、罗布麻、高湿模量黏胶纤维(富强纤维、莫代尔等)、溶剂纺黏胶纤维(莱赛尔、天丝等)、腈纶纤维、丙纶纤维、间位芳纶纤维(芳纶1313、诺梅克斯)、对位芳纶纤维(芳纶1414、凯夫拉等)等陆续进入棉纺织工业。1987年以后,由日本倡议兴起的“新合纤”运动,研发生产了多种“差别化纤维”都首先进入棉纺织加工工业。由澳大利亚提出的“赛洛纺”(siro-spun)、“赛洛丝”(siro-fil)起步和氨纶包芯弹力纱等,使棉纺织工业的原料不仅采用短纤维也开始采用长丝。新型纺纱方法更进一步将蚕丝和化学纤维长丝引入棉纺织加工工业。棉纺织工业的纤维原料,百年来已发生翻天覆地的重大变化。
但是展望2l世纪的前半期,由于全球人口可能持续暴增(联合国各有关组织,2000年预测2050全球人口为76亿;但2009年预测2050将达90亿),因此,全球粮食将成为首先的重要问题。所有国家都将粮食生产摆到第一位,美国农业部已宣布今后四年棉花播种面积将大幅度缩减;中国也将“退耕还林”和“退耕还草”的计划相应推迟。全球棉田面积将明显收缩,棉花单产近期不可能大幅增长,棉纤维总量将收缩。同时,美国从二十世纪70年代开始研究,80年代中后期全面推广抗虫转基因棉品种后,棉花单产稳定,但棉花在纤维长度基本保持前提下,其他性能改变,导致20世纪60年代至80年代研制的利用纤维塞气流阻力方法测试棉纤维密度和棉纤维成熟度的关系遭到破坏,经英、美等国40多年研制成功的双压缩气流仪失效,美国不得不在1997年废除了此项ASTM标准。中国的转基因抗虫棉业正重复这条道路。而且棉纤维比强度并不理想;再加上中国种植棉花的品种太多(2008年播种5万亩以上的274个),混杂加工,使皮棉棉包中纤维的包内差异和包间差异均高到严重影响成纱品质的程度;再加上由美国次贷危机引起并发展的经济形势,对各种不同用途的棉纺织产品提出了一系列新的性能要求和品质要求;因此,棉纺织工业的纤维原料正面临新的考验。在这种条件下,棉纺织工业的原料面临新的要求和新的机遇。
棉纺织工业当前可以用的纤维原料
随着棉纺织加工技术和棉纺织设备的不断创新和长期发展,棉纺生产由原来的传统环锭纺纱,转杯纺纱为主扩展到赛洛纺纱(siro spun)、缆形纺纱(solospun)、平行纺纱(paraspun)、赛洛丝纺纱(sirofil)、尘笼纺纱(即摩擦纺纱friction spinning)、喷气纺纱(air-jet spun)、包缠纺纱、涡流纺纱(vortexspun)、并在环锭细纱机上改造形成集聚纺纱(compact spun)、嵌入式复合纺纱等,而在转杯纺纱(即气流纺纱)基础上生产包缠纱等等。在此基础上,棉纺环锭纺纱、转杯纺纱系统可以使用的纤维原料品种显著扩展。当前使用的纤维原料已包括短纤维和长丝两大类数十个品种。
短纤维
天然纤维:棉纤维、木棉纤维(kapok)、苎麻(ramie);经过精细化加工的亚麻(flax)、黄麻(jute)、罗布麻(夹竹桃麻dogbame,apocynum)、汉麻(低毒或无毒大麻hemp)、竹纤维(bamhoo fibre),山羊绒(cashmere)、牦牛绒(yakwool)、土种绵羊剔除粗毛后的细纤维、羽绒(dawnfibre)等等。
化学短纤维:普通黏胶纤维、高湿模量黏胶纤维(富强纤维、莫代尔等)、溶剂纺黏胶短纤维(莱赛尔、天丝)、普通涤纶短纤维、高强涤纶短纤维、低强高伸涤纶短纤维、普通维纶短纤维、高强维纶短纤维、普通锦纶短纤维(锦纶6和锦纶66)、高强锦纶短纤维、高强丙纶短纤维、细旦腈纶短纤维等。同时,已经开发应用了一些差别化纤维,包括超细线密度、异型截面(扁平截面、三角截面、三叶截面、十字截面、五叶截面、单中空、七中空、桥形截面等等)以及二种材料复合短纤维、涤纶有机导电短纤维,,此外还有多种复合化学短纤维及功能性化学短纤维,例如含有抑菌或杀菌成分的化学短纤维(黏胶、涤纶、锦纶、维纶、腈纶等)和本身具有抑菌、杀菌功能的化学短纤维(麻浆黏胶纤维、甲壳素纤维、海藻纤维等)、含有防紫外线成分的化学短纤维(含二氧化钛纳米粒子、含木质素等)、热收缩率高的化学短纤维(涤纶、锦纶等)、含有电磁屏蔽成分的化学短纤维(涤纶、锦纶等)等等。
长丝
天然长丝纤维:桑蚕丝、柞蚕丝、天蚕丝、栗蚕丝等。化学长丝纤维:普通黏胶长丝、高强黏胶长丝、铜氨长丝、醋酯纤维素长丝、普通涤纶长丝、异形截面涤纶长丝、普通锦纶长丝、高强锦纶长丝、异形截面锦纶长丝、普通维纶长丝、高强维纶长丝、可溶性维纶长丝、锦纶基有机导电长丝、涤纶基有机导电长丝、原液着色的黏胶、涤纶、锦纶长丝等等。此外弹力长丝纤维已经较广泛地应用,包括酯型氨纶长丝、醚型氨纶长丝、聚对苯二甲酸丙二醇弹力长丝以及橡胶长丝等等。
近期可能开发的化学纤维
再生化学纤维
再生化学纤维中充分利用可循环、可再生、可降解、环境友好的生物质资源的纤维品种,正在大量开发。纤维素再生纤维除了传统的棉短绒浆、木浆外,甘蔗渣浆、黄麻杆浆、桑条浆、棉杆浆、草浆等均在试用。而且,以纤维素浆粕为基础的再生化学纤维,在磺化碱纤维素纺丝、甲基吗啉氧化物溶剂纺丝、离子溶剂纺丝等之外,正在研发纤维素改性熔融纺丝新工艺。在充分利用甲壳素或壳聚糖(由螃蟹壳、虾皮中提取)、海藻酸钠(由提取碘之后的海带等海藻
中提取)等纺制纤维外,聚左旋乳酸(由淀粉等分解制取)纤维已受到广泛关注。
天然废弃物的利用正受到更大关注,如大豆蛋白、酪素蛋白、羊毛蛋白的利用和纺丝,皮革加工废屑提取胶原的加工和纺丝等也受到了极大关注和科学技术突破。今后必定还会开发利用更多废料加工纺丝制成纤维。
高性能纤维
耐高温、耐化学腐蚀、高强度、高模量等高性能纤维近三十年来已形成阔步前进形式。特别是间位芳香聚酰胺纤维(芳纶|313,Nomax)、对位芳香聚酰胺纤维(芳纶1414,Kevlar)、聚芳砜纤维(芳砜纶)、聚对苯甲酰胺纤维(芳纶14)、聚苯硫醚纤维(PPS)、聚四氟乙烯纤维(氟纶)、聚对亚苯基苯并二噻唑纤维(PBZT)、聚醚醚酮纤维(PEEK)、黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、玻璃纤维(有许多品种)、玄武岩纤维、金属纤维(金纤维、银纤维、紫铜纤维、不锈钢纤维、钨纤维等)、无机纤维(碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等)。这些高性能纤维部分品种已在棉纺织生产加工中使用多年,其他尚在开发。
新功能纤维
在已有功能基础上,显著提高、改善、创新、发展新功能纤维。例如轻便、快速导汗、透湿、快干的异形截面、表层处理的复合纤维;防水、防油、防污纤维;在现有抑杀金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌基础上,开发能杀灭须癣毛癣菌菌、红色毛癣菌、犬小孢子菌等造成人体脚癣和伤口不易愈合的绿脓杆菌等的抗菌纤维和抑杀以体皮屑为食导致臭味、酸臭味的寄生菌的消臭纤维;蓄热保持恒温的纤维;蓄热自发光纤维;电厂控制变色的纤维;防电磁辐射的纤维;阻燃防熔滴的纤维;各种可控热收缩率的纤维;电控收缩率的纤维;磁致伸缩纤维、芯导电纤维(作为纺织品内电源到线或电控导线用)等等。
纺织品再利用纤维
当前全球每年消费纺织品近70000千吨,废弃量每年至少30000千吨。纺织品废弃后对环境造成一定的污染;有的不能降解造成持久性污染;有的可以降解但对水、大气造成环境污染;有的焚烧,对大气环境造成污染。当前,全球开始关注废旧纺织品回收再利用问题。我国现在已在中央关注下正式启动。例如涤纶织物经提纯、增黏(再缩聚提高分子量)制切片后重新纺丝作为纺织原料。部分纺织品消毒分梳、开松、梳理后作填充料或保温层等。预计今后也将有相当数量可以成为纺织原料。
编者按:在2009年12月召开的国际棉纺织会议上,中国工程院院士、西安工程大学名誉校长姚穆应邀发表了题为《国际棉纺织新型材料的发展应用》的报告。报告全面介绍了目前用于棉纺织领域的新型纤维基本情况,并对未来可用于棉纺织工业的纤维原料进行了系统的梳理,为棉纺行业产品开发创新提供了思路和方向,、本刊同时为读者连载中国化纤协会会长郑植艺所作关于《新时期棉纺用化学纤维发展方向》的报告及东华大学王府梅教授的《木棉纺织品开发与应用》,以使读者全面了解此次国际棉纺织会议上讨论最多的新纤维。
棉纺织工业仍然是全球纺织生产的主要加工工业,全球每年棉花纤维产量约25700千吨,约占全球纺织纤维总产量的34.6%;全球每年棉型纱线产量约43500千吨,约占全球纺织纤维加工总量的59%。
棉纺织工业已经实现的纤维原料
十九世纪及以前,棉纺织工业只加工棉纤维。二十世纪开始,特别是1950年以后,棉纺织工业加工的纤维原料品种不断增加,化学纤维中的黏胶短纤维人造棉、涤纶短纤维、维纶短纤维、锦纶短纤维逐步成为棉纺织工业的重要原料,并使棉纺织产品扩展了一系列新领域,例如涤棉混纺产品的“的确良”等等成为纺织品的新潮流。1980年以后一系列短纤维(天然纤维和化学纤维)进入了棉纺织加工领域,包括山羊绒、苎麻、罗布麻、高湿模量黏胶纤维(富强纤维、莫代尔等)、溶剂纺黏胶纤维(莱赛尔、天丝等)、腈纶纤维、丙纶纤维、间位芳纶纤维(芳纶1313、诺梅克斯)、对位芳纶纤维(芳纶1414、凯夫拉等)等陆续进入棉纺织工业。1987年以后,由日本倡议兴起的“新合纤”运动,研发生产了多种“差别化纤维”都首先进入棉纺织加工工业。由澳大利亚提出的“赛洛纺”(siro-spun)、“赛洛丝”(siro-fil)起步和氨纶包芯弹力纱等,使棉纺织工业的原料不仅采用短纤维也开始采用长丝。新型纺纱方法更进一步将蚕丝和化学纤维长丝引入棉纺织加工工业。棉纺织工业的纤维原料,百年来已发生翻天覆地的重大变化。
但是展望2l世纪的前半期,由于全球人口可能持续暴增(联合国各有关组织,2000年预测2050全球人口为76亿;但2009年预测2050将达90亿),因此,全球粮食将成为首先的重要问题。所有国家都将粮食生产摆到第一位,美国农业部已宣布今后四年棉花播种面积将大幅度缩减;中国也将“退耕还林”和“退耕还草”的计划相应推迟。全球棉田面积将明显收缩,棉花单产近期不可能大幅增长,棉纤维总量将收缩。同时,美国从二十世纪70年代开始研究,80年代中后期全面推广抗虫转基因棉品种后,棉花单产稳定,但棉花在纤维长度基本保持前提下,其他性能改变,导致20世纪60年代至80年代研制的利用纤维塞气流阻力方法测试棉纤维密度和棉纤维成熟度的关系遭到破坏,经英、美等国40多年研制成功的双压缩气流仪失效,美国不得不在1997年废除了此项ASTM标准。中国的转基因抗虫棉业正重复这条道路。而且棉纤维比强度并不理想;再加上中国种植棉花的品种太多(2008年播种5万亩以上的274个),混杂加工,使皮棉棉包中纤维的包内差异和包间差异均高到严重影响成纱品质的程度;再加上由美国次贷危机引起并发展的经济形势,对各种不同用途的棉纺织产品提出了一系列新的性能要求和品质要求;因此,棉纺织工业的纤维原料正面临新的考验。在这种条件下,棉纺织工业的原料面临新的要求和新的机遇。
棉纺织工业当前可以用的纤维原料
随着棉纺织加工技术和棉纺织设备的不断创新和长期发展,棉纺生产由原来的传统环锭纺纱,转杯纺纱为主扩展到赛洛纺纱(siro spun)、缆形纺纱(solospun)、平行纺纱(paraspun)、赛洛丝纺纱(sirofil)、尘笼纺纱(即摩擦纺纱friction spinning)、喷气纺纱(air-jet spun)、包缠纺纱、涡流纺纱(vortexspun)、并在环锭细纱机上改造形成集聚纺纱(compact spun)、嵌入式复合纺纱等,而在转杯纺纱(即气流纺纱)基础上生产包缠纱等等。在此基础上,棉纺环锭纺纱、转杯纺纱系统可以使用的纤维原料品种显著扩展。当前使用的纤维原料已包括短纤维和长丝两大类数十个品种。
短纤维
天然纤维:棉纤维、木棉纤维(kapok)、苎麻(ramie);经过精细化加工的亚麻(flax)、黄麻(jute)、罗布麻(夹竹桃麻dogbame,apocynum)、汉麻(低毒或无毒大麻hemp)、竹纤维(bamhoo fibre),山羊绒(cashmere)、牦牛绒(yakwool)、土种绵羊剔除粗毛后的细纤维、羽绒(dawnfibre)等等。
化学短纤维:普通黏胶纤维、高湿模量黏胶纤维(富强纤维、莫代尔等)、溶剂纺黏胶短纤维(莱赛尔、天丝)、普通涤纶短纤维、高强涤纶短纤维、低强高伸涤纶短纤维、普通维纶短纤维、高强维纶短纤维、普通锦纶短纤维(锦纶6和锦纶66)、高强锦纶短纤维、高强丙纶短纤维、细旦腈纶短纤维等。同时,已经开发应用了一些差别化纤维,包括超细线密度、异型截面(扁平截面、三角截面、三叶截面、十字截面、五叶截面、单中空、七中空、桥形截面等等)以及二种材料复合短纤维、涤纶有机导电短纤维,,此外还有多种复合化学短纤维及功能性化学短纤维,例如含有抑菌或杀菌成分的化学短纤维(黏胶、涤纶、锦纶、维纶、腈纶等)和本身具有抑菌、杀菌功能的化学短纤维(麻浆黏胶纤维、甲壳素纤维、海藻纤维等)、含有防紫外线成分的化学短纤维(含二氧化钛纳米粒子、含木质素等)、热收缩率高的化学短纤维(涤纶、锦纶等)、含有电磁屏蔽成分的化学短纤维(涤纶、锦纶等)等等。
长丝
天然长丝纤维:桑蚕丝、柞蚕丝、天蚕丝、栗蚕丝等。化学长丝纤维:普通黏胶长丝、高强黏胶长丝、铜氨长丝、醋酯纤维素长丝、普通涤纶长丝、异形截面涤纶长丝、普通锦纶长丝、高强锦纶长丝、异形截面锦纶长丝、普通维纶长丝、高强维纶长丝、可溶性维纶长丝、锦纶基有机导电长丝、涤纶基有机导电长丝、原液着色的黏胶、涤纶、锦纶长丝等等。此外弹力长丝纤维已经较广泛地应用,包括酯型氨纶长丝、醚型氨纶长丝、聚对苯二甲酸丙二醇弹力长丝以及橡胶长丝等等。
近期可能开发的化学纤维
再生化学纤维
再生化学纤维中充分利用可循环、可再生、可降解、环境友好的生物质资源的纤维品种,正在大量开发。纤维素再生纤维除了传统的棉短绒浆、木浆外,甘蔗渣浆、黄麻杆浆、桑条浆、棉杆浆、草浆等均在试用。而且,以纤维素浆粕为基础的再生化学纤维,在磺化碱纤维素纺丝、甲基吗啉氧化物溶剂纺丝、离子溶剂纺丝等之外,正在研发纤维素改性熔融纺丝新工艺。在充分利用甲壳素或壳聚糖(由螃蟹壳、虾皮中提取)、海藻酸钠(由提取碘之后的海带等海藻
中提取)等纺制纤维外,聚左旋乳酸(由淀粉等分解制取)纤维已受到广泛关注。
天然废弃物的利用正受到更大关注,如大豆蛋白、酪素蛋白、羊毛蛋白的利用和纺丝,皮革加工废屑提取胶原的加工和纺丝等也受到了极大关注和科学技术突破。今后必定还会开发利用更多废料加工纺丝制成纤维。
高性能纤维
耐高温、耐化学腐蚀、高强度、高模量等高性能纤维近三十年来已形成阔步前进形式。特别是间位芳香聚酰胺纤维(芳纶|313,Nomax)、对位芳香聚酰胺纤维(芳纶1414,Kevlar)、聚芳砜纤维(芳砜纶)、聚对苯甲酰胺纤维(芳纶14)、聚苯硫醚纤维(PPS)、聚四氟乙烯纤维(氟纶)、聚对亚苯基苯并二噻唑纤维(PBZT)、聚醚醚酮纤维(PEEK)、黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、玻璃纤维(有许多品种)、玄武岩纤维、金属纤维(金纤维、银纤维、紫铜纤维、不锈钢纤维、钨纤维等)、无机纤维(碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等)。这些高性能纤维部分品种已在棉纺织生产加工中使用多年,其他尚在开发。
新功能纤维
在已有功能基础上,显著提高、改善、创新、发展新功能纤维。例如轻便、快速导汗、透湿、快干的异形截面、表层处理的复合纤维;防水、防油、防污纤维;在现有抑杀金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌基础上,开发能杀灭须癣毛癣菌菌、红色毛癣菌、犬小孢子菌等造成人体脚癣和伤口不易愈合的绿脓杆菌等的抗菌纤维和抑杀以体皮屑为食导致臭味、酸臭味的寄生菌的消臭纤维;蓄热保持恒温的纤维;蓄热自发光纤维;电厂控制变色的纤维;防电磁辐射的纤维;阻燃防熔滴的纤维;各种可控热收缩率的纤维;电控收缩率的纤维;磁致伸缩纤维、芯导电纤维(作为纺织品内电源到线或电控导线用)等等。
纺织品再利用纤维
当前全球每年消费纺织品近70000千吨,废弃量每年至少30000千吨。纺织品废弃后对环境造成一定的污染;有的不能降解造成持久性污染;有的可以降解但对水、大气造成环境污染;有的焚烧,对大气环境造成污染。当前,全球开始关注废旧纺织品回收再利用问题。我国现在已在中央关注下正式启动。例如涤纶织物经提纯、增黏(再缩聚提高分子量)制切片后重新纺丝作为纺织原料。部分纺织品消毒分梳、开松、梳理后作填充料或保温层等。预计今后也将有相当数量可以成为纺织原料。