第16章16-10FF合成纤维

1、1第二章第二章 基本概念与生产方法概述基本概念与生产方法概述 第一节第一节 纤维的基本概念纤维的基本概念定义：从形状上说，纤维是一种比较柔韧的细而长定义：从形状上说，纤维是一种比较柔韧的细而长的物质，典型的纺织纤维直径为几微米到几十微的物质，典型的纺织纤维直径为几微米到几十微米，长度超过米，长度超过25mm，线密度的数量级为，线密度的数量级为10-6g/mm，从分子间作用力标准来看，在三大合成，从分子间作用力标准来看，在三大合成材料中，以纤维内聚能密度为最大。材料中，以纤维内聚能密度为最大。2一、纤维的长度、粗度与线密度一、纤维的长度、粗度与线密度长度长度：表征了纤维的长短，一般为平均纤维长度

2、：表征了纤维的长短，一般为平均纤维长度（mm，m）粗度粗度：纤维每单位长度的质量（：纤维每单位长度的质量（mg/100m）线密度线密度：表示纤维粗细程度的量，旧称：表示纤维粗细程度的量，旧称纤度纤度.3合纤具有的共同性能合纤具有的共同性能1. 1. 纤维均匀度好，长短粗细较一致。截面可根据需要纺出各纤维均匀度好，长短粗细较一致。截面可根据需要纺出各种形状。种形状。2. 2. 大都合纤强度高，弹性好，结实耐用，不易起皱。大都合纤强度高，弹性好，结实耐用，不易起皱。3. 3. 合纤长丝织物易勾丝，短纤织物易起毛起球。合纤长丝织物易勾丝，短纤织物易起毛起球。4. 4. 吸湿性低，热湿舒适性不如天然纤

3、维。吸湿性低，热湿舒适性不如天然纤维。5. 5. 热定型性能好。热定型性能好。v合纤合纤:是指具有全新质感的合成纤维。是指具有全新质感的合成纤维。 全新的质感包括全新的质感包括：新颖、独特且超越天然纤维风格的：新颖、独特且超越天然纤维风格的桃皮绒质感或超细末手感桃皮绒质感或超细末手感 。4第二节第二节 合成纤维生产方法概述合成纤维生产方法概述v合成纤维的生产过程大致包括四步：合成纤维的生产过程大致包括四步：（1）原料的制备，高分子化合物的制备和机械处理；）原料的制备，高分子化合物的制备和机械处理；（2）纺前准备，纺丝熔体或纺丝溶液的制备；）纺前准备，纺丝熔体或纺丝溶液的制备；（3）纺丝，纤维的

4、成形；）纺丝，纤维的成形；（4）后加工，纤维的后加工。）后加工，纤维的后加工。合成纤维的主要纺丝方法：合成纤维的主要纺丝方法：熔体纺丝法和溶液纺丝法。熔体纺丝法和溶液纺丝法。5熔体纺丝和溶液纺丝熔体纺丝和溶液纺丝 一一 纺丝熔体的制备纺丝熔体的制备 熔体纺丝用于工业生产有两种实施方法，一是熔体纺丝用于工业生产有两种实施方法，一是将聚合（缩聚）所得到的聚合物熔体送去纺丝，这将聚合（缩聚）所得到的聚合物熔体送去纺丝，这种方法称之为种方法称之为直接纺丝直接纺丝；另一种是将聚合（或缩聚）；另一种是将聚合（或缩聚）得到的聚合物熔体经铸带、切粒等工序制成得到的聚合物熔体经铸带、切粒等工序制成“切切片片”，

5、然后在纺丝机上重新熔融成熔体并进行纺丝，然后在纺丝机上重新熔融成熔体并进行纺丝，这种方法称之为这种方法称之为切片纺丝切片纺丝。 6二二 纺丝液的制备纺丝液的制备 直接利用聚合得到的聚合物溶液作为纺丝原液，称为直接利用聚合得到的聚合物溶液作为纺丝原液，称为一步法一步法；先制成颗粒状或粉末状的成纤聚合物，然后再；先制成颗粒状或粉末状的成纤聚合物，然后再溶解，以获得纺丝液，称为溶解，以获得纺丝液，称为二步法二步法。 7制备纺丝液的溶剂应具备如下特点：制备纺丝液的溶剂应具备如下特点：（1）在适宜的温度下有良好的溶解性能，）在适宜的温度下有良好的溶解性能，（2）沸点不宜太低或太高，若太低，挥发性太大，增

6、加损耗）沸点不宜太低或太高，若太低，挥发性太大，增加损耗 恶化劳动条件；太高则不宜干法纺丝，且回收困难。恶化劳动条件；太高则不宜干法纺丝，且回收困难。（3）有足够的热稳定性和化学稳定性，并应便于回收。）有足够的热稳定性和化学稳定性，并应便于回收。（4）应无毒或微毒，对设备材料没有腐蚀性或腐蚀性较小。）应无毒或微毒，对设备材料没有腐蚀性或腐蚀性较小。（5）在溶解过程中不引起聚合物分解或发生其他化学变化。）在溶解过程中不引起聚合物分解或发生其他化学变化。 纺丝液的溶度根据纤维品种和纺丝方法的不同而异。通纺丝液的溶度根据纤维品种和纺丝方法的不同而异。通常用于湿法纺丝的溶度为常用于湿法纺丝的溶度为12

7、25%，干法纺丝的浓度高一些，干法纺丝的浓度高一些，一般在一般在25 35% 之间。之间。 8 纺丝液的浓度对制成纤维的品质有很大影响。纺丝液的浓度对制成纤维的品质有很大影响。在一定范围内，适当提高是有利的；在一定范围内，适当提高是有利的；但随着浓度的提高，纺丝液的粘度急剧增加，这就但随着浓度的提高，纺丝液的粘度急剧增加，这就给原液的过滤、脱泡和纤维成形过程带来很大的给原液的过滤、脱泡和纤维成形过程带来很大的困难；困难；另外，所得纤维的品质也并非随浓度的提高而成比另外，所得纤维的品质也并非随浓度的提高而成比例的提高。例的提高。 9熔体纺丝过程包括四步熔体纺丝过程包括四步:1. 纺丝熔体的制备；

8、纺丝熔体的制备；2. 将熔体经喷丝板眼压出将熔体经喷丝板眼压出熔体细流的形成；熔体细流的形成；3. 熔体细流被拉长变细并冷却凝固；熔体细流被拉长变细并冷却凝固；4. 固态丝条的上油和卷绕。固态丝条的上油和卷绕。纤维的形态结构和微观结构是在整个成形过程中决纤维的形态结构和微观结构是在整个成形过程中决定的，其中定的，其中第三步第三步对超分子结构的形成和纤维的对超分子结构的形成和纤维的物理物理-机械性能影响更大。机械性能影响更大。10第三节第三节 化学纤维主要品质指标的意义及其表示方法化学纤维主要品质指标的意义及其表示方法 反映纤维品质的主要指标有：反映纤维品质的主要指标有：（1）物理性能）物理性能

9、：纤度、比重、光泽、吸湿性、热性能、电纤度、比重、光泽、吸湿性、热性能、电性能等性能等（2）机械性能）机械性能：（力学性能）可将纤维的机械性能包括在：（力学性能）可将纤维的机械性能包括在物理性能之内，统称为物理物理性能之内，统称为物理-机械性能，包括断裂强度、机械性能，包括断裂强度、断裂伸长、初始模量、断裂功、回弹性、耐多次变形性等断裂伸长、初始模量、断裂功、回弹性、耐多次变形性等（3）稳定性能）稳定性能：对高温与低温的稳定性（热性能）、对光对高温与低温的稳定性（热性能）、对光-大气的稳定性、对高能辐射的稳定性、对化学试剂（酸、大气的稳定性、对高能辐射的稳定性、对化学试剂（酸、碱、氧化剂、还原

10、剂、溶剂等）的稳定性、对微生物作用碱、氧化剂、还原剂、溶剂等）的稳定性、对微生物作用的稳定性（耐腐蚀、防蛀性）、阻燃性、对时间的稳定性的稳定性（耐腐蚀、防蛀性）、阻燃性、对时间的稳定性（耐老化性）等。（耐老化性）等。（4）加工性能）加工性能包括纺织加工性能和染色性能。包括纺织加工性能和染色性能。（5）实用性能）实用性能包括保形性、耐洗涤性、吸汗性、透气性、包括保形性、耐洗涤性、吸汗性、透气性、抗沾污性等。抗沾污性等。11补充：纤度补充：纤度： A. 特克斯特克斯(tex)：1000米长度的纤维在公定回潮率米长度的纤维在公定回潮率时的重量称为特数。时的重量称为特数。 公公 式：式：tex=（g/

11、L）1000 分特分特(dtex): 1特特=10分特分特 B. 旦尼尔旦尼尔(D)：9000米长的纤维在公定回潮率时米长的纤维在公定回潮率时的重量称的重量称 为旦数。为旦数。 公公 式：式：D=（g/L）9000 1D=10/9dtex12织物的回潮率，公定重量。织物的回潮率，公定重量。 回潮率回潮率=（湿重（湿重-干重）干重）/干重干重100% 公定回潮率公定回潮率：国家对各种纺织材料的回潮率规定了：国家对各种纺织材料的回潮率规定了相应的标准相应的标准 , ,在数值上接近标准温湿度条件下测得的在数值上接近标准温湿度条件下测得的平衡回潮率。平衡回潮率。 棉纱棉纱8.5%; 棉布棉布8%; 涤

12、棉纱涤棉纱65/35布匹布匹3.06%; 涤棉涤棉50/50，布匹，布匹 4.2%; 公定重量：织物在公定重量：织物在公定回潮率下公定回潮率下的重量为公定重量。的重量为公定重量。13 定重制：定重制： A. 公支数公支数（公支）：（公支）：1克纱（丝）所具有的长度米数。克纱（丝）所具有的长度米数。 公公 式：式：N=L/g B. 英支数英支数（英支）：（英支）：1磅纱线所具有的磅纱线所具有的840码长度的倍数。码长度的倍数。 公公 式：式：Ne=L/(g840) 1 磅磅 453.6 克克 1 米米 1.0936 码码 14对高温的稳定性对高温的稳定性 纤维在加工过程中要经受高温的作用（烘干）

13、，在使用过纤维在加工过程中要经受高温的作用（烘干），在使用过程中也要接触到高温（洗涤、熨烫）。程中也要接触到高温（洗涤、熨烫）。 通常用通常用“耐热性耐热性”来表征纤维对高温作用的稳定性，来表征纤维对高温作用的稳定性，其涵义其涵义有两方面有两方面，一是纤维的熔点高低；二是纤维对热分解的稳定性一是纤维的熔点高低；二是纤维对热分解的稳定性。v耐热性和热稳定性之间的区别耐热性和热稳定性之间的区别耐热性表征纤维在升高温度下测得的机械性能的变化，在回复耐热性表征纤维在升高温度下测得的机械性能的变化，在回复到室温时能回复到室温时能回复可复变化。可复变化。热稳定性：将纤维加热并冷却至室温后，由于聚合物发生了

14、降热稳定性：将纤维加热并冷却至室温后，由于聚合物发生了降解或化学变化，一些机械性能的不可复变化。解或化学变化，一些机械性能的不可复变化。15 影响纤维对高温作用的稳定性的因素主要有：（影响纤维对高温作用的稳定性的因素主要有：（1）聚合物分子链的化学结构；（聚合物分子链的化学结构；（2）大分子间是否有交联；）大分子间是否有交联；（3）分子间作用力的强弱；（）分子间作用力的强弱；（4）纤维受热时所处的介质）纤维受热时所处的介质（水分（水分）；（）；（5）抗氧剂和热稳定剂的性质和含量。）抗氧剂和热稳定剂的性质和含量。16阻燃性阻燃性 极限氧指数法极限氧指数法是在规定的实验条件下是在规定的实验条件下,

15、在氧气、氮气混在氧气、氮气混合气流中，刚刚能维持试样燃烧所需要的最低氧气浓度，合气流中，刚刚能维持试样燃烧所需要的最低氧气浓度，即氧气和氮气混合气体中的最低体积百分数，用即氧气和氮气混合气体中的最低体积百分数，用LOI表表示示： LOI=O2/（O2+N2）100% 纤维的纤维的LOI21%，在空气中不易燃烧，在空气中不易燃烧17各种纤维的极限氧指数各种纤维的极限氧指数18染色性能染色性能 染色性对于纺织纤维来说是一种重要的性能，染色性对于纺织纤维来说是一种重要的性能，染色性能与纤维的分子结构及超分子结构有关，染色性能与纤维的分子结构及超分子结构有关，可以来研究纤维的非晶区结构，比如用染色二色

16、可以来研究纤维的非晶区结构，比如用染色二色性可以研究纤维非晶区的取向。性可以研究纤维非晶区的取向。 纤维的染色性与三方面因素有关：纤维的染色性与三方面因素有关：染色亲和染色亲和力，染色速度，纤维力，染色速度，纤维染料复合物的性质染料复合物的性质。 19决定染色速度的因素：决定染色速度的因素：（1）染浴中的染料向纤维表面扩散；）染浴中的染料向纤维表面扩散；（2）染料被纤维表面吸附；）染料被纤维表面吸附；（3）染料从纤维表面向纤维内部扩散。）染料从纤维表面向纤维内部扩散。最慢，决定总速最慢，决定总速度的主要因素度的主要因素染料与纤维的亲和力染料与纤维的亲和力问题是染色化学的重要课题，一般说来，问题

17、是染色化学的重要课题，一般说来，染料与纤维的结合，可通过离子键、共价键、氢键、偶极的相染料与纤维的结合，可通过离子键、共价键、氢键、偶极的相互作用。互作用。纤维纤维染料复合物的稳定性是决定染色坚牢度（耐洗、耐光）染料复合物的稳定性是决定染色坚牢度（耐洗、耐光）的结构因素的结构因素思考题1.纤维的长度、粗度与线密度？纤维的长度、粗度与线密度？2.合纤具有的共同性能？合纤具有的共同性能？3.合成纤维的生产过程？合成纤维的生产过程？4.制备纺丝液的溶剂应具备的特点？制备纺丝液的溶剂应具备的特点？5.决定染色速度的因素？决定染色速度的因素？20补充：碳纤维碳纤维1碳纤维（碳纤维（ CF）：）： 是是有

18、机纤维有机纤维在在惰性气氛惰性气氛中经中经高温碳化高温碳化而成的纤维状碳化合物而成的纤维状碳化合物。或：纤维化学组成中或：纤维化学组成中碳元素占总质量碳元素占总质量9090以上的纤维。以上的纤维。Notes：v 只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作为只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作为CF的原料。的原料。v 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。 212 CF2 CF分类分类按原丝类型按碳纤维性能按碳纤维的功能按制造条件和方法CF分类方法按原丝类型分类按原丝类型分类聚丙烯腈基粘胶基沥青基木质素纤维基其他有机纤维基按

19、碳纤维按碳纤维性能分类性能分类高强度CF （HS）高模量CF （HM）超高强CF （UHS）超高模CF （UHM）高强高模CF中强中模CF 等通用级CF：拉伸强度1.4GPa，拉伸模量140GPa高性能CF按碳纤维的按碳纤维的功能分类功能分类受力结构用CF耐焰用CF导电用CF润滑用CF耐磨用CF活性CF按制造条件按制造条件和方法分类和方法分类碳纤维碳纤维：碳化温度碳化温度12001500oC，碳含量，碳含量95以上。以上。石墨纤维石墨纤维：石墨化温度石墨化温度2000oC以上，碳含量以上，碳含量99以上以上。活性碳纤维：活性碳纤维：气体活化法，气体活化法，CF在在6001200oC，用水蒸汽、

20、，用水蒸汽、CO2、空气、空气等活化。等活化。气相生长碳纤维气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维晶须机物在高温下沉积成纤维晶须或短纤维。或短纤维。3 CF的制造的制造 碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。维为原料，采用间接方法来制造。 碳元素的各种同素异形体碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在，根据形态的不同，在空气中在350以上的高温中以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气

21、的惰性气氛中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温时不经液以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。相，直接升华，所以不能熔纺。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。 v原丝的选择条件原丝的选择条件： 强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。v基本条件：基本条件： 加热时不熔融，可牵伸，且加热时不熔融，可牵伸，且CF产率高。产率高。v常用的常用的CF原丝：原丝： 聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥

22、青纤维一般以有机纤维为原料制造CF的过程：有机纤维预氧化处理高温碳化原丝4 CF4 CF的结构的结构4.1 4.1 结构单元结构单元石墨：六方晶系石墨：六方晶系碳纤维：乱层石墨结构碳纤维：乱层石墨结构v最基本的结构单元：最基本的结构单元：石墨片层石墨片层v二级结构单元：二级结构单元：石墨微晶石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成由数张或数十张石墨片层组成)v三级结构单元：石墨微晶组成的三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维原纤维。直径在。直径在50nm左右左右，弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构。，弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构。 4.2 4.2 皮芯层结构皮芯层结构CF由皮层、芯层及中间过

23、渡区组成。由皮层、芯层及中间过渡区组成。v皮层：微晶较大，排列有序。皮层：微晶较大，排列有序。v芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。 4.3 4.3 缺陷缺陷碳纤维中的缺陷主要来自两方面：碳纤维中的缺陷主要来自两方面： 原丝带来的缺陷原丝带来的缺陷 碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。碳化过程带来的缺陷碳化过程带来的缺陷 碳化过程中，大量非碳化过程中，大量非C元素以气体形式逸出，使纤维表面及内部形成空穴元素以气体形式逸出，使纤维表面及内部形成空穴和缺陷。和缺陷。 CF中缺陷的观察研究手段：中缺陷的观察研究手段：扫描电镜扫描电镜(SEM)(SEM)：纤维表面缺陷：纤维表面缺陷透射电镜透射电镜(TEM)(TEM)：纤维内部结构：纤维内部结构5 5CF的性能的性能5.15.1力学性能力学性能模量模量 ：强度强度 ：其中：其中： ：纤维轴向取向度：纤维轴向取向度 E0：材料固有的弹性模量：材料固有的弹性模量 K： 碳化的反应速率常数，是温度的函数。碳化的反应速率常数，是温度的函数。 T升高升高K升高，反应速度提高。升高，反应速度提高。 d： 结晶厚度结晶厚度 10)1 (EE