高分子科學(xué)導(dǎo)論纖維課件

纖維

Fiber

四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院Introductiontopolymerscience高分子科學(xué)導(dǎo)論纖維

Fiber

四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院IntroductioFiber纖維的基礎(chǔ)知識(shí)FoundationoftheFiber

Fiber纖維的基礎(chǔ)知識(shí)DefinitionoftheFiber細(xì)度很細(xì)，直徑一般為幾微米到幾十微米，而長度比直徑大百倍、千倍以上的細(xì)長物質(zhì)稱為纖維，如棉花、葉絡(luò)、肌肉、毛發(fā)等。長徑比（length-diameterratio）>1000

直徑（diameter）<0.1mm

纖維通常用來制造紡織品，故又稱為紡織纖維。DefinitionoftheFiber細(xì)度很細(xì)，直徑Textilefiber紡織纖維（textilefiber）有以下特性：

一定的長度和細(xì)度一定的機(jī)械性能（強(qiáng)力、變形、彈性、耐磨、柔軟性等），尤其是具有較高的比強(qiáng)度（strength-to-weightratio）一定的吸濕性、導(dǎo)電性和熱學(xué)性質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性和良好的染色性能Textilefiber紡織纖維（textilefibeMorphology

oftheFiber纖維的原纖（fibril）結(jié)構(gòu)原纖是大分子有序排列的結(jié)構(gòu)，或稱結(jié)晶結(jié)構(gòu)。原纖為多層次堆砌的結(jié)構(gòu)，其排列大多為同向平行排列，提供給纖維良好的力學(xué)性質(zhì)和彎曲能力。微原纖的堆砌形式示意圖MorphologyoftheFiber纖維的原纖（fPropertiesoffiber纖維長度（length）可以量度長度的纖維稱為短纖維，無限長度的纖維稱為長纖維。100%HempYarnLongFiberWetSpun

ShorthempfiberPropertiesoffiber纖維長度（lengthPropertiesoffiber橫截面的形狀和表面形狀

shapeofcrosssectionandsurfaceNearperfectgeometricshapesofcrosssection

Propertiesoffiber橫截面的形狀和表面形狀Propertiesoffiber直度（straightness）:用纖維在紗條軸向投影長度占纖維伸直長度的百分?jǐn)?shù)來表示。

強(qiáng)度（strength）：通常用（gf/tex）表示，其中tex（特克斯）指1000米長的纖維束的克數(shù)，gf是克力

延伸性和彈性（extensibilityandelasticity）Propertiesoffiber直度（straightPropertiesoffiber吸濕性（moistureabsorption）

指吸收水分的能力，用百分比來表示回潮率（moistureregain,M.R.）。M.R.指氣溫在20oC，相對(duì)濕度在65%時(shí)，絕對(duì)干燥的纖維從空氣中吸收水分的能力。

耐磨性（wearresistance）光澤與手感（brightnessandhandfeeling）密度（density）Denierisaunitofmeasureforthelinearmassdensityoffibers.Itisdefinedasthemassingramsper9,000meters.IntheInternational

SystemofUnitsthetexisusedinstead.1d=0.1111tex芯吸性（wickability）纖維將水分從一個(gè)截面運(yùn)輸?shù)搅硪唤孛娴哪芰ropertiesoffiber吸濕性（moisturFiberprocessing熔體紡絲“meltspinning”濕法紡絲“wetspinning”干法紡絲“dryspinning”凝膠紡絲“gelspinning”or“dry-wetspinning”靜電紡絲“electrostaticspinning”染整“dyeingandfinishing”

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

Fiberprocessing干法紡絲“dryspinnFiberprocessing染整“dyeingandfinishing”

染整包括預(yù)處理、染色、印花和整理。預(yù)處理亦稱練漂，其主要目的在于去除紡織材料上的雜質(zhì)，使后續(xù)的染色、印花、整理加工得以順利進(jìn)行，獲得預(yù)期的加工效果。染色是通過染料和纖維發(fā)生物理的或化學(xué)的結(jié)合而使紡織材料具有一定的顏色。印花是用色漿在紡織物上獲得彩色花紋圖案。整理是通過物理作用或使用化學(xué)藥劑改進(jìn)織物的光澤、形態(tài)等外觀；提高織物的服用性能或使織物具有拒水、拒油、抗皺、防霉等特性。Fiberprocessing染整“dyeingandClassifyoftheFiber纖維的種類很多，習(xí)慣上按來源分為天然纖維(naturalfiber)和化學(xué)纖維(chemicalfiber)兩大類。天然纖維指自然界原有的，或從經(jīng)人工培植的植物中、人工飼養(yǎng)的動(dòng)物中獲得的纖維。

種子纖維：棉

植物纖維

韌皮纖維：苧麻、黃麻等

葉纖維：劍麻等天然纖維

果纖維：椰子纖維

動(dòng)物纖維

毛發(fā)：羊毛、兔毛等

分泌液：蠶絲、蜘蛛絲等

礦物纖維

石棉、碳纖維、玻纖等PlantfiberAnimalfiberMineralfiberClassifyoftheFiber纖維的種類很多，習(xí)ClassifyoftheFiber化學(xué)纖維是用天然的或合成的高聚物為原料，主要經(jīng)過化學(xué)方法加工制造出來的纖維。滌綸、腈綸、錦綸、氨綸、氯綸、丙綸等化學(xué)纖維人造纖維粘膠纖維銅氨纖維醋酸纖維合成纖維差別化纖維異形纖維復(fù)合纖維裂膜纖維超細(xì)纖維artificialfibersyntheticfiberdifferentialfiberviscosefibercuprammouiumfibercelluloseacetateprofilefibercomplexfibersplitfibersuperfinefiberClassifyoftheFiber化學(xué)纖維是用天然的天然纖維NaturalFiberFiber天然纖維FiberTheBeginningofTheFiber天然纖維早在5000年前，我們的祖先就開始利用棉、麻、蠶絲、羊毛等天然纖維進(jìn)行紡織。TheBeginningofTheFiber天然纖維AncientSpinningTechnology在原始社會(huì)，人類為了抵御寒冷，直接用草葉和獸皮蔽體，慢慢的學(xué)會(huì)了采集野生的葛、麻、蠶絲等，并利用獵獲的鳥獸的毛羽，進(jìn)行撮、績、編、織成粗陋的衣服，由此發(fā)展了編織、裁切、縫綴的技術(shù)。人們根據(jù)撮繩的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造出績和紡的技術(shù)。AncientSpinningTechnology在原始NaturalFiberfromPolysaccharide淀粉（Starch）纖維素（Cellulose）殼聚糖（Chitosan）NaturalFiberfromPolysaccharCellulose纖維素是自然界中產(chǎn)量最大的天然高分子化合物。纖維素由很多D-吡喃葡萄糖單元以β(1-4)苷鍵連接而成。纖維素是高等植物細(xì)胞壁的主要成分，主要來源為棉、麻和木材等。Cellulose纖維素是自然界中產(chǎn)量最大的天然高分子化合物PropertiesoftheCellulose纖維素具有一定的結(jié)晶性；纖維素的分子間存在非常強(qiáng)烈的氫鍵，使得其具有更高度的結(jié)構(gòu)有序性，耐化學(xué)腐蝕性和耐溶劑性。PropertiesoftheCellulose纖維素蛋白質(zhì)是由天然產(chǎn)生的不同種類的L-α-氨基酸以酰胺鍵(—CO—NH—)結(jié)合生成的共聚物，這些酰胺鍵也被稱為肽鍵(peptidelinkages)。α-氨基酸的結(jié)構(gòu)如右圖所示NaturalFiberfromProtein蛋白質(zhì)是由天然產(chǎn)生的不同種類的L-α-氨基酸以酰胺鍵(—蛋白質(zhì)依其形狀可分為兩大類：一類是能溶于水的球狀蛋白質(zhì)；一類是不溶于水的纖維狀蛋白質(zhì)NaturalFiberfromProtein蛋白質(zhì)依其形狀可分為兩大類：一類是能溶于水的球狀蛋白質(zhì)；一類FibrousProteinfromAnimal

WoolFibrousProteinfromAnimal

WoFibrousProteinfromAnimal

Silk蠶絲是天然蛋白質(zhì)類纖維，是自然界唯一可供紡織用的天然長絲。分為家蠶絲與野蠶絲兩大類。FibrousProteinfromAnimal

STheSilkRoad在古代歐洲，絲綢是比黃金還要貴重的物品。張騫通西域以后，中國與西方有了文化交流，公元六世紀(jì)后，西方國家陸續(xù)學(xué)會(huì)了養(yǎng)蠶技術(shù)。TheSilkRoad在古代歐洲，絲綢是比黃金還要貴重的SpiderSilk

蜘蛛絲呈金黃色、透明，它的橫截面呈圓形。蜘蛛絲的平均直徑為6.9μm，大約是蠶絲的一半，是典型的超細(xì)、高性能天然纖維。SpiderSilk蜘蛛絲呈金黃色、透明，它人造纖維ArtificialFiberFiber人造纖維FiberDevelopmentofArtificialFiber人造纖維是指將天然纖維經(jīng)過化學(xué)或物理處理，改變天然纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，從而制造出來的性能更好的纖維。1883年英國化學(xué)家J.W.Swan在研究將硝化纖維素制造電燈絲的過程中，制造出一種細(xì)纖維，并取名“人造絲”，（Artificialsilk）從而引起了全世界的矚目。DevelopmentofArtificialFibe硝化纖維(nitrocellulose)：棉花經(jīng)硝酸和硫酸處理產(chǎn)物。醋酸纖維(celluloseacetate)：以纖維素漿粕為原料，利用醋酸酐與纖維素羥基反應(yīng)制備。RegeneratedCellulose化學(xué)改性：指通過化學(xué)方法將纖維素分子單元中的羥基與酸進(jìn)行反應(yīng)得到酯化產(chǎn)物，破壞纖維素的強(qiáng)分子間作用，使得纖維素加工性能有明顯改善。硝化纖維(nitrocellulose)：棉花經(jīng)硝酸和硫酸RegeneratedCellulose物理改性：將天然纖維素溶于特殊的溶劑中，再通過濕法紡絲得到具有與天然纖維不同聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的再生纖維素。這類再生纖維服用性能佳，近似于絲綢，極具懸垂感，面料手感柔軟，光澤柔和。銅氨纖維：溶劑為氫氧化銅或堿性銅鹽的濃溶液。粘膠纖維：溶劑為堿性二硫化碳溶液RegeneratedCellulose物理改性：將天然纖NewGenerationofArtificialFiber

TENCEL傳統(tǒng)的再生纖維素因?yàn)槿軇┑沫h(huán)境污染問題漸漸被淘汰。上世紀(jì)80年代初，歐洲開發(fā)出了可溶解纖維素高分子的“N-甲基嗎啉氮氧化合物”新溶劑，這種溶劑無毒而且可以回收，被稱為“綠色粘膠絲”，并于90年代初工業(yè)化。這種新型纖維的學(xué)名為“l(fā)yocell”，被譽(yù)為繼棉、毛、麻、絲之后的第五纖維。集棉的舒適性、粘膠纖維的吸濕性懸垂性、滌綸纖維的強(qiáng)度和真絲的手感于一身。NewGenerationofArtificialFModal纖維是奧地利蘭精公司開發(fā)的再生纖維素纖維，原料采用歐洲的櫸木，纖維具有高強(qiáng)力、高濕模量。Modal纖維干強(qiáng)大于棉纖維、粘膠纖維，濕強(qiáng)與棉纖維相近，比粘膠高近一倍，這是Modal纖維的特點(diǎn)，這表明它能夠承受機(jī)械和化學(xué)處理。NewGenerationofArtificialFiber

MODALModal纖維全部由天然材料構(gòu)成，對(duì)人體無害，能自然降解，對(duì)環(huán)境無害。Modal纖維具有很好的抗菌性，因此非常適合內(nèi)衣用。Modal纖維是奧地利蘭精公司開發(fā)的再生纖維素纖維，原料采合成纖維SyntheticFiberFiber合成纖維Fiber合成纖維多屬于線形熱塑性高分子，在紡絲過程中進(jìn)行加熱拉伸定型，高分子鏈局部會(huì)幾乎平行地沿軸向整齊排列，因而表現(xiàn)出特別的性質(zhì)。合成纖維是化學(xué)纖維中最具發(fā)展空間的一類，其品種較多，性能也各具特色。CharacteristicsofSyntheticFiber合成纖維多屬于線形熱塑性高分子，在紡絲過程中進(jìn)行加熱拉伸定型Nylon-PolyamideFiber聚酰胺纖維又被稱為“尼龍”、“耐綸”、“錦綸”，是聚酰胺在260~280oC熔融狀態(tài)下抽絲制備得到，無須溶劑和化學(xué)處理。尼龍是目前產(chǎn)量最大、用途最廣的合成纖維，具有高強(qiáng)度、高彈性、高耐磨和高介電性。Nylon-PolyamideFiber聚酰胺纖維又被稱為Terylene-PolyesterFiber大分子主鏈中含酯鍵的聚合物纖維被稱為聚酯纖維，我國商品名為“滌綸”，也稱“的確涼”。滌綸作為紡織纖維最大的特點(diǎn)是抗皺性和保型性出色，耐磨性僅次于尼龍，耐熱性更高，缺點(diǎn)是不易染色、不吸水、易臟。Terylene-PolyesterFiber大分子主鏈中Acrylon-PolyacrylonitrileFiber腈綸纖維通常是丙烯腈與丙烯甲酸酯、醋酸乙烯酯、甲叉丁二酸等單體的共聚物(丙烯腈含量>85%)。對(duì)光和氣候的穩(wěn)定性是所有已知纖維中最好的；熱穩(wěn)定性是所有碳鏈合成纖維中最好的，具有良好的抗溫和保暖性；有很高的強(qiáng)度和彈性（約為羊毛的2~3倍）；比重小，具有羊毛外觀。Acrylon-PolyacrylonitrileFibePolyvinylChlorideFiber聚氯乙烯纖維是最早工業(yè)化的合成纖維之一，由于分子鏈中含有大量氯原子，分子間作用力強(qiáng)，因此具有耐腐蝕、耐溶劑、阻燃的優(yōu)點(diǎn)，適用于制作有阻燃要求的服裝、沙發(fā)布、窗簾以及濾布、漁網(wǎng)等用具。PolyvinylChlorideFiber聚氯乙烯纖維PolypropyleneFiber丙綸是所有服裝用纖維中比重最輕的，是可浮在水面上的纖維，但其強(qiáng)度很好，因此在服裝中得到了普遍應(yīng)用。丙綸屬輕裝面料之一，其重量僅為棉花的3/5。丙綸織物的吸濕性極小，因此其服裝以快干、挺爽、不縮水等優(yōu)點(diǎn)著稱。但舒適性欠佳，染色性亦很差。丙綸的強(qiáng)度、耐磨性很好，服裝堅(jiān)牢耐穿。丙綸耐腐蝕，但不耐熱、不耐光、易老化。丙綸對(duì)無機(jī)酸堿有著很好的穩(wěn)定性，對(duì)有機(jī)溶劑穩(wěn)定性稍差。PolypropyleneFiber丙綸是所有服裝用纖維中差別化纖維DifferentialFiberFiber差別化纖維FiberDifferentialfiber差別化纖維通常是指在原來纖維組成的基礎(chǔ)上進(jìn)行物理或化學(xué)改性處理，使性狀上獲得一定程度改善的纖維。物理改性：指采用改變纖維高分子材料的物理結(jié)構(gòu)使纖維性質(zhì)發(fā)生變化的方法。目前物理改性的主要內(nèi)容包括改進(jìn)聚合與紡絲條件?；瘜W(xué)改性：是指通過改變纖維原來的化學(xué)結(jié)構(gòu)來達(dá)到改性目的的方法。改性方法包括共聚、接枝、交聯(lián)、溶蝕、電鍍等。表面物理化學(xué)改性：主要是指如采用高能射線（γ射線、β射線）、強(qiáng)紫外輻射和低溫等離子體對(duì)纖維進(jìn)行表面蝕刻、活化、接枝、交聯(lián)、涂覆等改性處理，是典型的清潔化加工方法。Differentialfiber差別化纖維通常是指在原來Profilefiber異型纖維的橫截面呈特殊形狀，而不像傳統(tǒng)纖維一樣為圓型。其主要具有以下特征：具有良好的光學(xué)性能，有柔和、典雅的蠶絲般光澤和手感；由于橫截面的特殊形狀增加了纖維間合抱力、透氣性、蓬松性和絲條硬挺性；能增加染色的鮮明性。Profilefiber異型纖維的橫截面呈特殊形狀，而不像ComplexFiber復(fù)合纖維又稱為組合纖維和共軛纖維，通常是采用兩種或兩種以上的熔體經(jīng)同一紡絲口噴出成絲制備得到。復(fù)合纖維具有很高的體積膨松性、彈性和覆蓋能力，從而使纖維的毛型感增加。使不同纖維優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，性能大幅增加。ComplexFiber復(fù)合纖維又稱為組合纖維和共軛纖維，SuperfineFiber超細(xì)纖維又叫噴射纖維，通常指比一般纖維更細(xì)，直徑在5微米以下的纖維，其最大特點(diǎn)是永久帶電性。主要用途是作為高效過濾材料。超細(xì)纖維由于直徑很小，因此其彎曲剛度很小，纖維手感特別柔軟。超細(xì)纖維的比表面積很大，因此超細(xì)纖維織物的覆蓋性、蓬松性和保暖性有明顯提高，并具有極強(qiáng)的清潔功能。超細(xì)纖維在微纖維之間具有許多微細(xì)的孔隙，形成毛細(xì)管構(gòu)造，具有較高吸水性。SuperfineFiber超細(xì)纖維又叫噴射纖維，通常指比功能性纖維FunctionalFiberFiber功能性纖維FiberUrethaneElasticFiber-PolyurethanesFiber氨綸纖維商品名稱有萊卡（Lycra、美國、英國、荷蘭、加拿大、巴西）、尼奧綸（Neolon、日本）、多拉斯坦（Dorlastan、德國）等。氨綸首先由德國Bayer公司于1937年研究成功，美國杜邦公司于1959年開始工業(yè)化生產(chǎn)。氨綸纖維共有兩個(gè)品種，一種簡(jiǎn)稱為聚酯型氨綸，另一種為聚醚型氨綸。

UrethaneElasticFiber-PolyureHighReboundElasticityofPolyurethanesFiber

氨綸纖維通常有500～800％的伸長；彈性回復(fù)性能也十分出眾，在伸長50％時(shí)，回縮率超過99％。氨綸纖維的高彈力是因?yàn)樗母叻肿渔準(zhǔn)怯傻腿埸c(diǎn)、無定型的“軟”鏈段和嵌在其中的高熔點(diǎn)、結(jié)晶的“硬”鏈段所組成。柔性鏈段分子鏈間相互作用力小，可以自由伸縮。剛性鏈段分子結(jié)合力比較大，造成高的回彈性。HighReboundElasticityofPolApplicationofPolyurethanesFiber彈力強(qiáng)的