高分子材料之纖維

1、合成纖維合成纖維Synthetic Fiber 學(xué)習(xí)目的要求學(xué)習(xí)目的要求掌握纖維的分類與特征；初步掌握掌握纖維的分類與特征；初步掌握滌綸纖維、錦綸纖維、腈綸纖維、丙滌綸纖維、錦綸纖維、腈綸纖維、丙綸纖維、維綸纖維的生產(chǎn)原理及工藝、綸纖維、維綸纖維的生產(chǎn)原理及工藝、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用1 1纖維的分類與特征纖維的分類與特征纖維纖維是指柔韌、纖細(xì)柔韌、纖細(xì)，具有相當(dāng)長度、相當(dāng)長度、強(qiáng)度、彈性和吸濕性強(qiáng)度、彈性和吸濕性的絲狀物絲狀物。大多數(shù)是不溶于水的有機(jī)高分子化合物，少數(shù)是無機(jī)物。根據(jù)來源可以分為天天然纖維然纖維和化學(xué)纖維化學(xué)纖維兩大類。纖維天然纖維化學(xué)纖維膠黏纖維銅氨纖維醋酸纖維纖維

2、素纖維錦綸系列纖維蛋白質(zhì)纖維滌綸系列纖維腈綸系列纖維聚乙烯醇系列纖維聚烯烴纖維含氯纖維耐高溫纖維其他纖維一、纖維的分類一、纖維的分類高聚物的品種很多，但并不是所有高聚物都能用于紡絲，而是具有某些特征的高聚物才能進(jìn)行紡絲某些特征的高聚物才能進(jìn)行紡絲。二、成纖高聚物的特征二、成纖高聚物的特征成纖高聚物均為線型高分子成纖高聚物均為線型高分子用這類高分子紡制的纖維能沿纖維縱軸方向拉伸而有序排列。當(dāng)纖維受到拉力時，大分子能同時承受作用力，使纖維具有較高的拉伸強(qiáng)度和適宜的延伸度及其他物理-力學(xué)性能。成纖維高聚物具有適宜的相對分子質(zhì)量成纖維高聚物具有適宜的相對分子質(zhì)量線型高聚物分子鏈的長度對纖維的物理-力學(xué)

3、性能影響很大，尤其是對纖維的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和溶解性的影響更大。相對分子質(zhì)量的高低均不好，高者不易加工，低者性能不好。常見的主要成纖高聚物的相對分子質(zhì)量如下表所示。主要成纖高聚物的相對分子質(zhì)量主要成纖高聚物的相對分子質(zhì)量高聚物相對分子質(zhì)量高聚物相對分子質(zhì)量聚酰胺-6或-66聚酯聚丙烯腈16000-2200016000-2000050000-80000聚乙烯醇全同聚丙烯60000-80000180000-300000成纖高聚物的分子鏈間必須有足夠的次價力成纖高聚物的分子鏈間必須有足夠的次價力高聚物的物理力學(xué)性能與次價力有密切關(guān)系。分子間次價力越大，纖維的強(qiáng)度越高，次價力大20.92kJ/mol的

4、高聚物適宜作纖維材料。 成纖高聚物應(yīng)具有可溶性和熔融性成纖高聚物應(yīng)具有可溶性和熔融性只有這樣才能將高聚物溶解或熔融成溶液或熔體，再經(jīng)紡絲、凝固或冷卻形成纖維，否則就不能進(jìn)行紡絲。 2 2滌綸纖維滌綸纖維滌綸纖維滌綸纖維是以聚酯聚酯為基礎(chǔ)制得的纖維。聚酯是由飽和的二元酸與二元醇通過縮聚反應(yīng)制得的一類飽和的二元酸與二元醇通過縮聚反應(yīng)制得的一類線性高分子縮聚物線性高分子縮聚物。這類縮聚物的品種因隨使用原料或中間體而異，故品種繁多數(shù)不勝數(shù)。但所有品種均有一個共同特點，就是其大分子的各個鏈節(jié)間都是以酯基“COO”相聯(lián)，所以把這類縮聚物通稱為聚酯。滌綸是三大合成纖維（滌綸、錦綸、腈綸）之一，是最主要的合成

5、纖維。一、主要原料一、主要原料PET: PBT: 對苯二甲酸（對苯二甲酸二甲酯）、乙二醇對苯二甲酸（對苯二甲酸二甲酯）、丁二醇二、聚酯纖維的生產(chǎn)原理與工藝二、聚酯纖維的生產(chǎn)原理與工藝聚酯合成的工藝路線酯交換聚酯路線直接酯化聚酯路線環(huán)氧乙烷酯化聚酯路線聚合機(jī)理：縮聚反應(yīng)聚酯的紡絲聚酯的紡絲聚酯纖維是通過熔融紡絲法熔融紡絲法生產(chǎn)的，一般是將聚酯樹脂切片經(jīng)過真空干燥切片經(jīng)過真空干燥（真空度266.6666.5Pa，溫度140150，時間1020h），除去吸附的微量水分，并使樹脂由無定型變?yōu)榻Y(jié)晶無定型變?yōu)榻Y(jié)晶后在惰性氣體的惰性氣體的保護(hù)下保護(hù)下加熱成熔體熔體。再在一定壓力下定量壓出噴絲定量壓出噴絲孔孔

6、，冷卻后形成纖維冷卻后形成纖維，經(jīng)拉伸、卷曲、切斷拉伸、卷曲、切斷等工序成為一定規(guī)格的可紡短纖維可紡短纖維；或在拉伸后進(jìn)行加捻、加捻、定型定型等后處理工序，成為符合各項指標(biāo)的長纖維長纖維。 三、聚酯纖維的結(jié)構(gòu)、性能及用途三、聚酯纖維的結(jié)構(gòu)、性能及用途1 1聚酯纖維的結(jié)構(gòu)聚酯纖維的結(jié)構(gòu)聚酯纖維的結(jié)構(gòu)為高度對稱芳環(huán)高度對稱芳環(huán)的線性聚合物線性聚合物，易于取向和結(jié)晶取向和結(jié)晶，具有較高的強(qiáng)度和良好的成較高的強(qiáng)度和良好的成纖性及成膜性纖性及成膜性，結(jié)晶度為40%60%，結(jié)晶速度慢。2 2聚酯纖維的性能聚酯纖維的性能聚酯纖維一般為乳白色，相對密度為1.381.4，回潮率很低，具有易洗快干的特性。在紡織時

7、，容易產(chǎn)生靜電，其紡織品在使用過程中易積累靜電荷而吸灰塵。聚酯纖維的熔點為255265，軟化溫度230240。遇明火能燃燒，有黑煙并有芳香氣味，離火后自息。聚酯纖維在承受外力時不易發(fā)生變形，紡織品尺寸穩(wěn)定性好，使用過程中褶裥持久。耐磨性僅次于聚酰胺纖維。在室溫下，聚酯纖維能耐弱酸、弱堿和強(qiáng)酸，但不耐強(qiáng)堿；對丙酮、苯、鹵代烴等有機(jī)溶劑較穩(wěn)定，但在酚類及酚類與鹵代烴的混合溶劑中能溶脹。 3 3聚酯纖維的用途聚酯纖維的用途 即可以純紡也或以與其他纖維混紡制成各種機(jī)織物和針織物。聚酯長絲可用于織造薄紗女衫、帷幕窗簾等，與其他纖維混紡可制成各種棉型、毛型及中長纖維紡織品。聚酯纖維在工業(yè)上可作為輪胎簾子線

8、、制作運輸帶、篷帆、繩索等。 3 3錦綸纖維錦綸纖維錦綸纖維錦綸纖維是以聚酰胺聚酰胺基礎(chǔ)制得的纖維，是三大合成纖維之一，也是一種主要的合成纖維。聚酰胺是由飽和的二元酸與二元胺通過縮聚反應(yīng)制得的一類線性高分子縮聚物。共同特點，就是其大分子的各個鏈節(jié)間都是以酰胺基“CONH”相聯(lián)，所以把這類縮聚物通稱為聚酰胺或尼龍。一、主要原料一、主要原料二元酸、二元胺二元酸、二元胺己內(nèi)酰胺己內(nèi)酰胺-氨基酸氨基酸二、生產(chǎn)原理及工藝路線二、生產(chǎn)原理及工藝路線聚合機(jī)理：縮聚反應(yīng)實施方法：本體連續(xù)聚合法間接熔融紡絲法間接熔融紡絲法是將聚酰胺切成片狀顆粒，再進(jìn)行紡絲，即切片熔融紡絲。直接紡絲法直接紡絲法即為熔體直接紡絲，

9、該法具有省去鑄帶、切片、萃取、熔融等工序和設(shè)備，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動生產(chǎn)率，成本低等優(yōu)點。紡絲過程紡絲過程包括熔體制備、熔體從噴絲孔擠出、絲條拉伸、冷卻固化及絲條上油和卷繞等。后加工后加工包括初捻、拉伸、后加捻、熱定型及絡(luò)絲等工序（長絲）。短纖維的后加工包括集束、拉伸、卷曲、切斷、洗滌、上油、干燥和調(diào)濕等工序。 聚酰胺的紡絲聚酰胺的紡絲間接熔融紡絲和直接熔融紡絲間接熔融紡絲和直接熔融紡絲1 1聚酰胺的結(jié)構(gòu)聚酰胺的結(jié)構(gòu)聚酰胺中酰胺基酰胺基的存在，可以在大分子中間形成氫鍵，使分子間作用力增大，賦予聚酰胺以高熔點和力學(xué)性能，同時，也使其吸水率增大。聚酰胺基之間的亞甲基亞甲基賦予其柔性和沖擊性，聚酰

10、胺中的亞甲基與酰胺基的比例越大，分子間作用力小，柔性越大，吸水率越低。另外聚酰胺的性能還受亞甲基的奇偶數(shù)亞甲基的奇偶數(shù)影響，偶數(shù)聚酰胺的熔點比奇數(shù)聚酰胺的熔點高。二、聚酰胺的結(jié)構(gòu)、性能及用途二、聚酰胺的結(jié)構(gòu)、性能及用途2 2聚酰胺纖維（錦綸）的性能與用途聚酰胺纖維（錦綸）的性能與用途 聚酰胺纖維具有耐磨性好、耐疲勞強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度高、抗沖擊負(fù)荷性能優(yōu)異、容易染色及與橡膠的附著力好等突出性能，因此，聚酰胺纖維多用于作衣料和輪胎簾子線，其產(chǎn)量僅次于聚酯纖維，居第二位。 腈綸纖維腈綸纖維學(xué)名聚丙烯腈纖維聚丙烯腈纖維，是三大合成纖維之一。一般是以丙烯腈為主要單體（含量大于85%）與少量其他單體共聚而得的

11、。由于在外觀、手感、彈性、保暖性等方面類似羊毛，所以有“合成羊合成羊毛毛”之稱。用途廣泛，原料豐富，發(fā)展速度很快。4 4腈綸纖維腈綸纖維一、主要原料一、主要原料丙烯腈的結(jié)構(gòu)式為：CH2CHCN丙烯腈分子中含有碳-碳雙鍵和腈基，化學(xué)性質(zhì)很活潑，能進(jìn)行聚合反應(yīng)（均聚和共聚）、加成反應(yīng)、氰乙基化反應(yīng)等。貯存、運輸過程要加入酚類、胺類阻聚劑。 1 1主要單體主要單體- -丙烯腈丙烯腈第二單體：第二單體：丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、醋酸乙烯酯等（5%10%），減少聚丙烯腈分子間力，消除其減少聚丙烯腈分子間力，消除其脆性脆性，紡制具有適當(dāng)彈性的合成纖維-腈綸纖維。第三單體：第三單體：用量很少（5%），主要是改

12、進(jìn)腈綸纖維的染色性能染色性能。第三單體多是帶有酸性基團(tuán)的乙烯酸性基團(tuán)的乙烯基單體基單體如乙烯基苯磺酸、甲基丙烯酸、甲叉丁二酸（又稱衣康酸）等；或者是帶有堿性基團(tuán)的乙烯基堿性基團(tuán)的乙烯基單體單體如2-乙烯基吡啶、2-甲基-5-乙烯基吡啶等。2 2其他單體其他單體第二單體與第三單體的競聚率都接近1。聚合原理：自由基共聚合反應(yīng)聚合方法：溶液聚合法（又稱“一步法”） 水相沉淀聚合法（又稱“二步法”）二、聚丙烯腈纖維的生產(chǎn)原理與工藝二、聚丙烯腈纖維的生產(chǎn)原理與工藝由于丙烯腈共聚物受熱時即不熔化又不熔融不熔化又不熔融，所以只能采用溶液紡絲法溶液紡絲法干法及濕法紡絲。其中干法紡絲主要生產(chǎn)長絲，濕法主要生產(chǎn)短

13、絲。用于紡絲的聚丙烯腈的相對分子質(zhì)量一般為2500080000。由于干法紡絲要求溶液的濃度為28%30%，因而相對分子質(zhì)量要求低一些，在2500040000之間。聚酰胺的紡絲聚酰胺的紡絲（1）以硫氰酸鈉溶液為溶劑的濕法紡絲）以硫氰酸鈉溶液為溶劑的濕法紡絲工業(yè)上采用50%的的NaSCN水溶液水溶液，高聚物的濃度10%13%。并加入適當(dāng)?shù)南♂寗越档腿芤旱恼扯?。（紡絲溶液濃度均勻，含氣泡、灰塵和機(jī)械雜質(zhì)極少）紡絲溶液經(jīng)計量泵壓入燭形過濾器至噴頭，以510m/s的紡絲速度噴出紡絲細(xì)流，在凝固溶中凝固成形。初生的絲條再經(jīng)預(yù)熱溶進(jìn)一步凝固脫水，并給予適當(dāng)?shù)睦旌?，於蒸汽加熱下進(jìn)行高倍率拉伸。拉伸后的纖

14、維再經(jīng)水洗、上油、干燥、熱定型、卷曲、切斷、打包等工序制得聚丙烯腈短纖維。 （2）以二甲基甲酰胺為溶劑的干法紡絲）以二甲基甲酰胺為溶劑的干法紡絲 以二甲基甲酰胺為溶劑二甲基甲酰胺為溶劑的干法紡絲要求聚丙烯腈的相對分子質(zhì)量不大于50000?；具^程是將丙烯腈共聚物和二甲基甲酰胺加入溶解釜中溶解，制得濃度為26%30%，粘度為600800s（落球法）的紡絲溶液，經(jīng)過濾及脫泡后，將紡絲液紡絲液預(yù)熱，并加入還原性穩(wěn)定劑。紡絲液經(jīng)計量泵壓入噴絲頭，在加熱條件下噴出，揮發(fā)的溶劑送回收裝置，凝固后的絲束經(jīng)高速拉伸后，洗滌、上油、加捻、定型、卷繞即得聚丙烯腈長絲。干法制得的纖維具有柔性、彈性、耐磨性較好的優(yōu)點

15、。干法紡絲具有紡絲速度較高，溶劑回收過程簡單的特點。不足之處是高溫紡絲操作設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)效率比濕法低。聚丙烯腈為白色粉末狀物質(zhì)，相對密度為1.141.15。由于聚丙烯腈大分子中含有負(fù)電性的氰基（CN），它能與-碳原子上的H原子成型牢固的氫鍵。因此，聚丙烯腈不溶于一般的溶劑，并具有很高的軟化點，其理論熔點（267）超過分解溫度230。所以聚丙烯腈不能用熔融紡絲法紡絲。工業(yè)上采用的是強(qiáng)極性溶劑或濃無機(jī)鹽溶液，如二甲基甲酰胺、二甲亞砜、二乙基乙酰胺、51.7%NaSCN水溶液、60%ZnCl2等。 三、聚丙烯腈及纖維的結(jié)構(gòu)、性能及用途三、聚丙烯腈及纖維的結(jié)構(gòu)、性能及用途1聚丙烯腈的結(jié)構(gòu)、性能聚丙烯腈

16、的結(jié)構(gòu)、性能2聚丙烯腈纖維的主要用途聚丙烯腈纖維的主要用途 由于聚丙烯腈纖維具有優(yōu)良的耐光、耐氣候性，所以除作衣著及毛毯之外，最適宜作室外織物，如帳篷等。 將聚丙烯腈纖維（共聚組分盡量少）經(jīng)過高溫處理可以得到碳纖維和石墨纖維碳纖維和石墨纖維。如在200左右的空氣中保持一定時間，使其碳化，可以獲得含碳93%左右的耐高溫1000的碳纖維。若在25003000下繼續(xù)進(jìn)行熱處理，可以獲得分子結(jié)構(gòu)為六方晶格的石墨纖維。石墨纖維是目前已知的熱穩(wěn)定性最好的纖維之一，可耐3000的高溫。在高溫下能經(jīng)久不變形，并具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。因此，碳纖維是宇宙飛行、火箭、噴氣技術(shù)以及工業(yè)一耐高溫、

17、防腐蝕領(lǐng)域的良好材料。在醫(yī)療上，還可以用于人工肋骨和肌腱韌帶等。 5 5丙綸纖維丙綸纖維丙綸纖維丙綸纖維學(xué)名為聚丙烯纖維聚丙烯纖維，是以聚丙烯樹脂為原料制得的一種合成纖維。由于聚丙烯纖維性能優(yōu)良，成本低；加之染色性與耐老化性的改善，使其發(fā)展迅速，用途廣泛。一、聚丙烯纖維的生產(chǎn)原理與工藝一、聚丙烯纖維的生產(chǎn)原理與工藝聚合機(jī)理：聚合機(jī)理： 配位聚合聚合方法： 淤漿法 氣相聚合 液相聚合聚丙烯的紡絲聚丙烯的紡絲 聚丙烯的紡絲方法主要是熔融紡絲。熔融紡絲的溫度控制在220280（Mn120000左右，200000左右）紡絲時，將粒狀聚丙烯粒狀聚丙烯先在螺桿擠出機(jī)的進(jìn)料段預(yù)熱軟化（要用惰性氣體將粒間空氣

18、排除），在壓縮段熔融、壓縮、混煉、脫泡，再經(jīng)計量段進(jìn)一步熔化，建立熔體壓力并將熔體擠出，然后到機(jī)頭過濾、均化。從擠出機(jī)出來的聚丙烯熔體聚丙烯熔體用計量泵加壓計量送至噴噴絲頭紡絲絲頭紡絲。由噴絲頭噴出的細(xì)絲經(jīng)過冷卻套筒細(xì)絲經(jīng)過冷卻套筒，穿過上油盤，最后卷繞在絲筒上，其他與聚酯、取酰胺加工過程相同。對于有顏色聚丙烯纖維的生產(chǎn)，需要用共聚、共混的方法進(jìn)行改性才可以。三、聚丙烯樹脂及纖維的結(jié)構(gòu)、性能及用途三、聚丙烯樹脂及纖維的結(jié)構(gòu)、性能及用途1 1聚丙烯樹脂的結(jié)構(gòu)、性能聚丙烯樹脂的結(jié)構(gòu)、性能 聚丙烯為線形結(jié)構(gòu)，根據(jù)大分子上甲基的空間排列可分為全同立構(gòu)聚丙烯、間同立規(guī)聚丙烯和無規(guī)立構(gòu)聚丙烯。其性能有很大

19、差別，全同立構(gòu)聚丙烯的結(jié)構(gòu)規(guī)整性好，具有高度的結(jié)晶性，熔點高，硬度和剛性大，力學(xué)性能好；無規(guī)立構(gòu)聚丙烯為無定形，強(qiáng)度很低，難以用作塑料和纖維；規(guī)間同立規(guī)聚丙烯介于兩者間，硬度和剛性小，但沖擊強(qiáng)度好。2 2聚丙烯纖維（丙綸）的性能、用途聚丙烯纖維（丙綸）的性能、用途聚丙烯纖維密度小、強(qiáng)度高、吸濕性小、耐酸、耐堿、耐磨、電性能好，但染色性和耐光性差。聚丙烯纖維可與棉、毛、粘膠纖維等混紡作衣料用，在工業(yè)上聚丙烯纖維主要用途繩索、網(wǎng)具、濾布、帆布等；在醫(yī)療上用作紗，作外科手術(shù)衣服而耐高溫高壓消毒。 6 6維綸（維尼綸）纖維維綸（維尼綸）纖維維綸或維尼綸纖維維綸或維尼綸纖維化學(xué)名為化學(xué)名為聚乙烯醇纖維聚

20、乙烯醇纖維，是聚，是聚乙烯醇縮甲醛纖維的簡稱。乙烯醇縮甲醛纖維的簡稱。1924年就合成了聚乙烯醇，因紡得的纖維具有水年就合成了聚乙烯醇，因紡得的纖維具有水溶性，僅可用作醫(yī)學(xué)外科手術(shù)的縫線。溶性，僅可用作醫(yī)學(xué)外科手術(shù)的縫線。1939年采年采用熱處理與縮甲醛化方法后，使聚乙烯醇纖維可用熱處理與縮甲醛化方法后，使聚乙烯醇纖維可耐耐115的熱水，為用作紡織纖維解決了技術(shù)上的的熱水，為用作紡織纖維解決了技術(shù)上的難題。我國在難題。我國在1965年開始生產(chǎn)。年開始生產(chǎn)。一、聚乙烯醇的合成一、聚乙烯醇的合成CH2CHnOHCH2CHOHCH3COH由由乙酸乙烯酯乙酸乙烯酯聚合成聚合成聚乙酸乙烯酯聚乙酸乙烯酯，

21、再，再醇解醇解(或水或水解解)成成聚乙烯醇聚乙烯醇。CH2CHnOHnCH2CHOCOCH3CH2CHOCOCH3CH3COOCH3n聚合醇解CH3OH單體？單體？二、二、 聚乙烯醇的結(jié)構(gòu)、性能與用途聚乙烯醇的結(jié)構(gòu)、性能與用途 頭尾形式連接：頭尾形式連接：頭頭形式連接：頭頭形式連接： 存在有無規(guī)、間規(guī)及等規(guī)三種立構(gòu)的聚合物。但存在有無規(guī)、間規(guī)及等規(guī)三種立構(gòu)的聚合物。但因羥基的體積小，且羥基間易形成氫鍵，所以無規(guī)聚因羥基的體積小，且羥基間易形成氫鍵，所以無規(guī)聚乙烯醇仍很易結(jié)晶。一般商品聚乙烯醇的結(jié)晶度約為乙烯醇仍很易結(jié)晶。一般商品聚乙烯醇的結(jié)晶度約為30。CH2CHOHCH2CHOHCH2CHOHOHCH2CHOHCH2CHOHCHCH2聚乙烯醇大分子具有聚乙烯醇大分子具有大量的仲羥基大量的仲羥基，故能進(jìn)行酯化、，故能進(jìn)行酯化、醚化醚化, 也能和醛類、氫氧化鈉等反應(yīng)。也能和醛類、氫氧化鈉等反應(yīng)。在酸性條件下與醛發(fā)生縮合反應(yīng)。如與一元醛反應(yīng)，則反應(yīng)主在酸性條件下與醛發(fā)生縮合反應(yīng)。如與一元醛反應(yīng)，則反應(yīng)主要發(fā)生在分子內(nèi)部；與二元醛反應(yīng)，則主要在分子間進(jìn)行反應(yīng)。要發(fā)生在分子內(nèi)