第四五章聚丙烯腈纤维（腈纶）的生产、结构和性能

第四章聚丙烯腈纤维（腈纶）的生产、结构和性能本章内容：聚丙烯腈纤维的基本组成物质和生产聚丙烯腈纤维的形态结构和超分子结构聚丙烯腈纤维的性能本章要点：聚丙烯腈纤维的超分子结构，包括：大分子的不规则螺旋棒状构象；蕴晶结构和侧序度理论腈纶的热性能，包括：三个热转变点；热弹性（膨体纱）腈纶的染色性能的特点腈纶的耐酸碱性及在酸碱作用下的损伤机理腈纶的耐晒、耐霉腐、耐虫蛀等优良特性及与结构的关系第四章聚丙烯腈纤维（腈纶）的生产、结构和性能腈纶特点：多元共聚具有热弹性耐晒耐霉腐耐虫蛀…腈纶产品：长丝：很少短纤：棉型、毛型膨体纱腈纶衍生产品：人造毛皮碳纤维…第一节聚丙烯腈纤维的基本组成物质和生产聚丙烯腈均聚物（奥纶）单体：丙烯腈缺点：大分子间作用力强，缺少吸湿基团纺丝原液不易制备吸湿性低染色困难改进：添加其他单体一、聚丙烯腈纤维的基本组成物质（一）聚丙烯腈纤维的分子结构第一单体第二单体第三单体随机排列（二）各种单体的作用单体名称常用化合物单体特性作用第一单体丙烯腈主要单体占85%以上纤维主体决定纤维的主要性质第二单体丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯…中性单体常为酯类减弱分子间作用力使纺丝液易于制备提高纤维的弹性和热塑性有利于染料进入纤维内部第三单体丙烯磺酸钠衣康酸单钠盐…酸性单体（常用）可用阳离子染料染色颜色鲜艳牢度好2-乙烯吡啶…碱性单体可用酸性染料染色其他单体变性腈纶改善纤维的其他性能：防火、抗静电、防污…二、聚丙烯腈纤维生产概况生产方法湿法纺丝纺丝液组成： 聚合物浓度 12~13% 硫氰酸钠浓度 44%凝固浴 硫氰酸钠浓度 10~12% 温度 10~12℃后处理预热浴拉伸：3~4%硫氰酸钠溶液，50~55℃蒸汽浴或沸水浴拉伸干燥致密化 蒸发水分，消除微孔和裂缝，使结构密实热定形：提高蕴晶完整性毛型：松弛热定形棉型：张力热定形干法纺丝第二节聚丙烯腈纤维的形态结构和超分子结构一、聚丙烯腈纤维的形态结构纺丝方法截面纵向备注湿法纺丝圆形粗糙似树皮状有气孔干法纺丝花生果形二、聚丙烯腈纤维的超分子结构（一）聚丙烯腈纤维超分子结构的特点没有真正的结晶，只有蕴晶（准晶） ——横向有序，纵向无序聚丙烯腈大分子具有不规则的螺旋棒状构象二、聚丙烯腈纤维的超分子结构（一）聚丙烯腈纤维超分子结构的特点没有真正的结晶，只有蕴晶（准晶） ——横向有序，纵向无序聚丙烯腈大分子具有不规则的螺旋棒状构象常用侧序度理论来描述腈纶的超分子结构（二）腈纶大分子结构对其超分子结构的影响氰基偶极力大在分子内因极性相同产生很大斥力，使大分子成螺旋状在大分子间因极性相反产生很大吸引力在大分子之间还可以形成氢键

在这种斥力和吸力的作用下，大分子活动受阻，很难形成规则的螺旋体。多元共聚大分子结构复杂、不规则腈纶难产生三维有序的真正结晶第三节聚丙烯腈纤维的性能一、热性能1.热转变点（1）均聚物（三个热转变点）转变点Tg1Tg2“熔点”Tm转变温度80~100℃140~150℃327℃转变区域低侧序度区中侧序度区高侧序度(蕴晶)说明氰基极性较强分子内的斥力和分子间的吸力使大分子的运动受阻，柔性较小结构比低侧序度区紧密，柔性更低准晶体的熔融（2）三元共聚物的热转变点Tg2向Tg1靠拢甚至Tg1消失三个阶段：80~90℃→170℃低侧序度区大分子链段运动模量急剧降低热塑性很大200→300℃蕴晶区大分子链段开始运动模量继续下降至最低点300℃以上纤维碳化变黑模量上升（3）水的增塑作用降低玻璃化温度

Tg下降至65~80℃温度（℃）lgE2.晴纶的热弹性与膨体纱热弹性蕴晶高分子物不如一般结晶高分子物稳定，在玻璃化温度以上腈纶很易变形，可再次拉伸1.1~1.6倍，使螺旋棒状结构变成伸直状结构被再次拉伸的纤维结构很不稳定，受热后会发生较大收缩 ——高收缩纤维膨体纱混纺松弛热处理高收缩纤维普通纤维收缩很大收缩小鼓出膨体纱3.热处理提高蕴晶完整性 （不能提高结晶度）消除内应力碳化产物耐火聚丙烯腈纤维碳纤维石墨纤维4.碳化作用和碳纤维高温下聚丙烯腈的重排和环化颜色逐渐变深耐高温高模量二、拉伸性能1.应力-应变曲线与涤纶和锦纶相比断裂强度和延伸度都较低，耐磨性较差与羊毛相比强度较大2.影响应力-应变曲线的因素纤维结构单体组成（均聚物和共聚物、第二第三单体的成分）生产条件（抽伸、热定形）温度温度越高，模量越低、强度越低、延伸度越大 温度对腈纶的应力应变曲线的影响比对锦纶和涤纶的都大湿度强度、模量稍有下降温湿度共同作用强度、模量明显下降很易拉伸和变形湿热条件下加工时，要尽量减少张力，防止纺织品变形3.弹性几种纤维在不同延伸度、不同湿度下的弹性回复（%）聚丙烯腈纤维的弹性比锦纶、羊毛和涤纶都差，与蚕丝相仿聚丙烯腈纤维剩余形变大，服装易变形纤维从变形中的弹性回复（%）1%伸长5%伸长10%伸长相对湿度相对湿度相对湿度60%90%60%90%60%90%棉91835259--粘胶676032282327羊毛999469825156蚕丝847852583445锦纶669092899089-涤纶989265605147奥纶929050484339三、吸湿和染色性（一）吸湿性吸湿率较低吸湿率因品种而异湿度对拉伸性能影响不大溶胀小静电大纤维吸湿率%纤维吸湿率%棉7~8蚕丝10丝光棉高至12锦纶664.2粘胶纤维12~13锦纶64醋酯纤维6涤纶0.4羊毛14聚丙烯腈0.9~2.0维纶5（二）染色性能1.均聚物结构紧密无染色中心染色困难只能用分散染料染淡色2.共聚物第二单体：减小密度降低玻璃化温度（Tg约80℃）提高染色性能第三单体：酸性单体：阳离子染料染色（常用）碱性单体：酸性染料染色3.腈纶染色升温特点玻璃化温度以下，上染速度很低玻璃化温度以上，上染速度很快易造成染色不匀需严格控制升温速度Tg以上上染速度突增原因模量迅速下降，大分子运动剧烈，瞬间空穴很大纤维表面带负电，酸性单体也带负电，对阳离子染料的引力很大四、化学性能C—C主链：很稳定氰基：水解碱催化作用强 ——耐碱性差酸催化作用弱 ——耐酸性好大分子溶解氰基水解过程：五、其他性能1.酸一般酸性条件损伤很小高温、高浓度强酸有较大损伤2.碱弱碱损伤较小强碱损伤较大强碱使腈纶泛黄（生成脒基）3.氧化还原剂腈纶耐氧化还原性都好4.溶剂耐溶剂性较好耐晒防霉、防腐、防蛀较易燃（熔融前已开始分解.）…阶段考试一、解释下列名词：1.回潮率2.纤维素纤维的“潜在损伤”3.涤纶的“热稳定性”4.湿法纺丝二、问答题1.写出纤维素的分子结构，并指出