化学纤维.ppt

1、第第3章章 化学纤维化学纤维化学纤维的诞生与应用化学纤维的问世，结束了人类几千年来只将天然纤维作为唯一纺织原料的历史。为纺织工业提供了一个稳定的，持续发展的原料性能可以人为改变和控制不同性能的纤维。在民用、工农业、交通运输，国防，医疗及尖端科学领域等方面具有广阔的用途。 民用：强度高，比重轻，耐磨损，不霉蛀，易洗快干等。工农业：包装材料，传送带，渔网，绳索等。交通运输：轮胎帘子线。医疗：人造器管，缝合线，消毒纱布，卫生用 品国防：炮衣，降落伞，军用帐蓬，各种防护服宇航：耐辐射，耐高低温纤维，飞行服，宇宙飞船减速器。 长久以来，为了满足人类穿着日益增长的需要，人们一直在寻找更多的纤维材料来源。

2、蚕丝是自然界唯一可供利用的长丝，而且它的形成独具一格由液体状变成固体状。 早在南宋，周去非的岭外代答，广西某县枫树上有“食叶之虫”称做“丝虫”，它的外形“似蚕而呈赤黑色”，每当五月（农历）间“虫腹如蚕之熟”，当地人就捉回用醋浸渍，然后剖开虫腹取出丝素，在醋中牵引成丝，一虫可得丝长6-7尺，这种从野蚕身上抽丝的方法，堪称是人类人工制丝技术最早的事实。 到十八世纪人们想到蚕吃了桑叶能吐出丝，那为什么不能用人工方法，把桑叶制成跟蚕丝相似的纤维呢？后来人们测定了蚕丝和桑叶的组成，发现：桑叶中大量含有碳、氢、氧三元素，而蚕丝中除含有上述元素外，还含有氮。这一发现，启发人们用硝酸来处理纤维素来增加氮的部分

3、。1884年在法国制得硝酸纤维。但因其容易燃烧，加上成本贵，又没多少纺用价值，所以问世不久便停产了，但它毕竟是人类历史上第一次人工制造的纤维。 1891年在英国有人将纤维素黄酸酯溶于稀碱中制成很粘的液体纺丝，因其很粘，故称为粘胶，制成的纤维称为粘胶纤维。它在1905年实现工业化生产。从此以后人造纤维开始走上了成功之路，发展到目前这种现状。可以说人造纤维的制造成功是仿生学的应用的成功。 一、世界化学纤维工业的发展概况一、世界化学纤维工业的发展概况v1884年，法国人H.B. Chardonnet制成最早的化学纤维硝酸酯纤维；1891年法国进行工业生产；v1901年，纤维素的铜氨溶液制成铜氨纤维；

4、v1905年，用CS2与碱纤维素作用得到溶解性的纤维素磺酸酯，制成粘胶纤维；v1935年，意大利人从牛乳中提取乳酪素，制成人造羊毛；v到40年代末，各种人造纤维的世界年总产量已超过60万吨，其中，粘胶纤维占84%。此后，又有高湿模量纤维、超强力粘胶纤维、永久卷曲粘胶纤维等问世。v1935年，合成聚酰胺66，1938年，开始生产；v1941年，聚己内酰胺纤维在德国工业化生产；v1944年，发明聚酯纤维，1949年开始生产；v1948年，聚丙烯腈纤维开始生产；v1958年，聚丙烯纤维实现工业化生产。我国化学纤维工业发展概况v第一阶段 起步阶段 （19561965年） 粘胶纤维、维纶、腈纶v第二阶段

5、 奠基阶段 （19661980年） 合成纤维v第三阶段 发展阶段 （19811995年） 仪征化纤、上海石化、广东新会、佛山、平顶山、辽宁抚顺v第四阶段 持续增长 占世界化学纤维产量55以上二、二、 化学纤维的品种及特性化学纤维的品种及特性分类定义纤维再生纤维以天然高聚物为原料制成浆液其化学组成基本不变并高纯净化后制成的纤维再生纤维素纤维：如粘胶纤维、Modal纤维、铜氨纤维、竹浆纤维、醋酯纤维、Lyocell纤维、富强纤维等；再生蛋白质纤维：如酪素纤维、大豆纤维、花生纤维、再生角朊纤维、再生丝素纤维等；合成纤维以石油、煤、天燃气及一些农副产品为原料制成单体，经化学合成为高聚物，纺制的纤维涤纶

6、、锦纶、维纶、氯纶、氨纶。无机纤维以天然无机物或含碳高聚物纤维为原料，经人工抽丝或直接炭化制成的无机纤维玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维等（一）再生纤维v1. 粘胶纤维v纤维素不熔融，直接溶解制备纺丝溶液的成本高。v先将纤维素与碱作用制成碱纤维素，碱纤维素在一定温度下和二硫化碳作用，生成纤维素黄酸酯。把纤维素黄酸酯溶于稀碱即制成粘胶。v纺丝过程：浆粕的准备碱纤维素的制备老成纤维素黄酸酯的制备熟成溶解混合过滤纺丝拉伸水洗脱硫漂白 酸洗上油干燥v具有皮芯层结构v（1）吸湿优良，仅次于羊毛而优于棉v（2）染色性优良v（3）耐热性高，优于棉。没热塑性，高温时不变软，不粘连v（4）易发生多种化学反应v（5）

7、易伸长变形，故织物缩水性大，吸湿后膨胀变硬。v（6）湿态强度、模量低v（7）耐磨性差。粘胶纤维特种纤维强力纤维高湿模量类普通纤维长丝短纤维棉型、毛型、中长、高卷曲富强纤维（波里诺西克）高湿模量纤维（HWM）高卷曲纤维普通型强力纤维超强力型纤维复合、交联、接枝、阻燃、中空、防射线根据力学性能可分为富强纤维强力粘胶HWM纤维普通粘胶干态湿态010203012345伸长率（）比强度（N/tex）2. 溶剂纺纤维素纤维（Lyocell）vLyocell是以纤维素浆粕直接溶于有机溶剂N-甲基吗啉-N氧化物纺制形成的新型纤维素纤维。vLyocell于1989年由国际人造丝及合成纤维标准化局确认，1992年

8、美国联邦贸易委员会也确认，并经ISO组织批准，归属于纤维素纤维vLyo希腊文“Lyein”，溶解vCell“Cellulose”，纤维素vAcordis公司 Tencell， Courtaulds LyocellvLenzing AG公司 Lenzing LyocellvAzko Nobel和Lenzing公司合资 Newcell 木浆 混合 溶解 过滤 纺丝 水洗 溶剂NMMO 蒸发 纯化 整理 干燥 卷曲 Lyocell纤维v结构特征：聚合度高、结晶度高、取向度高等v性能：具有干湿强度大、初始模量高、在水中收缩率小、尺寸稳定性好、吸水膨润性大以及有突出的原纤化特征。3. 铜氨纤维v属于溶剂

9、纺纤维素纤维，1899年开始生产v溶剂：铜氨溶液v纤维表面光滑，光泽柔和，有真丝感v主要用于制作高档衣料4. 醋酯纤维v(1) 二醋酯（7492羟基乙酰化）：滤材v(2) 三醋酯（大于92的羟基乙酰化）：纺织 截面为不规则多瓣形，无皮芯结构。 模量较低，易伸长，低伸长下弹性回复性能好 织物柔软，有弹性，不易起皱，悬垂性好 主要用途：女用内衣和绸类面料5. 再生蛋白质纤维v酪素蛋白、牛奶蛋白、蚕蛹蛋白、大豆蛋白、花生蛋白v方法：共混纺丝（高再生蛋白）v 接枝共聚纺丝（低再生蛋白）v80%以上：再生蛋白纤维v2080：混合或复合纤维v低于20：蛋白质改性纤维v特点：纤维强度低；耐热性差，易泛黄；纤

10、维自身发黄；成本高。（二）合成纤维1. 聚酯纤维v v聚对苯二甲酸乙二酯纤维（PET）v阳离子染料可染共聚酯纤维v聚对苯二甲酸丁二酯纤维（PBT）v聚对苯二甲酸丙二酯纤维（PTT）v聚萘二甲酸乙二酯纤维v我国将含聚对苯二甲酸乙二酯组分大于85%的合成纤维成为聚酯纤维，商品名称为涤纶。 COCOOCH2OCH2n 物理性质v颜色：一般为乳白色并带有丝光；生产无光产品在纺丝前需加入消光剂；生产纯白色产品需加入漂白剂；有色丝需在熔体中加入颜料或涂料。v表面及横截面形状：常规涤纶表面光滑，截面近于圆型。异型喷丝板则可制成各种特殊形状。v密度：涤纶完全无定型时密度为1.333，完全结晶时为1.455，一

11、般为 1.38 1.40g/cm3。v回潮率：标准状态下为0.4%。低于腈纶和锦纶。织物洗可穿性好，吸湿性差、透气性差，静电现象严重。v热性能：软化点230240，熔点255265，分解点为300。在火中能燃烧，发生卷曲，并熔融成珠，有黑烟及芳香味。v耐光性：仅次于腈纶。涤纶在315nm光波区有强烈吸收带，日光照射600小时后，强度损失60%。v电性能：导电性差，是一种良好的绝缘体 力学性能v强度高：干态强度47cN/dtex，在湿态下强度不下降。v延伸度适中：20%50%v模量高：在合纤中，涤纶的初始模量为最高，这是涤纶织物尺寸稳定，不变形、不走样，褶裥持久。v回弹性好：近于羊毛，伸长5%时

12、，去负荷后几乎完全可以回复。织物抗皱性超过其他合纤。v耐磨性：仅次于锦纶超过其他合纤 化学稳定性 v耐酸性：对酸很稳定，但室温下不能抵抗浓硝酸和浓硫酸的长时间作用。v耐碱性：大分子上的酯基受碱作用容易水解。在常温下与浓碱、高温下与稀碱作用是纤维破坏，只有在低温下对稀碱或弱碱才比较稳定。v耐溶剂性：对一般非极性有机溶剂有极强的抵抗能力，在室温下对极性有机溶剂也有相当强的抵抗能力。主要缺点v吸湿性差，0.4%v染色性差v织物易起毛起球v抗熔性差2. 聚酰胺纤维v分子主链由酰胺键(CONH) 连接起来的合成纤维的统称。v脂肪族聚酰胺纤维v特征基团：v 有极性集团-CONH-；-NH2；-COOH；v

13、单基较长，无支链，属柔性基团v锦纶是柔曲大分子，空间呈平面锯齿形。 v有范德华力、氢键力；结晶度比涤纶略低。 N(CH2)6NOC(CH2)4COHHn NOCHn (CH2)5v（1）机械性质 断裂强度、屈曲强度较高，伸长大； 初始模量较低，使用过程易变形，织物的保形性和挺括性较差； 断裂功大，弹性好，耐磨性好。v（2）吸湿染色性 W=4.5%，合成纤维中仅次于锦纶v（3）热学性质 耐热性差； 安全使用温度: 低于93(锦纶6); 低于130(锦纶66)； 熔点：215 (锦纶6)，250 (锦纶66) 遇火熔成小孔v（4）耐光性差，易变色和发脆v（5）耐碱不耐酸： 95 NaOH(10%)

14、处理16小时，强力几乎无损失 可溶解于59%的硫酸以及热的甲酸和乙酸中v锦纶6和锦纶66的区分： 锦纶6溶解于15%的盐酸 锦纶66溶解于20%的盐酸适用于运动类服装、伞、绳及轮胎帘子线或产业用3. 聚丙烯腈纤维 v丙烯腈占85%以上的共聚纤维,其基本组成为丙烯腈 CH2CHCNn。商品名称腈纶。v丙烯腈含量低于85%的共聚纤维称为改性聚丙烯腈纤维。v手感柔软弹性好，“合成羊毛”v第一单体：丙烯腈（超过85%）； v第二单体：丙烯酸甲酯、甲醛丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯等；v第三单体：引入一定量带有酸性或碱性染料的基团氰基强极性适合共混、接枝共聚 v1.结构 准晶结构v2.性质 强度较低，伸长较大；

15、 初始模量：E锦纶E腈纶106) CH2CH2n 丙纶纤维的特点v1. 结构 分子间不存在强的化学结合力。 等规聚丙烯分子量相当高，具有较高的立体规整性，易结晶。v2. 性质 机械性质：强度较高，伸长率较大，初始模量不高，弹性很好，耐磨性好。 吸湿染色性：吸湿性、染色性很差 热学性质：熔点低，耐湿热不耐干热 耐光性特别差，易老化 化学稳定性很好，耐酸、耐碱、耐其他化学试剂 具有“芯吸”效应，导湿性好v 密度最轻：0.91g/cm3v保暖性好v是比重最轻的合成纤维，人水不沉。飞机上的毛毯、宇航员的衣服用它制作，可以减轻升空的负担。5. 聚乙烯醇纤维v 聚乙烯醇纤维 CH2CHOH nv聚乙烯醇缩

16、甲醛纤维 CH2CHCH2CH n O-O可与其他共聚物共混纺丝v1.结构： 皮芯层结构 截面形状： 浓度30%，哑铃状；浓度40%，圆形； 大分子主链呈平面锯齿形。v 2.性质 机械性质：强度较高，伸长率不大，初始模量比涤纶低，弹性较差，耐磨性较好。 吸湿性：W=5.0%，在合纤中居于首位，“合成棉花”; 染色性不好，色泽不鲜艳 热学性质：耐干热稳定性较好，耐热水性较差。 耐碱不耐强酸； 耐光性、耐腐蚀性较好； 热传导系数低，保暖性较好； 6. 聚氨酯纤维v1. 结构 嵌段共聚物 由具有柔性的不结晶的低分子软链段（如聚酯或聚醚链段）和具有刚性的结晶的硬链段（如二异氰酸酯）共聚而成。v2. 性

17、质 机械性质：强度较低，伸长率大（450800%）；初始模量低，弹性特别好 吸湿性较差 W=0.81% 热学性质：在日光照射下稍微发黄，且强度稍有下降 具有较好的耐酸碱性、耐光性等v密度小：1.0-1.3g/cm3 v使用形式： 氨纶纤维一般不单独使用，而是与其它纤维混合使用。 三种形式：裸丝 单层或双层色覆纱 包芯纱7. 聚氯乙烯纤维v聚氯乙烯纤维 氯纶 CH2CHCl nv氯化聚氯乙烯纤维 过氯纶 CH2CHClCHClCHClCH2CHClv偏氯纶：氯乙烯与偏二氯乙烯共聚v维氯纶v腈氯纶三、化学纤维制造技术1. 化学纤维制造概述可以概括四个工序： 原料制备 纺前准备 纺丝 后加工 用于化

18、学纤维生产的高分子化合物，称为成纤高聚物。成纤高聚物可分为两类：(1) 天然高分子化合物;(2) 合成高分子化合物。2. 化学纤维的纺丝成形将成纤聚合物熔体或浓溶液，用纺丝泵（计量泵）连续、定量且均匀地从喷丝头（喷丝板）挤出，再在空气、水或凝固浴中固化成为初生纤维的过程，称作“纤维成型”，或称“纺丝”v原料制备：（1）再生纤维：将天然高分子化合物经一系列的化学和机械加工，除去杂质等。（2）合成纤维：将低分子化合物通过聚合反应生成高分子化合物v纺前准备 化学纤维的成形采用熔体纺丝或溶液纺丝。 熔点低于热分解温度的可以采用熔体纺丝，也可以进行溶液纺丝；涤纶、锦纶、丙纶等等采用此法。 熔点与热分解温

19、度接近甚至高于热分解温度的采用溶液纺丝方法成形。粘胶、维伦、腈纶等采用此法。 熔融（溶解）、混合、过滤v1.熔体纺丝熔体纺丝：凝固介质为冷空气v2.溶液纺丝溶液纺丝 干法纺丝干法纺丝：凝固介质为干热气流 湿法纺丝湿法纺丝：凝固介质为含凝固剂的凝固浴 3. 其他纺丝法其他纺丝法:干湿法纺丝、液晶法纺丝、冻胶纺丝、相分离纺丝法、乳液或悬浮液纺丝、反应纺丝法等。2.1 熔体纺丝将高聚物加热至熔点以上的是当温度制成的纺丝熔体，送至纺丝箱体中的各纺丝部位，在经纺丝泵定量压送到纺丝组件，过滤后从喷丝板中压出而成为细流，并在纺丝甬道中冷却成形。纺丝速度一般为10002000 m/min，高者可达300060

20、00m/min空气原料螺杆挤出机喷丝板纺丝甬道给油盘导丝盘卷绕装置2.2 湿法纺丝经混合、过滤和脱泡后的纺丝液送至纺丝机，通过计量泵，经烛形滤器、鹅颈管进入喷丝头，从其毛细孔中挤出进入凝固浴，高聚物在凝固浴中析出形成初生纤维。纺丝速度一般为18380m/min纺丝原液凝固浴喷丝头卷绕装置湿法纺丝示意图2.3 干法纺丝溶剂的选择：应使溶液中聚合物的浓度尽可能的高，沸点和蒸发潜热尽可能的低，可燃性满足安全防护要求。最常用的纺丝溶剂为丙酮、二甲基甲酰胺等。目前，干法纺丝的纺丝速度一般为200500 m/min，高者可达10001500m/min。干法纺丝一般是化学纤维长丝，主要品种有腈纶、醋酯纤维、

21、氯纶、氨纶等。空气及溶剂挥发出口喷丝头卷绕筒蒸汽蒸汽空气过滤器纺丝泵干法纺丝示意图3. 化学纤维消光及后处理3.1 化学纤维消光v为减少或消除化纤的光泽，纺丝时需添加消光剂二氧化钛：金红石 折射率 2.75锐钛矿 折射率 2.55纤维 折射率 1.401.70v加入消光剂的数量不同，可以生产有光、半光和无光纤维。v短纤维一般无光或半光，长丝一般有光3.2 化学纤维后处理v纺丝成形得到的丝称为初生丝v初生丝强度低、伸长大，沸水收缩率大，一般不能直接用于纺织加工v长丝：拉伸加捻定型上油络丝漂白（湿法纺丝）v短纤维：集束抽伸上油卷曲热定型切断（牵切）打包（1）拉伸）拉伸：提高纤维的取向度，进而提高纤

22、维的断裂强度、降低断裂伸长率，提高耐磨性和疲劳强度。按拉伸次数：一道牵伸和多道牵伸 按拉伸介质：干牵伸、蒸汽牵伸和湿牵伸 按拉伸温度：冷牵伸和热牵伸（2）热定型）热定型：消除纤维的内应力，提高结晶度和结构稳定性，减少蠕变和沸水收缩率，提高纤维尺寸稳定性。热定型分紧张热定型和松弛热定型（3）上油 化纤油剂分纺织油剂和纺丝油剂。各种油剂的配方和成分并不相同。油剂的成分一般包括:平滑剂、柔软剂、渗透剂、抗静电剂等。其原料如下： 润滑成分：天然植物油，矿物油，合成酯类等乳化成分：表面活性剂等调整成分：表面活性剂高级脂肪醇，脂肪酸添加成分：防氧化剂，防毒剂，水，有机溶剂等。 化纤上油都是用乳化液，必须加

23、入表面活性剂。表面活性剂分阳离子型、阴离子型、非离子型、两性离子型等。化纤上油的作用1. 提高柔软润滑性。化纤上油后，在纤维表面形成一层油膜，降低了纤维的摩擦系数。纤维的柔软性取决于静摩擦系数，润滑性则取决于动摩擦系数。2 提高纤维的抗静电性。抗静电剂在纤维的表面定向排列，亲水基团向着空气，疏水集团向着纤维：（1）降低纤维的表面比电阻；（2）摩擦产生相反的电荷，使电荷中和；（3）降低摩擦系数，减少电荷量。 （4）切断v短纤维：切断（等长）、牵切（不等长）v牵切使纤维长度特征更接近于天然短纤维，主要通过两对或多对速度不同的加压罗拉牵伸长丝束直至拉断的过程，纤维发生随机断裂。四、差别化纤维（Dif

24、ferential fiber）v一般泛指对常规化纤品种有所创新或赋予某些特性的化学纤维，指在现有化学纤维基础上经过化学改性或物理改性的化学纤维。v高感性纤维（High touch fiber） 指外观、触感、视觉、嗅感、风格、质感等感觉方面性能优良的纤维。包括异型纤维、异收缩混纤丝和超细纤维等。（一）改性方法v1. 物理改性：改进聚合和纺丝条件、纤维截面、复合纺丝、共混纺丝v2. 化学改性：共聚、接枝、交联等v3. 表面物理化学改性（二）差别化纤维分类v1. 变形纱v具有（或潜在地具有）卷曲、螺旋、环圈等外观特性而呈现蓬松性、伸缩性的单根或多根长丝纱。v主要品种有弹力丝（高弹丝，低弹丝）和膨

25、体纱。变形方法主要有假捻法、空气喷射法、热气流喷射法、填塞箱法和赋型法等。1.1 膨体纱v膨体纱是利用聚合物的热可塑性，将两种收缩性能不同的合成纤维毛条按比例混合，经热处理，高收缩毛条发生收缩迫使低收缩毛条中的纤维发生卷曲，从而使之具有蓬松性，类似毛线。1.2 假捻变形纱 一级热箱(变形) 高弹丝 假捻器 二级热箱(变形) 低弹丝 1.3 空气变形丝（ATY） 空气变形丝又称喷气变形丝。原丝为POY或FOY，通过一个特殊的喷嘴，在空气喷射作用下单丝弯曲形成圈状结构，环圈和线圈缠结在一起，形成具有高度蓬松性的环圈丝。 空气变形丝具有仿短纤纱的效果。1.4 网络丝v利用高速气流垂直间歇地冲击丝束，

26、使单丝之间互相纠缠和扭结，形成周期性的网络结，从而增加纤维间的抱合性。v2种不同的长丝并合使用时，长使用网络加工，可减少纱线起毛、织造断丝等加工性能。1.4 其他变形方法（1） 刀口变形纱 （2）填塞箱变形丝（3）编结拆散变形丝 （4）齿轮卷曲变形丝（5）膨体纱2. 异形纤维（Profiled fiber）v经非圆形喷丝孔纺制的具有特殊横截面形状的化学纤维。v三角形纤维 闪光效应v十字型锦纶 回弹性强v五叶形截面的长丝 真丝光泽、抗起球、手感好v中空纤维 保暖性和蓬松性优良4DG fiber Hollow fiber 3. 复合纤维(Bicomponent fiber)v有两种或两种以上聚合物

27、用复合纺丝法纺制而成，亦称“双组分纤维”或“多组分纤维”。有并列型、皮芯型、海岛型和裂离型等品种。 并列型 螺旋状卷曲 皮芯型 螺旋状卷曲、兼具两种或 突出一种聚合物的性质 海岛型 超细纤维 裂离型 超细纤维4. 超细纤维（Superfine fiber）v目前尚无统一的定义。一般认为，属于超细纤维范畴的纤维线密度应低于0.55dtex，而线密度在0.551.11dtex地纤维称为微细纤维。v涤纶纤维超细化以后，飘逸性、悬垂性、舒适性、透气性、耐磨性、抗皱性、免烫性、缩水性都有明显的增加或改善。纤维超细化的方法主要采用复合纺丝的方法。5. 共混纤维(Blended spun fiber ) 两

28、种或多种聚合物混合后纺成的化学纤维。亦称“双成分纤维”或“多成分纤维”。 如大豆纤维6. 混纤丝v由几何形态或物理性能不同的单丝组成的复丝v目的：提高合成纤维的自然感v类型：异收缩、异形、异细度及多异混纤7. 其他类型v（1）高收缩纤维v（2）吸水吸湿纤维v（3）易染色纤维五、功能性纤维v指在一般纤维具有的物理-机械性能的基础上，具有某种特殊功能的纤维。其设计和制备是为了适用于某些特殊的目的和用途。v中空纤维、离子交换纤维、活性炭纤维用于物质分离；v光导纤维、导电纤维用于传导；v抗静电纤维、保温纤维、阻燃纤维、防辐射纤维等用于对人体和环境的防护。类别v（1）抗静电和导电纤维v（2）蓄热纤维和远红外纤维v（3）防紫外线纤维v（4）阻燃纤维：阻燃粘胶（磷系阻燃剂）、腈氯纶、阻燃涤纶（接枝共聚）v（5）弹性纤维v（6）抗菌防臭纤维v（7）变色纤维