中空纤维

1 引言中空纤维是横截面沿轴向具有空腔的一种重要的异形纤维，中空结构赋予了纤维良好的保暖性、蓬松性等特定性能与风格。

中空纤维膜对水、气、血液等介质的吸附能力，以及作为复合材料时和基体材料的结合能力，在一定程度上不仅提高了纤维的刚度和硬挺度，而且还提高了纤维的抗弯性能和耐磨性能，中空纤维膜在过滤分离领域有着重要应用。

中空纤维的品种极其丰富、发展迅速，其原料从最初的涤纶发展到锦纶、丙纶、粘胶、维纶、聚砜、碳纤维等；纤维孔数从单孔发展到四孔、七孔、九孔等；中空截面也从圆形发展到三角形、四边形、梅花形等；同时，经过特殊纺丝工艺或后整理得到的抗菌、远红外、阻燃、芳香、阳离子改性等功能中空纤维也不断涌现。

这些变化和发展拓宽了中空纤维的应用前景并刺激了市场需求，中空纤维从最初主要作为具有保暖和蓬松性能的絮填料发展到广泛用作膜分离、填充、玩具制品、地毯、人造毛皮、高级仿毛面料、高级无纺制品等的材料，在纺织、服装、医疗和废水处理等行业发挥重要作用。

尤其是最近几年，具有非常大的面积，体积比率的多孔中空纤维．在工业和医药领域的分离技术方面的应用越来越广泛．我国对中空纤维的市场需求量成级数增长。

1990年前市场需求量不到lOkt，而到1998年市场需求量在200kt以上，至2002年底市场的消费量已在400kt以上。

面对如此巨大的增长势头，国内各生产厂不断扩大产能并开发新的品种，同时关于中空纤维的生产工艺、结构和性能等研究也开展得如火如荼。

2 中空纤维的发展概况中空纤维通常是由熔融纺丝或湿法纺丝技术纺制而成的，国内外研究较多的是熔纺的保暖性三维卷曲中空纤维及湿纺或熔纺中空纤维膜.2．1 三维卷曲中空纤维中空纤维最早出现于1965年杜邦的防污尼龙工业中，利用纤维内空隙纳污和利用光反射、折射原理藏污。

1968年，日本东洋纺公司采用异形喷丝板开发出中空涤纶短纤，用来制造中空聚酯絮棉，命名为埃斯阿波，并进行了工业化生产。

杜邦、Eastman公司也紧随其后纺出中空涤纶。

7O年代初，日本为提高产品的附加值以同其它国家竞争，不断发展差别化纤维，开发出三维卷曲偏心中空涤纶。

此后，随着异形喷丝板的多样化，中空纤维截面发展到具有圆形、三角形、四边形等多种形状；并随着碱易溶和水易溶复合纺丝技术的发展，多孔中空纤维得以迅速发展，其孔数可至九孔，中空度也从低于30％不断扩大至40％～50％。

生产三维卷曲中空纤维的有机高分子原料主要有聚酯和聚丙烯,东华大学于上世纪90年代在国内率先开始进行四孔、七孔等多孔中空纤维的研究，取得了自己的专利技术。

并在国内多家企业得到应用生产。

我国的中空纤维工业起步较晚，经历了从直接购买纤维应用到引进生产设备的过程。

初期由于纤维价格昂贵，生产设备简单、效率低，产量很少。

直到l990年仪化公司引进日本东洋纺年产4kt的中空纤维制造设备试车成功，这一状况才得以改善，并迅速发展。

1993年生产出3．33dtex的三维卷曲中空涤纶短纤，l997年已具有两条产量为12kt／a的三维卷曲中空涤纶生产线。

国内其它生产厂家纷纷筹建中空纤维生产线，使得中空纤维在我国形成了一个多品种、多规格的产业布局。

表l 列出了部分国内外主要的中空纤维生产厂家及其品种。

从上表可以看出，我国中空纤维以短纤维的生产和应用为主，其大宗产品为无硅或含硅的立体卷曲中空短纤，此外还有部分异形或圆中空纤维以及各种抗菌、远红外等功能性中空纤维等。

我国中空纤维生产厂家中，仪化公司品种最多，并且该公司可以根据用户的需求，生产各种长度、多孔、上硅油或不上硅油、荧光增白、香型、抗菌、彩色、远红外等涤纶中空立体卷曲纤维。

而国外如日本，其中空纤维制造技术早在上世纪7O年代就相当发达，并开发出各种特种中空纤维：如用于地毯的三角三孔中空纤维、表面有微孔的中空纤维以及细旦(可达0.77dtex)中空纤维等。

2.2 中空纤维膜利用湿法纺丝纺制成中空纤维膜的有机高分子原料主要有聚丙烯腈(PAN)和纤维素，有关PAN中空纤维膜的研究，国外始于上世纪70年代，美国在1977年首次发表了关于PAN中空纤维纺制的专利~(USP408036)。

在80年代PAN中空纤维的研究在西方国家开展较多，9O年代后，德国和日本仍有一些公司在进行着PAN中空纤维的研究。

我国PAN中空纤维也发展较快，国家海洋局杭州水处理中心、天津纺织工学院和东华大学等单位都进行了研究和生产，使其在较多领域得到了广泛应用。

纤维素及其衍生物中空纤维可广泛用于制作超滤膜和反渗透膜。

在膜分离工业已实现大规模生产纤维素中空纤维膜，由于其材料对人体无害，血液相溶性好等优点，引起了国内外学者的兴趣。

聚丙烯中空纤维膜主要是利用熔融纺丝-冷却拉伸(MSCS)法制备的，复旦大学延生生化公司已用MSCS法生产微孔聚丙烯中空纤维膜，并已制成膜式血液氧合器。

美国Akzona公司和3M公司已用该法生产聚丙烯微孔膜、板和中空纤维。

聚乙烯、聚酯类也可通过熔融法挤出成形，经冷拉伸形成微水膜。

在气体分离膜中很大比例上采用此法成形。

东洋纺、道化学公司的三醋酸纤维反渗透膜的制备也属于此种纺丝方法。

上世纪70年代末，美国Akzona公司Castro申请了关于热致相分离(TIPS)法的专利,开辟了相分离法制备微孔聚丙烯膜的新途径，也有学者将熔纺／冷拉伸法和热致相分离法结台起来．即采用应力场下固、液相分离的方法，生产出了性能优良的微孔聚丙烯中空纤维。

复旦大学的孔卫明利用单孔双套管形纺丝头，采用MSCS法和TIPS法成功制备了微孔聚丙烯中空纤维膜。

3 中空纤维的生产技术中空纤维的生产主要有：直接熔融纺丝、复合纺丝以及湿法纺丝。

3．1 直接熔融纺丝直接熔融纺丝法通过中空喷丝板来获得中空纤维，经济合理，相关工艺技术比较成熟，许多关键工艺都能控制，为目前国内大多数企业所采用。

在中空喷丝板中装入微孔导管，在纤维空腔中充入氮气或空气可获得高中空度的充气中空纤维，避免了生产过程中机械作用压扁纤维导致中空度下降，并使得纤维导热性比空气更差，大大提高了保暖性，该技术要点是气体流量需要精确控制。

如果改变喷丝孔形状，则可以生产三角形、梅花形等多种异形截面的中空纤维，提高纤维的比表面积，同时通过特殊喷丝板可以获得3～7个孔的多孔中空纤维，但其中空率不高，在30％以内。

通过直接熔融纺丝获得中空纤维或三维卷曲中空纤维，是通过特殊的喷丝板技术及合理调整纺丝工艺纺制而成的。

其技术上的重点在于喷丝板设计、环吹风非对称冷却及后纺拉伸控制技术。

除此外，如果要获得理想的中空度，则必须合理安排设计相关工艺参数。

3．1．1 熔纺中空纤维的喷丝板技术喷丝板的没计包括其形状和结构尺寸两方面，前者用于异性截面中空纤维，其设计和生产要求相关，常用的孔形有多边形、c形、圆弧形、多点形等；后者则是中空纤维能否形成的关键因素，包括喷丝孔的狭缝长度、两狭缝尖端距离、当量直径、截面积、长径比等特征尺寸数据。

其中喷丝孔的狭缝长度和两狭缝尖端距离尺寸设计尤其重要。

熔融纺丝纺制保暖性三维卷曲中空纤维主要采用圆弧狭缝式喷丝板，可方便地纺制出外径较细、中空度适宜的纤维。

目前效果较好的圆弧狭缝式喷丝板主要有C形和品形喷丝板及圆弧组合等多孔中空纤维喷丝板，用于纺制四孔、七孔乃至十几孔中空纤维。

当熔体挤出喷丝板圆弧狭缝后，圆弧形熔体膨化，端部粘合形成中空腔，经细化、固化后形成中空纤维。

喷丝板圆弧狭缝间隙的大小直接影响中空腔的形成：当间隙过大时，纤维中空不能闭合，只能纺出开口纤维；但当间隙过小时，熔体挤出喷丝孔后很快膨化粘合，无法形成中空腔，并且从机械强度考虑，喷丝板间隙小，强度低、易损坏。

因此针对不同性质的物料，有不同的适宜喷丝板间隙的大小，结论为挤出熔体原料的模口膨化比可以指导设计喷丝板间隙的大小，且问隙中心处宽度之比略小于熔体原料的模口膨化比。

喷丝孔狭缝宽度大，单孔挤出量大，所纺纤维的截面积大，纤维的中空度小；狭缝的宽度小，挤出量小，所纺纤维的中空度大；但狭缝太小，所纺纤维的壁太薄，中空规整度低，中空易变形。

对于C形的喷丝板，间隙中心宽度相当于狭缝宽度的1．0倍；对于品形喷丝板，间隙中心处宽度相当于狭缝宽度的0．8倍。

一般根据产品要求和纺丝物料性能的不同，设定喷丝板间隙和狭缝的具体尺寸。

中空纤维膜用熔纺喷丝板除C形和品形外，还有双环形和双环套管形喷丝板，后两种喷丝板纺得的中空纤维内外径均一，同心度好，c形和品形由于有间隙材料的支撑，可以较简单地在一块喷丝板同时打制多个单孔，用于纺制束丝，产量较大。

但双环形和双环套管形喷丝板由于是由多个组件组合而成的，打制多孔喷丝板难度较大，大多只用于纺制单根中空纤维膜。

3.1.2 环吹风非对称冷却影响熔纺中空纤维中空度的因素除喷丝板尺寸外，还有纺丝温度和冷却成形条件等因素。

纺丝温度高，熔体粘度小，熔体出喷丝孔后的膨化现象大大降低，熔体形变阻力下降，表面张力也随之下降，使熔体细流产生表面萎缩从而使空腔部分变小，所纺中空度减少。

冷却成形包括风速、风温、吹风距离等条件，对纺程上熔体细流的流变特性，如拉伸流动粘度、拉伸应力等物理参数有很大影响，直接决定着中空度的大小。

一般随着风速的增加，冷却条件加剧，熔体细流的固化速率加快，使得纺程上形成的中空纤维内空腔来不及萎缩而加快固化，有利于中空纤维空腔的形成，所纺的纤维中空度高，但风速过大，会造成丝条摇晃湍动，使喷丝板板面温度下降，出丝不畅，易产生硬头丝、并丝而断头随着风温的降低，冷却成形条件加强，提高了熔体细流的固化率，所纺纤维中空度高。

但风温过低，喷丝板板面易吹冷，纺丝困难。

对于双环套管形喷丝板，套管内通入气体流量的大小也会影响纤维的中空度。

一般气供量的大小要与纺丝浆液的泵供量呈一定比例，才能够纺成具有合适中空度的中空纤维膜。

环吹风非对称冷却是以均聚物通过直接熔融纺丝制取的中空纤维形成三维卷曲和防止后纺拉伸性能恶化的技术关键。

环吹风非对称冷却工艺包括吹风速度、温度和湿度及均匀性这四个方面，其中吹风速度对纤维成形影响最大。

提高风速将加强纤维截面的不对称结构从而获得潜在卷曲更好的初生纤维，但风速过大将引起丝条振荡、出丝不畅、原丝预取向度大、拉伸性能恶化等，因此要选取合适的风速以兼顾原丝的潜在卷曲和拉伸性能；虽然降低环吹风温使得冷却条件加剧，但同时原丝预取向增加、拉伸性能下降，因此风温也应适当；环吹风还应具有一定的湿度以减少纺丝过程中的静电现象和丝条扰动，并利于控制冷却条件；同时提高环吹风的均匀性利于保证纺丝稳定和后纺拉伸性能。

3.1.3 后纺拉伸三维卷曲中空纤维拉伸的目的并不在于提高纤维的力学性能，而是使初生纤维内部的应力差和潜在卷曲得以体现，拉伸中既要尽可能地拉开每根单纤维截面上的应力差，又要使单纤维之间的这种差异保持在同一水平，因此中空纤维一般采用一次拉伸工艺。