高吸水纤维及其应用

高吸水纤维及其应用【摘要】本文介绍了高吸水纤维的国内外研究现状、主要制备方法、吸水原理及应用。

【关键词】高吸水纤维；研究现状；应用【abstract 】this paper introduces tall bibulous fiber research situation, main preparation methods, bibulous principle and application.【key words 】tall bibulous fiber; Research status; application中图分类号：S561文献标识码：A 文章编号：随着经济的高速发展和人民生活质量的提高以及环保意识的增强，吸水性材料的应用范围不断扩大，市场需求日益提高。

高吸水纤维与传统吸水材料相比，它不但拥有较高的吸水性，而且保水性较强，经水中浸渍后的纤维，即使离心脱水后仍能保持15%以上的水分，在一定的压力下使用也不易失水。

高吸水纤维是通过交联与水解技术制备的，具有低交联度、高溶胀率、不溶于水的结构、性能特征。

超强吸水剂多为粉状、粒状或块状，相对而言，纤维状高吸水材料表面积大、吸水速率快，而且柔软、与皮肤接触舒适，还能制备各种形式的产品，特别是能制备吸水性纺织品，使吸水性材料获得更广泛的应用。

1.高吸水纤维的研究进展由于高吸水纤维具有很多优越性，国内外对高吸水纤维做了大量的研究开发工作。

目前，全球总共有3家高吸水纤维的生产厂家，它们是日本东洋纺公司、英国TAL公司以及美国Camelot super absorbents公司。

日本东洋纺公司采用的是腈纶水解技术路线，而其他公司多采用干法纺丝技术路线。

钟纺合纤公司的年生产能力达到3500t。

日本东洋纺织公司已研制出吸水能力达到棉的300倍以上的―Lanseal‖高吸水纤维。

大阪工业技术研究所等单位开发的聚丙烯腈纤维Swift和Colax，具有优良的吸水吸汗性。

日本Unitika公司成功开发出一种新型皮芯结构高吸水高放湿纤维，商品名称为―HYGRA‖，是一种同心复合皮芯型的复合纤维，皮是尼龙，芯是由Unitika公司独自开发的具有特殊网状结构的高吸放湿聚合物。

―HYGRA‖可纯纺或与其它纤维混纺，用于内衣、妇女衣料、运动衣及室内装饰物和工业用织物。

另外，美国杜邦公司研制的名为―Coohnax‖的纤维有四道凹槽，产品规格为 1.54dtex，该纤维具有吸湿、可呼吸、速干等功能。

国内也有许多关于制备高吸水纤维的相关研究。

但只有南通江潮纤维制品有限公司(商品名―白兰‖，中国纺织科学研究院技术)实现了工业化生产。

中国纺织研究院研发的超吸水纤维是以丙烯酸、丙烯酸钠等丙烯酸酯在水溶液中聚合制得共聚物水溶液；将共聚物水溶液和聚乙烯醇水溶液分别作为皮层或芯层，经皮-芯型复合喷丝头挤出，进行干法纺丝，再经过热交联得到超吸水纤维。

南通中银纤维制品有限公研制的超吸水纤维是用丙烯酸系原料单体与增韧材料加水一次性投料、加压、分段控制，再进行共聚共混、脱单体脱泡、挤出喷丝、流变态拉伸、固化成型、热交联处理，最后制得超吸水纤维，该纤维吸纯水倍率高达220倍，吸生理盐水倍率达55倍。

中国石油化工股份有限公司与天津工业大学合作研发的共聚丙烯腈高吸水纤维是将共聚丙烯腈溶液通过湿法纺丝制得共聚丙烯腈纤维，再将所得的纤维在松弛状态下沸水浴处理后进行热交联，得到高吸水纤维。

2.高吸水纤维的吸水原理纤维的吸水性是纤维吸收液相水分的性质，它主要取决于羟基（–OH）、氨基（–NH2）、酰胺基(–CONH–)、羧基(–COOH)亲水基团的数量和种类，通过它们建立氢键与水分子的缔合，使水分子失去热运动能力，暂时存留在纤维上，当纤维中大分子化学结构中有亲水性基团存在时，它们能与水分子形成水合物；另外还取决于纤维内部微孔、缝隙和纤维之间的毛细孔隙，微孔结构的形成既可成倍地增加比表面积，通过表面效应依靠范德华力吸附水分子，又可通过毛细管效应吸收和传递水分。

纤维表面具有凹槽或断面异形化，不仅增加了表面积，使纤维表面吸附水分增加，还使纤维间毛细空隙保持的水分增加，因此异形纤维和表面凹凸化的纤维其吸水倍率高于同组分的表面光滑、圆形截面的纤维。

纤维中除了亲水基团直接吸收水分外，已被吸着的水分子，由于它们也是极性的，因而有可能再与其它的水分子相互作用。

这样，后来被吸着的水分子，积聚在第一批水分子上面，形成多层分子吸着，称为间接吸着的水分子。

3.高吸水纤维的制备方法高吸水纤维的制备方法主要有两种，即亲水性单体的共聚纺丝法和常规纤维的亲水性改性。

3.1共聚纺丝法该方法是将含有亲水性单体的聚合体系通过共聚得到吸湿和吸水性共聚物，再将其通过熔融法或者溶液法进行纺丝，得到高吸水纤维。

制备吸水性纤维所用单体主要是含腈基(–CN)、酯基(–COOR)、酰胺基(–CONH)、羧基(–COOH)、磺酸盐基等乙烯基不饱和单体，如丙烯腈(AN)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、对苯乙烯磺酸钠等。

共聚合实施的方法大多采用乳液聚合(或反相乳液聚合)、悬浮聚合(或反相悬浮聚合)，有时也采用溶液聚合。

纺丝的方法包括溶液纺丝与熔融纺丝两种。

溶液纺丝法分为湿法纺丝和干法纺丝，目前的吸水性纤维通常采用湿法纺丝。

溶液纺丝是将上述聚合物溶解在有机溶剂中配成均匀的分散溶液，再经干法或湿法纺丝制成高吸水纤维。

选用的溶剂主要有二甲基甲酰胺、硫氰酸钠水溶液、丙酮等。

Westerink等将纤维素、磷酸等制成纺丝原液，然后采用湿法纺丝，从一定孔径的喷丝头喷出，将其挤进含有丙酮的凝固浴中，经过拉伸、水洗等处理后，制得吸水能力为10g/g，吸盐水能力为10g/g的高吸水纤维素纤维。

熔融纺丝则是将共聚物或者聚合物的混合物粉末送进纺丝机中，加热不断熔融至粘流态后压入喷丝板而挤出成丝，通过冷却成形制得纤维。

例如将微量的聚丙烯酸钠吸水剂加入到尼龙6中，经熔融纺丝制得改性尼龙6纤维，其吸水和保水性能都比纯尼龙6纤维高。

3.2 纤维的亲水化改性亲水性较小的天然纤维或化学纤维，如棉纤维、麻纤维以及聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚对苯二甲酸乙二酯纤维等。

通过物理或化学处理来提高纤维的吸水性能。

物理处理法包括混合法和物理加工。

混合法是将吸水性物质与普通纤维进行混合，有纤维混合法(吸水性纤维与普通纤维进行混合)和纤维-粉末混合法(吸水性粉末与普通纤维混合均匀)。

前者比较好，混合均匀，不易分离；后者则因为粉末易于分离，而难以保持均匀。

物理加工是通过物理处理使得一般纤维与超强吸水树脂分散均匀并固定。

化学处理法是在天然或合成纤维以及纺织品中加入反应性物质从而制得吸水性纤维。

这方面的研究相对较多，如聚乙烯醇纤维的改性、吸水性人造丝和聚丙烯腈纤维的水解。

聚乙烯醇纤维的改性是将聚乙烯醇纤维加到顺丁二烯二酸酐的有机溶剂中、加热从而发生化学反应，聚乙烯醇分子侧链的一部分发生酯化，引入羧基，同时大分子间形成交联结构，制成高吸水性聚乙烯醇纤维；吸水性粘胶纤维是将粘胶短纤维加入含有氢氧化钠、双丙烯酰胺、丙烯酰胺和乙酸组成的水溶液中，室温下浸渍5分钟，经过滤后加热至120℃进行聚合反应，再经过干燥、盐酸溶液中和、过滤、甲醇洗净、干燥最终制得吸水性纤维状产品。

聚丙烯腈纤维的水解是聚丙烯腈纤维在NaOH的溶液中加热直到沸腾，回流再进行水解，之后再用一定浓度的盐酸中和，从而制得高吸水纤维制品。

此外，还有人采用甘蔗渣粗纤维纸浆与丙烯腈、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯等单体进行接枝聚合，经水解后制备高吸水材料，该高吸水材料具有吸水倍率高，吸水速率快，并且吸水后形成的凝胶强度大，易降解等优良性能。

4.高吸水纤维的应用高吸水纤维可与其它纤维(棉、粘胶、丙纶、涤纶、绵纶等)混纤制造不同规格的无纺布，通过调整吸水纤维与其它纤维的混纤比例，可调节无纺布的吸湿性、吸水性、保液性、透湿性、通透性等性能，用于卫生、医用材料，过滤材料，包装材料，光缆、电缆材料。

4.1卫生用品和医用材料方面(1)妇女卫生巾，尿不湿，纸尿裤，卫生护垫，成人失禁尿垫。

在卫生用品方面，用以高吸水纤维―Fiberdri‖为基础的复后材料芯层代替近来用于卫生用品的多组分芯层的成本效应。

通过气流铺网结果显示，这种新的芯层材料比常规产品成本低、厚度薄30%，并具有更高的吸收能力。

(2)吸水垫，吸血垫，腹部垫，及医用伤口敷料。

当前高吸水纤维比高吸水粉末要贵得多（高吸水粉末单价1.98美元/公斤），但从最终产品来看总生产成本会降低，因为芯体质量肯定可以减轻，可采用一体化制作方法，设备简化，生产率高，高吸水材料损耗少，而且产品层次结构可以简化，如取消转移层。

不仅如此，采用高吸水纤维代替传统的高吸水粉末后加工制造吸液产品时，高吸水纤维较高吸水粉末制吸液产品具有吸液快、柔软、轻薄、不易脱落、迁移堆积和僵硬等优点，更受消费者青睐，因售价提高和销售增加，经济效益更加可观。

4.2过滤材料在过滤干燥用途方面，采用高吸水纤维与其它纤维按一定比例混纤以后制成的具有一定的通透性和过滤、除水效果的无纺布滤毡，可以大大降低油田原油和各种机油除水的能耗与成本，目前我国有关油田和过滤器材生产企业在这方面已提出了产品开发的迫切需求，预计几年后我国在过滤干燥用途方面高吸水纤维的用量可达1500吨/年。

4.3包装材料在包装材料方面，据报道，―Oasis‖ 高吸水纤维1999年获得美国FDA认可后，钟纺合纤已将该纤维的无纺布正式应用于食品包装吸液片材，该无纺布片价格为1500日元/千克（相当于9.3万元人民币/吨）（30%的高吸水纤维，70%的丙纶短纤），这种无纺布吸收片材不仅能起到滴漏吸收作用，而且能使鱼、肉等生鲜食品和冷冻、冷藏食品保持鲜度，并且安全卫生，当前在食品包装领域的年销售量已达400吨，最近的将来需求量将达2000吨/年，并可望达到20亿日元的市场规模。

我国是一个经济腾飞的大国，市场前景将更为广阔。

预计几年后我国在包装材料用途方面高吸水纤维的用量可达到1000吨/年。

4.4光、电缆工业在光缆及电缆阻水包覆材料方面，具有关统计我国2001年国内光纤生产量达到440万芯公里，同年度光纤进口量420万芯公里，年度用量总计为860万芯公里。

随着信息产业的进一步发展和由大、中城市到中、小城市，到农村及偏远地区的普及化，我国的光纤用量具有很大的市场发展前景。

目前我国光缆产品的设计规范中已规定必须采用阻水材料，按300克/公里超吸水纤维用量计，440万芯公里的超吸水纤维用量为1320吨。

随着光缆用量的不断增加和光纤国产化比例的迅速提高，几年后超吸水纤维用量按2001年光纤年度用量860万芯公里的1.2倍计，可达3096吨/年。

考虑部分电缆采用阻水材料的超吸水纤维用量按1000吨/年计，则我国用于光缆及电缆阻水包覆材料的超吸水纤维用量几年后可达4096吨/年。