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 我国合成纤维工业情况：具体见P123 二 合成纤维生产简介 生产过程可概括为以下四个工序： 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。 纺前准备： 纺丝熔体或纺丝溶液的制备 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 溶液纺丝 干法纺丝：见P125 腈纶长丝、氨纶弹性丝 §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：PET PTT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 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。 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。 (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/cm3,完全结晶时为1.455 g/cm3，一般在 1.38～1.40 g/cm3， （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：68～81℃，软化点温度为：230～240℃，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 6 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，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。 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 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 §5.3 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（—HN—CO—）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ω－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 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 分子结构式：H [ NH(CH2)6NH-OC(CH2)CO ] n OH 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25～40％，锦纶6约为40～50％，湿态下的断裂伸长比干太高3～5％。 3 初始模量 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。 §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280～300℃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，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/cm3，干法腈纶为腈纶1.14～1.17g/cm3。 2 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定，所以与羊毛混纺时，可用保险粉漂白。 8 机械性能 强度不如涤纶，但比羊毛好。强度高出羊毛约1～2.5倍。但其湿态断裂强度约为干态断裂强度80～100％，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 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）耐热性好 （5） 吸湿性强 （6）密度较低 （7）染色性优良 3 氨纶的用途 可用裸丝形式做纺织原料，或加工成包芯纱、包覆纱、合捻线等一般以不同比例与天然纤维、合成纤维及其他纤维混纺。生产机织物或针织物。 几种常见纤维的纵向和截面形态特征列于表中，其显微镜观察图见下图。 ?? 几种常见纤维的纵横向形态特征 纤维名称 纵??向??形??态 断??面??形??态  棉 扁平带状，有天然转曲 腰圆形或马蹄形，有中腔  苎麻 有横节、竖纹 腰圆形，有中腔及裂缝  亚麻 有横节、竖纹 多角形，中腔较小  羊毛 表面有鳞片 圆形或近圆形，有的有髓质层  桑蚕丝 表面如树干状，粗细不匀 不规则三角形  粘胶纤维 纵向有细沟槽 锯齿形，有皮芯层  醋酯纤维 有1~2根沟槽 不规则的带状  维纶 有1~2根沟槽 腰圆形，有皮芯层  腈纶 平滑或有1~2根沟槽 圆形或哑铃形  氯纶 平滑或有1~2根沟槽 接近圆形  涤纶、锦纶、丙纶 平滑 圆形   几种常见纤维燃烧特征表 纤维名称 接近火焰 在火焰中 离开火焰后 燃烧后残渣形态 燃烧时气味  棉、粘胶 不熔不缩 迅速燃烧，桔黄色火焰 继续燃烧 小量灰白色的灰 烧纸气味  麻、富强 同上 同上 同上 同上 同上  羊毛、蚕丝 收缩 渐渐燃烧，橙黄色火焰 不易延烧 松脆黑灰 烧羽毛或毛发臭味  涤纶 收缩熔融 先熔后燃烧，且有熔液滴下，火焰黄白色，有黑烟 能延烧 玻璃状黑褐色硬球 特殊芳香味  锦纶 收缩熔融 先熔后燃烧，且有熔液滴下，火焰呈蓝色 能延烧 玻璃状黑褐色硬球 氨臭味  腈纶 收缩微熔发焦 熔融燃烧，有发光火花，火焰亮黄色 继续燃烧 松脆黑色硬块 有辣味  维纶 收缩熔融 燃烧，有浓黑烟 继续燃烧 松脆黑色硬块 难闻的特殊臭味  丙纶 缓慢收缩 熔融燃烧，火焰明亮 继续燃烧 硬黄褐色球 烧蜡气味  氯纶 收缩 熔融燃烧，有大量黑烟 不能延烧 松脆黑色硬块 氯气的刺激性气味