高分子材料学纤维总结

1、总结 纤维材料的分类1. 线密度线密度（Tt）是用单位长度的质量来表征纤维和纱线的粗细程度。 纤维的线密度是指1000m长纤维材料的质量克数（g），具体的度量单位是特克斯（tex）。线密度越大，材料越粗，反之，则细。纤维材料性能常用的名词术语纤维材料性能常用的名词术语2. 拉伸强度和伸长纤维材料抵抗拉伸破坏的能力可以用拉伸断裂强力和拉伸断裂强度（也称相对强度）来表征：（1）拉伸断裂强力：指拉伸到断裂时纤维材料所能承受的最大负荷（N），简称断裂强力。（2）拉伸断裂强度：指拉伸到断裂时产生在材料单位截面积上的破坏力，这是一个应力指标，是指材料的结构对断裂破坏的抵抗能力。常用的具体指标有断裂应力（N

2、/m2 ）和比强度（Cn/dtex ）。 (3) 纤维材料拉伸到断裂时的伸长变形能力，可以用断裂伸长率表征，即以产生的变形量与原长之比的百分率（%）来表示。3. 模量与弹性 模量或称初始模量是用来表征纤维材料的结构对变形抵抗的能力，用产生单位应变时所需的应力值（N/m2 ）来衡量。 弹性或称回弹性是用来表征纤维材料变形后的恢复能力，用变形前后材料尺寸变化的百分率（%）来衡量。4. 回潮率 回潮率用来表征纤维材料吸取空气中水分（即气态水）的能力，用吸湿后纤维材料增加的质量与材料原重量（干燥重量）之比的百分率（%）来表示，它不能用来说明材料对液态水的接收能力。对成纤聚合物的一般要求：（1）成纤聚合

3、物大分子必须是线型的、能伸直的分子，支链尽可能少，没有庞大侧基。（2）聚合物分子之间有适当的相互作用力，或具有一定规律性的化学结构和空间结构。（3）聚合物应具有适当高的相对分子质量和较窄的相对分子质量分布。（4）聚合物应具有一定的热稳定性，其熔点或软化点应比允许使用温度高得多。第二节 化学纤维制造 (一) 纺丝液的制备 将成纤高聚物加工成纤维，首先要制备纺丝液。纺丝液的制备目前主要有熔体纺丝法和溶液纺丝法两种方法。凡高聚物的熔点低于其分解温度的，多采用将高聚物熔融成流动的熔体进行纺丝；对于熔点高于分解温度的，借用适当的溶剂将高聚物溶解成具有一定粘度的纺丝液。(二)纺丝 常用的纺丝方法有熔体纺丝

4、和溶液纺丝两种方法。 1熔体纺丝 是将熔融的成纤高聚熔体从喷丝头的喷丝孔中压出，在周围空气(或水)中冷却凝固成丝的方法。如涤纶、丙纶、锦纶、乙纶等采用熔体纺丝方法。此法优点是流程短、纺丝速度高、成本低等。 2溶液纺丝 根据凝固方法的不同分为湿法纺丝和干法纺丝。 (1)湿法纺丝：将高聚物溶解所制得的纺丝液从喷丝孔中压出，在凝固液中固化成丝的方法。如腈纶、维纶、氯纶、粘胶纤维等都采用湿法纺丝。湿法纺丝的纺丝速度较慢，但喷丝孔数较多(可达5万孔以上)。由于液体凝固剂的固化作用，截面大多不呈圆形，且有较明显的皮芯结构。 (2)干法纺丝：将用溶液法所制得的纺丝液从喷丝孔中压出，形成细流，在空气中溶剂迅速

5、挥发而凝固成丝的方法。醋酯纤维、腈纶、氯纶、维纶等可以采用干法纺丝。干法纺丝要求采用品挥发的溶剂溶解高聚物，而且高聚物的含量应尽可能的高，才能保证纺丝液细流迅速固化成丝。干法纺丝质量好，喷丝孔数少(300一600孔)，但成本较高，对环境的污染较为严重。（三） 后加工1）拉伸：提高断裂强度，降低断裂伸长，提高耐磨性和对各种变形的疲劳强度 熔体纺丝纤维的总拉伸倍数为3 7倍 湿法纺丝纤维为8 12倍 生产高强度纤维时，拉伸倍数更高2）热定型：消除内应力，提高尺寸稳定性，进一步 改善其物理机械性能3)上油：提高纤维的平滑性、柔软性、和抱合力，减少摩擦和静电的产生，改善加工性能第二章 纤维材料的结构与

6、基本性能第一节第一节 纤维结构的层次概念纤维结构的层次概念一，一， 纺织纤维的结构层次纺织纤维的结构层次纤维的链结构或分子结构：成纤高聚物均纤维的链结构或分子结构：成纤高聚物均有不同的化学结构及长链分子，不同的有不同的化学结构及长链分子，不同的空间排列位置。空间排列位置。纤维的聚集态结构：处于平衡态时，成纤纤维的聚集态结构：处于平衡态时，成纤高聚物大分子链相互间的几何排列及结高聚物大分子链相互间的几何排列及结构形态。构形态。纤维的形态结构：尺度更大的结构层次。纤维的形态结构：尺度更大的结构层次。例如多重原纤结构、断面结构、外观与例如多重原纤结构、断面结构、外观与表面形态、孔隙、裂纹等。表面形态

7、、孔隙、裂纹等。二二 ，成纤高聚物的结构要求，成纤高聚物的结构要求从大分子组成和化学结构上看，成纤高聚物的从大分子组成和化学结构上看，成纤高聚物的大分子应是线型长链分子，支链较短，侧基大分子应是线型长链分子，支链较短，侧基要小，且大分子间基本上无相互作用力，以要小，且大分子间基本上无相互作用力，以保证分子具有一定的柔曲性和内旋转能力，保证分子具有一定的柔曲性和内旋转能力，使纤维柔软。同时，相对分子质量要高，以使纤维柔软。同时，相对分子质量要高，以使分子间能有更多的联系。使分子间能有更多的联系。从聚集态结构的角度看，则要求其分子排列有从聚集态结构的角度看，则要求其分子排列有一定的取向度或各向异性

8、，并应有形成部分一定的取向度或各向异性，并应有形成部分结晶结构的能力，从而使纤维具备必要的强结晶结构的能力，从而使纤维具备必要的强度和形态稳定性。同时还要保留一定的无定度和形态稳定性。同时还要保留一定的无定形区（非结晶区），以使纤维既有固态物质形区（非结晶区），以使纤维既有固态物质的基本物理性能，又有加工应用等方面需要的基本物理性能，又有加工应用等方面需要的性能。的性能。第三节纤维的聚集态结构 纤维的聚集态结构是指纤维大分子链之间的作用与堆砌方式，又称为超分子结构或凝聚态结构。 据此形成的有高聚物的结晶结构、非晶结构、取向结构、液晶结构以及通过共混形成的织态结构或高分子合金结构等。一、纤维的结

9、晶结构（一）成纤高聚物的结晶形态（一）成纤高聚物的结晶形态成纤高聚物分子链一般以整齐有序的方式排成纤高聚物分子链一般以整齐有序的方式排列，分子链上各基团或原子必处在三维空列，分子链上各基团或原子必处在三维空间的某一位置或区域，故可以形成规则有间的某一位置或区域，故可以形成规则有序且相对稳定的点阵排列结构，有较大的序且相对稳定的点阵排列结构，有较大的内聚能密度和明显的转变温度，这种结构内聚能密度和明显的转变温度，这种结构称作结晶结构，具有结晶结构的区域称作称作结晶结构，具有结晶结构的区域称作结晶区。成纤高聚物的一部分分子链也可结晶区。成纤高聚物的一部分分子链也可以不形成上述结构，具有非晶的结构特

10、征，以不形成上述结构，具有非晶的结构特征，许多高分子纤维都有这种结晶结构与非晶许多高分子纤维都有这种结晶结构与非晶结构的组合。结构的组合。纤维大分子的排列很少是完全有序、规整的，纤维大分子的排列很少是完全有序、规整的，并且总会存在非晶区（无序排列）、某些并且总会存在非晶区（无序排列）、某些结构缺陷区或因聚合物掺杂而形成的织态结构缺陷区或因聚合物掺杂而形成的织态结构。结构。 折叠链片晶片晶的厚度大约为10nm。电子衍射的数据表明，在这种纤维结晶形态中，分子链垂直于片晶平面排列，大分子链的伸展长度一般可达数千以至数万，这说明大分子在片晶中是呈折叠状分布的。在结晶生长过程中，这种折叠状片晶还有可能发

11、展成球晶或树枝晶等多晶体。 伸直链片晶在结晶形态中，不是所有的片晶都是由折叠链组成的，在外力作用下，长链分子也可能形成伸直链的片晶。伸直链片晶是指长链分子在片晶中呈充分伸展的形态。伸直链片晶是在较高压力下，由聚合物熔体等温缓慢结晶生成的。 伸直链结晶结构被公认为聚合物中热力学最稳定的一种凝聚态结构。几种常见的纤维结晶形态 纤维状晶体 高聚物的熔体和溶液在应力作用下结晶，可以得到呈纤维状的结晶单元，俗称串晶。它由两部分组成，中心部分是细长的脊纤维，其中的长链分子呈伸展状；另一部分是宽板状的附晶，其中的长链分子呈折叠状。这说明它是一种兼具折叠链和伸直链的结晶单元，随着结晶时所施加外力的增大，串晶中

12、所含伸直链部分的比例会有所增加。串晶的结构模型串晶的结构模型 单晶体高聚物稀溶液在接近于熔点的温度下以极缓慢的结晶速度制得的晶体。整个晶体有规则的外形，内部的长链分子能全部按点阵结构作规则排列，并近程有序和远程有序地贯穿于整个晶体。在这种结晶高聚物中，通常都含有众多微小的单晶粒。 多晶体由多个取向不同的、微小的单晶体所组成的晶体单元，常见形态有球晶、丝晶等。（二）成纤高聚物的结晶模型两种缨状微胞结构模型图两相结构： 高聚物中同时存在晶区和非晶区两部分，一个高分子链可以贯穿几个晶区与非晶区，晶区的尺寸很小（左右）。在晶区，分子链有规则排列，而在非晶区，分子链则完全无规堆砌。 缨状原纤结构模型图缨

13、状原纤结构模型：放弃了缨状微胞采用的晶区是微胞的假设，认为结晶区中是连续的缨状原纤，由许多排列规整的长链分子组成，这些分子会沿着自身长度的方向，在原纤的不同位置上分裂出去，形成分枝，有的进入非晶区，有的重新进入其他的原纤组织中，晶格缺陷和无序排列随时都可能发生。折叠链结构模型：线形的高分子链束因具有较大的表面能，很不稳定，在一定的条件下能自发折叠成带状结构，并排列成规整的折叠链片晶。缨状折叠链（片晶）模型缨状折叠链（片晶）模型（四）结晶结构对纤维性能的影响 随着纤维结晶度的增大，长链分子间的敛集密度也随之增大，纤维的性能，如密度、断裂强度、初始模量、尺寸稳定性等都会有所提高，但纤维的染色性有所

14、下降。 在纤维的聚集态结构中，晶粒的尺寸宜小不宜大。二、纤维的非晶结构 成纤高聚物中分子聚集状态呈不规则排列的区域称为非晶区（或称为无定形区），其结构为非晶结构。 无规线团模型 非晶结构导致纤维强度降低、变形增大，但吸湿和染色性变好，它也会使纤维的一些物理性能（如电学性能、声学性能、热学性能、光学性能等），随着温度变化而产生较大差异。三、纤维的取向结构 纤维的大分子链节与纤维轴的平行程度称为取向度，它表达了纤维中大分子沿纤维轴方向取优势排列的趋向，这种优势排列的趋向，就是纤维的取向结构。 取向度的高低主要影响纤维的强度和模量，取向度高的纤维，强度和模量均会提高。取向度高同时也有利于提高纤维的结

15、晶度，但结晶度高的纤维不一定有较高的取向。纤维的线密度、旦、公支在公定回纤维潮率下，1000米长的纤维质量的克数，称为纤维的特数 1tex =10-6kg/m=1mg/m 1dtex=10-7kg/m=0.1mg/m旦（丹尼尔,den ):指9000m长的纤维具有的质量，因此，1tex =9den公制支数（公支）：公定回潮率下1g纤维所具有的长度，为纤维线密度的倒数。如300公支即1g纤维具有300m长。（ 注：旦和公支为非法定单位，今后将不使用）二、纤维的吸湿、溶胀和溶解1，纤维的吸湿 纤维的吸湿性：纤维从大气中吸水或纤维中的水逸散到大气中的综合现象。纤维大分子上的极性基团依靠氢键与水分子缔

16、合形成水和物是其主要原因。 纤维素纤维，每个葡萄糖单元含有三个羟基，易形成氢键，故吸湿性强。 合成纤维，吸湿性低。2)纤维的溶胀与溶解 溶胀：组成纤维的高分子与溶剂的结合，即由溶剂化产生的局部溶解。 溶解性与分子结构密切相关， 受结晶度影响四、纤维的光学性能1）纤维的双折射 寻常光（O光），n振动面与光轴垂直 非常光（E光），n 振动面与光轴平行 n=n-n纤维的双折射的大小，与分子的取向度和分子本身的不对称程度有关。双折射的大小可以计算纤维的平均取向度。五、 纤维的热性能比热容：单位质量的纤维温度变化1时所吸收或放出的热量，J/(gK)导热系数（）；kJ/(mKh) 值越小，即导热性越低，绝

17、热性或保温性越好纤维的耐热性：纤维在高温下保持自己性能的能力。六、纤维的燃烧性能物质燃烧可分为分解和燃烧两个相继发生的化学过程，两者通过火和热反馈相互作用相互影响，其中分解（热裂解和热氧裂解）反应是主要的。纤维的燃烧性能是指纤维在空气中燃烧的难易程度，用极限氧指数（limiting oxygen index, LOI)表示。LOI指使着火的纤维离开火源，保持纤维继续燃烧时环境中氮和氧混合气体内所含氧的最低百分数。2. 化学纤维的常用基本概念1) 长丝（filament yarn)2) 短纤维 (staple fiber)： 棉型短纤维； 毛型短纤维； 中长纤维3) 丝束 （Tow）4) 异形纤

18、维 （shaped fiber, profiled fiber）5) 复合纤维 （ ponent fiber, Composite fiber）6) 变形纱 (Textured filament, Textured yarn) ：经过变形加工的丝和纱，如弹力丝，膨体纱7) 超细纤维 (Superfine fiber)，线密度为0.11-0.55dtex8) 差别化纤维 (Differential fiber)9) 特种纤维 （Special fiber） 如:高性能纤维（High performance fiber) 功能纤维 （Functional fiber)聚酯纤维一、对苯二甲酸乙二酯的

19、制备（一）酯交换法1. 酯交换原理（二）直接酯化法（三）直接加成法二、聚对苯二甲酸乙二酯的生产缩聚反应：无定形PET为顺式构象：当 PET结晶时， 即转变为反式构象：四、聚酯纤维的纺丝聚酯纤维一般以纺丝速度的高低来划分纺丝技术路线的类型，如常规纺丝技术、高速纺丝技术和超高速纺丝技术等。（1）常规纺丝：纺丝速度 10001500m/min。其卷绕丝为未拉伸丝，通称 UDY（undraw yarn）。（2）中速纺丝：纺丝速度为15003000m/min。其卷绕丝具有中等取向度，为中取向丝， 通称 MOY（medium oriented yarn）。（3）高速纺丝：纺丝速度为 30006000m/m

20、in。纺丝速度为 4000m/min以下的卷绕丝具有较高的取向度，为预取向丝 POY（pre-oriented yarn）。若在纺丝过程中引入拉伸作用，可获得具有高取向度和中等结晶度的卷绕丝，为全拉伸丝 FDY（full draw yarn）。（4）超高速纺丝：纺丝速度为 60008000m/min。卷绕丝具有高取向和中等结晶结构，为全取向丝，通称 FOY（fully oriented yarn）。 聚酯纤维纺丝技术在近年来得到迅速发展。今后仍将沿着高速、高效、大容量、短流程、高速自动化的方向发展，并将加强差别化、功能化纤维纺制技术的开发。五、涤纶的物理和化学性质5.1 物理性质1）强度和延伸

21、度：取决于纺丝过程中的拉伸程度。有高模量型（强度高，延伸度低）、低模量型（强度低，延伸度高）、中模量型。一般拉伸倍数4-5倍，干强度3.5-4.4cN/dtex, 延伸度18-36%2）弹性和耐磨性：由于线形分子中分散着苯环，弹性非常高。耐磨性好，仅次于锦纶。3）“洗可穿”性：优异的抗皱性和保形性4）优良的耐热性和热稳定性5）吸湿性差，标准吸湿率0.4%，故干湿强度及延伸度相当，易产生静电，染色困难。6）起毛起球现象。圆形截面，表面光滑，抱合力差，故易摩擦起球，且强度高、弹性好，小球难于脱落5.1 化学性质 分子链中苯环和亚甲基均较稳定，且纤维的物理结构紧密，故化学稳定性高1）耐酸性好 应用：

22、烂花产品2）在碱的作用下发生水解，由表面逐渐深入，产生“剥皮现象”。这是涤纶织物用碱处理后可以获得仿真丝绸整理效果的原因。3）对氧化剂和还原剂的稳定性高第四章 聚酰胺纤维 聚酰胺纤维分为两大类： 1）由二元胺和二元酸缩聚而得， 通式为： 根据二元胺和二元酸的碳原子数目，可以得到不同品种的命名，其前一个数字是二元胺的碳原子数，后一个数字是二元酸的碳原子数。如聚酰胺66（PA66）纤维是由己二胺H2N(CH2)6NH2和己二酸HOOC（CH2）4COOH缩聚制得。2）由-氨基酸缩聚或由内酰胺开环聚合制得的聚酰胺，通式为： 根据结构单元所含碳原子数目，亦可得到不同品种的命名。例如聚酰胺 6 纤维（锦

23、纶 6）就是由含 6个碳原子的己内酰胺开环聚合而得的。4.2 聚酰胺的生产4.2.1 聚己二酰己二胺的制备聚酰胺 66 盐的制备2. 聚酰胺 66 盐缩聚反应 通常用己二酸的 20% 甲醇溶液和己二胺的 50% 甲醇溶液中和制得，因为此反应是放热反应，所以温度要严格控制，采用甲醇回流除去中和热；一般温度控制在6070 ，不断搅拌，使之中和成盐；控制pH=6.77.0，进行冷却、结晶，离心分离,用甲醇洗净，干燥后即得精制聚酰胺 66盐。另一种方法是以水为溶剂，即所谓水溶液法,使己二酸和己二胺在水介质中发生反应，制成60%的PA66盐水溶液，然后用泵送到储槽，直接供缩聚工序使用。此法成本低，生产安

24、全，但产品稳定性稍差，并要求己二酸和己二胺的纯度高。固体PA66盐为白色结晶粉末，熔点为192.5,含水量 0.5% 。聚酰胺 66盐的制备聚酰胺 66盐缩聚反应特点： 聚酰胺 66 盐在适当条件下发生脱水缩聚逐步形成大量酰胺键，生成聚己二酰己二胺，聚酰胺 66盐的缩聚反应是逐步进行的吸热可逆平衡反应，反应过程中有低分子水生成。影响PA 66盐缩聚反应的因素单体摩尔比：己二胺和己二酸的用量（摩尔比）单体摩尔比：己二胺和己二酸的用量（摩尔比）是关系缩聚反应进展和控制聚合物相对分子质量是关系缩聚反应进展和控制聚合物相对分子质量的重要因素。的重要因素。反应压力：在高压下预缩聚的方法即先使聚酰胺反应压

25、力：在高压下预缩聚的方法即先使聚酰胺 66 66 盐在一定压力下初步缩聚成具有一定粘度的预盐在一定压力下初步缩聚成具有一定粘度的预聚体（聚合度在聚体（聚合度在 20 20左右）再在真空条件下进行后左右）再在真空条件下进行后缩聚，以排除水分，提高产物的相对分子质量。缩聚，以排除水分，提高产物的相对分子质量。反应温度：缩聚初期的反应温度为反应温度：缩聚初期的反应温度为 210 210215215，中期为中期为250250260260，后期为，后期为285 285 。体系中的水分：缩聚反应后期排除水分有利于提体系中的水分：缩聚反应后期排除水分有利于提高聚合度。在聚酰胺高聚合度。在聚酰胺 66 66民

26、用丝的生产中，连续缩民用丝的生产中，连续缩聚过程只需采用常压薄膜脱水即可；在帘子线的聚过程只需采用常压薄膜脱水即可；在帘子线的生产中，也只要采用低真空后缩聚真空度生产中，也只要采用低真空后缩聚真空度 40 40 53.3kPa53.3kPa（300300 400mmHg 400mmHg）便可获得具）便可获得具有较高聚合度的产物。有较高聚合度的产物。添加剂：为了控制聚酰胺的相对分子质量在所需添加剂：为了控制聚酰胺的相对分子质量在所需要的范围内，在缩聚过程中还要加入少量醋酸或要的范围内，在缩聚过程中还要加入少量醋酸或己二酸作为相对分子质量稳定剂。为了提高聚酰己二酸作为相对分子质量稳定剂。为了提高聚

27、酰胺胺 66 66的光、热稳定性，有时还要加入锰盐、铜盐、的光、热稳定性，有时还要加入锰盐、铜盐、卤化物等光、热稳定剂。卤化物等光、热稳定剂。熔融聚合体的热稳定性：高温时聚己二酰己二熔融聚合体的热稳定性：高温时聚己二酰己二胺可以生成环戊酮。环戊酮是聚己二酰己二胺胺可以生成环戊酮。环戊酮是聚己二酰己二胺的一种交联剂，能促使大分子链间交联，产生的一种交联剂，能促使大分子链间交联，产生网状结构而形成凝胶，并释放出二氧化碳、一网状结构而形成凝胶，并释放出二氧化碳、一氧化碳、二胺等气体。而且大分子链上的己二氧化碳、二胺等气体。而且大分子链上的己二酰结构容易与末端的氨基缩合生成吡咯结构，酰结构容易与末端的

28、氨基缩合生成吡咯结构，使聚合体泛黄。因此，在聚己二酰己二胺的缩使聚合体泛黄。因此，在聚己二酰己二胺的缩聚和纺丝过程中，应特别注意防止凝胶的生成聚和纺丝过程中，应特别注意防止凝胶的生成和防止聚合体泛黄。和防止聚合体泛黄。4.2.2 4.2.2 聚己内酰胺的制备聚己内酰胺的制备1. 己内酰胺的开环聚合己内酰胺水解（开环）聚合的主要化学反应如下：引发：加成：缩聚：链交换：反应式中的反应式中的 n、 m、k1、k2、k3 均为任意正整数。均为任意正整数。 己内酰胺开环聚合具有可逆平衡的性质，它不可能全部转变为高聚物，而总残留部分单体和低聚物。清除聚合体或纤维中的低聚物是不可缺少的工序聚己内酰胺大分子在

29、晶体中的排列方式有平行排列和反平行排列两种可能， 当反平行排列时， 羰基上的氧和氨基上的氢才能全部形成氢键； 而平行排列时， 只能部分地形成氢键。第六章 聚丙烯腈纤维 聚丙烯腈（PAN）纤维：以丙烯腈(AN)为主要链结构单元的聚合物纺制的纤维 改性聚丙烯腈纤维：(AN)含量占35 85%的共聚物制成的纤维 以上两种，统称为腈纶6.1 PAN的制备及性能6.1.1 单体及其他基本原料1. 单体 制造聚丙烯腈的主要单体为丙烯腈（AN）， 它可以用石油、天然气、煤及电石等制取，有多种工艺路线。目前广泛采用的是丙烯氨氧化法。 在所有的丙烯氨氧化法中， 以索迟欧（Sochio） 法最为重要， 此法使丙烯

30、在氨、 空气与水的存在下， 用钼酸铋与锑酸双氧铀作催化剂， 在沸腾床上于温度为 450、 压力为 150kPa 下反应， 反应按下式进行： 由于用AN均聚物制成的纤维弹性差，通常采用的成纤聚丙烯腈大多为三元共聚物。第二单体的作用是降低大分子间作用力，改善纤维弹性。通常选用含酯基的乙烯基单体，如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯等，加入量约5 10%。 加入第三单体的目的：改进纤维的染色性及亲水性。一般选用可离子化的乙烯基单体：1）对阳离子染料有亲和力，含有羧基或磺酸基团的单体，如丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、衣康酸钠盐等；2）对酸性染料有亲和力，含氨基、酰胺基、吡啶基等单体，如乙烯吡啶、2-甲

31、基-5-乙基吡啶等，加入量约0.3 3%.6.2 聚丙烯腈纤维的生产6.2.1 纺丝原液的制备聚丙烯腈纤维一般采用湿法或干法纺丝成型。聚丙烯腈的溶剂包括有机溶剂和无机溶剂两大类。有机溶剂如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜及碳酸乙烯酯等；无机溶剂主要有硫氰酸钠、氯化锌水溶液及硝酸等。按纺丝原液的生产工艺又可分为一步法和二步法两类。以硫氰酸钠一步法为例，一般湿法纺丝原液的质量指标控制如下：原液粘度（s ）95 115（升泡法） 280 380（落球法）聚合物浓度 ： 13.2 13.8%NaSCN 含量 ：44 45%聚合物增比粘度： 0.35 0.45聚合物粘均相对分子质量： 60000

32、80000原液温度： 25 35 原液中残存单体含量 99.99%）保护下进行的热解反应，将结构中不稳定部分与非碳原子（如N、H、O等原子）裂解出去，同时进行分子间缩合（横向交联反应），最后得到碳含量达92%以上的碳纤维，结构向石墨晶体转化。300-400分子间脱水交联分子间脱水交联400-600分子间脱分子间脱N2脱脱H2交联交联600-1400进一步脱进一步脱N2脱脱H2形成相互平行的二维六边形形成相互平行的二维六边形石墨网状层，层间距比较规石墨网状层，层间距比较规则，但层间叠层杂乱无序，则，但层间叠层杂乱无序，即乱层石墨结构即乱层石墨结构（3）石墨化处理）石墨化处理 原理和目的：提高石墨

33、层片的取向，提高纤维模量。CF-20003000，Ar大张力CF-石墨化过程 石墨化程度提高，表现在石墨晶体尺寸增加，结晶石墨化程度提高，表现在石墨晶体尺寸增加，结晶度提高，取向角度提高，取向角减小，层间距减小，层间距d002d002减小，从而较大提减小，从而较大提高了纤维的模量。高了纤维的模量。（4）上浆与表面处理）上浆与表面处理 目的：表面处理目的：表面处理 提高提高CFCF的表面活性；的表面活性； 上浆上浆 保护保护CFCF，作为树脂与碳纤维，作为树脂与碳纤维 的偶联剂的偶联剂3.碳纤维的结构碳纤维的结构石墨晶体是一种三维有序的六方晶体点阵结构。其特征：层面内C原子sp2杂化；层与层间靠

34、范德华力联结，距离较大；相邻层面间的C原子位置有固定的层间对应关系。石墨层片石墨微晶（乱层结构）石墨原纤（条带结构）碳纤维碳纤维的结构与石墨晶体类似。2）CF的结构的结构1 1）理想的石墨晶体结构）理想的石墨晶体结构（a）石墨层片的缺陷及边缘碳原子；（）石墨层片的缺陷及边缘碳原子；（b）石墨微晶；）石墨微晶；（c）原纤维；（）原纤维；（d）带状结构；（）带状结构；（e）立体结构）立体结构图图5 5 碳纤维的乱碳纤维的乱层结构示意图层结构示意图 （1）热处理（HTT）对CF强度和模量的影响：HTT提高，CF模量提高，强度会出现峰值。 （2）润湿与粘接：CF结晶好，碳原子排列整齐、晶粒大，晶棱小，

35、表面缺陷小，树枝对碳纤维的润湿性不好，需进行表面处理。 （3）PAN原丝本身质量、缺陷对CF有影响。3 3）CFCF结构与性能的关系结构与性能的关系二、二、 芳纶芳纶 美国杜邦公司1960年研制出间位芳香族聚酰胺纤维（商品名为（Nomex），1968年开始研究对位芳香族聚酰胺纤维，1972年工业化，取商品名为Kevlar。芳香族聚酰胺纤维称为芳纶（aramid），以杜邦公司首先推出的Kevlar纤维为典型代表。 Kevlar纤维是一种密度低，强度、模量高和耐腐的有机纤维，是目前复合材料应用最广的高模量有机纤维。（3）Kevlar纤维的制备纤维的制备聚对苯二甲酰对苯二胺（聚对苯二甲酰对苯二胺（P

36、PTAPPTA）由对苯二胺和对苯二甲酰）由对苯二胺和对苯二甲酰氯缩聚氯缩聚反应制得：反应制得：杜邦生产Kevlar的典型缩聚反应有三种方式（间歇缩聚、连续缩聚、气相缩聚）分缩聚和纺丝两大步骤分缩聚和纺丝两大步骤CNHNHOCO+ HClCOCOClCl+NH2H2N1）缩聚）缩聚（4） Kevlar纤维的结构纤维的结构PTAA分子间缠结少，刚性很强。分子链良好的规整性使芳纶高度的结晶性，在纤维的轴向高度定向。分子链上的氢原子，和其它分子链上的酰胺上的羰基结合成氢键，成为高聚物分子间的横向连接。1）化学结构）化学结构图图2-14 Kevlar2-14 Kevlar纤维分子的平面排列图纤维分子的平面排列图1. 1. 弱的氢键；弱的氢键；2. 2. 强的氢键强的氢键Kevlar-49化学结构的三个特化学结构的三个特征征 含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体； 苯环与酰胺键交替排列，全处于对位，规律性好，对称性好，结晶好； 分子间有氢键，形成梯形化合物。结构对性能的影结构对性