任务2-1 涤纶纺丝对涤纶性能的影响课件-《服装材料》同步教学（中国纺织出版社）

FASHION涤纶纺丝对涤纶性能的影响主要内容涤纶的生产涤纶的结构与性质涤纶的生产PARTONE

1.涤纶的生产浆料配制酯化预缩聚缩聚PETPARTTWO

PET的结构和性质高分子聚合物的结构可分为分子链结构和分子间结构。分子链结构决定了聚合物的基本特性。分子间结构又称为超分子结构或聚集态结构。聚集态结构是研究单位体积内许多分子链之间的几何排列关系。聚集态结构是加工过程形成的，有必要研究聚集态结构对聚酯纤维的加工过程。2.涤纶的结构和性质（1）分子链的结构典型高聚物的分子是按链状排列成大分子的，所以分子结构又称链结构。链结构又称一级结构，它表明一个分子链中原子或基团的几何排列情况。链结构包括单个高分子内一个或几个结构单元的化学结构和立体化学结构。高分子的链结构是反映高分子各种特性的最主要的结构层次，直接影响聚合物的某些特性，如熔点、密度、溶解性、黏度、黏弹性等。2.涤纶的结构和性质（1）分子链的结构①组成和构造聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的分子链结构可用下列分子式表示∶大分子链中的基本链节有如下结构：2.涤纶的结构和性质PET大分子的两端有两个相同的羟乙基，中间一个苯环，每个重复单元由酯基连接成为对称苯环结构线型大分子。对苯二甲酯乙二醇酯的结构具有对称性，在缩聚形成大分子时，这种对称的结构能促使各种官能团沿着大分子C—C主链的两侧整齐排列，表现出高度的几何规整性。这一分子结构特点决定了PET纤维不同于其他合成纤维的很多特性。2.涤纶的结构和性质PET大分子间会有很多C—C，在热态下可能有大量的构象特征。对于PET分子链而言，完全伸直的平面锯齿形结构是能量最低的构象。这种结构有利于相邻的大分子彼此镶嵌堆砌，也就是说PET大分子有紧密的敛集能力。2.涤纶的结构和性质PET分子结构的重要特征是重复单元中含有柔软的链段和移动困难的苯环。酯基和苯环形成共轭的整体，链绕刚性基团自由旋转时，柔软的链段不能单独转动，只能和苯环作一个共同的整体一起振动。原因是苯环上的π电子云与脂肪链上的碳电子云的形成了共轭体系，阻碍脂肪链上的碳原子的自由旋转。因此，PET大分子链表现出很大的刚性，使PET纤维表现出一些固有的特征，如熔点较高、纤维的刚性较大、强度较高等。2.涤纶的结构和性质成纤PET的平均相对分子质量不能低于13000。对于PBT来说，平均相对分子质量在15000以上才有良好的成纤性能。聚酯的相对分子质量也不能过高，否则将造成熔体黏度过大，纺丝困难。一般说来，对于纤维级PET的聚合度应在100左右，分子链长度约为107.5nm，相对分子质量约20000。制造高强度产业用丝的聚酯，平均聚合度应更高一些，平均相对分子质量约为30000，分子链长度150~200nm较为合适。对于成纤高聚物，除要求具有一定相对分子质量，还应研究其相对分子质量分布。通常用相对分子质量分布宽度来表征相对分子质量分布状况，一般说来，相对分子质量分布窄的聚酯熔体或切片的可纺性好，分布较宽的聚酯可纺性差。2.涤纶的结构和性质（2）聚集态结构聚集态结构，也称物理结构、分子外结构、超分子结构、凝聚结构晶态结构：晶态结构PET在玻璃化转变温度（Tg）以上至熔点（Tm）的温度范围内，或从溶液中析出时，分子链相互作用就会按严格的次序规整地排列起来，形成结晶结构。非晶态结构：处于熔融态或从熔体迅速冷却得到的玻璃体，是完全的非晶状态，非晶态结构为无规线团模型。PET分子链在基体的非晶态结构中是无干扰的，呈无规构象。大分子呈旁式构象。非结晶聚酯保留原液体特征，通常外观是透明的。2.涤纶的结构和性质（2）聚集态结构取向结构：在某些外场（如拉伸应力或剪切应力）作用下，半结晶性PET，分子链、链段或微晶可以沿着外场方向有序排列，称为取向，形成一种新的聚集态结构叫取向态结构。这种结构的主要特征是各向异性，致使材料在不同方向上力学、热学和光学等性能发生了显著差异。因此取向效应对制品的设计、加工和应用都是十分重要的。2.涤纶的结构和性质（2）聚集态结构由于高聚物的取向状态在热力学上是一种非平衡态，一旦外场除去，分子的热运动将使有序结构自发地趋向无序化，这种过程称解取向。为了维持取向状态，获得取向材料，必须在取向后把温度迅速降至玻璃化温度以下，使分子和链段的运动"冻结"起来。取向条件如温度、拉伸速度等的不同，高聚物的取向单元也不同。如在高弹态下，拉伸可以使链段取向，即链段沿外场方向平行排列，但整个分子链的排列仍然是杂乱的。在黏流态下，外力使分子链取向，即整个分子链均沿外场方向平行排列。对于结晶高聚物来说，还存在着微晶的取向，即伴随着晶片倾斜、滑移过程，取向中聚集态发生的变化取决于结晶高聚物的类型以及取向条件。2.涤纶的结构和性质（3）PET的性质1）外观、密度、吸湿性：PET的外观与结晶状态有关，当PET熔体迅速冷却时，就形成非结晶聚合体，是无色透明的固体。当PET结晶时就失去透明性和光泽，转变为乳白色固体。聚酯纤维放置在温度为25℃、相对湿度为65%的大气中一星期，吸水率为0.4%；在25℃水中浸一星期后取出，吸水率为0.8%。2.涤纶的结构和性质（3）PET的性质吸湿性：纤维因其织品用途不同，常常要求有不同的吸湿性。服用纤维一般要求吸湿性不低于6%。过低吸湿性的纤维织物无法使人体分泌出的汗液均匀消散，服用性能差。聚酯纤维因其分子结构具有对称性结构，分子中又不含亲水基团，结晶度高，故吸湿性极差，一般只有0.4%。为了改善聚酯纤维吸湿性，在后加工工序经常对其织物进行碱减量和脂肪酶水解等处理，改善其吸湿性，提高其服用性。2.涤纶的结构和性质（2）热性能聚酯的熔点是聚酯的主要质量指标之一，是结晶聚酯转变为熔体的相变温度。通常情况下，PET的熔点为255~265℃。聚酯的熔点与其分子结构有关，并取决于所用原料的种类和性质。含有第三单体或其它有机添加剂时、其熔点会发生变化。如共聚聚酯熔点下降，而且熔点的下降与第三组分的加入量有关。聚酯的玻璃化转变温度是非结晶聚酯从玻璃化转变为高弹态（橡胶态）或从高弹态转变为玻璃态时的温度。聚酯玻璃态转变时，其膨胀系数、压缩率、比定压热容均发生变化，据此可以测出玻璃化转变温度（Tg）。干PET的Tg为76℃，受潮后由于水的增塑作用下降到65~66℃。2.涤纶的结构和性质(3）电性能聚酯的绝缘性能较好，如PET的体积电阻率（ρv）大于1013Ω·m，相对介电常数2.9~3.4，介电损耗正切于0.005（工频），有较高的电场强度，是一种优良的绝缘材料。聚酯纤维织物的静电作用非常明显，表面电阻率ρs大于1013Ω。因此聚酯织物要进行表面处理，一方面是改善其吸湿性和染色性，另一方面是消除静电效应。2.涤纶的结构和性质(4）光学性能非结晶PET为透明材料，结晶PET为不透明材料。结晶聚酯形成许多直径为0.1～10.0μm的球晶，对可见光散射，故不透明。纤维级PET往往加入TiO2以消除其极光效应。PET的折射率较高、当折射率n为1.64，经拉伸取向后产生各向异性，双折射（△n）往往用于测定和间接表征纤维中大分子的取向度。2.涤纶的结构和性质(5）力学性质PET的转变与松驰：在一定的外力和温度情况下，高分子链的构象从一种平衡状态通过分子的热运动达到另一种与外力相适应的新的平衡状态，这个过程是缓慢进行的，它所需要的时间称松弛时间，整个过程称为松弛过程。松弛过程是动力学过程。2.涤纶的结构和性质玻璃态高弹态粘流态链节运动链段运动链运动(5）力学性质随着温度的升高，高聚物发生由玻璃态向高弹态的转变，这个转变称为玻璃化转变。转变时的温度称为玻璃化转变温度，用Tg表示。高聚物发生由高弹态向黏流态的转变，这个转变称为黏弹转变。转变时的温度称为黏流温度，用Tm表示。2.涤纶的结构和性质玻璃态高弹态粘流态(5）力学性质黏弹性流体兼有黏性和弹性。黏性是由于外力作用下分子的质心发生相对位移的运动，这种形变随时间线性增加，外力除去后，形变不能恢复，具有不可逆性，称为塑性形变。弹性包括普弹性和高弹性。普弹性为应力作用下材料中键长和键角变化引起的小形变，形变瞬时完成，除去外力，形变立即恢复。高弹性为应力作用下由于高聚物分子链运动而产生的很大的可逆形变。2.涤纶的结构和性质(5）力学性质PET表现出黏弹性特征。在外力作用下的流动既有不可逆形变，也有可逆形变。当高聚物相对分子质量很大，外力作用时间短或作用速度很快、温度高于玻璃化转变温度不多时，其弹性形变表现就明显。黏弹性流体在流动中有几种特殊的流动现象，如入口效应、孔口膨大效应、弹性回缩、法向力效应（又称爬杆效应）、TOMS效应等。2.涤纶的结构和性质(5）力学性质流变性是高聚物熔体的主要力学特性之一。所谓流变性是指高聚物在一定温度和外力作用下物料流动的难易程度，即流动性的好坏。2.涤纶的结构和性质(6）化学性质——降解聚酯的热降解：聚酯的分子结构是具有对称苯环结构的线型大分子，分子链上官能团排列整齐，故其耐热性能极佳，其软化点和熔点较其他纤维级树脂高。在聚酯生产中应选择适当的催化剂一稳定剂体系，比如加入磷酸酯就可以提高聚酯的热稳定性。聚酯纤维在室温条件下有较好的抗氧化性，在大气中放置五个月、纤维强度基本上无损失。聚酯纤维对漂白剂、亚硫酸钠、过氧化氢等氧化剂也有相应的稳定性。2.涤纶的结构和性质(7）化学性质——醇解聚酯的醇解可看作酯交换的逆反应。甲醇醇解生成DMT，乙二醇醇解能生成BHET。此反应机理被用来回收聚酯废料。2.涤纶的结构和性质(8）化学性质——与碱的作用聚酯及其制品在高温下和促进剂的作用下，与NaOH发生反应，最终生成对苯二甲酸钠和乙二醇。这一技术被用在聚酯织物的后处理上，俗称碱减量。2.涤纶的结构和性质(9）化学性质——老化在光、热、水等环境因素的作用下，聚酯物本身及织物可以老化。