第五章合成纤维

1、第五章合成纤维§5.1 合成纤维的概况合成纤维：是化学纤维中的一类。是以石油、天然气、媒、农副产品为原料，经过一系列的化学反应，制成合成高分子化合物，再经化学加工而制得的纤维。合成纤维的共性特性：坚牢耐磨，质轻，易洗快干，不易起皱，不霉不蛀。纤维密度小，断裂强度和断裂伸长率都较大，弹性较好，耐磨性也较好，摩擦系数大，织物易起毛球，吸湿能力较差，吸湿后强、伸度变化不大，化学稳定性较好，不霉不蛀，对一般染料的染色性较差，导电性较差，易产生静电，易沾染灰尘，具有与天然纤维和再生纤维不同的热学性质。合成纤维的主要品种：聚酯纤维（涤纶） 、聚酰胺纤维（锦纶、尼纶） 、聚丙烯腈纤维（腈纶）和聚丙

2、烯纤维（丙纶） 。其次是聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）、聚氨酯弹性纤维（氨纶）和聚氯乙烯纤维( 氯纶) 。一 合成纤维的发展概况20 世纪 30 年代中期开始20世纪 40 年代初期发展起来：第一个真正实现工业化生产的合成纤维：聚酰胺纤维（尼纶）20世纪 50 年代初期：聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚酯纤维相继实现工业化。20世纪 60 年代：石油化学工业迅猛发展促进合成纤维的发展， 1960 粘聚丙烯纤维实现工业化生产。20世纪 70 年代：利用化学改性和物理改性手段， 通过分子设计制成改性合成纤维，即“差别化纤维”，与原有合成纤维相比，各种性能都有较大改进。目前特种纤维我国合成纤维工业

3、情况：具体见P1231二 合成纤维生产简介生产过程可概括为以下四个工序：（1） 原料准备：将从石油、煤。天然气、石灰石中提炼了的可供化学合成的有机化合物，通过聚合反应，将单体分子聚合成为平均分子量很高，且具备纺丝性能的高分子聚合物。（2） 纺前准备：纺丝熔体或纺丝溶液的制备（3） 纺丝：将成纤高聚物的熔体或浓溶液，利用纺丝泵（或称为计量泵）连续、定量而均匀地从喷丝头（或喷丝板）的毛细孔中挤出，而成液态细流，再在空气、水或特定的凝固浴中固化成为初生纤维。（ 4）后加工 :即纤维的后处理。主要是拉伸和热定形。熔体纺丝 : 见 P124 锦纶、涤纶、丙纶纺丝方法：湿法纺丝：见 P124 腈纶短纤维溶

4、液纺丝干法纺丝：见 P125腈纶长丝、氨纶弹性丝2§ 5.2涤纶的结构与性能聚酯纤维：是由大分子链中的各链节通过酯基 (-CO-O-), 相连的成纤高聚物纺制而成的合成纤维。英文缩写： PETPTT纤维是聚对苯二甲酸丙二醇酯。PBT纤维是聚对苯二甲酸丁二酯纤维。是近年来开发的一种新型聚酯纤维。我国将聚对苯二甲酸乙二酯含量大于 85以上的纤维 称为 涤纶，发展速度最快，生产量最大。聚酯纤维性能特点：强伸度较好，弹性优良；耐磨性能好，但其织物易起毛起球；小负荷下不易变形， 尺寸稳定性好， 易洗快干，洗后保形性好，具有优良的免烫性； 耐热性好，耐晒性也好，但遇火容易熔融；染色性能较差。一

5、涤纶生产简介主要成分为：对苯二甲酸乙二酯，以对苯二甲酸 (TPA)和乙二醇 (EG)为原料通过酯交换法和直接酯化法，合成而得到的一种结晶性高聚物。因为其熔点低于热分解温度，所以采用熔体纺丝法。纺丝成形可分为 切片纺丝（长丝） 和直接纺丝（短纤维）二 涤纶的结构1 表面及横截面：纵向光滑、均匀、无条痕的圆柱体。横截面：接近圆形2 涤纶的分子结构聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)的化学结构式如下：从结构中可以看出：（1） 涤纶为线型分子，分子链的两端各有一个羟基，中间每个单元链节都有由苯环通过酯基与乙基相连，没有大的支链和侧链。取向为拉伸方向 且平行排列，分子链高度立体规整性结构，具有紧密敛集的能力和

6、结晶倾向。因而 较高的机械强度 和 形状稳定性。（2） 分子中除两端含有 OH外，不含有其他亲水基团，且缺乏与染料分子结合的官能团，故涤纶吸湿性差，染色性差。属于疏水性纤维。(3) 酯键的存在使分子具有一定的化学反应能力，但苯环和亚甲基的稳定性好，所以涤纶的化学稳定性较好。3(4) 涤纶大分子的基本链节中含有苯环，阻碍了大分子的内旋转，使主链刚性增加，但还含有一定数量的亚甲基，又有一定的柔性。所以涤纶具有弹性优良，挺括，尺寸稳定性好的优异性质。三 涤纶的性能1 物理性能（1）颜色：一般为乳白色并带有丝光一样的光泽（2）密度：完全无定形时 1.333 g/cm 3 , 完全结晶时为 1.455

7、g/cm 3，一般在1.38 1.40 g/cm 3，（3）回潮率：标准状态下为0.4 ，吸湿性低，洗可穿性好，但加工时静电现象严重，织物透气性和吸湿性差。（4）热性能：玻璃化温度为：6881，软化点温度为： 230240，在几种主要合成纤维中，涤纶的耐热性最好。（5）耐光性：仅次于腈纶（6）电性能：因吸湿性低，导电性差，一种优良的绝缘体。2 力学性能（1）强度高，湿态下强度不下降（2）延伸度适中（ 3）模量高 : 是大规模生产的合成纤维中，以涤纶的初始模量为最高，使织物的尺寸稳定，不变形，不走样。（4）回弹性好（5）耐磨性：仅次于锦纶，超过其他纤维。3 化学性能在涤纶大分子中，苯环和亚甲基的

8、稳定性较好，故涤纶化学稳定性好，除耐碱性差外，耐其他化学试剂性能均优良。（ 1）耐酸性： 对酸（尤其是有机酸）很稳定，但室温下不能抵抗浓硝酸或浓硫酸的长时间作用。（2）耐碱性：大分子上的酯基受碱的作用很容易水解，只有在低温下对稀碱或弱碱才比较稳定。（3）耐溶剂性：对一般的非极性有机溶剂有极强的抵抗能力，在室温下对极性溶剂也有相当强的抵抗能力。（4）对氧化剂和还原剂的稳定性：对二者均有良好的稳定性。4 耐微生物性不受虫蛀、霉菌的作用5 吸湿、染色性能吸湿差，透气性不好，容易产生静电，易吸附灰尘。染色比较困难46 起球现象因为涤纶纤维表面光滑，纤维间抱合力差，纤维的尖端容易散露在织物表面形成绒毛，

9、经摩擦后缠结形成小球，由于强度高，弹性好，小球难以脱落。7 静电现象吸湿性差，导电性差，摩擦易产生静电。四 改性涤纶主要针对普通涤纶的缺点：染色性差，使用的染料种类少，吸湿性差，易在纤维上积聚静电，织物易起球等 进行改性，得到涤纶差别化纤维。化学改性：共聚和表面处理改性方法物理改性：共混纺丝、变更纤维加工条件、 改变纤维形态及混纺交织。（一）涤纶改性的途径（具体见 P134）改变涤纶的性能，必须从改变其大分子链结构入手。一般方法有1 化学改性2 物理改性（二）改性涤纶1 易染改性涤纶易染色：用不同类型的染料染色，且在采用同类染料染色时，染色条件温和，色谱齐全，色泽均匀及坚牢度好。阳离子染料可染

10、聚酯纤维CDP酸性染料可染聚酯纤维分散染料易染聚酯纤维2 抗静电聚酯纤维3 抗起球聚酯纤维物理改性方法：使纤维截面异形化，增加纤维抱合力化学改性方法：降低纤维的强力5§ 5.3锦纶的结构与性能锦纶 (PA) 是聚酰胺纤维的商品名称， 其分子主链是由酰胺键 （ HNCO）连接 .二元胺和二元酸缩聚：分别用两个数字表示二者所含的碳原子数，前者代表二元胺的碳原子数，后者代表二元酸的碳原子数，如锦纶 66，锦纶 1010由 氨基酸缩聚或己内酰胺开环聚合：其数字表示氨基酸或己内酰胺的碳原子数。锦纶的特性：耐磨性、弹性好，强度、延伸度高，相对密度小，耐霉耐蛀。一 锦纶生产简介1 锦纶 6 的生产

11、分子结构式： H NH(CH2) 5 CO n OH锦纶 6 的化学名称为聚己内酰胺，由己内酰胺为原料， 在适当的温度和活化剂（如少量水）存在下，经系列反应开环聚合。平均分子量控制在 2 万左右。2 锦纶 66 的生产NH(CH)NH-OC(CH)CO OH分子结构式： Hn2 62锦纶 66 的化学名称为聚己二酰己二胺，由己二酸和己二胺为原料按 1:1等摩尔混合制成盐，再进行缩聚。平均分子量控制在2 万至 3 万之间。二 锦纶的结构与涤纶相似，纵向光滑，截面接近圆形。大分子主链是由碳原子和规律相间的氮原子构成，主链上无侧基，容易形成结晶，相邻大分子间和大分子内部可借羰基和亚胺基生成氢键。锦纶

12、在冷却成形和拉伸过程中，由于纤维内外所受的温度不一致，使锦纶具有皮芯结构，皮层较为紧密，取向度高而结晶度低，芯层则取向度低而结晶度高。三 锦纶的性能1 断裂强度因为结晶度、取向度以及分子间力大，所以强度也比较高。锦纶的吸湿率较低，湿态强度为干太强度的 85 90。2 断裂伸长随品种而异，强力丝约为 20 30，普通丝为 2540，锦纶 6 约为 4050，湿态下的断裂伸长比干太高 3 5。3 初始模量6比其他纤维都低，因此使用过程中容易变形。4 回弹性回弹性极好5 耐磨性所有纺织纤维中耐磨性最好的纤维6 吸湿性比天然纤维和再生纤维素纤维都低，但在合成纤维中，仅次于维纶7 染色性在合成纤维中属于

13、较容易染色，可用酸性染料、分散染料染色。8 耐光性耐光性差，在长时间的日光和紫外线照射下，强度下降，染色发黄。9 耐热性耐热性不好，在 150下，经历 5 小时即变黄，强度和延伸度显著下降。收缩率增加。但有良好的耐低温性能。10 化学性质耐碱性较强，在室温 50 NaOH溶液中，对他没有影响，但酸可使锦纶大分子的酰胺键水解。引起纤维的聚合度降低。因此锦纶对酸不稳定，对浓的强无机酸尤为敏感。对氧化剂的稳定性差。11 其他性能相对密度为 1.04 1.14 ， 保行性不好。作成的服装不如涤纶挺括，易于变形。7§5.3腈纶的结构与性能腈纶是我国市场上聚丙烯腈纤维的商品名称，聚丙烯腈纤维是指

14、由聚丙烯腈或丙烯腈含量占 85以上和其他第二、第三单体的共聚物纺制而成的纤维。具有羊毛的特征，故被称为“合成羊毛” 。其蓬松性和保暖性好，手感柔软，防霉，防蛀，优越的耐光性和耐辐射性。一 腈纶生产简介1 纺丝原液的制备聚丙烯腈在加热的条件下既不软化又不熔融， 在 280300下分解， 故不能进行熔体纺丝，而采用溶液纺丝法（干法或湿法纺丝） 。纺丝原液的生产工艺分为一步法和二步法。一步法是指所有溶剂即能溶解单体混合物，又可溶解聚合产物，反应结束后聚合物溶液直接用作纺丝原液。两步法是指聚合和纺丝分两步进行，聚合反应采用非均相水相沉淀聚合法，反应后将聚合物从反应体系中分离出来并干燥得到粉状固体，然后

15、将其溶解在适当溶剂中制成纺丝原液。2 纺丝方法聚丙烯腈一般采用湿法纺丝或干法纺丝。湿法纺丝：纺丝原液由喷丝孔挤出进入凝固浴后，纺丝细流的表层首先与凝固介质接触并很快凝成一薄层，凝固浴中的 凝固剂（水）不断通过这一表层扩散至细流内部，而细流中的溶剂也不断通过表层扩散至凝固浴中，这一过程即湿法成型中的双扩散过程。由于双扩散的不断进行，使纺丝细流的表皮层不断增厚，当细流中的部分容积浓度降低至某一临界值以下时，纺丝细流发生相分离。初生纤维从溶液中沉淀下来，并伴随一定体积的收缩。干法纺丝：就是凝固介质不是溶剂的水溶液，而是热空气。二 腈纶的结构腈纶的形态结构光学显微镜下，腈纶的纵向表面有沟槽，呈树皮状，

16、湿法纺丝生产的腈纶截面基本上是圆形的，而干法生产的截面呈哑铃形。聚丙烯腈纤维的结构特点：具有很多不完整的准晶态结构和较高的侧向序态，这一结构特点使聚丙烯腈纤维对热比较敏感。三 腈纶的性能聚丙烯腈的化学性能1 密度 : 湿法纺丝腈纶密度为1.16 1.18g/cm 3，干法腈纶为腈纶 1.14 1.17g/cm 3。82 吸湿性在合成纤维中属于中等，在标准状态下回潮率为 1.0 2.5 ，回潮率与第二、第三单体的种类和用量有关。3 染色性均聚的聚丙烯腈纤维是很难染色的，为了改善它的染色性能，常用一定数量带有亲染料基团的第三单体与丙烯腈共聚。以提高聚合物对染料的结合力。使纤维较易染色。4 热弹性热

17、弹性是腈纶所具有的特性，本质是高弹形变。主要表现：将纤维二次拉伸后，再将纤维进行骤冷，使大分子的链段活动暂时被冻结，纤维因二次拉伸而发生的伸长也暂时不能回复，但当提高温度至玻璃化温度以上时，由于链段运动加剧，在无张力的情况下，非晶区的大分子要回复原有卷曲状态，纤维的长度又相应的发生大幅度回缩。涤纶、锦纶等结晶性纤维不具有这种热弹性，因为纤维结构中的微晶像网结一样，阻碍了链段的大幅度热运动，而腈纶结构中的准结晶并非真正的结晶，仅是侧向高度有序，这样准结晶区的存在不能阻止链大幅度热运动，而使纤维发生热弹性回缩。因而此特性常被用来生产膨体纱。5 耐热性腈纶的耐热性比较好，在150进行热处理，纤维的机

18、械性质变化不大。6 对日光和大气作用的稳定性在所有大规模生产的合成纤维中，腈纶对日光和大气作用的稳定性最好。7 化学性能聚丙烯腈纤维属于碳链高分子物，其大分子主链对酸，碱等化学试剂的稳定性都较好，一般浓度的酸碱对腈纶的降解影响不大，但能使侧基发生水解。腈纶在碱中的稳定性要比在酸中低很多。碱性稍强的一些试剂除能使纤维水解外，还能使纤维的色泽发生变化， 因为聚丙烯腈碱性水解时释放出 NH3，与未被水解的 氰基反应生成脒基，而该基团是发色基团，产生黄色，故腈纶在强碱条件下处理容易发黄。且色泽变暗。聚丙烯腈纤维对常用的氧化性漂白剂稳定性良好。在适当条件下，可用亚氯酸钠、过氧化氢漂白。对常用的还原剂也稳

19、定，所以与羊毛混纺时，可用保险粉漂白。8 机械性能9强度不如涤纶，但比羊毛好。强度高出羊毛约 12.5 倍。但其湿态断裂强度约为干态断裂强度 80100，因为聚丙烯腈共聚物组分中的第三单体含有亲水性基团，纤维在水中发生一定的溶胀，使大分子间作用力有所减弱。腈纶的回弹性也相当高。在伸长较小时与羊毛相差不大。9 其他性能具有优良的耐菌、耐霉、耐虫蛀，靠近火焰即收缩。接触火焰迅速燃烧，离开火焰继续燃烧并冒黑烟， 冷后形成松而脆的黑色小球， 易碎。燃烧时会产生 NO，NO2，HCN 以及其他氰化物等有毒物质。§5.4氨纶的结构与性能10氨纶是聚氨酯弹性纤维的商品名称，以聚氨基甲酸酯为主要成分

20、的一种嵌段共聚物制成的纤维，国外商品名有Lycra （美国），Neolon（日本），Dorlastan(德国)聚氨酯弹性纤维最早由德国Bayer 公司于 1937 粘试制成功。但未实现工业化生产， 1958 年美国杜邦也研制出来并实现规模化生产。最初商品名为Spandex.一 氨纶的组成及生产氨纶嵌段共聚物中有两种链段，一种叫软链段，它由不具结晶性的低相对分子质量聚酯或聚醚链组成，其玻璃化温度低，常温下处于高弹态，在应力作用下容易发生形变而赋予纤维容易被拉长的特征。一种叫硬链段，由结晶性并能产生横向交联的二异氰酸酯链组成，在应力作用下，基本不发生形变，从而防止分子间发生滑移，赋予纤维足够的回弹性。纺丝方法：干法纺丝、湿法纺丝、熔体纺丝和反应纺丝。但主要采用干法纺丝。二 氨纶的结构与性能1 氨纶的结构氨纶是以聚氨基甲酸酯为主要组分的嵌段共聚物，结构式如下： O-C-HNR-NH-C-NH-R-NH-式中 R 为芳香二异氰酸酯链。 R为次脂肪族基，为聚酯或聚醚的分子链。由于氨纶大分子的柔性链段可用聚醚或聚酯组成，故有聚醚型氨纶和聚酯型氨纶两种。2 氨纶的性能（1）线密度低（2）强度高（3）弹性好（4）耐