电子报

发布日期 : 2021-09-26
期数 : 202109001CN
弹性纤维 (Elastic Fiber) 产品之研发与应用

浙江安顺化纤研发部 研发工程师 秦治平


1.前言

在日常生活中,纺织品与人们的生活息息相关,密不可分,不论是梭织物(Woven)、针织物(Knitting)及不织布(Non-woven)皆是一般生活上不可或缺的用品。但随着时间的推移,生活水平的提高,大众消费者对于生活用品的质量要求更高、功能性更多元,其中纺织品的伸缩弹性,亦是消费者看中产品的关键点之一,弹性织物所带来的亲肤、伸缩、硬挺、弹性及舒适性,是可透过手摸的强烈感受,促使消费者愿意购买,因此弹性织物的产品开发成了许多纺织业者愿意投入研发的重点项目。


2.弹性纤维的种类

弹性纤维可分为长纤维与短纤维两大类,如表1所示。


表1 弹性纤维分类

纤维分类
类别

名称或商品名
厂家



长纤维

聚氨酯(Polyurethane)
聚醚型
Lycra®、Spandex®
美国杜邦
聚酯型
Vyrene®
美国固特异
聚酯(Polyester) Lycra®T400®
美国杜邦
Spanfit®
中国台湾南亚
聚醚酯(Polyether ester)
REXE®
日本帝人
聚烯烃(Polyolefin)
XLA®
美国陶氏化学
短纤维
聚酯(Polyester)
ELA-AN®
中国浙江安顺


2.1聚氨酯(Polyurethane)弹性纤维

聚醚型氨纶弹性纤维是由美国杜邦公司开发之Lycra®( Spandex®),此类弹性纤维为目前应用最广泛,其原理如图1所示,利用聚氨酯分子结构中之软硬链段及互相交错的结构,其中软链段(Soft)为结晶度较低之无序链段,硬链段(Hard)为结晶度较高之链段,形成一个网状之结构,软链段中无序链段中分子间作用力较小,具延伸性,硬链段中分子间作用力较大,提供其回弹性,使纤维具有优异之延伸性(500-700%),及高弹性回复率(200伸长,95-99%)[1]

一般氨纶弹性纤维可以单独使用掺入织物或与其他纤维纱种并用掺入织物,如:

(1)裸丝,一般用于针织物;

(2)包芯纱(Core Spun Yarn),此种纱线用于牛仔裤较多;

(3)包覆纱,单层包覆纱(Single Covered Yarn,SCY)、双层包覆纱(Double Covered Yarn,DCY),此两种纱线用于梭织物较多;

(4)空气交络纱(Air-Covered Yarn,ACY),此种纱线亦用于梭织物较多。



图1 聚氨酯分子结构示意图


图2 氨纶弹性纤维纱线应用:(A)包芯纱(Core Spun Yarn);(B) 包覆纱(Covered Yarn);(C)

空气交络纱(Air-Covered Yarn,ACY)



2.2聚酯(Polyester)弹性纤维

2.2.1长纤维(Filament Fiber)

此种系列纤维其断面多为8字形并列或是圆形并列(Side by side),如图3(A)所示,利用两种不同的聚酯系高分子材料之收缩率、分子链键角之不同及分子间作用力之差异,使纤维获得弹性、形态还原性、卷曲之效果。图3(B)为Lycra®、T400®之断面,特殊的断面可赋予纤维除弹性效果外,亦可以有吸湿排汗之效果,是可适用于 COOLMAX® 技术市场的合格纤维[2]。此种弹性纤维不仅具有自然卷曲、弹性,可以解决聚氨酯弹性纤维染色性不易、易老化及尺寸安定等问题,可直接上织机织造,降低纱线使用成本。丝织面料一般应用于高端面料,其面料极具弹性、柔软及干爽,终端产品为洋装、套装、休闲服及运动服装等。

图3 (A)聚酯系列弹性纤维并列构造,图片来源:纺织产业综合研究所(TTRI);(B) Lycra®、T400® 8字形并列断面,图片来源:http://www.textile-tech.com.tw



2.2.2 短纤维(Staple Fiber)

浙江安顺化纤有限公司于2021年推出易莱安®(ELA-AN®)纤维系列产品,其中又分为两大类。第一类是聚酯系实心并列型复合纤维,其原理机制类似于长纤维Lycra®T400®与Spanfit®,其手感十分柔软,且富有弹性,十分适合用于弹性无纺布之纤维原料。第二类是皮芯型(Sheath-core)ES复合纤维,其原理机制为改性的皮层(Sheath)富有弹性,纤维在经热风工艺后形成具有高回弹、硬挺性之热风无纺布,手感丰厚,此种热风无纺布非常适合用于尿不湿芯层、导流层。


2.3 聚醚酯(Polyether ester)弹性纤维

此种纤维于1990年由日本帝人开发出之TPEE(Thermoplastic Polyester Elastomers)共聚酯弹性纤维,商品名为REXE®,其原理机制与聚氨酯弹性纤维类似,同样都有软链段及硬链段之两相(Two Phase)分子结构。软链段为聚醚链段,较为柔软,延伸性较好;硬链段为聚酯链段,较为刚硬,结晶度高,使纤维具有回弹性。断面为特殊之梅钵形,纤维具有高弹性、耐水解性、良好之热定型性能、耐酸碱性、耐旋光性及良好舒适性[3]


2.4 聚烯烃(Polyolefin)弹性纤维

最具代表性之聚烯烃弹性纤维为美国陶氏化学公司开发的XLA®,其原理机制与聚氨酯弹性纤维、聚醚酯弹性纤维相似,在纤维结构中都有着软链段及硬链段之两相分子结构,而与这些弹性纤维不同的地方在于XLA®弹性纤维在微观结构中,如图4所示,软链段因特殊的分子结构,受到极性的作用及分子间作用力,而呈现出特殊的无规则点状交联网络结构。故XLA®弹性纤维之弹性性能由软链段、硬链段及点状交联网络结构之数量而决定[4]


图4 XLA®弹性纤维微观结构[4]



3.浙江安顺化纤-易莱安®(ELA-AN®)纤维系列

3.1 介绍

易莱安®纤维,为浙江安顺化纤有限公司所推出之弹性纤维系列产品,商品名的意思为Elastic-Anshun Fiber,即具弹性的安顺纤维。易莱安®纤维主要分为两类如下:

(1)实心并列型复合纤维:利用两种高分子不同之收缩性能,实现纤维弹性表征;

(2)皮芯型ES复合纤维:于纤维皮层中使用改性材料,可以使无纺布具有较丰厚之手感,其回弹性、硬挺性亦十分良好。


3.2 产品规格

易莱安®纤维产品规格如表2所示。


表2易莱安®纤维产品规格

产品种类

纤度(D)
弹性收缩率(%)
弹性等级


双组份

 复合纤维

实心并列型

复合纤维
1.2-2.0
20-35
单弹
25-45
双弹

皮芯型

ES复合纤维
1.2-12
N/A
低弹
N/A
高弹


3.3易莱安®纤维弹性机制及产品应用

易莱安®纤维弹性机制如表3所示。易莱安®实心并列型复合纤维,属于聚酯系弹性纤维,分为单弹或双弹,单弹是指一边(Side)为普通之PET,另一边(Side)是改性PET,而双弹则是两边都使用不同之改性PET。其中单弹之弹性收缩率(弹性范围)可达20-35%,双弹之弹性收缩率可提升至25-45%,不同之弹性表征、纤维纤度亦可表现在不同之终端产品应用上,例如弹力无纺布(双向弹、单面弹)、面膜、医疗用绷带等等…

易莱安®皮芯型ES复合纤维,属于较特殊之弹性纤维,与皮芯型偏心(Eccentric)纤维弹性机制不太相同,易莱安®皮芯型ES复合纤维是皮层以改性PE赋予皮层有弹性效果,纤维本身外观、物性与一般ES复合纤维相同,几无差异,但经过热风工艺后,其无纺布会呈现高回弹、硬挺性,手感丰厚。如表4所示,易莱安® ES复合纤维2D*38mm之热风无纺布柔软度较ES复合纤维0.6D*38mm稍为柔软,这是因为织物的手感丰厚,手抓呈现柔软;表面粗糙度、硬挺度较高,这取决于改性PE之改性程度,其中硬挺度之特性非常适用于尿不湿芯层、导流层;手感值较高,这是综合柔软度、表面粗糙度及硬挺度所给出的手感值评价,易莱安® ES复合纤维2D*38mm在几种纤维之手感值评价中最高,表示手感最好。

 

表3 易莱安®纤维弹性机制

实心并列型复合纤维
皮芯型ES复合纤维




表4 易莱安®纤维手感比较表

纤维种类

形貌
HF手感值
TS7柔软度
TS750表面粗糙度
D硬挺度

双组份ES

复合纤维

0.6D*38mm

热风

无纺布
101.4
4.62
2.44
2.82
1.2D*38mm 增白拒水
103.5
3.56
2.27
2.87
易可安®纤维 2D*38mm
98.0
6.46
2.66
2.93
易莱安®纤维 2D*38mm (低弹)
104.3
4.41
2.85
4.36
易莱安®纤维 3D*38mm (低弹)
98.1
6.75
2.82
3.33
浙江安顺驻极体纤维 2D*38mm
99.6
5.23
3.79
2.42

  说

 (1)      测试仪器:德国EMTEC纺织品手感度测试仪;

 (2)      TS7为织物柔软度,其数值越大表示该样品越不柔软; 

 (3)      TS750为织物表面粗糙度,其数值越大表示该样品越粗糙;

 (4)      D值为织物硬挺度,其数值越大表示该样品弹性越好;

 (5)      HF值为织物手感值评价,其数值越大表示该样品手感越


表5 易莱安®纤维产品应用

产品种类

纤度(D)
使用建议及终端应用


双组份

复合纤维

实心并列型复合纤维

1.2-1.5
弹力无纺布(单向弹、双向弹)、面膜
1.5-2.0 弹力无纺布(单向弹、双向弹)、医疗用绷带


皮芯型ES复合纤维

1.2-2.0
尿布湿、卫生巾面层
2.0-6.0
尿布湿芯层、导流层
6.0-12
其他应用…




4.弹性纤维之未来发展及展望

4.1弹性长丝于经编纺织品(Warp Knitting Fabric)之应用

经编(Warp Knitting)大致可以分为拉舍尔(Raschel)与特里科(Tricot)两大类。拉舍尔织物最常见的是蕾丝(Lace),特里科织物应用就更为广泛,其织物结构可以根据需求设计,不同的设计可使面料具有硬挺性,又可以有悬垂性(柔软性),因此应用很广,可以应用于领巾、衬衫、休闲服装、西装裤、鞋材、汽车座椅等…。吾人认为如能将聚酯弹性纤维纺丝成FDY(Fully Textured Yarn)应用于经编纺织品,将有别于传统之聚氨酯弹性纤维Spandex®,且可解决以下问题:(a)纱线无需二次加工或做包芯或包覆;(b)无需退浆、精炼及漂白;(c)染色问题容易处里;(d)面料无露白。此种新型之应用可以赋予织物多样性及舒适性。


4.2 弹性纤维于智能型纺织品(Smart Textile)之应用

智能型纺织品已经发展已有数十年之久,大多数都是应用在可穿载式纺织品(Wearable Textile)上,对材料要求可伸缩、可绕及可弯曲性,而普通的纤维材料无法满足此要求,在穿着舒适性及应用上有着巨大的不方便,因此弹性纤维可以发挥其长处,来达到可伸缩、可绕及可弯曲性之要求。以下将介绍几种弹性纤维未来可能之新应用。


4.2.1 超级电容器(Supercapacitors)

Yang等学者早在2013年时将弹性纤维应用于超级电容器上,如图5(A)、(B)所示,将电极、碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)分别涂布于弹性纤维表层,使其可在相对电容影响较小之情况下,可伸缩之程度可达到100%[5]

同年,Xu等学者将线状电容器包覆于弹性纤维Spandex®上,如图5(C)所示,同样地可以赋予超级电容器可伸缩之效果[6]


4.2.2 导电型纺织品(Conductive Textile)

2016年,Wang等学者将纺纱之工艺应用于导电纱线之制程。如图6(A)所示,以聚氨酯长纤维与棉纤维(Cotton)纺纱成包芯纱后,再将纱线表面涂布一层单壁碳纳米管(Single-wall Carbon Nanotubes, SWCNTs)制成一种导电弹性纱线[7]

2017年,Duan等学者将聚氨酯弹性纤维做成弹性纤维毡,然后将导电高分子PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))均匀涂布于弹性纤维毡上,再放置于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)膜上,如图6(B)所示,形成可绕及可弯曲性之导电弹性装置[8]

2020年,Bae等学者将花朵型纳米银粒子(Silver Nanoflower)与聚氨酯制备出一种新颖的中空型导电弹性纤维。如图6(C)所示,以双组份湿法纺丝之工艺,纺出皮芯型中空之导电纤维,此种纤维在受到一定外力时,如图图6(D)所示,其纤维所受之之应力要比实心之纤维要低,可应用性较广[9]


图5 (A)(B)将电解质与碳纳米管层涂布于弹性纤维示意图与其效果[5];(C)线状电容器包覆于弹性纤维Spandex®示意图[6]




图6 (A)导电弹性纱线制程示意图[7];(B)可绕及可弯曲性之导电弹性装置[8];(C)(D)中空型导电弹性纤维制程示意图及纤维受力应力分布分析模型[9]



5.结论

弹性纤维可以是纤维里的魔术师,在织物中含量10-20%左右,即可赋予织物不一样的手感,其使用性、贴合性及舒适性亦大大地提升,故消费者十分喜欢此类产品,甚至是选择购买商品的条件之一。弹性纤维于长丝之应用已经成熟,而短纤维之应用甚是一片蓝海,待我们进行思考及探索,如何将弹性短纤维应用于无纺布上并能符合市场期待及需求成为我们短纤维化纤人急需思考之课题。




参考文献
(1)    黄呈水,浅谈双组份复合弹性丝,2014
(2)    Lycra®官方网站:https://www.lycra.com/zh-hans/business/search-technologies/lycra-t400-fiber
(3)    黄庆、崔宁、崔华帅、高绪珊,国内外弹性纤维的现状与发展[J],纺织导报,2009(7),p60-p64
(4)    董勤霞、潘玉明,新型XLA弹性耐碱丝光针织面料研究与实践[C],上海印染新技术交流研讨会论文集,2007,p92-p97
(5)    Z. Yang, J. Deng, X. Chen, J. Ren, H. Peng, Angew. Chem. 2013, 52, 13453.
(6)    P. Xu, T. Gu, Z. Cao, B. Wei, J. Yu, F. Li, J. H. Byun, W. Lu, Q. Li, T. W. Chou, Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1300759
(7)    Z. Wang, Y. Huang, J. Sun, Y. Huang, H. Hu, R. Jiang, W. Gai, G Li, C. Zhi, ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016, 8(37), 24837-24843
(8)    S. Duan, Z. Wang, L. Zhang, J. Liu, C. Li, ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017, 9(36), 30772–30778
(9)    S. Bae, C. Muhammed Ajmal, Y. Lee, S. Baik, Adv. Engineering Mater. 2020, 22(12), 2000674

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