电子报

浙江安顺化纤有限公司 研发部 秦治平

1.前言

低熔点涤纶短纤维(俗称4080纤维，又称热熔棉，但在卫材行业，因用途及纤维有些差异，则称CO-PET纤维)是一种皮芯型结构(Sheath-core)之纤维[1]。其皮层为低熔点之改性聚酯，熔点在110-210℃，芯层为常规聚酯，经熔融复合纺丝法制成皮芯结构之纤维。此种纤维的特点在于皮层之熔点低于常规聚酯，可以在较低的温度下进行热粘合加工，冷却后纤维间产生即粘合，且具有一定的粘合强力，对纺织品之热粘合加工工艺应用上起了决定性的作用。如此，也使得低熔点涤纶短纤维在终端产品的应用上更加广泛、更加的多元。本文将介绍低熔点涤纶短纤维之概况外，亦会对差异化、功能性之低熔点涤纶短纤维进行探讨。

2.低熔点涤纶短纤维发展概况

2.1低熔点纤维发展历史

低熔点纤维的历史，最早为日本智索(Chisso)株式会社开发的ES纤维(Ethylene-Propylene Side By Side)，于1974年完成热粘着性复合纤维(ES)生产设备[2]，并于1977年实现工业化量产。ES纤维的皮层主要为熔点较低的PE(Polyethylene)，芯层为熔点较高的PP(Polypropylene)或PET(Polyethylene terephthalate)，ES纤维经过热处理后，纤维与纤维之间互相接着，便可形成不用粘合剂的无纺布纺织品。此种纤维非常适合应用于各主流之无纺布加工工艺，尤其是非常适合以热风穿透式热粘合的工艺生产卫生材料。在日后的产品应用与开发中，人们意识到PE有着耐水洗性差的缺点，且粘着性较差，在一些产品应用上存在着巨大的限制，因此化工与化纤的前辈与先进们开始研究并寻找解决方案。

2.2国外低熔点涤纶短纤维发展情况

瑞士EMS-Griltech公司开发出热熔粘接线Grilon®系列产品，基于PA6、PA12、PA610、PA612，共聚多酰胺和共聚多酯的单丝用产业纤维[3]，其部份产品可用于羊毛、棉纤维的非织造粘合，纺织成品之耐干洗性和耐熨烫性较好，但纤维材料本身成本较高，故价格高昂[4]。在上世纪1981年时，日本优尼吉可(Unitika)株式会社推出世界第一款双组份皮芯型低熔点涤纶短纤维，其商品名为MELTY®<4080>，纤维皮层为改性聚酯，熔点较低，纤维芯层为常规聚酯[5]，此产品的问世解决了聚烯烃类/PET复合纤维热粘合稳定性与耐干洗性的问题。在这之后，韩国汇维仕(Huvis)公司、韩国世韩(Saehan)公司、日本帝人(Teijin)公司等又入续投入低熔点涤纶短纤维的工业化与商业化，开发出许多畅销性的产品[6]。

2.3国内低熔点涤纶短纤维发展情况

早在2002年以后，国内沿海化纤大省，如山东、江苏、浙江、福建及广东，有数家化纤厂尝试研发低熔点涤纶短纤维，并试图实现工业化的量产，但因当时的技术条件受限制或不成熟，许多技术门槛较高，如：低熔点聚酯的合成、低熔点聚酯切片的干燥、后纺牵伸与松弛热定型条件的工艺设定等等，诸多的技术门槛与一些不明原因使得低熔点涤纶短纤维的产品开发被放弃或者搁置。直至2005-2006年左右，国内三家外资化纤厂，分别是上海远纺、四川汇维仕及厦门翔鹭，以各自具有特色的技术路线、生产方法来实现低熔点涤纶短纤维的工业化生产，对进口之低熔棉造成一定性的冲击[7]。约在2010年以后，低熔点涤纶短纤维的应用开始增加，市场需求量开始大增。又到了2015-2022年这期间，国内许多化纤厂也开始实现工业化量产，生产技术成熟，如扬州富威尔、扬州君禾、优彩环保、宁波大发、厦门兴鸿等，产能逐渐趋向饱和，且利润大幅降低，市场竞争非常激烈。

表1 低熔点涤纶短纤维发展阶段[7]

3.低熔点涤纶短纤维介绍与应用

3.1低熔点聚酯的制造

聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate, PET)，其化学结构式如图1所示[8]。PET分子两端各有一羟基，中间的六碳环即苯环两端对位上连接着两个酯基，在其中一酯基后端有着-CH2-CH2-的长链。苯环赋予了PET有着较高的熔点与一定程度的刚性，而-CH2-CH2-赋予了PET兼具柔软的特性[9]。重复单元与苯环、酯基又形成一共轭结构，使得分子链转动的能阻较大、自由空间较小，具有较小的熔融熵△S，在微观的空间结构中，大分子链中的苯环会集中在同一平面上，分子间存在一定的作用力，呈紧实收敛之状态，导致大分子链接近三维有序，结晶度较高，使PET有着较高的熱焓△H[10]。由上述的叙述，我们再从热力学的角度来看，分析线性聚合物的熔点可以由熔融熵△S和熱焓△H来控制，根据吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)[11]可以知道温度△T与熔融熵△S和熱焓△H的关系式：

△T=△H/△S                            式3-1

低熔点聚酯的合成思路主要有两个[6]，且要保证材料的力学性能，即△H不可太低：

(1)在PET大分子链段中引入柔性链段之结构，如共聚含有长脂肪链的二元酸或二元醇以减小△H；

(2)在PET大分子链中引入非中新对称或含侧链的链段结构，如共聚间苯二甲酸或新戊二醇等，以增加△S。

除利用以上基础理论，并还需考虑低榕点聚酯的应用状态，即下游的加工工艺、成品的使用状态，所以还需其他物性指标需要考虑，如软化温度、粘流特性、粘结强度、相容性等都必须要考虑低榕点聚酯合成的技术研发中。

图1 PET化学结构式[8]

3.2低熔点涤纶短纤维的特色

3.2.1绿色环保

在工业用无纺布行业里，低榕点涤纶短纤维可以取代化学合成的胶水、粘着剂，一般

由胶水、粘着剂制得的鞋材、汽车内饰、室内建筑材料板材，在成品加工阶段或加工完成阶段，容易会释放出异味、有机分子气体或甲醛，严重威胁加工厂工作者、消费者的身体健康，而低熔点涤纶短纤维产品的问世，无疑是解决了此类问题。低熔点涤纶短纤维通常与一起加工之纤维皆为聚酯系列，故加工中产生的废弃物、废弃的终端产品皆可以集中回收再利用，此亦能达到节能减碳之目的。

3.2.2加工温度低

由于一般的低熔点涤纶短纤维其熔点约在110-210℃，故加工温度可以较低，此同时可以较为节省能源成本外，亦可以保证纺织品在经过热处里时的尺寸稳定性，减少加工困扰。

3.2.3相容性粘着力好

低熔点涤纶短纤维的皮层亦是属于聚酯，与一般涤纶短纤维是属于相同纤维材料系列，故在加热过程中，纤维与纤维间产生之粘节点粘合性强，粘结强度、粘结牢度及耐干洗性都是十分良好的。

3.3低熔点涤纶短纤维的应用

一般低熔点短纤维一定是按照一定的比例与主体纤维混合后来进行加工，短纤维的应用主要为纺纱面料纺织品行业与无纺布行业，其中又以无纺布行业的用量较大。

3.3.1纺纱面料纺织品行业

常以少量的形式，混入其他短纤维材料中以提高纤维与纤维间之抱合力，在不降低手感或手感评价可承受范围内添加，可以有效减缓丝绒之起毛球问题[12]，且防收缩、尺寸安定定性良好。

3.3.2无纺布行业

低熔点涤纶短纤维在无纺布行业应用是非常广泛的，可广泛地运用于水刺擦拭材、卫材、仿丝棉、针刺鞋材、无胶棉、汽车内饰、吸音板材、家饰床垫等，如表2所示[7]。通常会采用热轧粘合与热风粘合两种工艺。对无纺布成品要求紧实、隙缝少、强度高，可以选择热轧粘合工艺，在加压加温的条件下完成无纺布成品[13]。如需要蓬松性好、保暖性佳、克重轻的无纺布，可以采用热风粘合工艺加工[14]。

表2 低熔点涤纶短纤维在无纺布行业中的应用[7]

4.浙江安顺化纤有限公司对于低熔点涤纶短纤维的研发

4.1研发过程与阶段

面对众多客户及广大市场的期待，早在2015-2020年间，浙江安顺化纤有限公司(以下简称“浙江安顺”)对阻燃低熔点涤纶短纤维进行研究及研发，但与大部份行业前辈与先进遇到情况相同，遇到技术门槛较高、生产成本大等诸多问题，故此项目占缓，却也为现今低熔点涤纶短纤维系列产品的研发奠定了基础。直到去年2021年研发部成立后，此项目被做为重点研发项目进行研发，以免干燥的技术排除低熔点切片干燥的问题进行纺丝，整个研发进程如表3所示。

表3 浙江安顺-低熔点涤纶短纤维研发成果表

4.2研发思路与策略

由于当前低熔点涤纶短纤维的市场竞争非常激烈，利润都下降到非常低，甚至与生产成本几无差异，各化纤厂争相竞价，将使市场成为一片红海，此与浙江安顺之经营理念不符。因此，差异化的产品成为主要研究与开发的对象，寻找高附加价值、有竞争力的产品、协助客户解决问题、提出关于短纤维问题上的解决方案，“为安顺继绝学，为客户开太平”，一直为我研发部的研发宗旨之一。如表4所示，浙江安顺已开发或未来要开发的低熔点涤纶短纤维系列产品。

表4 浙江安顺-低熔点涤纶短纤维系列产品

4.2.1全阻燃低熔点涤纶短纤维<全阻燃4080>

全阻燃，意即皮芯内外层皆含有磷系阻燃剂，磷含量可以达到6500ppm，此产品的特色在于抑烟效果良好，粘合与成型性能好，在与阻燃涤纶短纤维混合后(在一定配方比例条件下)制作成板材后经单体燃烧测试(测试方法：GB/T 8624《建筑材料及制品燃烧性能分级》)，其防火等级可达到B1等级，烟气等级可达到s1等级，滴落等级可达到d0等级，燃烧过程中间无熔滴、续燃，显示其优异之辅助产品阻燃抑烟效果，如表5所示[15]。

表5 浙江安顺<全阻燃4080>与市面上之阻燃4080阻燃性能比较[15]

4.2.2易可安®<4080>

4.2.2.1制造工艺

易可安®<4080>为易可安®产品系列中的一员，其纤维结构与一般低熔点涤纶短纤维<4080>相同，生产工艺亦相同。只在生产加工纺丝端，添加可降解添加剂，由失重式的母粒添加装置按照一定的比例添加，经由挤出、纺丝、冷却、成型、落丝及盛桶，以上为短纤维前纺工艺，后纺则是以集束、牵伸、卷曲、上油、松弛热定型及打包，最后完成易可安®纤维之成品[16][17]。生产工艺如图2所示[17]。

图2 易可安®纤维(ECO-AN®)前纺生产工艺示意图[17]：(A)切片喂料口；(B)失重式的母粒添加装置(可降解添加剂添加入口)；(C)单螺杆设备；(D)熔体过滤器；(E)计量泵；(F)环吹装置；(G)五辊；(H)喂入轮；(I)盛丝桶

4.2.2.2降解机制

易可安®<4080>中低熔点聚酯亦是属于聚酯家族系列中的一员，其化学结构与常规聚酯几乎祥同，故降解机制亦是相同的。PET降解机制如图3所示，在受到一定的环境条件下(例如：温度、湿度、含氧量…等等)，纤维中的可降解添加剂会产生自由基(Free radical)使PET中的酯基(Ester)产生断链，经氧化还原成对苯二甲酸(Terephthalic acid, TPA)。接着PET中的大分子链段产生裂解，分子量下降，同时间会产生小分子(约10-50个碳)，这时环境中的微生物会根据其本身的喜好去分解这些小分子而产生一些排泄物，这些排泄物就是所谓的CO2、H2O、CH4、O2、N2及盐类，所以可降解性能评估的方法就是以这些气体产生的量，换算成莫耳单位(Mole)，藉此再推算纤维的降解百分比[16][17]。

图3 易可安®纤维材料：PET降解机制示意图[16][17]

4.2.2.3检测方法及规范

降解性能检测方法及标准有五种如下：

(1) ASTM D5210：在城市污水污泥中测定塑料材料厌氧生物降解的标准试验方法；

(2) ASTM D5988：测定土壤中塑料材料的需氧生物降解的标准试验方法；

(3) ASTM D6691：通过特定微生物群落或天然海水接种物测定海洋环境中塑料材料的需氧生物降解的标准试验方法；(4) ASTM D5511：在高固体厌氧消化条件下测定塑料材料厌氧生物降解的标准试验方法；

(5) GB/T 33797-2017：塑料在高固体份堆肥条件下最终厌氧生物分解能力的测定：采用分析测定释放生物气体的方法。

易可安®<4080>与易可安®PET纤维降解性能可以认为是相同的。如图4及图5所示，经测试标准ASTM D5210，其降解率可达到88%(847天)；测试标准ASTM D5988，其降解率可达到88%(742天)；测试标准ASTM D6691，其降解率可达到92%(844天)；测试标准ASTM D5511，其降解率可达到91%(1278天)[18]。经过GB/T 33797-2017连续45天的堆肥可降解测试，降解率可达到6%[17]。易可安®PET纤维除了有良好之降解能力外，纤维物性、外观，与一般纤维无太大差异，易可安®<4080>亦是如此。顺带一提，浙江安顺亦有研发易可安®ES纤维，经过GB/T 33797-2017连续45天的堆肥可降解测试，降解率可达到1.9%，显示其具有降解性能，且降解性能完全不影响纤维物性、外观及使用[17]。

图4 易可安® PET纤维降解性能[18]

图5 易可安®PET纤维、易可安®ES纤维(PE/PET复合纤维)降解性能比较图[17]

5.结论

低熔点涤纶短纤维的市场依然庞大，只是常规的产品小化纤无法与规模庞大之大化纤相互竞争，利润日趋低下，产能趋于饱和。小化纤唯一能够突破的方法就是提高自身的研发能力，用以研发差异化、高附加价值的产品，做好客户服务，在市场中求得生存，并找寻属于自己的蓝海。在未来强调低碳节能，环保的时代，需要研发同时具备可持续性(Sustainability)+多功能性(Multi-Functional)的低熔点涤纶短纤维无疑是一个市场走向及趋势。

参考文献

(1) 姚峰、林生兵、瞿中凯、郭永林、金永龙，低熔点聚酯复合纺丝研究[J]，合成纤维工业，2003，26(4)，p8-p11

(2) JNC官方网站：http://www.jnc-corp.com.tw/about.php?new_sn=278

(3) EMS-Griltech官方网站：https://www.ems-group.com/cn/

(4) 张旭慧、赵国樑、殷瑞贤、张建春、郝新敏，赵艳淑，羊毛/低熔点皮芯复合纤维混纺织物性能研究[J]，毛纺科技，2007(2)，p42-p47

(5) The Society of Fiber Science and Technonogy, Japan. High-Performance and Specialty Fibers: Concepts, Technology and Modern Applications of Man-Made Fibers for the Future, Springer, p398-p399

(6) 林世东、姚洪涛，我国低熔点短纤维的发展现状及发展趋势，合成纤维工业[J]，2018，41(5)，p40-p44

(7) 张德权，低熔点涤纶短纤维发展与应用，广东化工，2015，42(20)，p25-p26

(8) 陈建彰、郑国彬，Ag/活性咖啡碳/聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料制备与研究，逢甲大学纤维与复合材料学系硕士论文，2011年，p4

(9) 片山将道著、朱树新译，高分子概论，上海科学技术文献出版社，1983

(10) 胡国樑、程贞娟、黄志超，低熔点共聚酯的研制[J]，纺织学报，2002，23(4)，p55-p56

(11) 陈佳月、张北波、王桦，陈丽萍、覃俊、岳海生，低熔点纤维的研究进展[J]，纺织科技进展，2016(7)，p1-p4

(12) 费长书、王靖、王小华、薛士壮、钱锦、黄志超，热粘合PET对丝绒抗起毛起球性能影响的研究[J]，当代化工，2014(12)，p2532-p2534

(13) 李刚，低熔点纤维与热轧非织造布[J]，北京纺织，1997(3)，p12-p14

(14) 肖红、衣卫京、施楣梧，木棉/低榕点纤维成絮浮力复合材料的研发[J]，纺织导报，2005(2)，p60-p63

(15) 秦治平，阻燃纤维(Flame Retardant Fiber)产品之阻燃机制与介绍，宝绿特集团电子报_2021年第四季

电子报网址：https://www.bo-re-tech.com/epaper/cn/sub_i_N2021121700001.html

(16) 秦治平，浅谈可持续性(Sustainability)纤维产品之研发，宝绿特集团电子报_2021年第二季

电子报网址：https://www.bo-re-tech.com/epaper/cn/sub_i_N2021053100001.html

(17) 秦治平，易可安®纤维(ECO-AN®)介绍，生活用纸杂志，2021，第11期

(18) CiCLO Marketing Slides: Reducing the Persistence of Synthetic Textile Pollution