高分子科学导论纤维课件

纤维

Fiber

四川大学化学学院Introductiontopolymerscience高分子科学导论纤维

Fiber

四川大学化学学院IntroductioFiber纤维的基础知识FoundationoftheFiber

Fiber纤维的基础知识DefinitionoftheFiber细度很细，直径一般为几微米到几十微米，而长度比直径大百倍、千倍以上的细长物质称为纤维，如棉花、叶络、肌肉、毛发等。长径比（length-diameterratio）>1000

直径（diameter）<0.1mm

纤维通常用来制造纺织品，故又称为纺织纤维。DefinitionoftheFiber细度很细，直径Textilefiber纺织纤维（textilefiber）有以下特性：

一定的长度和细度一定的机械性能（强力、变形、弹性、耐磨、柔软性等），尤其是具有较高的比强度（strength-to-weightratio）一定的吸湿性、导电性和热学性质化学稳定性和良好的染色性能Textilefiber纺织纤维（textilefibeMorphology

oftheFiber纤维的原纤（fibril）结构原纤是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。原纤为多层次堆砌的结构，其排列大多为同向平行排列，提供给纤维良好的力学性质和弯曲能力。微原纤的堆砌形式示意图MorphologyoftheFiber纤维的原纤（fPropertiesoffiber纤维长度（length）可以量度长度的纤维称为短纤维，无限长度的纤维称为长纤维。100%HempYarnLongFiberWetSpun

ShorthempfiberPropertiesoffiber纤维长度（lengthPropertiesoffiber横截面的形状和表面形状

shapeofcrosssectionandsurfaceNearperfectgeometricshapesofcrosssection

Propertiesoffiber横截面的形状和表面形状Propertiesoffiber直度（straightness）:用纤维在纱条轴向投影长度占纤维伸直长度的百分数来表示。

强度（strength）：通常用（gf/tex）表示，其中tex（特克斯）指1000米长的纤维束的克数，gf是克力

延伸性和弹性（extensibilityandelasticity）Propertiesoffiber直度（straightPropertiesoffiber吸湿性（moistureabsorption）

指吸收水分的能力，用百分比来表示回潮率（moistureregain,M.R.）。M.R.指气温在20oC，相对湿度在65%时，绝对干燥的纤维从空气中吸收水分的能力。

耐磨性（wearresistance）光泽与手感（brightnessandhandfeeling）密度（density）Denierisaunitofmeasureforthelinearmassdensityoffibers.Itisdefinedasthemassingramsper9,000meters.IntheInternational

SystemofUnitsthetexisusedinstead.1d=0.1111tex芯吸性（wickability）纤维将水分从一个截面运输到另一截面的能力Propertiesoffiber吸湿性（moisturFiberprocessing熔体纺丝“meltspinning”湿法纺丝“wetspinning”干法纺丝“dryspinning”凝胶纺丝“gelspinning”or“dry-wetspinning”静电纺丝“electrostaticspinning”染整“dyeingandfinishing”

Fiberprocessing熔体纺丝“meltspinFiberprocessing熔体纺丝“meltspinning”Meltspinningisthepreferredmethodofmanufactureforpolymericfibers.Inmeltspinning,thefiber-formingsubstanceismeltedforextrusionthroughthespinneretandthendirectlysolidifiedbycooling.Nylon,olefin,polyesterareproducedinthismanner.Fiberprocessing熔体纺丝“meltspinFiberprocessing湿法纺丝“wetspinning”Wetspinningistheoldestprocess.Itisusedforfiber-formingsubstancesthathavebeendissolvedinasolvent.Thespinneretsaresubmergedinachemicalbathandasthefilamentsemergetheyprecipitatefromsolutionandsolidify.Becausethesolutionisextrudeddirectlyintotheprecipitatingliquid,thisprocessformakingfibersiscalledwetspinning.Acrylic,rayon,aramid,modacrylicandspandexcanbeproducedbythisprocess.Fiberprocessing湿法纺丝“wetspinnFiberprocessing干法纺丝“dryspinning”Dryspinningisalsousedforfiber-formingsubstancesinsolution.However,insteadofprecipitatingthepolymerbydilutionorchemicalreaction,solidificationisachievedbyevaporatingthesolventinastreamofairorinertgas.Thefilamentsdonotcomeincontactwithaprecipitatingliquid,eliminatingtheneedfordryingandeasingsolventrecovery.Thisprocessmaybeusedfortheproductionofacetate,triacetate,acrylic,modacrylic,PBI,spandex,andvinylon.

Fiberprocessing干法纺丝“dryspinnFiberprocessing染整“dyeingandfinishing”

染整包括预处理、染色、印花和整理。预处理亦称练漂，其主要目的在于去除纺织材料上的杂质，使后续的染色、印花、整理加工得以顺利进行，获得预期的加工效果。染色是通过染料和纤维发生物理的或化学的结合而使纺织材料具有一定的颜色。印花是用色浆在纺织物上获得彩色花纹图案。整理是通过物理作用或使用化学药剂改进织物的光泽、形态等外观；提高织物的服用性能或使织物具有拒水、拒油、抗皱、防霉等特性。Fiberprocessing染整“dyeingandClassifyoftheFiber纤维的种类很多，习惯上按来源分为天然纤维(naturalfiber)和化学纤维(chemicalfiber)两大类。天然纤维指自然界原有的，或从经人工培植的植物中、人工饲养的动物中获得的纤维。

种子纤维：棉

植物纤维

韧皮纤维：苎麻、黄麻等

叶纤维：剑麻等天然纤维

果纤维：椰子纤维

动物纤维

毛发：羊毛、兔毛等

分泌液：蚕丝、蜘蛛丝等

矿物纤维

石棉、碳纤维、玻纤等PlantfiberAnimalfiberMineralfiberClassifyoftheFiber纤维的种类很多，习ClassifyoftheFiber化学纤维是用天然的或合成的高聚物为原料，主要经过化学方法加工制造出来的纤维。涤纶、腈纶、锦纶、氨纶、氯纶、丙纶等化学纤维人造纤维粘胶纤维铜氨纤维醋酸纤维合成纤维差别化纤维异形纤维复合纤维裂膜纤维超细纤维artificialfibersyntheticfiberdifferentialfiberviscosefibercuprammouiumfibercelluloseacetateprofilefibercomplexfibersplitfibersuperfinefiberClassifyoftheFiber化学纤维是用天然的天然纤维NaturalFiberFiber天然纤维FiberTheBeginningofTheFiber天然纤维早在5000年前，我们的祖先就开始利用棉、麻、蚕丝、羊毛等天然纤维进行纺织。TheBeginningofTheFiber天然纤维AncientSpinningTechnology在原始社会，人类为了抵御寒冷，直接用草叶和兽皮蔽体，慢慢的学会了采集野生的葛、麻、蚕丝等，并利用猎获的鸟兽的毛羽，进行撮、绩、编、织成粗陋的衣服，由此发展了编织、裁切、缝缀的技术。人们根据撮绳的经验，创造出绩和纺的技术。AncientSpinningTechnology在原始NaturalFiberfromPolysaccharide淀粉（Starch）纤维素（Cellulose）壳聚糖（Chitosan）NaturalFiberfromPolysaccharCellulose纤维素是自然界中产量最大的天然高分子化合物。纤维素由很多D-吡喃葡萄糖单元以β(1-4)苷键连接而成。纤维素是高等植物细胞壁的主要成分，主要来源为棉、麻和木材等。Cellulose纤维素是自然界中产量最大的天然高分子化合物PropertiesoftheCellulose纤维素具有一定的结晶性；纤维素的分子间存在非常强烈的氢键，使得其具有更高度的结构有序性，耐化学腐蚀性和耐溶剂性。PropertiesoftheCellulose纤维素蛋白质是由天然产生的不同种类的L-α-氨基酸以酰胺键(—CO—NH—)结合生成的共聚物，这些酰胺键也被称为肽键(peptidelinkages)。α-氨基酸的结构如右图所示NaturalFiberfromProtein蛋白质是由天然产生的不同种类的L-α-氨基酸以酰胺键(—蛋白质依其形状可分为两大类：一类是能溶于水的球状蛋白质；一类是不溶于水的纤维状蛋白质NaturalFiberfromProtein蛋白质依其形状可分为两大类：一类是能溶于水的球状蛋白质；一类FibrousProteinfromAnimal

WoolFibrousProteinfromAnimal

WoFibrousProteinfromAnimal

Silk蚕丝是天然蛋白质类纤维，是自然界唯一可供纺织用的天然长丝。分为家蚕丝与野蚕丝两大类。FibrousProteinfromAnimal

STheSilkRoad在古代欧洲，丝绸是比黄金还要贵重的物品。张骞通西域以后，中国与西方有了文化交流，公元六世纪后，西方国家陆续学会了养蚕技术。TheSilkRoad在古代欧洲，丝绸是比黄金还要贵重的SpiderSilk

蜘蛛丝呈金黄色、透明，它的横截面呈圆形。蜘蛛丝的平均直径为6.9μm，大约是蚕丝的一半，是典型的超细、高性能天然纤维。SpiderSilk蜘蛛丝呈金黄色、透明，它人造纤维ArtificialFiberFiber人造纤维FiberDevelopmentofArtificialFiber人造纤维是指将天然纤维经过化学或物理处理，改变天然纤维的聚集态结构，从而制造出来的性能更好的纤维。1883年英国化学家J.W.Swan在研究将硝化纤维素制造电灯丝的过程中，制造出一种细纤维，并取名“人造丝”，（Artificialsilk）从而引起了全世界的瞩目。DevelopmentofArtificialFibe硝化纤维(nitrocellulose)：棉花经硝酸和硫酸处理产物。醋酸纤维(celluloseacetate)：以纤维素浆粕为原料，利用醋酸酐与纤维素羟基反应制备。RegeneratedCellulose化学改性：指通过化学方法将纤维素分子单元中的羟基与酸进行反应得到酯化产物，破坏纤维素的强分子间作用，使得纤维素加工性能有明显改善。硝化纤维(nitrocellulose)：棉花经硝酸和硫酸RegeneratedCellulose物理改性：将天然纤维素溶于特殊的溶剂中，再通过湿法纺丝得到具有与天然纤维不同聚集态结构的再生纤维素。这类再生纤维服用性能佳，近似于丝绸，极具悬垂感，面料手感柔软，光泽柔和。铜氨纤维：溶剂为氢氧化铜或碱性铜盐的浓溶液。粘胶纤维：溶剂为碱性二硫化碳溶液RegeneratedCellulose物理改性：将天然纤NewGenerationofArtificialFiber

TENCEL传统的再生纤维素因为溶剂的环境污染问题渐渐被淘汰。上世纪80年代初，欧洲开发出了可溶解纤维素高分子的“N-甲基吗啉氮氧化合物”新溶剂，这种溶剂无毒而且可以回收，被称为“绿色粘胶丝”，并于90年代初工业化。这种新型纤维的学名为“lyocell”，被誉为继棉、毛、麻、丝之后的第五纤维。集棉的舒适性、粘胶纤维的吸湿性悬垂性、涤纶纤维的强度和真丝的手感于一身。NewGenerationofArtificialFModal纤维是奥地利兰精公司开发的再生纤维素纤维，原料采用欧洲的榉木，纤维具有高强力、高湿模量。Modal纤维干强大于棉纤维、粘胶纤维，湿强与棉纤维相近，比粘胶高近一倍，这是Modal纤维的特点，这表明它能够承受机械和化学处理。NewGenerationofArtificialFiber

MODALModal纤维全部由天然材料构成，对人体无害，能自然降解，对环境无害。Modal纤维具有很好的抗菌性，因此非常适合内衣用。Modal纤维是奥地利兰精公司开发的再生纤维素纤维，原料采合成纤维SyntheticFiberFiber合成纤维Fiber合成纤维多属于线形热塑性高分子，在纺丝过程中进行加热拉伸定型，高分子链局部会几乎平行地沿轴向整齐排列，因而表现出特别的性质。合成纤维是化学纤维中最具发展空间的一类，其品种较多，性能也各具特色。CharacteristicsofSyntheticFiber合成纤维多属于线形热塑性高分子，在纺丝过程中进行加热拉伸定型Nylon-PolyamideFiber聚酰胺纤维又被称为“尼龙”、“耐纶”、“锦纶”，是聚酰胺在260~280oC熔融状态下抽丝制备得到，无须溶剂和化学处理。尼龙是目前产量最大、用途最广的合成纤维，具有高强度、高弹性、高耐磨和高介电性。Nylon-PolyamideFiber聚酰胺纤维又被称为Terylene-PolyesterFiber大分子主链中含酯键的聚合物纤维被称为聚酯纤维，我国商品名为“涤纶”，也称“的确凉”。涤纶作为纺织纤维最大的特点是抗皱性和保型性出色，耐磨性仅次于尼龙，耐热性更高，缺点是不易染色、不吸水、易脏。Terylene-PolyesterFiber大分子主链中Acrylon-PolyacrylonitrileFiber腈纶纤维通常是丙烯腈与丙烯甲酸酯、醋酸乙烯酯、甲叉丁二酸等单体的共聚物(丙烯腈含量>85%)。对光和气候的稳定性是所有已知纤维中最好的；热稳定性是所有碳链合成纤维中最好的，具有良好的抗温和保暖性；有很高的强度和弹性（约为羊毛的2~3倍）；比重小，具有羊毛外观。Acrylon-PolyacrylonitrileFibePolyvinylChlorideFiber聚氯乙烯纤维是最早工业化的合成纤维之一，由于分子链中含有大量氯原子，分子间作用力强，因此具有耐腐蚀、耐溶剂、阻燃的优点，适用于制作有阻燃要求的服装、沙发布、窗帘以及滤布、渔网等用具。PolyvinylChlorideFiber聚氯乙烯纤维PolypropyleneFiber丙纶是所有服装用纤维中比重最轻的，是可浮在水面上的纤维，但其强度很好，因此在服装中得到了普遍应用。丙纶属轻装面料之一，其重量仅为棉花的3/5。丙纶织物的吸湿性极小，因此其服装以快干、挺爽、不缩水等优点著称。但舒适性欠佳，染色性亦很差。丙纶的强度、耐磨性很好，服装坚牢耐穿。丙纶耐腐蚀，但不耐热、不耐光、易老化。丙纶对无机酸碱有着很好的稳定性，对有机溶剂稳定性稍差。PolypropyleneFiber丙纶是所有服装用纤维中差别化纤维DifferentialFiberFiber差别化纤维FiberDifferentialfiber差别化纤维通常是指在原来纤维组成的基础上进行物理或化学改性处理，使性状上获得一定程度改善的纤维。物理改性：指采用改变纤维高分子材料的物理结构使纤维性质发生变化的方法。目前物理改性的主要内容包括改进聚合与纺丝条件。化学改性：是指通过改变纤维原来的化学结构来达到改性目的的方法。改性方法包括共聚、接枝、交联、溶蚀、电镀等。表面物理化学改性：主要是指如采用高能射线（γ射线、β射线）、强紫外辐射和低温等离子体对纤维进行表面蚀刻、活化、接枝、交联、涂覆等改性处理，是典型的清洁化加工方法。Differentialfiber差别化纤维通常是指在原来Profilefiber异型纤维的横截面呈特殊形状，而不像传统纤维一样为圆型。其主要具有以下特征：具有良好的光学性能，有柔和、典雅的蚕丝般光泽和手感；由于横截面的特殊形状增加了纤维间合抱力、透气性、蓬松性和丝条硬挺性；能增加染色的鲜明性。Profilefiber异型纤维的横截面呈特殊形状，而不像ComplexFiber复合纤维又称为组合纤维和共轭纤维，通常是采用两种或两种以上的熔体经同一纺丝口喷出成丝制备得到。复合纤维具有很高的体积膨松性、弹性和覆盖能力，从而使纤维的毛型感增加。使不同纤维优势互补，性能大幅增加。ComplexFiber复合纤维又称为组合纤维和共轭纤维，SuperfineFiber超细纤维又叫喷射纤维，通常指比一般纤维更细，直径在5微米以下的纤维，其最大特点是永久带电性。主要用途是作为高效过滤材料。超细纤维由于直径很小，因此其弯曲刚度很小，纤维手感特别柔软。超细纤维的比表面积很大，因此超细纤维织物的覆盖性、蓬松性和保暖性有明显提高，并具有极强的清洁功能。超细纤维在微纤维之间具有许多微细的孔隙，形成毛细管构造，具有较高吸水性。SuperfineFiber超细纤维又叫喷射纤维，通常指比功能性纤维FunctionalFiberFiber功能性纤维FiberUrethaneElasticFiber-PolyurethanesFiber氨纶纤维商品名称有莱卡（Lycra、美国、英国、荷兰、加拿大、巴西）、尼奥纶（Neolon、日本）、多拉斯坦（Dorlastan、德国）等。氨纶首先由德国Bayer公司于1937年研究成功，美国杜邦公司于1959年开始工业化生产。氨纶纤维共有两个品种，一种简称为聚酯型氨纶，另一种为聚醚型氨纶。

UrethaneElasticFiber-PolyureHighReboundElasticityofPolyurethanesFiber

氨纶纤维通常有500～800％的伸长；弹性回复性能也十分出众，在伸长50％时，回缩率超过99％。氨纶纤维的高弹力是因为它的高分子链是由低熔点、无定型的“软”链段和嵌在其中的高熔点、结晶的“硬”链段所组成。柔性链段分子链间相互作用力小，可以自由伸缩。刚性链段分子结合力比较大，造成高的回弹性。HighReboundElasticityofPolApplicationofPolyurethanesFiber弹力强的