第三章 新型纤维20150929

第三章新型纤维及其特征由于石油危机以及由石油产品带来的环境污染日益严重，可再生资源的研究与开发已逐渐受到人们的重视。纤维素是自然界储量最大的可再生植物资源，利用纤维素生产再生纤维素纤维是纤维素应用较早和非常成功的应用实例。但工业上利用纤维素生产再生纤维的粘胶法对环境造成严重的污染。纤维素作为一种天然高聚物，具有特殊的分子结构，其基本结构是D-葡萄糖酐(1-5)通过1-4甙键连接而成的线形大分子，每个结构单元有三个游离羟基，2、3位有仲羟基，6位上有伯羟基。新型纤维素纤维生产方法：第一，采用纤维素新溶剂直接溶解纤维素，其溶液经纺丝成形制得纤维素纤维。溶剂如：N-甲基吗琳-N-氧化物、LiCl/DMAc、氨/无机盐、S02/胺/极性溶液、NH3/盐/极性液体等。近年来Zhang等人用NaOH/尿素和NaOH/硫脲溶液体系，制备了再生纤维素纤维（Novelfiber）。采用离子液体溶解纤维素制备纤维素纤维也获得成功。这些溶剂与纤维素的相互作用机理各不相同，如生成纤维素的络合物、和纤维素形成分子化合物等。第二，寻找能够形成纺丝溶液的新纤维素衍生物，如纤维素氨基甲酸酯（CC）法。第三，通过新的方法和现代手段使纤维素溶解或熔融纺制成纤维素纤维。如蒸汽闪爆法和熔融增塑纺丝法。粘胶工艺与Lyocell工艺流程比较

粘胶工艺

Lyocell工艺

NMMO（N-甲基吗啉-N-氧化物）分子式

Lyocell工艺和粘胶工艺所需主要原料消耗量（吨/吨纤维素纤维成品）工艺浆粕NaOHH2SO4CS2ZnSO4NMMOH2O粘胶工艺1.06-1.120.62-0.850.95-1.120.11-0.400.05-0.13/300-450Lyocell工艺1.05-1.10////0.05-0.08100

棉与Lyocell的生态学比较

棉花Lyocell纤维土地使用农耕地20,000m2/吨纤维（世界平均）天然森林6700m2/吨纤维（奥地利）水耗量29,000m3/吨纤维100m3/吨纤维

Lyocell纤维与其它纤维的性能比较

Lyocell聚酯棉一般粘胶高湿模量粘胶MODAL纤度（dtex）1.71.7/1.71.7干强(cN/dtex)42~4442~5223~2523~2538干伸（%）6~1425~357~920~2511湿强(cN/dtex)37~4142~5227~3110~1226湿伸（%）16~1825~3512~1425~3012湿模量(cN/dtex）27021010050110吸湿性（%）11.50.581312.5保水率（%）653509090非凡触觉流丽线条从舒适的优雅套装到时尚的牛仔衣裤新一代的NaturalFabric拥抱Lyocell真情流露纤维素的溶解技术特殊的纺丝技术溶剂回收技术染整技术Lyocell纤维开发的四大技术SchematicdiagramofLyocellfibersprocess

一、新型纤维分类1.新型天然纤维2.新型再生纤维素纤维3.新型合成纤维4.差别化纤维5.高性能纤维6.功能性纤维

新型天然纤维天然彩棉蜘蛛丝木棉纤维菠萝叶纤维1.1天然彩棉

目前规模化生产的彩色棉纤维是利用生物基因工程等现代科学技术培养出来的新型棉花，即给棉花插入不同颜色基因，使其在吐絮时就产生色彩的新型棉花，在纤维的生产加工过程中无需漂白、印染等化学加工处理，不会影响人体健康，是一种绿色环保型纤维。适合制作毛巾,床上用品等与皮肤直接接触的家纺产品。1.2木棉纤维

锦葵目木棉科几种植物的果实纤维，纤维附着于木棉壳体内壁，附着力小不需轧棉加工具有中空截面，中空度可达90%左右最轻、最细、中空度最高、最保暖。木棉纤维应用絮料填充物浮力材料隔热、吸音、吸油1.3菠萝叶纤维

外观类似麻纤维。结晶度和取向度较麻纤维高。表面有突起，突起上存在许多孔洞。菠萝叶纤维应用纺纱服装及装饰用布土工布1.4蜘蛛丝

天然高分子蛋白纤维和生物材料高强度、高弹性、高柔韧性、高断裂性能可生物降解和回收，不会对环境造成污染生产方法微生物合成蜘蛛丝蚕吐蜘蛛丝牛、羊乳蜘蛛丝转基因植物合成蜘蛛丝蜘蛛丝纤维的开发应用军事及民用防护领域航空航天领域医用领域

新型再生纤维素纤维Modal纤维甲壳素和壳聚糖纤维Lyocell纤维竹浆纤维

皮芯型结构，皮层较厚。改善了普通黏胶纤维湿强低的特点。产品吸湿透气，尺寸稳定性好2.1Modal纤维2.2Lyocell纤维以季胺类氧化物N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO)为溶剂，将纤维素浆粕溶解后进行纺丝。在制造过程中几乎没有污染物排放，所有溶剂几乎全部回收。高聚合度、高结晶度、高取向度原纤化特征可纺性好

2.3竹浆纤维

竹纤维就是从自然生长的竹子中提取出的一种纤维素纤维，竹纤维具有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性等特性，同时又具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线功能。以竹为原料开发的纺织产品：原生竹纤维：又称竹原纤维。是将天然的竹材通过机械、物理的方法去除竹子中的木质素、果胶等杂质，从竹材中直接分离出来的纤维。其生产工艺与麻纤维相类似。再生竹纤维：又称竹浆纤维，有时企业中常称为竹纤维。属于化学纤维中的再生纤维素纤维，竹子先制成浆粕，再经类似粘胶生产的方法制取纤维，其生产工艺与粘胶的生产类似。竹炭纤维：将高温炭化技术烧制的竹炭，利用纳米技术微粉化，再通过熔融纺丝程序把竹炭次纳米级微粉均匀地融入化学纤维中，严格讲应称为“含炭纤维”，如含炭涤纶纤维。

2.4甲壳素纤维和壳聚糖纤维甲壳素：甲壳质，广泛存在于甲壳类动物的壳体及菌类、藻类的细胞壁中的天然高聚物壳聚糖：甲壳质经浓碱处理后脱去乙酰基后的化学产物甲壳素和壳聚糖纤维：由甲壳质和壳聚糖溶液再生改制形成的纤维甲壳质纤维用途生物医学功能分离功能吸附分离用膜离子交换织物卫生保健功能

新型再生纤维素纤维聚乳酸纤维聚酯纤维水溶性维纶纤维PBT纤维PET纤维3聚乳酸纤维

3.1聚乳酸的原料聚乳酸（PLA）是以乳酸为基本原料制得的。所有碳水化合物富集的物质，例如粮食、有机废弃物（如玉米芯或其它农作物的根、茎、叶、皮，城市有机废物等）都是乳酸生产的原料。我国发酵乳酸工业主要采用玉米、大米、薯干粉等为发酵原料。生产原料乳酸是从玉米淀粉制得，称为玉米纤维PLA纤维是以淀粉制得乳酸为原料，属于完成自然循环型，具有生物降解性的纤维。聚乳酸的自然循环系统聚乳酸属于合成脂肪族聚酯，是一种用途非常广泛的完全可生物降解的聚合物。它采用淀粉原料经发酵转化成乳酸，然后经聚合、纺丝成聚乳酸纤维，熔点达170℃以上，聚乳酸纤维物理性能与涤纶类似，外观透明，性能更优越。聚乳酸纤维侧面图聚乳酸纤维横截面图3.2聚乳酸的合成聚乳酸的单体是乳酸,其分子式为：聚乳酸的合成原理：聚乳酸的合成方法通常有两种，即丙交酯（乳酸的环状二聚体）的开环聚合和乳酸的直接聚合。利用乳酸直接缩聚制备PLA生产工艺简单，但得到的聚合物分子量低，且所得聚合物分子量分布较宽，其力学性能、降解性能等不能满足生物医学的需要。聚乳酸及其共聚物的最大问题是价格相当高。分子量超过100000的聚乳酸通常由价格很贵的丙交酯聚合制得，因此其在塑料和纤维方面的应用受到限制。-聚乳酸目前合成的方法主要有：1、开环聚合20世纪50年代，美国杜邦公司首先把乳酸制得丙交酯，然后进行开环聚合。丙交酯的开环聚合可用阴离子聚合、阳离子聚合及配位聚合。用于阳离子聚合的引发剂主要包括质子酸、路易斯酸及烷基化试剂，如三氟甲磺酸、甲基三氟甲磺酸等，阳离子外消旋不可避免，难以得到高相对分子质量的聚乳酸。阴离子开环聚合的引发剂有苯甲酸钾、苯酚钾、硬脂酸钾。丙交酯合成原理：

2、直接缩聚把乳酸单体进行直接缩合已经成为制备聚乳酸的重要方法，其直接缩聚反应过程如下：开始人们认为，直接缩合法只能得到相对分子质量低的低聚物。如今在反应过程中及时除去产生的小分子水，已有所突破。最近，国外正尝试用生物合成法制取聚乳酸，即培养、筛选合适的微生物，在体内直接合成聚乳酸，并通过一定的方法提取聚乳酸。该法可达到清洁生产，同时可进一步降低生产成本、提高产品的各种性能指标，扩大市场应用范围。由于聚乳酸均聚物为疏水性物质，降解周期不易控制，因此聚乳酸共聚物的合成成了近年来医用生物降解性高分子材料的研究热点之一。3.3聚乳酸的结构与性能聚乳酸也称为聚丙交酯，是一种线型聚酯类高分子。由于原料乳酸是光活性物质，有D型和L型两种光学结构体，因此聚乳酸亦有聚D-乳酸（PDLA）、聚L-乳酸（PLLA）和聚D，L-乳酸（PDLLA）之分。

PLA的基本性能

PLA类型PDLAPLLAPDLLA固体结构结晶性结晶性非结晶性熔点/0C180180

Tg/0C

56

热分解温度/0C200200180~200拉伸率/%20~3020~30

断裂强度/g.d-14.0~5.05.0~6.0

水解性（370C生理盐水中强度减半时间）4~6个月4~6个月2~3个月聚乳酸可发生水解反应。降解首先发生在聚合物无定型区，降解形成的较小分子链可能重排成结晶，故聚合物的结晶度在降解开始阶段有时会升高，材料的外形和质量无明显变化。随后（约21d），结晶区大分子开始降解，随着分子量的降低和一些疏水性甲基从大分子链上断裂，聚合物的机械强度减弱，亲水性和溶解性增加，随着水分子扩散进入材料的速度加快，水解反应自动加速，50d后，结晶区完全消失，随后，材料明显失重和溶解直至完全消失。聚乳酸制成的塑料和纤维，废弃在自然界中能在六个月内被常见的微生物完全分解而消失。聚乳酸水解的中间产物为乳酸，它是体内糖的正常代谢产物，可循乳酸的代谢途径参与体内生化代谢，最终生成无害的小分子水和二氧化碳。故该聚合物无毒、无刺激性、体内可吸收，具良好的生物相容性。而且其降解产物二氧化碳和水通过光合作用又可变成淀粉，这样可在自然界中循环。因此，聚乳酸被公认为是一种优异的“绿色”聚合物，具有可持续发展的广阔使用前景。

3.4聚乳酸纤维的制备技术

聚乳酸及其共聚物的纺丝可采用溶液纺丝和熔融纺丝来实现。聚乳酸的溶液纺丝主要采用干纺-热拉伸工艺。通过干纺制得的纤维的机械性能要优于熔纺纤维。但由于溶液纺丝法的工艺较为复杂，溶剂回收困难，纺丝环境恶劣。同时所采用的溶剂有毒，这在聚乳酸合成的成本较高的情况下，使其最终产品成本更高，从而限制了其应用。由于熔纺同溶液纺丝相比具有经济上的优势，因此熔纺领域的研究非常活跃。熔融纺丝法生产聚乳酸纤维的工艺和设备正在不断地改进和完善，它已成为乳酸纺丝成形加工的主流。

。

(1)有较好的亲水性、毛细管效应和水的扩散性;(2)模量和弯曲刚度是涤纶的一半，故手感柔软;(3)有良好的回弹性、抗皱性和保形性;(4)限氧指数较高，燃烧后自灭性好、燃烧发烟量低，有较好阻燃性;(5)有防紫外线能力，紫外线吸收率低;(6)折射率低、染色制品显色性好;(7)易染性，染色温度低于涤纶。

3.5聚乳酸纤维的特性纤维品种Tm(℃)Tg(℃)密度(g/cm3)抗张强度（cN/dtex）模量（cN/dtex）PLA170571.273-540-60PET256691.383-890-100

表1聚乳酸纤维的物理性能

3.6聚乳酸的应用领域举例服装运动服、制服、内衣、汗衫等建筑材料种植业用网和无纺织物、地面覆盖增强材料、催熟膜、沙袋等农业、林业用材料防杂草袋和网、奶酪包布、绑带、种子袋、农用化学品和化肥袋渔业用材料鱼网、海带养殖网、鱼线造纸业用材料包装材料家用制品普通用具、室外休闲用具卫生医疗制品尿布、个人卫生用品、手术缝合线、卫生纱布和海绵

表2聚乳酸纤维的应用

外科手术缝线PLA及其共聚物由于具有生物降解性和体内可吸收性，用作外科手术缝线能够促进伤口愈合并随后降解吸收。理想的手术缝线材料应具有较强的初始抗张强度和与伤口愈合时间相吻合的降解速率。1975年上市的聚乙交酯-丙交酯手术缝合线Vicryl手感好，具有良好的力学性能及组织相容性。近年的研究主要集中在：合成高分子量的PLA，改进缝线加工工艺，提高缝线机械强度合成光活性聚合物PDLA、PLLA，因为半结晶的PDLA、PLLA比无定形PDLA具较高的机械强度、较大的拉伸比率及较低的收缩率，更适合作手