第4章-合成纤维概要.ppt

高分子材料第四章合成纤维 概述 通用合成纤维 高性 功 能合成纤维 合成纤维 聚酯纤维 聚酰胺纤维 锦纶 聚芳酰胺纤维 芳纶 聚乙烯醇缩甲醛纤维 维纶 聚丙烯纤维 丙纶 聚丙烯腈纤维 腈纶 PET 涤纶 PBT纤维等 PA6 PA66等 超高分子量聚乙烯 UHMWPE 纤维 高弹性纤维 氨纶 芳杂环聚合物纤维 锦纶 涤纶 腈纶三大合成纤维 其产量占到合成纤维总产量的90 4 1通用合成纤维 4 1 1聚酰胺 PA PA nylon 分子链含有酰胺基团的聚合物 由二元胺和二元酸缩聚而成 也可由 氨基酸或内酰胺自聚而成 PA的品种 PA4 PA6 PA66 PA610 PA7 PA10 PA1010 PA612 PA9 PA10 PA6T PA9T等 PA与蚕丝 主要成分氨基酸 也含酰胺基 结构相似 特点是耐磨性好 有吸水性 PA是制作运动服和休闲服的好材料 另外也用于轮胎帘子线 降落伞 绳索 渔网等 聚酰胺6 PA6 相对分子量控制在14000 20000 纺丝温度控制在260 280 PA6熔点为215 聚酰胺66 PA66 相对分子量控制在20000 30000 纺丝温度控制在280 290 PA6熔点为255 265 涤纶 俗称的确良 是聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 经熔融纺丝制成的纤维 相对分子量15000 22000 PET纺丝温度275 295 PET熔点262 Tg80 涤纶是最挺括的纤维 易洗 快干 免烫 但透气性 吸湿性较差 可通过化学接枝或离子表面处理引入亲水基团 主要包括 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 聚对苯二甲酸丁二醇酯 PBT 聚对苯二甲酸丙二醇酯 PTT 等纤维 涤纶 4 1 2聚酯纤维 PET成纤的结构 直径0 5mm 由数百个单丝组成 直径25um 由原纤组成 直径10nm 由直径为10nm的片晶堆砌而成 片晶间由无定形区域连接 在拉伸过程中 堆砌的片晶沿纤维轴方向取向 而在松弛过程中 堆砌的片晶发生扭曲 与PET相比 PBT柔性链节更长一些 Tg 29 和Tm均会低一些 结晶速度较PET快10倍 有极好的伸长弹性回复率 且柔软易染色 特别适用于制作游泳衣 体操服 长筒袜 滑雪裤等高弹性纺织品 聚对苯二甲酸丁二醇酯 PBT 纤维 1995年 Shell公司研制成功 熔点230 Tg46 其主要物理性能均优于PET 柔软性和伸长弹性回复率介于PBT和PET之间 能经受 射线消毒 开发功能性织物 聚对苯二甲酸丙二醇酯 PTT 纤维 腈纶是由聚丙烯腈或含85 以上丙烯腈的共聚物经溶液纺丝制成的合成纤维 聚合物原料的制备 PAN均聚物 AN的自由基聚合 PAN共聚物 AN与 A或MAA等的自由基共聚 PAN相对分子量 50000 80000 腈纶蓬松柔软 被誉为 人造羊毛 分子中具有氰基 具有优良的耐晒性 用于制作户外用织物 如帐篷 窗帘 毛毯等 以腈纶为原料还可以制造阻燃的PAN基氧化纤维和碳纤维 4 1 3腈纶 丙纶 等规PP聚丙烯经熔体纺丝而成 相对分子量 10 30万 非极性分子 提高分子量来提高纤维强度 分子量的增大导致熔体的粘度较大 纺丝温度比其熔点要高很多 丙纶的吸湿性 染色性 耐热性均较差 主要用途 制备编织袋和无纺布 4 1 4丙纶 维纶 聚乙烯醇缩甲醛纤维 维纶的性能和微观近似蚕丝 可织造绸缎衣料 吸湿性和耐日光性好 但弹性较差 4 1 5维纶 从1931年 Carothers发明PA66开始 直至60年代 出现了很多PA品种 其中最重的发现是DuPont公司1962年发现的聚间苯二甲酰间苯二胺纤维 Nomex 到1966年 发现聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Kevlar 4 2 1芳香族聚酰胺纤维 4 2高性能合成纤维 Kevlar纤维的问世 代表着合成纤维向高强度 高模量和耐高温的高性能化方向达到一个新的里程碑 在国内分别称为芳纶1313和芳纶1414 4 2 1芳香族聚酰胺纤维 1 4 1 3 芳纶1313耐高温性好 不会熔融 芳纶1414强度高 模量高又耐高温 4 2 1芳香族聚酰胺纤维 结构与性能的差异 芳纶1313 分子结构中酰胺键与苯环间位连接 间位苯环的共价键内旋转位能低 可旋转角度大 大分子是柔性链结构 在力学性能上接近普通的柔性链纤维 但苯环含量高 耐热性能远大于脂肪族纤维 芳纶1414纤维 对位连接的苯酰胺 酰胺键与苯环形成共轭结构 内旋位能相当高 呈线性刚性伸直链结构 分子排列规整 结晶和取向极高 溶致液晶聚合物 纤维的强度和模量相当高 芳香族聚酰胺纤维的加工 在芳香族聚酰胺纤维的研究中发现 不仅其熔点高于热分解温度 而且在常规有机溶剂中很难溶解 因此用普通的纺丝方法 熔体 溶液 无法制得纤维 液晶纺丝 1966年杜邦公司对位芳纶可溶解在浓硫酸中 达到临界浓度时 形成高分子液晶溶液 粘度会减小 通过干喷湿纺液晶纺丝技术纺出的纤维强度非常高 具有向列型液晶结构的纺丝原液通过喷丝孔时 在剪切力和伸长流动下 全体向列型液晶微区沿纤维轴向取向 在空气层中进一步伸长取向 随后在低温凝固浴中冷冻凝固成形 分子取向结构被保留下来 这样得到高强度高模量的纤维 芳纶1313白短切纤维 芳纶1313纺前着色短纤维 芳纶纱 国产芳纶的价格 白的18万元 吨左右 带色的30万元 吨 目前芳纶1313已在烟台实现了国产化 产量达到世界第二 仅次于美国 芳纶1414的应用 航空 航天领域 发动机壳体及零部件 防弹领域 头盔 背心 运钞车等 建筑领域 替代钢筋纤维 芳纶辫绳的强度通常是钢筋的5倍 而密度只有它的1 5 轮胎帘子线 与常规轮胎相比 采用芳纶帘子线的轮胎质量可减轻3kg 而价格只高10 各种高压气罐 高速列车的天花板和内部隔板 4 2 2超高分子量聚乙烯 UHMWPE 设想 既然柔性聚酯 聚酰胺能够开发成高强高模纤维 那么聚丙烯腈 聚乙烯醇 聚烯烃等常规纤维也能否开发成高强高模纤维 近20多年来 各国科学家从理论和实践两个方面进行了大量 深入细致的研究工作 终于促使超高强聚乙烯纤维 超高强聚乙烯醇纤维 超高强聚丙烯脂纤维相继诞生 并开始了工业化生产 其中 超高强高模聚乙烯纤维的发展尤为迅速 70年代初期 英国Leeds大学Ward教授首先用熔融纺丝法得到了中强PE纤维 1989年 美国Ce1anese及意大利的Snia两个公司利用分别推出了超高分子量聚乙烯纤维 荷兰DSM矿业公司发表凝胶纺丝法纺制超高强高模聚乙烯纤维的专利 荷兰DSM公司 日本三井石油对其进行了产业化 性能 分子量在150万至800万之间 是普通纤维的数十倍 强度达到2 2 3 5GPa 而芳纶1414强度为2 15 2 58GPa 具有很好的耐疲劳性和耐磨擦性 耐冲击性能强于芳纶 碳纤维 聚酯 仅小于尼龙 在高强纤维中 它是最高的 耐光性是所有纤维中最好的 优良的耐化学腐蚀性 经强酸 强碱2000h浸泡 高强PE的强度能保持在90 以上 而芳纶只有原来的20 热性能 熔点144 应用 绳索类 由于聚乙烯强度高 模量高 密度小 耐腐蚀性好 因此特别适合用作海洋航行用绳索 降落伞用绳 高强聚乙烯纤维也是首选对象 防弹材料 高强聚乙烯纤维优良的吸收冲击能量的本领 纤维的可加工性及特别小的密度都使它在作防弹或防切割衣服方面具有其他纤维无法比拟的优点 用作复合材料的增强材料 优良的力学性能赋予它成为增强材料的特性 适用于各种飞机的翼尖结构 飞船结构和浮标飞机等 该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索 取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳索 其发展速度异常迅速 4 3功能合成纤维 功能纤维是时代的产物 社会的发展和生产技术的积累是保证 人们对美好和舒适生活空间的追求是动力 希望纤维材料接近自然 赋予真丝般柔软感和纤细感 光泽优雅 并赋予防水透湿 亲水 防静电 抗紫外 抗菌 远红外 可生物降解等功能 纤维材料的功能取决于 聚合物的化学结构和基团组成的特异性 高分子聚集态的物理形态特异性 纤维的成型技术 采用异型截面 中空 复合等纺丝工艺 分子链上由软链段和硬链段两部分组成 其中软链段由非晶性脂肪族聚酯或聚醚组成 Tg 70 50 常温下为高弹态 硬链段由结晶性的芳香族二异氰酸酯等组成 在应力作用下不变形 低熔点 无定形的软链段作为母体 高熔点 结晶的硬链段嵌在其中 氨纶具有500 800 的伸长 回复性也非常出众 4 3 1高弹性纤维 氨纶 聚氨酯纤维 莱卡 美国杜邦公司 1959年 聚氨酯溶液 干法纺丝 与橡胶相比 弹性更长更持久 而且重量轻1 3 第一代氯纶 无规立构 Tg75 分子量6 10万 具有耐腐蚀性好 抗静电和保暖功效 第二代氯纶 高间规度 低温聚合产物 Tg100 溶液纺丝 4 3 2耐腐蚀性纤维 氯纶 聚氯乙烯纤维 乳液纺丝耐腐蚀 耐酸碱 氟纶 聚四氟乙烯纤维 腈纶和丙纶等易燃 容易着火 燃烧速度快 PA PET 维伦等可燃 能发烟燃烧 但较难着火 4 3 3阻燃纤维 阻燃纤维极限氧指数为 氟纶 95酚醛纤维 32 34氯纶 35 37芳纶 33 34PBI 41腈氯纶 26 31维氯纶 30 33 极限氧指数 纤维点燃后在氧 氮混合气中维持燃烧所需的最低含氧量的体积分数 LOI 21 即为阻燃纤维 无机阻燃剂 氢氧化铝 镁 氧化锡等 有机阻燃剂 磷酸三辛酯 磷酸丁乙醚酯 十溴二苯醚等 4 3 4医用合成纤维 医用合成纤维的要求 生物相容性 血液和组织 生物可降解性合成纤维 生物不可降解合成纤维 主要为聚酯类纤维 聚羟基乙酸 聚乳酸 聚己内酯 聚羟基丁 戊 酸酯及其共聚物纤维 PA锦纶 涤纶 腈纶 丙纶等 可降解聚酯类纤维 医学可吸收缝线 自增强人造骨复合材料等 不可降解类纤维 锦纶 涤纶 丙纶可用作非吸收性缝合线 涤纶和氟纶用于制造人工血管 聚丙烯腈中空纤维用于人工肾 聚丙烯中空纤维用于人工心脏 4 3 5导电纤维 1960 日本帝人 1975 美国杜邦 产量最大导电纤维品种 PA PU PET PAN等 1970 聚乙炔 聚苯胺等 直接纺丝或后处理法 铜 铝 不锈钢纤维 细丝难以加工 径向强度低 铜 银 镍 铬的硫化物和碘化物 导电纤维的应用 在纤维中混入0 05 5 的导电纤维 可解决织物的带静电问题 导电纤维具有优异的远高于抗静电纤维的消除和防止静电的性能 由导电纤维制成的导电织物具有导电 电热及屏蔽和吸收电磁波的功能 可用来制成导电工作服 或制造电热毯 电热服 睡袋及电热绷带等面状发热体 利用导电纤维对电磁波的屏蔽特性 可用作精密电子元件 电子仪器 高频焊接机等电磁波屏蔽罩 或航空和航天部门的电磁波屏蔽材料 4 3 6光导纤维 1870年的一天 英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理 他做了一个简单的实验 在装满水的木桶上钻个孔 然后用灯从桶上边把水照亮 结果使观众们大吃一惊 人们看到 放光的水从水桶的小孔里流了出来 水流弯曲 光线也跟着弯曲 光居然被弯弯曲曲的水俘获了 表面上看 光好像在水流中弯曲前进 实际上 在弯曲的水流里 光仍沿直线传播 只不过在内表面上发生了多次全反射 光线经过多次全反射向前传播 4 3 7光导纤维 光导纤维 光纤 是一种把光能闭合在纤维中 产生导光作用的光学复合材料 由两种或两种以上折射率不同的材料复合而成 即由实际起导光作用的芯材和折射率低于芯材而能将光能闭合于芯材之中的皮构成 芯材和皮材的折射率相差越大越好 4 3 7光导纤维 4 3 7光导纤维 60年代推出 70年代推出 损耗小 传导距离长 但价格昂贵 不易弯曲 加工困难 70年代开始出现 损耗较大 传导距离短 但加工容易 轻而柔软 绕曲性好 有机光纤特点 是一种很细的皮芯型光学合成纤维 其芯丝是高光学纯的有机高聚物 直径在0 005 0 1mm 在它外面包裹着一层较低光折率的有机高聚物薄膜皮层 光在纤维界面上全反射而使光在纤维内曲折反复传播并把光约束在纤维内进行导光 芯用材料 透光性好 又易纤维化 如PMMA和PS 皮层材料 选用比芯材折射率低的透明性高聚物 选择皮材时要充分考虑皮材的熔融性与芯材的熔融性差异 有机光纤 例如 芯材 皮材 氟化偏氯乙烯 四氟乙烯共聚物 PMMA 折射率在1 40左右 折射率为l 49 PS 折射率为1 59 PMMA 1 Gore面料 1976 美国 该面料中复贴而成的PTFE防水透湿薄膜 该薄膜拥有原纤维状的微孔结构 使汗气可以通过 液态水不能通过 2 高密度面料利用超细合成纤维制成紧密的织物 从而使织物具有较高的水蒸汽穿透性 经过拒水整理后具有一定的防水性 3 涂层面料 纤维的其他功能 防水透湿功能 可呼吸 1 采用抗静电剂对织物进行表面处理而获得的防静电织物 2 通过织造工艺直接获得防静电织物 如在合成纤维制造过程中 在聚合阶段用共聚方法引入抗静电剂 如加入0 1 0 5 的纳米TiO2 Cr2O3 ZnO Fe2O3等 通过纺丝制成具有抗静电效果的纤维 或者直接加入导电纤维进行混纺 防静电功能 静电的危害 放电 吸尘 1 加入有机抗菌 防臭剂 2 加入无机抗菌 防臭剂 如纳米Ti