第4章合成纖維

第4章合成纖維4.1概述4.2通用合成纖維4.3高性能合成纖維4.4功能合成纖維14.1概述纖維是制造織物和繩線的原料。纖維的含義：凡能保持長度比本身直徑大100倍的均勻條狀或絲狀的高分子材料均稱纖維。它可分為天然纖維和化學(xué)纖維?；瘜W(xué)纖維又可分為人造纖維和合成纖維。2天然纖維自然界存在的和生成的具有紡織價(jià)值的纖維，是紡織工業(yè)的重要材料來源。約占紡織纖維年總產(chǎn)量的50%按照來源不同，分為植物纖維、動(dòng)物纖維和礦物纖維植物纖維：又稱天然纖維素纖維，主要組成物質(zhì)是纖維素；3主要品種：棉、大麻、黃麻、亞麻、蕉麻、劍麻、赫納昆麻和椰殼纖維等動(dòng)物纖維：又稱蛋白纖維，其主要組成成分是蛋白質(zhì)；主要品種：動(dòng)物的膚毛發(fā)與絨毛、禽類的羽絨、蠶絲及其它蛋白纖維礦物纖維：石棉是最大宗的天然礦物纖維；作為紡織材料主要是溫石棉和青石棉4化學(xué)纖維用天然的或人工合成的高分子材料為原料制成的纖維。人造纖維是用天然高分子材料為原料，經(jīng)過化學(xué)處理和機(jī)械加工制成的如：“人造絲”、“人造棉”。合成纖維是以石油、煤、天然氣為原料制成的，它發(fā)展很快。如：滌綸、錦綸、腈綸5合成纖維的發(fā)展誕生于20世紀(jì)30年代；是用石油、天然氣、煤或農(nóng)副產(chǎn)品為原料合成的聚合物經(jīng)加工制成的。1931年，美國，合成出尼龍66，錦綸66；1938年，德國，合成出聚酰胺6；61939年，聚氯乙烯纖維，（氯綸）；1949年，聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維（滌綸）；1950年，聚丙烯腈纖維（腈綸）、聚乙烯醇纖維1958年，聚丙烯纖維（丙綸）、聚乙烯醇縮丁醛纖維（維綸）；71961年，聚對苯二甲酰對苯二胺纖維（芳綸）；1983年，聚苯并咪唑、聚苯硫醚纖維合成纖維已經(jīng)廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對人們的生活起著舉足輕重的作用。8合成纖維的分類合成纖維通用合成纖維高性能合成纖維功能合成纖維滌綸、聚酰胺、腈綸和丙綸，產(chǎn)量大，應(yīng)用廣強(qiáng)度大、模量大的纖維；它由剛性鏈聚合物和柔性鏈聚合物紡絲制造具有除力學(xué)和耐熱性外的特殊性能，如光、電、化學(xué)、高彈性和生物降解性等的纖維，產(chǎn)量小，但附加值大9合成纖維的制備制備工藝成纖聚合物的制備紡絲工藝熔體紡絲溶液紡絲將聚合得到的聚合物熔體直接進(jìn)行紡絲一步溶液紡絲：直接將聚合后得到的聚合物溶液作為紡絲液進(jìn)行紡絲二步法溶液紡絲：將固體聚合物配制成紡絲液，再進(jìn)行溶液紡絲電紡絲10熔體紡絲步驟：（P149，圖4-3）（1）紡絲熔體的制備（2）熔體經(jīng)噴絲板孔眼壓出形成熔體細(xì)流（3）熔體細(xì)流被拉長變細(xì)并經(jīng)冷卻凝固（4）固態(tài)纖維上油和卷繞滌綸、聚酰胺、丙綸一般采用此法11溶液紡絲步驟：（P149，圖4-3）（1）紡絲液的制備（2）紡絲液經(jīng)過紡絲泵計(jì)量進(jìn)入噴絲頭的毛細(xì)孔壓出形成原液細(xì)流（3）原液細(xì)流中的溶劑向凝固浴擴(kuò)散，浴中的沉淀劑向細(xì)流擴(kuò)散，聚合物在凝固浴中析出形成初生纖維；（4）纖維拉伸和熱定型，上油和卷繞12電紡絲電紡絲是通過施加到聚合物熔體或溶液外部電場制備具有納米尺寸的連續(xù)纖維P149，圖4-3（c）13合成纖維的性能具有優(yōu)良的物理、機(jī)械性能和化學(xué)性能如，強(qiáng)度高、密度小、彈性高、耐磨性好、吸水性低、保暖性好、耐酸堿性好、不會(huì)發(fā)霉或蟲蛀等某些特種纖維還具有耐高溫、耐輻射、高強(qiáng)力、高模量等特殊性能14合成纖維的應(yīng)用超出了紡織工業(yè)的范圍，逐漸深入到國防工業(yè)、航空航天、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、海洋水產(chǎn)、通訊聯(lián)絡(luò)等重要領(lǐng)域例如，民用上可紡制輕暖、耐穿的各種服裝面料、裝飾，可混紡；工業(yè)上可用作輪胎簾子布、運(yùn)輸帶、傳送帶、漁網(wǎng)、繩索、工作服等；高性能特種合成纖維可用作降落傘、飛行服、飛機(jī)導(dǎo)彈、雷達(dá)的絕緣材料等。154.2通用合成纖維4.2.1聚酰胺纖維世界上最早投入工業(yè)化生產(chǎn)的合成纖維中國商品名“錦綸”，國際商品名“尼龍”、“耐綸”、“卡普隆”等聚酰胺纖維是脂肪族和半芳香聚酰胺經(jīng)熔融紡絲制備的合成纖維；分子主鏈中含有酰胺鍵。16分兩類：一類由二元胺和二元酸縮聚制得；另一類由ω-氨基酸縮聚或由內(nèi)酰胺開環(huán)聚合而得具有吸水性17聚酰胺纖維的性能它是合成纖維中性能優(yōu)良、用途廣泛的品種之一（1）耐磨性好、位于合成纖維之首，比棉花高10倍，比羊毛高20倍，適合于做繩索、襪子等（2）強(qiáng)度高、耐沖擊性好。它是強(qiáng)度最高的合成纖維之一。比棉花高1~2倍，比羊毛高4~5倍，適合于做輪胎簾子布等18（3）彈性、耐疲勞性好。比棉花高7~8倍（4）密度小，除聚乙烯和聚丙烯纖維外，聚酰胺纖維是所有纖維中最輕的，相對密度1.04~1.14（5）吸濕性良好。錦綸具有良好的吸濕性，染色性好，可使用酸性染料、分散染料等。缺點(diǎn)：彈性模量小，使用過程中容易變形，耐熱性及耐光性較差。19聚酰胺纖維的用途應(yīng)用范圍廣泛在日用品方面，可以純紡或混紡各種衣料和針織品，特別適用于制造單絲、復(fù)絲彈力絲襪，耐磨耐穿；工業(yè)上是輪胎簾子線、降落傘、繩索、漁網(wǎng)和工業(yè)濾布20（1）聚酰胺66相對分子質(zhì)量控制在20000~30000，紡絲溫度控制在280~290℃性能：P151，表4-1（2）聚酰胺6相對分子質(zhì)量控制在14000~20000，紡絲溫度控制在260~280℃性能：P152，表4-2cN/dtex（厘牛/分特）1tex＝10dtex，dtex是10000米纖維束的重量克數(shù)，d是旦，指9000米長的纖維束的克數(shù)。tex是特，tex指1000米長的纖維束的克數(shù)。因此1tex＝10dtex＝9d。N是牛頓21（3）PA6T和PA9T纖維分子結(jié)構(gòu)式：6和9代表代表二元胺中的碳原子，T代表對苯二酸PA9T的性能（P152，表4-3）22（4）氫化芳香聚酰胺纖維合成路線：纖維強(qiáng)度3.64×103MPa；伸長率10%234.2.2聚酯纖維中國商品名“滌綸”，俗稱“的確良”聚酯纖維是指含芳香族取代羧酸酯結(jié)構(gòu)的纖維，它是由二元酸和二元醇經(jīng)過縮聚而制得的聚酯樹脂，經(jīng)熔融紡絲和后處理制得的一種合成纖維。在合成纖維中發(fā)展最快，產(chǎn)量居于首位24品種較多，根據(jù)化合物的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的有：聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚萘酯（PEN）等纖維聚酯纖維的品種25聚酯纖維的性能（1）外觀單純滌綸纖維為乳白色，生產(chǎn)中添加染料制成各種有色纖維（2）密度隨著聚酯纖維的結(jié)晶度和取向度的不同，密度不同。一般密度在1.38~1.40（3）彈性26彈性好，接近羊毛，而且耐皺性好，彈性模量比聚酰胺纖維高（4）強(qiáng)度強(qiáng)度大，在濕態(tài)下強(qiáng)度不變（5）濕性吸濕性低，回潮率小，易洗快干（6）耐熱性耐熱性較好，軟化點(diǎn)230~240℃（7）耐光性高于錦綸，低于腈綸27（8）電性能干燥狀態(tài)下，具有良好的電絕緣性。但是作為服裝時(shí)，由于摩擦易產(chǎn)生靜電，易吸灰塵，這是滌綸的缺點(diǎn)（9）化學(xué)性能在常溫下，對酸堿穩(wěn)定，溫度升高，耐腐蝕性降低（10）抗菌性優(yōu)良，作為織物通常不被蛀蟲破壞28聚酯纖維的用途由于聚酯纖維彈性好、織物有易洗快干、保型性好、免熨等特點(diǎn)，所以是理想的紡織材料；可純紡或混紡制作各種服裝及針織品在工業(yè)上，可作為電絕緣材料、運(yùn)輸帶、繩索、漁網(wǎng)、輪胎簾子線、人造血管等。29（1）滌綸（PET）制備：滌綸是對苯二甲酸乙二醇酯經(jīng)過熔融紡絲制成的合成纖維，相對分子質(zhì)量控制在15000~22000，紡絲溫度控制在275~295℃成纖結(jié)構(gòu)：P153，圖4-8、4-9力學(xué)性能：P153，表4-430其他性能：滌綸又叫的確良，具有高強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕，易洗快干等優(yōu)點(diǎn)，是很好的衣料纖維。但透氣性、吸濕性、染色性差限制了滌綸在時(shí)裝行業(yè)的應(yīng)用；需要進(jìn)行改性后引入親水性基團(tuán)。31（2）

聚對苯二甲酸丙二醇酯纖維制備：PTT纖維是由對苯二甲酸和１，３－丙二醇的縮聚物經(jīng)過熔體紡絲制成的纖維，具有反－旁－反－旁式構(gòu)象結(jié)晶結(jié)構(gòu)：32性能：PTT纖維性能優(yōu)于滌綸，具有更優(yōu)異的柔軟性、彈性恢復(fù)性；優(yōu)良的抗折皺性、尺寸穩(wěn)定性、耐候性、易染色性和良好的屏蔽性能，并改進(jìn)了抗水解穩(wěn)定性。PTT纖維被認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的通用合成纖維新品種。33（3）聚對苯二甲酸丁二醇酯纖維制備：ＰBＴ纖維是由對苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿岫柞ズ?,4－丁二醇經(jīng)過熔體紡絲制成的纖維性能：PBT纖維強(qiáng)度30.91~35.32cN/dtex，伸長率30~60%；具有極好的伸長彈性恢復(fù)率、柔軟、易染色用途：PBT纖維特別適于制作游泳衣、連褲襪、訓(xùn)練服、體操服、健美服、網(wǎng)球服、舞蹈緊身衣、彈力牛仔服、滑雪褲、長筒襪、醫(yī)療繃帶34（4）聚萘酯（PEN）纖維制備：PEN纖維是由2,6-萘二甲酸二甲酯與乙二醇的縮聚物聚萘二甲酸乙二醇酯經(jīng)過熔體紡絲制成的纖維結(jié)構(gòu)式：性能：PEN與PET相比，具有更高的模量、強(qiáng)度，抗拉伸性能好、尺寸穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性和抗水解性能優(yōu)異354.2.3聚丙烯腈纖維中國商品名“腈綸”，有“人造羊毛”之稱制備：腈綸是聚丙烯腈或含85%以上丙烯腈的共聚物制成的合成纖維。腈綸的制備采用濕紡工藝濕紡工藝是將聚丙烯腈或聚丙烯腈共聚物溶解在溶劑中（紡絲液），紡絲液經(jīng)噴絲板后在含凝固劑的凝固浴中凝固形成纖維紡絲液的選擇：選擇內(nèi)聚能大的溶劑或能與聚丙烯腈相互作用的溶劑配制常用的溶劑DMF、DMA、DMSO、EC、NaSCN、HNO3、ZnCl236聚丙烯腈纖維的性能性能優(yōu)良，外觀、手感都類似羊毛，因此有“人造羊毛”之稱很多性能指標(biāo)超過羊毛，如腈綸的強(qiáng)度比羊毛高1~2.5倍，密度小，保暖性及彈性好等耐光性、耐候性是天然纖維和化學(xué)纖維中最好的化學(xué)穩(wěn)定性、對酸堿和氧化劑的穩(wěn)定性也比較好缺點(diǎn)是耐磨性、抗疲勞性差37聚丙烯腈纖維的用途多為民用，可純紡代替羊毛制備大衣呢華達(dá)呢、運(yùn)動(dòng)衫、針織衫、地毯、毛毯、人造毛皮、裝飾織物等；可混紡制成內(nèi)衣、襯衫、服裝及雨衣布等在工業(yè)中主要制成帆布、過濾材料、保溫材料、包裝用布、醫(yī)療材料等另外可制成軍用帳篷、防火服等384.2.4聚丙烯纖維中國商品名“丙綸”’制備：等規(guī)聚丙烯熔體紡絲制備，成纖聚丙烯的相對分子質(zhì)量10萬~30萬，紡絲溫度255~290℃原料來源豐富、生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品價(jià)格低廉、發(fā)展較快；產(chǎn)量僅次于滌綸、錦綸、腈綸39聚丙烯纖維的性能（1）質(zhì)輕合成纖維中最輕的，密度0.9~0.91（2）強(qiáng)度高濕強(qiáng)度和干強(qiáng)度基本相同（3）耐磨、耐腐蝕性好耐磨性、回彈性好，抗微生物，不霉、不蛀、耐化學(xué)性優(yōu)于其他纖維（4）電絕緣性、保暖性優(yōu)缺點(diǎn)：耐熱性、耐老化性、吸濕性、染色性差40聚丙烯纖維的用途主要用途是制作地毯、裝飾布、家具布工業(yè)中制作各種繩索、條帶、漁網(wǎng)、吸油氈、包裝材料和工業(yè)用布，如，濾布、袋布等；丙綸纖維可制成土工布，用于建筑、水利工程等；丙綸纖維無紡布可用于衛(wèi)生制品、醫(yī)用手術(shù)帽、床上用品等414.2.5聚乙烯醇甲醛纖維中國商品名“維綸”，日本命名為“維尼綸”制備：（1）乙酸乙烯溶液聚合得到聚乙酸乙烯，經(jīng)醇解得到聚乙烯醇，再經(jīng)過縮醛化后得到的纖維此法制備的聚乙烯醇是無規(guī)立構(gòu)42（2）特戊酸乙烯聚合得到聚特戊酸乙烯，經(jīng)皂化后得到聚乙烯醇此法得到的聚乙烯醇是間規(guī)立構(gòu)的具有比上述方法更高的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性43維綸的性能良好的強(qiáng)度、吸濕性、保暖性、耐磨蝕和耐日光性；主要缺點(diǎn)：耐熱水性差，彈性不佳，染色性較差，高溫下的力學(xué)性能低，在服飾方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如滌綸、腈綸和錦綸應(yīng)用廣泛。44維綸的用途可混紡也可純紡，用于制作外衣、汗衫、棉毛衫褲和運(yùn)動(dòng)衫，以及工作服可制作帆布、纜繩、漁網(wǎng)、包裝材料、過濾材料可作為塑料、水泥、陶瓷的增強(qiáng)材料454.3高性能合成纖維4.3.1超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)超高分子量聚乙烯纖維是用超高分子量聚乙烯采用凝膠紡絲---超延伸技術(shù)制成的。性能：具有高強(qiáng)度、高模量、最低的相對密度、化學(xué)惰性、具有疏水性（P162，表4-9）但極限使用溫度只有100~130℃應(yīng)用：主要用于制作頭盔、裝甲板、防彈衣和弓弦464.3.2芳香聚酰胺纖維（1）聚對苯二甲酸對苯二胺纖維(PPTA)制備：利用PPTA進(jìn)行溶液紡絲制成的纖維；PPTA采用低溫溶液聚合合成化學(xué)反應(yīng)式：相對分子質(zhì)量20000~2500047Kevlar的分子結(jié)構(gòu)模型：（圖4-19）Kevlar有三個(gè)品種：Kevlar29是高韌性纖維、Kevlar49是高模量纖維、Kevlar149是超高模量纖維性能：表4-10、圖4-1948應(yīng)用：

Kevlar作為高性能的有機(jī)纖維主要應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域；防彈領(lǐng)域；土木建筑領(lǐng)域如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)零部件；頭盔、防彈運(yùn)鈔車、防穿甲彈坦克；混凝土、代鋼筋材料、輪胎簾子線等49性能：表4-11應(yīng)用：絕緣紙、蜂窩結(jié)構(gòu)材料、工業(yè)濾材和無紡布（2）聚間苯二甲酰間苯二胺纖維制備：聚間苯二甲酰間苯二胺采用間苯二甲酰氯和間苯二胺為原料，在二甲基乙酰胺溶劑中進(jìn)行低溫溶液聚合；然后采用溶液紡絲法制成纖維?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)式：50（3）對/間芳綸化學(xué)結(jié)構(gòu)式：性能：既具有間位芳綸的經(jīng)濟(jì)性、阻燃性又具有對位芳綸的耐熱性；拉伸強(qiáng)度30~60cN/dtex；彈性模量14GPa51羥基苯甲酸、對苯二甲酸和一系列第三單體的縮聚物?？梢赃M(jìn)行熔體紡絲分子結(jié)構(gòu)式：4.3.3熱致液晶聚酯纖維第三單體對液晶聚酯可紡性和成纖性影響：表4-12524.3.4芳雜環(huán)纖維（1）聚苯并咪唑（PBI）纖維制備：PBI是間苯二甲酸二苯酯和四氨聯(lián)苯的縮聚物；以二甲基乙酰胺為溶劑，在氮?dú)庀逻M(jìn)行干紡得到PBI纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)式：53性能：PBI纖維具有優(yōu)異的耐熱性，但吸水性大，限制了工業(yè)應(yīng)用的范圍其物理力學(xué)性能見P163，表4-14PBI纖維經(jīng)過酸處理可以提高尺寸穩(wěn)定性54性能：高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐水、化學(xué)穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)是壓縮性能差P163，表4-15（2）聚亞苯基苯并二噁唑（PBO）纖維制備：2,4-二氨基間苯二酚鹽酸鹽與對苯二甲酸縮聚合成PBO；然后采用干噴濕紡獲得纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)式：55采用干噴濕紡技術(shù)可獲得高取向度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好的纖維PBZT制備：DADMB與TPA在PPA中縮聚化學(xué)方程式：（3）PBZT、MePBZT、tMEPBZT纖維56MePBZT通過交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成來改善PBZT的橫向壓縮性能交聯(lián)反應(yīng)：MePBZT纖維的韌性優(yōu)于PBZT纖維57tMePBZT的結(jié)構(gòu)tMePBZT與PBZT共聚物的結(jié)構(gòu)具有很好的耐熱性和橫向壓縮性58PIPD具有雙向分子內(nèi)和分子間氫鍵網(wǎng)絡(luò)（P165，圖4-23）性能：高強(qiáng)度、高模量、高壓縮強(qiáng)度、優(yōu)異的耐燃性和自熄性（4）M5纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)式：59性能：具有高耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能；但是溶解性差，加工困難（5）聚酰亞胺（PI）纖維制備：兩步法60性能：纖維強(qiáng)度40~60cN/tex，伸長率4%~8%；耐熱性與聚酰亞胺纖維相當(dāng)（6）聚1,3,4-二噁唑（POD）纖維制備：一步法614.4功能合成纖維4.4.1高彈性合成纖維氨綸的突出特點(diǎn)就是高彈性氨綸的高分子鏈組成包括兩部分：軟鏈段和硬鏈段非晶性的脂肪族聚酯或聚醚組成，常溫下處于高彈態(tài)結(jié)晶性的芳香族二異腈酸酯組成，應(yīng)力下不變形因?yàn)楦叻肿渔準(zhǔn)怯傻腿埸c(diǎn)無定形的軟鏈段為母體和嵌在其中的高熔點(diǎn)結(jié)晶的硬鏈段組成62（2）用高間規(guī)度聚氯乙烯制備，即第二代氯綸制備：采用低溫-30℃聚合，溶液紡絲制成氯綸性能:P166，表4-204.4.2耐腐蝕合成纖維（1）用無規(guī)立構(gòu)聚氯乙烯制備，即統(tǒng)稱的氯綸制備：聚氯乙烯采用懸浮聚合，45~60℃；成纖聚氯乙烯分子量60000~100000；溶液紡絲制備氯綸性能：抗靜電性好、保暖性好、耐腐蝕性好63氟綸制備：聚四氟乙烯采用乳液聚合法凝聚成顆粒，相對分子質(zhì)量300萬，然后采用乳液紡絲法制成氟綸性能：化學(xué)穩(wěn)定性突出，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿力學(xué)性能（表4-21）644.4.3阻燃合成纖維極限氧指數(shù)（limitingoxygenindex,LOI）纖維點(diǎn)燃后在氧-氮混合氣體中維持燃燒所需要的最低含氧量的體積分?jǐn)?shù)LOI≤21%，纖維可在空氣中燃燒，屬于可燃纖維；LOI＞21%，屬于阻燃纖維。合成纖維的燃燒性能，p167，表4-2265具有生物相容性生物可降解性合成纖維和不可降解性合成纖維4.4.4醫(yī)用合成纖維脂肪族聚酯纖維包括聚羥基乙酸、聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚羥基丁酸酯、聚羥基戊酸酯及其共聚物；纖維分子鏈中的酯鍵易水解或酶解；可用于醫(yī)學(xué)可吸收縫線、自增強(qiáng)人造骨復(fù)合材料、無紡布聚酰胺、滌綸、腈綸、丙綸等；可醫(yī)用丙綸、聚酰胺、滌綸用于非吸收性縫合線；滌綸、氯綸用于制造人工血管；聚丙烯腈中空纖維用于人工腎；聚丙烯中空纖維用于人工心臟66新合纖：采用超細(xì)合成纖維制備的具有新質(zhì)感的纖維織物纖度：用1000m長纖維質(zhì)量的1/10質(zhì)量表示，單位分特；它是表征纖維粗細(xì)的指標(biāo)4.4.5超細(xì)合成纖維粗旦纖維中旦纖維細(xì)旦纖維微細(xì)纖維超細(xì)纖維纖維根據(jù)纖度分類：67差別化合成纖維：通過分子設(shè)