第4章-合成纤维

1双酚A型聚砜的结构异亚丙基：脂肪基，有一定的空间体积，可以减少分子间相互作用力，赋予聚合物韧性和熔融加工性。醚基：增强分子链的柔顺性，并改善熔融加工性。砜基：提供刚性、耐热性、抗氧化性。亚苯基：提供刚性、耐热性、稳定性。2第4章合成纤维4.1概述4.2通用合成纤维4.3高性能合成纤维4.4功能合成纤维34.1概述纤维是制造织物和绳线的原料。纤维的含义：凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料均称纤维。它可分为天然纤维和化学纤维。化学纤维又可分为人造纤维和合成纤维。4天然纤维自然界存在的和生成的具有纺织价值的纤维，是纺织工业的重要材料来源。约占纺织纤维年总产量的50%按照来源不同，分为植物纤维、动物纤维和矿物纤维植物纤维：又称天然纤维素纤维，主要组成物质是纤维素；5主要品种：棉、大麻、黄麻、亚麻、蕉麻、剑麻、赫纳昆麻和椰壳纤维等棉：主要成分是纤维素、水分、脂肪、蜡质、蛋白质、果胶及灰分等性质强度较低，延伸率较低，但湿强度较高。6麻以苎麻纤维和亚麻纤维为主。“轻如蝉翼，薄如宣纸，平如水镜，细如罗绢”苎麻是中国特有的以纺织为主要用途的农作物，是我国国宝，我国的苎麻产量约占全世界苎麻产量的90%以上，在国际上称为“中国草”。7动物纤维：又称蛋白纤维，其主要组成成分是蛋白质；主要品种：动物的肤毛发与绒毛、禽类的羽绒、蚕丝及其它蛋白纤维。羊毛纤维，是从绵羊身上剪下的，按纤维细度、长度分级。一般呈圆柱形，从根部到顶梢逐渐变细，具有螺旋卷曲。好羊毛多数呈白色或奶油色。8性能

羊毛比棉轻，强度比棉低，但弹性好，其织物挺或不易折皱。应用羊毛是宝贵的纺织原料，能织四季衣着，所织冬季织物质地厚实，手感柔软，保暖性好；春秋季织物质地丰满，光泽柔和，挺括；夏季织物质地薄细、滑爽。9蚕丝又称为天然丝。生丝是由两根丝纤朊（约75%～82%）被丝胶朊（约18%～25%）粘合而成。丝胶朊能溶于热水或弱碱性溶液。除去丝胶朊而得的丝纤朊，俗称熟丝，白色，柔软有光泽，强度高，是热和电的不良导体。10矿物纤维：石棉是最大宗的天然矿物纤维；作为纺织材料主要是温石棉和青石棉11化学纤维用天然的或人工合成的高分子材料为原料制成的纤维。人造纤维是用天然高分子材料为原料，经过化学处理和机械加工制成的如：“人造丝”、“人造棉”。具有与天然纤维相似的性能，有良好的吸湿性，透气性和染色性，手感柔软，富有光泽，是一类重要的纺织材料。12化学纤维合成纤维是以石油、煤、天然气为原料制成的，它发展很快。如：涤纶、锦纶、腈纶13合成纤维的发展诞生于20世纪30年代；是用石油、天然气、煤或农副产品为原料合成的聚合物经加工制成的。1931年，美国，合成出尼龙66，锦纶66；1938年，德国，合成出聚酰胺6；141939年，聚氯乙烯纤维，（氯纶）；1949年，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维（涤纶）；1950年，聚丙烯腈纤维（腈纶）、聚乙烯醇纤维1958年，聚丙烯纤维（丙纶）、聚乙烯醇缩丁醛纤维（维纶）；151961年，聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（芳纶）；1983年，聚苯并咪唑、聚苯硫醚纤维合成纤维已经广泛应用到国民经济的各个领域，对人们的生活起着举足轻重的作用。16合成纤维的分类合成纤维通用合成纤维高性能合成纤维功能合成纤维涤纶、聚酰胺、腈纶和丙纶，产量大，应用广强度大、模量大的纤维；它由刚性链聚合物和柔性链聚合物纺丝制造具有除力学和耐热性外的特殊性能，如光、电、化学、高弹性和生物降解性等的纤维，产量小，但附加值大17合成纤维的制备制备工艺成纤聚合物的制备纺丝工艺熔体纺丝溶液纺丝将聚合得到的聚合物熔体直接进行纺丝一步溶液纺丝：直接将聚合后得到的聚合物溶液作为纺丝液进行纺丝二步法溶液纺丝：将固体聚合物配制成纺丝液，再进行溶液纺丝电纺丝18熔体纺丝步骤：（1）纺丝熔体的制备（2）熔体经喷丝板孔眼压出形成熔体细流（3）熔体细流被拉长变细并经冷却凝固（4）固态纤维上油和卷绕涤纶、聚酰胺、丙纶一般采用此法1920熔体

纺丝：21溶液纺丝步骤：（1）纺丝液的制备（2）纺丝液经过纺丝泵计量进入喷丝头的毛细孔压出形成原液细流（3）原液细流中的溶剂向凝固浴扩散，浴中的沉淀剂向细流扩散，聚合物在凝固浴中析出形成初生纤维；（4）纤维拉伸和热定型，上油和卷绕22溶液纺丝：23电纺丝电纺丝是通过施加到聚合物熔体或溶液外部电场制备具有纳米尺寸的连续纤维24纺丝的工艺参数纺丝工艺参数包括：纺丝速率、熔体温度、纺丝液浓度、热定型温度纺丝工艺参数对合成纤维的结构和性能影响很大。聚合物纺丝过程中遭受剪切和拉伸力。，一般来说，无定形合成纤维为皮芯结构，结晶纤维为三相结构。25剪切和拉伸作用下的链结构26皮芯结构和三相结构27合成纤维的性能具有优良的物理、机械性能和化学性能如，强度高、密度小、弹性高、耐磨性好、吸水性低、保暖性好、耐酸碱性好、不会发霉或虫蛀等某些特种纤维还具有耐高温、耐辐射、高强力、高模量等特殊性能28合成纤维的应用超出了纺织工业的范围，逐渐深入到国防工业、航空航天、交通运输、医疗卫生、海洋水产、通讯联络等重要领域例如，民用上可纺制轻暖、耐穿的各种服装面料、装饰，可混纺；工业上可用作轮胎帘子布、运输带、传送带、渔网、绳索、工作服等；高性能特种合成纤维可用作降落伞、飞行服、飞机导弹、雷达的绝缘材料等。294.2通用合成纤维4.2.1聚酰胺纤维世界上最早投入工业化生产的合成纤维中国商品名“锦纶”，国际商品名“尼龙”、“耐纶”、“卡普隆”等聚酰胺纤维是脂肪族和半芳香聚酰胺经熔融纺丝制备的合成纤维；分子主链中含有酰胺键。301938年10月27日正式宣布世界上第一种合成纤维诞生1939年10目24日杜邦在总部所在地公开销售尼龙丝长袜时引起轰动，被视为珍奇之物争相抢购。人们曾用“象蛛丝一样细，象钢丝一样强，象绢丝一样美”的词句来赞誉这种纤维，1940年5月，尼龙纤维织品的销售遍及美国各地。从第二次世界大战爆发直到1945年，尼龙工业被转向制降落伞、飞机轮胎帘子布、军服等军工产品。1958年4月，第一批中国国产己内酰胺试验样品在锦州化工厂试制成功。产品送到北京纤维厂一次抽丝成功，从此拉开了中国合成纤维工业的序幕。因为它诞生在锦州化工厂，所以这种合成纤维后来就被命名为“锦纶”31分两类：一类由二元胺和二元酸缩聚制得；另一类由ω-氨基酸缩聚或由内酰胺开环聚合而得具有吸水性32聚酰胺纤维的性能它是合成纤维中性能优良、用途广泛的品种之一（1）耐磨性好、位于合成纤维之首，比棉花高10倍，比羊毛高20倍，适合于做绳索、袜子等（2）强度高、耐冲击性好。它是强度最高的合成纤维之一。比棉花高1~2倍，比羊毛高4~5倍，适合于做轮胎帘子布等33（3）弹性、耐疲劳性好。比棉花高7~8倍（4）密度小，除聚乙烯和聚丙烯纤维外，聚酰胺纤维是所有纤维中最轻的，相对密度1.04~1.14（5）吸湿性良好。锦纶具有良好的吸湿性，染色性好，可使用酸性染料、分散染料等。缺点：弹性模量小，使用过程中容易变形，耐热性及耐光性较差。34聚酰胺纤维的用途应用范围广泛在日用品方面，可以纯纺或混纺各种衣料和针织品，特别适用于制造单丝、复丝弹力丝袜，耐磨耐穿；工业上是轮胎帘子线、降落伞、绳索、渔网和工业滤布354.2.1.1聚酰胺66相对分子质量控制在20000~30000，纺丝温度控制在280~290℃性能：36聚酰胺66的制备是已二酸与已二胺的缩聚物，是最早实现工业生产的聚酰胺品种，也是产量最大。。374.2.1.2聚酰胺6相对分子质量控制在14000~20000，纺丝温度控制在260~280℃性能：38聚酰胺6制备主要原料:已内酰胺生产原理:高温；惰性气体保护；水作引发剂；Mn=15000～23000

生产工艺:有常压法、高压法、常减压并用、固相缩聚等聚酰胺-639聚酰胺6制备常压高压常减压固相缩聚主要用于生产相对粘度较低的聚酰-6树脂，所用的反应器为直形VK管和U形VK管。采用直管形反应器，助剂为水和已二酸，制备较高粘度的树脂。聚合后的熔体可直接纺丝，也可铸带切片。所用的反应器是两直形管，前者供纺丝用，后者供注塑成型用。将常压法制备树脂，经苯萃取除去单体和低分子物，经回转式真空干燥鼓，在190～200℃下，用高纯度氮气保护进行聚合。40聚酰胺的纺丝熔融纺丝将聚酰胺切成片状颗粒，再进行纺丝；主要包括纺丝和纤维的后加工两在基本操作过程。直接纺丝

熔体直接纺丝，该法具有省去铸带、切片、萃取、熔融等工序和设备，缩短生产周期，提高劳动生产率，成本低等优点。414.2.2聚酯纤维中国商品名“涤纶”，俗称“的确良”聚酯纤维是指含芳香族取代羧酸酯结构的纤维，它是由二元酸和二元醇经过缩聚而制得的聚酯树脂，经熔融纺丝和后处理制得的一种合成纤维。在合成纤维中发展最快，产量居于首位42品种较多，根据化合物的结构，已经工业化生产的有：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚萘酯（PEN）等纤维聚酯纤维的品种43聚酯纤维的性能（1）外观单纯涤纶纤维为乳白色，生产中添加染料制成各种有色纤维（2）密度随着聚酯纤维的结晶度和取向度的不同，密度不同。一般密度在1.38~1.40（3）弹性44弹性好，接近羊毛，而且耐皱性好，弹性模量比聚酰胺纤维高（4）强度强度大，在湿态下强度不变（5）湿性吸湿性低，回潮率小，易洗快干（6）耐热性耐热性较好，软化点230~240℃（7）耐光性高于锦纶，低于腈纶45（8）电性能干燥状态下，具有良好的电绝缘性。但是作为服装时，由于摩擦易产生静电，易吸灰尘，这是涤纶的缺点（9）化学性能在常温下，对酸碱稳定，温度升高，耐腐蚀性降低（10）抗菌性优良，作为织物通常不被蛀虫破坏46聚酯纤维的用途由于聚酯纤维弹性好、织物有易洗快干、保型性好、免熨等特点，所以是理想的纺织材料；可纯纺或混纺制作各种服装及针织品在工业上，可作为电绝缘材料、运输带、绳索、渔网、轮胎帘子线、人造血管等。47（1）涤纶（PET）制备：涤纶是对苯二甲酸乙二醇酯经过熔融纺丝制成的合成纤维，相对分子质量控制在15000~22000，纺丝温度控制在275~295℃成纤结构：P155，图4-11、4-12力学性能：P155，表4-448其他性能：涤纶又叫的确良，具有高强度、耐磨、耐腐蚀，易洗快干等优点，是很好的衣料纤维。但透气性、吸湿性、染色性差限制了涤纶在时装行业的应用；需要进行改性后引入亲水性基团。49（2）

聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维制备：PTT纤维是由对苯二甲酸和１，３－丙二醇的缩聚物经过熔体纺丝制成的纤维，具有反－旁－反－旁式构象结晶结构：50性能：PTT纤维性能优于涤纶，具有更优异的柔软性、弹性恢复性；优良的抗折皱性、尺寸稳定性、耐候性、易染色性和良好的屏蔽性能，并改进了抗水解稳定性。PTT纤维被认为是最具有发展前途的通用合成纤维新品种。51（3）聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维制备：ＰBＴ纤维是由对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯和1,4－丁二醇经过熔体纺丝制成的纤维性能：PBT纤维强度30.91~35.32cN/dtex，伸长率30~60%；具有极好的伸长弹性恢复率、柔软、易染色用途：PBT纤维特别适于制作游泳衣、连裤袜、训练服、体操服、健美服、网球服、舞蹈紧身衣、弹力牛仔服、滑雪裤、长筒袜、医疗绷带52（4）聚萘酯（PEN）纤维制备：PEN纤维是由2,6-萘二甲酸二甲酯与乙二醇的缩聚物聚萘二甲酸乙二醇酯经过熔体纺丝制成的纤维结构式：性能：PEN与PET相比，具有更高的模量、强度，抗拉伸性能好、尺寸稳定性好、热稳定性好、化学稳定性和抗水解性能优异534.2.3聚丙烯腈纤维中国商品名“腈纶”，有“人造羊毛”之称制备：腈纶是聚丙烯腈或含85%以上丙烯腈的共聚物制成的合成纤维。腈纶的制备采用湿纺工艺湿纺工艺是将聚丙烯腈或聚丙烯腈共聚物溶解在溶剂中（纺丝液），纺丝液经喷丝板后在含凝固剂的凝固浴中凝固形成纤维纺丝液的选择：选择内聚能大的溶剂或能与聚丙烯腈相互作用的溶剂配制常用的溶剂DMF、DMA、DMSO、EC、NaSCN、HNO3、ZnCl254聚丙烯腈纤维的性能性能优良，外观、手感都类似羊毛，因此有“人造羊毛”之称很多性能指标超过羊毛，如腈纶的强度比羊毛高1~2.5倍，密度小，保暖性及弹性好等耐光性、耐候性是天然纤维和化学纤维中最好的化学稳定性、对酸碱和氧化剂的稳定性也比较好缺点是耐磨性、抗疲劳性差55聚丙烯腈纤维的用途多为民用，可纯纺代替羊毛制备大衣呢华达呢、运动衫、针织衫、地毯、毛毯、人造毛皮、装饰织物等；可混纺制成内衣、衬衫、服装及雨衣布等在工业中主要制成帆布、过滤材料、保温材料、包装用布、医疗材料等另外可制成军用帐篷、防火服等564.2.4聚丙烯纤维中国商品名“丙纶”’制备：等规聚丙烯熔体纺丝制备，成纤聚丙烯的相对分子质量10万~30万，纺丝温度255~290℃原料来源丰富、生产工艺简单、产品价格低廉、发展较快；产量仅次于涤纶、锦纶、腈纶57聚丙烯纤维的性能（1）质轻合成纤维中最轻的，密度0.9~0.91（2）强度高湿强度和干强度基本相同（3）耐磨、耐腐蚀性好耐磨性、回弹性好，抗微生物，不霉、不蛀、耐化学性优于其他纤维（4）电绝缘性、保暖性优缺点：耐热性、耐老化性、吸湿性、染色性差58聚丙烯纤维的用途主要用途是制作地毯、装饰布、家具布工业中制作各种绳索、条带、渔网、吸油毡、包装材料和工业用布，如，滤布、袋布等；丙纶纤维可制成土工布，用于建筑、水利工程等；丙纶纤维无纺布可用于卫生制品、医用手术帽、床上用品等594.2.5聚乙烯醇甲醛纤维中国商品名“维纶”，日本命名为“维尼纶”制备：（1）乙酸乙烯溶液聚合得到聚乙酸乙烯，经醇解得到聚乙烯醇，再经过缩醛化后得到的纤维此法制备的聚乙烯醇是无规立构60（2）特戊酸乙烯聚合得到聚特戊酸乙烯，经皂化后得到聚乙烯醇此法得到的聚乙烯醇是间规立构的具有比上述方法更高的熔点和热稳定性61维纶的性能良好的强度、吸湿性、保暖性、耐磨蚀和耐日光性；主要缺点：耐热水性差，弹性不佳，染色性较差，高温下的力学性能低，在服饰方面远远不如涤纶、腈纶和锦纶应用广泛。62维纶的用途可混纺也可纯纺，用于制作外衣、汗衫、棉毛衫裤和运动衫，以及工作服可制作帆布、缆绳、渔网、包装材料、过滤材料可作为塑料、水泥、陶瓷的增强材料634.3高性能合成纤维4.3.1超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)超高分子量聚乙烯纤维是用超高分子量聚乙烯采用凝胶纺丝---超延伸技术制成的。图4-23性能：具有高强度、高模量、最低的相对密度、化学惰性、具有疏水性（P162，表4-9）但极限使用温度只有100~130℃应用：主要用于制作头盔、装甲板、防弹衣和弓弦644.3.2芳香聚酰胺纤维（1）聚对苯二甲酸对苯二胺纤维(PPTA)制备：利用PPTA进行溶液纺丝制成的纤维；PPTA采用低温溶液聚合合成化学反应式：相对分子质量20000~2500065Kevlar的分子结构模型：（图4-26）Kevlar有三个品种：Kevlar29是高韧性纤维、Kevlar49是高模量纤维、Kevlar149是超高模量纤维性能：表4-10、图4-2766应用：

Kevlar作为高性能的有机纤维主要应用于航空、航天领域；防弹领域；土木建筑领域如火箭发动机壳体、飞机零部件；头盔、防弹运钞车、防穿甲弹坦克；混凝土、代钢筋材料、轮胎帘子线等67性能：表4-11应用：绝缘纸、蜂窝结构材料、工业滤材和无纺布（2）聚间苯二甲酰间苯二胺纤维制备：聚间苯二甲酰间苯二胺采用间苯二甲酰氯和间苯二胺为原料，在二甲基乙酰胺溶剂中进行低温溶液聚合；然后采用溶液纺丝法制成纤维。化学结构式：68（3）对/间芳纶化学结构式：性能：既具有间位芳纶的经济性、阻燃性又具有对位芳纶的耐热性；拉伸强度30~60cN/dtex；弹性模量14GPa69羟基苯甲酸、对苯二甲酸和一系列第三单体的缩聚物。可以进行熔体纺丝分子结构式：4.3.3热致液晶聚酯纤维第三单体对液晶聚酯可纺性和成纤性影响：表4-12704.3.4芳杂环纤维（1）聚苯并咪唑（PBI）纤维制备：PBI是间苯二甲酸二苯酯和四氨联苯的缩聚物；以二甲基乙酰胺为溶剂，在氮气下进行干纺得到PBI纤维化学结构式：71性能：PBI纤维具有优异的耐热性，但吸水性大，限制了工业应用的范围其物理力学性能见P166，表4-14PBI纤维经过酸处理可以提高尺寸稳定性72性能：高强度、高模量、耐高温、耐水、化学稳定性好；缺点是压缩性能差P167，表4-15（2）聚亚苯基苯并二噁唑（PBO）纤维制备：2,4-二氨基间苯二酚盐酸盐与对苯二甲酸缩聚合成PBO；然后采用干喷湿纺获得纤维化学结构式：73采用干喷湿纺技术可获得高取向度、高强度、高模量、耐高温和化学稳定性好的纤维PBZT制备：DADMB与TPA在PPA中缩聚化学方程式：（3）PBZT、MePBZT、tMEPBZT纤维74MePBZT通过交联网络的形成来改善PBZT的横向压缩性能交联反应：MePBZT纤维的韧性优于PBZT纤维75tMePBZT的结构tMePBZT与PBZT共聚物的结构具有很好的耐热性和横向压缩性76PIPD具有双向分子内和分子间氢键网络（P169，图4-30）性能：高强度、高模量、高压缩强度、优异的耐燃性和自熄性（4）M5纤维化学结构式：77性能：具有高耐热性、化学稳定性和力学性能；但是溶解性差，加工困难（5）聚酰亚胺（PI）纤维制备：两步法78性能：纤维强度40~60cN/tex，伸长率4%~8%；耐热性与聚酰亚胺纤维相当（6）聚1,3,4-二噁唑（POD）纤维制备：一步法794.4功能合成纤维4.4.1高弹性合成纤维氨纶的突出特点就是高弹性氨纶的高分子链组成包括两部分：软链段和硬链段非晶性的脂肪族聚酯或聚醚组成，常温下处于高弹态结晶性的芳香族二异腈酸酯组成，应力下不变形因为高分子链是由低熔点无定形的软链段为母体和嵌在其中的高熔点结晶的硬链段组成80（2）用高间规度聚氯乙烯制备，即第二代氯纶制备：采用低温-30℃聚合，溶液纺丝制成氯纶性能:P171，表4-204.4.2耐腐蚀合成纤维（1）用无规立构聚氯乙烯制备，即统称的氯纶制备：聚氯乙烯采用悬浮聚合，45~60℃；成纤聚氯乙烯分子量60000~100000；溶液纺丝制备氯纶性能：抗静电性好、保暖性好、耐腐蚀性好81氟纶制备：聚四氟乙烯采用乳液聚合法凝聚成颗粒，相对分子质量300万，然后采用乳液纺丝法制成氟纶性能：化学稳定性突出，耐强酸、强碱力学性能（表4-21）824.4.3阻燃合成纤维极限氧指数（limitingoxygenindex,LOI）纤维点燃后在氧-氮混合气体中维持燃烧所需要的最低含氧量的体积分数LOI≤21%，纤维可在空气中燃烧，属于可燃纤维；LOI＞21%，属于阻燃纤维。合成纤维的燃烧性能，p171，表4-2283具有生物相容性生物可降解性合成纤维和不可降解性合成纤维4.4.4医用合成纤维脂肪族聚酯纤维包括聚羟基乙酸、聚乳酸、聚己内酯、聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯及其共聚物；纤维分子链中的酯键易水解或酶解；可用于医学可吸收缝线、自增强人造骨复合材料、无纺布聚酰胺、涤纶、腈纶、丙纶等；可医用丙纶、聚酰胺、涤纶用于非吸收性缝合线；涤纶、氯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84新合纤：采用超细合成纤维制备的具有新质感的纤维织物纤度：用1000m长纤维质量的1/10质量表示，单位分特；它是表征纤维粗细的指标4.4.5超细合成纤维粗旦纤维中旦纤维细旦纤维微细纤维超细纤维纤维根据纤度分类：85差别化合成纤维：通过分子设计合成或通过化学和物理改性制备具有预想结构和性能的成纤聚合物或利用革新的纺丝工艺赋予纤维新的性能并与通用纤维有差别的纤维通过对合成纤维分子链和表面的改性和复合化技术，可提高纤维的染色性、制备抗静电纤维、阻燃性通用合成纤维、抗起球纤维等86合成纤维的改性技术合成纤维的改性技术分子主链改性分子侧链改性表面改性复合化共聚反应接枝反应引入功能基团双组分纤维混纺添加改性剂锑87两种不同纤维组成的熔体纺丝工艺：P174，图4-33双组分纤维的形态：（图4-34）（1）皮芯结构（2）并列结构（3）橘瓣结构（4）带形结构（5）海岛结构4.4.6双组分纤维884.4.7智能合成纤维对环境具有感知能力并且对人们的需求作出反应的合成纤维智能合成纤维服装可以检测身体功能、转发电子邮件、判断人的情绪、可以改变颜色等具有微型计算机、全球定位系统和通信装置的服装；安装太阳能处理系统的服装；抗菌服装；自洗衣；智能泳衣；救生电子滑雪服；生命衬衣等894.4.8导电纤维利用导电聚合物纺丝制备的纤维例如，聚3,4-乙烯基二甲噻吩掺杂聚苯