氨纶纤维的生产与应用

江苏仪化公司涤纶五厂总师室 顾超英

一、概述

氨纶纤维学术名称为“聚氨基甲酸酯纤维”，也叫“聚氨酯弹性纤维”，英文名称为Polyurethane Fiber，国际通称为“斯潘得克斯”（Spandex），是一种具有高弹性能的特种化学纤维，氨纶纤维更是目前快速发展起来的高弹性合成纤维，氨纶是世界已知最富有弹性的合成纤维，其伸长长度高达500％－800％，而且具有优良的耐疲劳性和极高的弹性恢复率，弹力持久不变，任何合成纤维都无法与之相提并论。氨纶最早由德国著名的拜耳（Barer）公司研制成功，并申请了专利。1959年，美国杜邦（DuPont）公司用自己的方法研制出氨纶，并最早开始了氨纶的工业化生产，产品注册为“莱卡”（Lycra）。

近几年来，国内纷纷投资氨纶行业，生产能力正在迅速上升，预计至2005年，中国将成为最大的氨纶生产国。

二、氨纶的化学结构

氨纶的化学结构很独特，氨纶的化学分子结构比较复杂，其分子链中有两种链段，一种是软链段，赋予纤维以弹性；另一种是硬链段，赋予分子间的相互作用力，保证纤维具有一定强度。这两种不同性能的链段相互镶嵌，在纤维自然放松期间，它们无规则地缠结在一起。当有外力作用时，软链段间由于相互作用力小，易拉长变形，而硬链段不会发生滑动，为软链段的大幅度伸长和回弹提供了必要的结合点，从而使纤维具有高弹性能。氨纶唯一的缺点是耐氯性稍差。因此氨纶织物在洗涤时，要避免使用次氯酸钠型漂白剂。

三、氨纶纤维的制造技术

根据纺丝方法的不同，氨纶生产的工艺路线可分为干法纺丝、湿法纺丝、熔法纺丝及化学反应纺丝四种。

1、干法纺丝

聚醚二醇与二异氰酸酯以1：2的摩尔比在一定的反应温度及时间条件下形成预聚物，预聚物经溶剂混合溶解后，再加入二胺进行链增长反应，形成嵌段共聚物溶液，再经混合、过滤、脱泡等工序，制成性能均匀一致的纺丝原液。然后用计量泵定量均匀地压入纺丝头。在压力的作用下，纺丝液从喷丝板毛细孔中被挤出形成丝条细流，并进入甬道。甬道中充有热空气，使丝条细流中的溶剂迅速挥发，并被空气带走，丝条浓度不断提高直至凝固，与此同时丝条细流被拉伸变细，最后被卷绕成一定的卷装。

干法纺丝是目前世界上应用最广泛的氨纶纺丝方法。可纺氨纶丝的纤度范围为1.1-246.4tex，纺丝速度200-600 m/min，有的可高达1000 m/min。世界氨纶第一大厂商德国拜耳公司的Dorlastan氨纶纺丝工艺就是典型的干法纺丝。

2、熔法纺丝

熔法纺丝是将干燥后的热塑性聚氨酯切片送入螺杆挤压机，切片由于受热而熔融，熔体以一定压力被挤出并输送到纺丝部位，然后用纺丝泵将熔体定量均匀地压至纺丝组件。熔融细流从喷丝板小孔挤出，在甬道中冷却而凝固成纤维。熔融纺丝只适用于易熔的和熔融温度下稳定性良好的聚氨酯嵌段共聚物，如由芳香族二异氰酸酯和线性聚酯或聚醚多元醇反应，采用1,4-丁二醇为扩链剂所得的聚氨酯为熔融纺丝原料。纺丝温度为160-200℃，纺丝速度为200-800m/min。

熔融纺丝工艺受原料的影响极大，切片制造技术、切片的成分及其性能直接影响到纺丝过程和成品质量。日清纺、钟纺、德国福奈、美国诺誉等企业以及国内自主研究开发是熔融纺丝技术的主要推动者。

3、湿法

用与干法纺丝类似的方法制成嵌段共聚物溶液，经纺前准备，送至纺丝机，通过计量泵压入喷丝头。从喷丝板毛细孔中压出的原液细流进入凝固浴。凝固浴以温水（90℃以下）为凝固介质，原液细流中的溶剂向凝固浴扩散，原液细流中聚合物的浓度不断提高，于是高聚物在凝固浴中析出形成纤维，再经洗涤干燥后进行卷绕。湿法纺丝速度一般为5-50 m/min，加工纤度0.55-44tex。日本富士纺公司的Fujibo氨纶生产技术就是具有代表性的湿法纺丝。

4、化学反应法

它是将两端含有二异氰酸酯的聚酯或聚醚预聚体经计量泵喷丝头压出而进入纺丝浴，与纺丝浴中的链扩展剂（如乙二胺）组分产生化学反应，预聚物链增长的同时生成不溶于二甲基甲酰胺的共价交链结构初生纤维。从反应浴中析出的丝条经喷淋水管洗去夹带的乙二胺后送入干燥定型机进行干燥定型。初生纤维经卷绕后，在加压的水中进行硬化以使其内部尚未反应的部分交联，从而转变成三维结构的聚氨酯嵌段共聚物。反应纺丝法的纺丝速度一般为50-150m/min，加工纤度为0.56-38tex。目前世界上用这种方法纺丝的产量占氨纶总产量的2%。美国的Globe、西班牙的Enkaswing、英国的Spanzelle等公司拥有这种生产技术。

四、氨纶纤维工艺技术发展前景

目前，世界范围内干法纺丝占全球氨纶生产的80%以上、湿法纺丝约占10%左右、其它两种约占10%。而在我国至今没有化学反应法，干法、湿法和熔融法各约占83%、6%和11%。

干法纺丝工艺技术成熟，制成的纤维质量和性能优良，在氨纶生产技术中占有主导地位，并将在未来相当长时间内成为投资主流。由于工艺流程复杂，装置设备投资费用大，生产过程需用有毒溶剂，纺丝速度较低，生产成本高，湿法纺丝产能比重较小，已逐渐被淘汰。化学反应纺丝法因工艺复杂，纺丝速度低，生产成本高，设备投资大且存在二胺环境污染等问题，今后发展的可能性也不大。

目前国内90%以上的氨纶产量由干纺和熔纺所生产，因此下面重点对这两种纺丝方法及其产品性能进行比较。

1、干法纺丝与熔法纺丝工艺路线的比较

干法纺丝和熔法纺丝的工艺路线有很大差异。首先，采用的原料不同：干纺是以聚醚二醇与二异氰酸酯为主要原料，采用二元胺为扩链剂；而熔纺则是以热塑性聚氨酯切片（聚酯型或聚醚型）为原料，采用二元醇为扩链剂。其次，两种方法的工艺流程也完全不同，干法纺丝技术成熟，但路线长，工艺复杂，有溶剂回收，设备较多。熔融纺丝技术工艺流程短，设备简单、投资少、见效快，不需溶剂回收，无环境污染，目前熔融纺丝技术被国外垄断，由于引进技术需要花费一笔价格不菲的技术转让费，国内大部分熔纺氨纶生产厂家都采用自己成套技术或采取引进一些硬件自己开车的方法，存在成套能力和工艺技术的风险。干法纺丝与熔法纺丝工艺路线比较见表1。

表1 干法纺丝与熔法纺丝工艺路线比较 干法纺丝 熔法纺丝 技术成熟；产品质量优良，产品规格绿色环保技术；工艺流程短、工艺灵活；生产优齐全，适用面广；纺速快、产量大；易于管理；投资周期短、投资费用低；产品、点 不需要TPU干燥 规模灵活；库存时间长 缺投资规模大；工艺流程长；需回收溶点 剂对环境有污染；库存时间短 技术不成熟；原料受制于人；成品质量稍差；应用范围小。 2、干纺氨纶与熔纺氨纶结构和性能比较 由于纺丝工艺和纺丝原料的不同，干纺氨纶与熔纺氨纶在结构和性能上存在一定的差异，干纺氨纶性能优良，而熔纺氨纶在生产过程中由于预聚体在加工温度下不稳定，在高温的停留时间稍长时，会发生过量交联，生成凝胶，导致成品物理机械能也比干纺差。具体如

表2所示：

表2 干纺氨纶与熔纺氨纶结构和性能比较 项目 线密度变异系数cv% 断裂强度cN/tex 断裂伸长率% 弹性回复率% 沸水收缩率% 结晶度% 晶粒大小AO 耐氯性 耐碱性 热定型性 丝卷状况 耐菌性 吸湿性 进口干纺 2.43 13.30 559.0 97.1 9.8 42.0 39.1 较差 较好 稍差 均一良好 较好 较好 进口熔纺 3.13 12.30 497.0 96.3 12.4 25.0 23.2 较好 较差 良好 丝卷不匀 较差 较差 国产熔纺 3.37 13.10 462.7 96.0 11.6 27.0 25.0 五、氨纶的性能、纺织加工与用途

1、氨纶的性能

氨纶的性能优良，有着其他任何一种纤维无法比拟的弹性，其断裂伸长率大于400%，通常在500%-700%，最高可达800%，形变300%时的弹性回复率达95%以上。另外氨纶还具有白度保持性好、耐疲劳性好、弹性模量低（0.11eN/dtex）、密度小（1.0-1.39/cm3）、耐热性较好（软化点约200℃，分解温度为270℃）、吸湿性较好（在20℃、65%的相对湿度下，回潮率为1.1%）等特点，氨纶能溶于强极性溶剂，因此其织物在洗涤时应避免使用次氯酸钠型漂白剂。氨纶被喻为纺织品“工业味精”，在天然纤维与合成纤维中加入少许氨纶可大大提高其最终产品的服用性能与产品的附加值。表3为氨纶性能一览表。

表3 氨纶性能一览表

项 目 拉伸强度/cN·dtex 断裂伸长，% 模量/cN·dtex 残余伸长，% 耐老化 染色性 耐磨性 抗臭氧性 -1-1指 标 0.5-1.5 400-800 0.15-0.45 20 好 好 良好 好 耐化学品性 热稳定性 耐碱性 耐微生物降解性 抗油性 耐光性 较强 好 较差 较差 一般 较差

氨纶的特性，使织物在结构上发生改变，在各类纺织品上都有应用，如梳织品，经织品，针织品，均有采用，从内衣到外衣，从花边到袜子，从家庭纺织品到医疗用品，均用得上。针织物本身的特色，就是利用线 圈的结构，产生延伸弹性的效果，但其伸长及回缩范围受线圈形态及覆盖率所控制，幅度有限，氨纶的高伸度及回复性能与针织物正好互相配合，令织物发挥出最佳特性。氨纶又属于一种特殊的纺织用纤维，其本身并不能独立做成纺织品，但可与几乎所有的其它纺织原料交织。

纺织上应用的氨纶弹力丝有两种类型：氨纶裸丝及氨纶加工纱。 2、氨纶的纺织加工 2.1 氨纶裸丝

氨纶裸丝与加工纱由于性能上的差异在应用上有所不同。加工纱虽然价格昂贵。但可提供更好的控制弹性使用性及手感，应用范围及数量增长迅速。氨纶裸丝弹性高，不易控制，且使用过程中存在断裂问题，但价格相对低廉，因而应用数量较大，如1997年西欧国家3万吨的全部氨纶消耗中，以裸丝形式使用的约占70%。

2.2 氨纶加工纱

根据所用纤维或纱线类型及加工方式的不同，氨纶加工纱又可分为包芯纱、包覆纱或合捻纱。

2.2.1 氨纶包芯纱是以氨纶裸丝作芯纱外层包覆以不同的非弹性纤维如棉、毛、涤棉、腈纶、涤纶等。可以通过环锭纺、气流纺、涡流纺等加工方法纺制。该纱具有纺纱成本低、纱支范围大、外包纤维广及弹性可选择等优点。包芯纱弹性伸长为150%-200%，氨纶用量为7%-12%。

2.2.2 氨纶包覆纱是指经预拉伸的氨纶弹力丝经空习锭子的中心而成为芯线，锭子上的纱线或长丝作为外包覆纱均匀螺旋状地缠绕于氨纶上，然后同步卷取而成。该纱具有弹性伸长大（300%-400%），纱支粗及强力高的特点，多用于针织高弹织物，分单包、双包两种方式，是氨纶加工纱中最常使用的品种，约占整个加工纱类型的65%，其外包纱多为锦纶加弹性或棉纱，亦有采用丙纶作为外包纱。

2.2.3氨纶合捻纱是将经过预拉伸的氨纶丝与一股（或多股）非弹性纱线合并，然后根据需要的捻度加捻而成。

3、氨纶纤维与织物的用途

氨纶纤维原料的优良性能使其织物穿着舒适，能适合身体部位弯曲的需要，使服装对身体的束缚力很小，同时织物还有很好的防皱性、无褶绉性，皱折定型能力永久不变。 主要用于制造各种运动衣、游泳衣、溜冰衣、高尔夫球等体育运动服；还有宇航服、飞行服、工作服等各种专用服装的束带紧向部分；妇女的紧身衣、健美服、内衣、胸罩、裤袜、束腰带、高弹袜、手套、夹克、裙子等女性用品；弹力灯心绒、弹力劳动布、弹力毛华达呢和毛花呢服装用料；家具汽车座椅外裹装饰面料织物；医药方面作外科弹性绷带、皮管、人工器官材料等各种辅助器材设备。

可以说，氨纶的用途非常广阔，不同的国家对氨纶的用途各有偏重。例如，欧美地区以游泳衣、紧身衣为主，亚洲地区以连裤袜、短袜为主。美国Dupont公司的产品主要用于泳

装、高级运动衣。该公司开发的Lycra3D产品是氨纶与超细纤维Tatel结合而成的纤维，还开发了双组分尼龙与氨纶交织产品等。日本的各大公司也积极开发具有特色的产品，如东丽等公司开发羊毛一氨纶针织服装，可乐丽的长短丝SP antel产品用于女衬衫、裙子、夹克衫、裤子等。而我国氨纶纤维广泛应用于针织和机织弹力织物。

六、结论

近几年来，由于我国氨纶纤维市场需求量增长很快，而国内产量无法满足实际生产的需求，因而每年都得从国外大量进口。根据调查结果显示，用氨纶纤维制造的功能性纺织品已经被人们越来越广泛地接受，氨纶不再仅为较小的市场而生产，它将成为主宰未来服装业发展的主题。目前氨纶弹性服装应用正在由欧美向亚洲转移，由内衣向外衣发展，由女性服饰向男性服饰扩展。因此，未来只要下游纺织行业对上游氨纶纤维原料需求量不断增加，氨纶市场前景应该看好。