第3章合成纤维.ppt

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1、,第三章 合成纤维,3.1 概述,人造纤维：19世纪80年代 硝酸纤维、粘胶纤维、醋酸纤维 合成纤维：1935年Carothers 合成的尼龙（锦纶） 尼龙、涤纶、腈纶、维纶、丙纶； 高性能高功能纤维： 芳纶：间位芳纶（1962），对位芳纶（1966） 超高分子量聚乙烯纤维（1979）。,三大合成纤维，其产量占到合成纤维总产量的90%,像蛛丝一样细 像钢丝一样强 像绢丝一样美,3.1 概述,通用合成纤维,高性（功）能合成纤维,合成纤维,聚酯纤维,聚酰胺纤维（尼龙）,聚芳酰胺纤维（芳纶）,聚乙烯醇缩甲醛纤维（维纶）,聚丙烯纤维（丙纶）,聚丙烯腈纤维（腈纶）,PET（涤纶）、PBT纤维等,PA6、

2、PA66等,超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维,高弹性纤维（氨纶）,芳杂环聚合物纤维,合成纤维的制造,熔体纺丝：,一般纺丝速度8001000m/min，高速纺丝60009000m/min，实验室可达15000m/min； 涤纶、尼龙、丙纶采用此法,单轴取向 材料仅沿一个方向拉伸，长度增大，厚度和宽度减小，高分子链或链段倾向沿拉伸方向排列,纤维,合成纤维的纺丝：首先在熔融状态下进行拉伸，使得链段、高分子链充分进行取向，达到高强度。 问题：纤维通常具有1020的生长率，以保持合适的弹性，在纺丝过程中如何实现这一目的？ 尼龙丝（未取向）的抗张强度：700-800kg/cm2； 尼龙丝（取向丝）的抗

3、张强度： 4700-5700 kg/cm2。,采用热空气或水蒸气很快吹一下，使链段解取向，使纤维具有良好的弹性,合成纤维的制造,一般纺丝速度200500m/min；腈纶采用此法；,3.2 通用合成纤维,3.2.1 聚酰胺（PA）,PA (尼龙，nylon）：分子链含有酰胺基团的聚合物； 由二元胺和二元酸缩聚而成，也可由-氨基酸或内酰胺自聚而成； PA的品种： PA4、PA6、PA66、PA610、PA7、PA10、PA1010、PA612、PA9、PA10、PA6T、PA9T等 PA与蚕丝（主要成分氨基酸，也含酰胺基）结构相似，特点是耐磨性好，有吸水性； PA是制作运动服和休闲服的好材料， 另

4、外也用于轮胎帘子线、降落伞、绳索、渔网等。,聚酰胺6（PA6）,相对分子量控制在1400020000； 纺丝温度控制在260280（PA6熔点为215）；,聚酰胺66（PA66）,相对分子量控制在2000030000； 纺丝温度控制在280290（PA6熔点为255265）；,涤纶是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）经熔融纺丝制成的纤维； 相对分子量1500022000； PET纺丝温度275295（PET熔点262 ，Tg80 ）； 涤纶是最挺括的纤维，易洗，快干，免烫； 但透气性、吸湿性较差（可通过化学接枝或离子表面处理引入亲水基团）,主要包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二

5、醇酯（PBT）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚萘酯（PEN）等纤维,涤纶,3.2.2 聚酯纤维,PET成纤的结构：,直径0.5mm， 由数百个单丝组成,直径25um， 由原纤组成,直径10nm，由直径为10nm的片晶堆砌而成，片晶间由无定形区域连接,在拉伸过程中，堆砌的片晶沿纤维轴方向取向，而在松弛过程中，堆砌的片晶发生扭曲,与PET相比，PBT柔性链节更长一些，Tg（29）和Tm均会低一些，结晶速度较PET快10倍，有极好的伸长弹性回复率，且柔软易染色； 特别适用于制作游泳衣、体操服、长筒袜、滑雪裤等高弹性纺织品。,聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）纤维,1995年，Shell 公司研制成功

6、，熔点230，Tg46； 其主要物理性能均优于PET，柔软性和伸长弹性回复率介于PBT和PET之间； 能经受射线消毒，开发功能性织物。,聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）纤维,腈纶是由聚丙烯腈和或含85%以上丙烯腈的共聚物经溶液纺丝制成的合成纤维。 聚合物原料的制备： PAN均聚物：AN的自由基聚合 PAN共聚物：AN与A或MAA等的自由基共聚 PAN相对分子量：5000080000； 腈纶蓬松柔软、被誉为“人造羊毛”； 分子中具有氰基，具有优良的耐晒性，用于制作户外用织物，如帐篷、窗帘等； 以腈纶为原料还可以制造阻燃的PAN基氧化纤维和碳纤维。,3.2.3 腈纶,丙纶：等规PP经熔体纺丝而成。

7、相对分子量：1030万（非极性分子，提高分子量来提高纤维强度； 分子量的增大导致熔体的粘度较大，纺丝温度比其熔点要高很多 ； 丙纶的吸湿性、染色性、耐热性都不好； 主要用途是制成扁丝和无纺布。,3.2.4 丙纶,维纶：聚乙烯醇缩甲醛纤维。 维纶的性能和微观近似蚕丝，可织造绸缎衣料，吸湿性和耐日光性好，但弹性较差。,3.2.5 维纶,从1931年，Carothers发明PA66开始，直至60年代，出现了很多PA品种，其中最重的发现是DuPont公司1962年发现的聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（Nomex），到1966年又发现聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（Kevlar） 。,4.3.1 芳香族聚酰胺纤维,

8、3.3 高性能合成纤维,Kevlar纤维的问世，代表着合成纤维向高强度、高楷量和耐高温的高性能化方向达到一个新的里程碑。,在国内分别称为芳纶1313和芳纶1414；,4.3.1 芳香族聚酰胺纤维,1,4,1,3,芳纶1313耐高温性好，不会熔融；芳纶1414 强度高、模量高又耐高温；,芳纶1313白短切纤维,芳纶1313纺前着色短纤维,芳纶纱,国产芳纶的价格，白的18万元/吨左右，带色的30万元/吨！,目前芳纶1313已在烟台实现了国产化,产量达到世界第二,仅次于美国。,3.3.1 芳香族聚酰胺纤维,结构与性能的差异,芳纶1313,分子结构中酰胺键与苯环间位连接,间位苯环 的共价键内旋转位能低

9、，可旋转角度大,大分子是柔性链结构，在力学性能上接近普通的柔性链纤维,但苯环含量高，耐热性能就远大于脂肪族纤维,芳纶1414纤维,对位连接的苯酰胺，酰胺键与苯环形成共轭结构,内旋位能相当高，呈线性刚性伸直链结构，分子排列规整，结晶和取向极高,溶致液晶聚合物，纤维的强度和模量相当高,芳香族聚酰胺纤维的加工,在芳香族聚酰胺纤维的研究中发现，不仅其熔点高于热分解温度，而且在常规有机溶剂中很难溶解，因此用普通的纺丝方法（熔体、溶液）无法制得纤维； 液晶纺丝：1966年杜邦公司 对位芳纶可溶解在浓硫酸中，达到临界浓度时，形成高分子液晶溶液，粘度会减小，通过干喷湿纺液晶纺丝技术纺出的纤维强度非常高；,具有

10、向列型液晶结构的纺丝原液通过喷丝孔时，在剪切力和伸长流动下，全体向列型液晶微区沿纤维轴向取向， 在空气层中进一步伸长取向， 随后在低温凝固裕中冷冻凝固成形、分子取向结构被保留下来这样得到高强度高模量的纤维。,芳纶1414的应用,航空、航天领域：发动机壳体及零部件； 防弹领域：头盔、背心、运钞车等； 建筑领域：替代钢筋纤维（芳纶辫绳的强度通常是钢筋的5倍，而密度只有它的1/5）； 轮胎帘子线：与常规轮胎相比，采用芳纶帘子线的轮胎质量可减轻3kg，而价格只高10%； 各种高压气罐； 高速列车的天花板和内部隔板。,3.3.2芳香族聚酯纤维,聚对羟基苯甲酸 聚对苯撑对苯二甲酸酯,PPTA纤维具有高强度

11、、高模量、高耐热性，但其液晶纺丝技术复杂、价格太高,提出设想： 采用酯基取代酰胺基，制备芳香族聚酯结构，采用熔体纺丝取代液晶纺丝？,最简单芳香聚酯结构,但化学结构刚性太强，不仅熔融温度比分解温度高，而且也不溶解于强酸之类溶剂中，只能烧结成形。,3.3.2芳香族聚酯纤维,解决办法： 降低刚性 用共聚方法导入不规整分子基团或柔性基团？,DuPont公司提出PET与对羟基苯甲酸共聚，得到X-7G纤维(1976) ，熔点显著降低，但其强度和模量不太高,进一步改性,合成原料：芳香族二元酚、二元酸、羟基酸,3.3.2芳香族聚酯纤维,例如美国金刚砂和日本住友化学公司开发的Ekonol，分子中引入联苯结构，纤

12、维强度为4.1GPa，模量134GPa。 但芳香族聚酯能形成产业化产品的并不多，问题： 纺丝采用熔融液晶成形，初生丝力学性能较低，要经过长时间的热处理，纤继性能才能上升，因此能耗大，生产效率低。,现已实现工业化产品： 美国塞拉尼斯和日本可乐丽公司合作开发的Vectran纤维。,芳香族聚酯纤维的用途,高性能船用缆绳、远洋捕鱼网、传送带及电缆； 增强纤维：在光缆、特种电线中起支撑保护作用，与橡胶复合可制造而高压软管； 体育器材：如网球拍、头盔及雪橇等也在开始使用,3.3.3 芳杂环纤维,聚苯并咪唑纤维(PBI)是美国塞拉尼斯公司研制开发并且工业化的耐高温、耐化学腐蚀、纺织加工性优良的一种高科技纤维

13、。,聚苯并咪唑(PBI)纤维,优点： 耐高温性、阻燃性、尺寸稳定性和耐化学腐蚀性，还有穿着舒适性等。 缺点：力学性能不太高； 用途： 特殊纺织制品：如宇航服、飞行服，太空飞船中密封垫、救生衣； 金属铸造、玻璃行业：隔热防护材料，如手套，工作服，输送带。,3.3.3 芳杂环纤维,Stanford研究所拥有此单体和聚合物技术专利，Dow化学公司授权对其进行开发，1995年开始小批量生产； PBO具有溶致液晶性，像芳纶一样可采用干喷湿纺的液晶纺丝技术来获得高取向度、高强度、高模量、高耐热性、耐水的纤维。,聚亚苯基苯并二恶唑(PBO)纤维,优点： 高模量：比芳纶高一倍以上； 热分解温度达到650，比耐

14、热性好的 PBl要高出许多，它在火焰中不燃烧不收缩且仍然非常柔软，因此是十分优异的耐热纺织面料。 用途： 防弹、阻燃材料,3.3.4 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）,设想： 既然柔性聚酯、聚酰胺能够开发成高强高模纤维，那么聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚烯烃等常规纤维也能否开发成高强高模纤维？ 近20多年来，各国科学家从理论和实践两个方面进行了大量、深入细致的研究工作，终于促使超高强聚乙烯纤维、超高强聚乙烯醇纤维、超高强聚丙烯脂纤维相继诞生，并开始了工业化生产。其中、超高强高模聚乙烯纤维的发展尤为迅速。,70年代初期，英国Leeds大学Ward教授首先用熔融纺丝法得到了中强PE纤维； 1989年，美国

15、Ce1anese及意大利的Snia两个公司利用分别推出了超高分子量聚乙烯纤维； 荷兰DSM矿业公司发表凝胶纺丝法纺制超高强高模聚乙烯纤维的专利；荷兰DSM公司、日本三井石油对其进行了产业化。,凝胶纺丝,3.3.4 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）,第一步：把超高相对分子质量的聚合物溶解成半稀溶液，让它依次经过脱泡、过滤、计量、纺丝从凝固浴的冷凝，形成含有大量溶剂的凝胶丝条。 第二步：将凝胶丝条经受超倍热拉伸（20倍），同时除去溶剂。,性能,3.3.4 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）,强度达到2.23.5GPa，而芳纶1414强度为2.152.58GPa； 具有很好的耐疲劳性和耐磨擦性； 耐冲

16、击性能强于芳纶、碳纤维、聚酯，仅小于尼龙；在高强纤维中，它是最高的； 耐光性是所有纤维中最好的； 优良的耐化学腐蚀性：经强酸、强碱2000h浸泡，高强PE的强度能保持在90%以上，而芳纶只有原来的20%； 热性能：熔点144。,在低温和常温的领域内有着极其广阔的应用前景。,应用,3.3.4 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）,绳索类：由于聚乙烯强度高、模量高、密度小、耐腐蚀性好，因此特别适合用作海洋航行用绳索。降落伞用绳，高强聚乙烯纤维也是首选对象； 防弹材料：高强聚乙烯纤维优良的吸收冲击能量的本领、纤维的可加工性及特别小的密度都使它在作防弹或防切割衣服方面具有其他纤维无法比拟的优点。 用作复合

17、材料的增强材料：优良的力学性能赋予它成为增强材料的特性，只要设法进一步改进与各种树脂的粘结性能，其复合材料的应用领域十分广泛。如军用及民用头盔、比赛用帆船、赛艇。,3.4 功能合成纤维,功能纤维是时代的产物： 社会的发展和生产技术的积累是保证； 人们对美好和舒适生活空间的追求是动力； 希望纤维材料接近自然赋予真丝般柔软感和纤细感，光泽优雅，并赋予防水透湿、亲水、防静电、抗紫外、抗菌、远红外、可生物降解等功能。 纤维材料的功能取决于： 聚合物的化学结构和基团组成的特异性； 高分子聚集态的物理形态特异性； 纤维的成型技术（采用异型截面、中空、复合等纺丝工艺）。,分子链上由软链段和硬链段两部分组成；

18、 其中软链段由非晶性脂肪族聚酯或聚醚组成，Tg：-70-50 ，常温下为高弹态； 硬链段由结晶性的芳香族二异氰酸酯等组成，在应力作用下不变形； 低熔点、无定形的软链段作为母体，高熔点、结晶的硬链段嵌在其中； 氨纶具有500%800%的伸长，回复性也非常出众；,3.4.1 高弹性纤维,氨纶（聚氨酯纤维）,莱卡：美国杜邦公司（1959年），聚氨酯溶液-干法纺丝 (与橡胶相比，弹性更长更持久，而且重量轻1/3 ),纽士达氨纶,第一代氯纶：无规立构，Tg75 ，分子量610万，具有耐腐蚀性好、抗静电和保暖功效； 第二代氯纶：高间规度，低温聚合产物，Tg100 ，溶液纺丝。,3.4.2 耐腐蚀性纤维,氯

19、纶（聚氯乙烯纤维）,乳液纺丝； 耐腐蚀、耐酸碱。,氟纶（聚四氟乙烯纤维）,腈纶和丙纶等易燃（容易着火，燃烧速度快）； PA、PET、维伦等可燃（能发烟燃烧，但较难着火）；,3.4.3 阻燃纤维,阻燃纤维 氟纶：90 酚醛纤维：3234 氯纶：3537 芳纶：3334 PBI：41 腈氯纶：2631 维氯纶：3033,极限氧指数： 纤维点燃后在氧-氮混合气中维持燃烧所需的最低含氧量的体积分数。,LOI%21%即为阻燃纤维,无机阻燃剂：氢氧化铝（镁）、氧化锡等； 有机阻燃剂：磷酸三辛酯、磷酸丁乙醚酯、十溴二苯醚等,3.4.4 医用合成纤维,医用合成纤维的要求：生物相容性（血液和组织）,生物可降解性

20、合成纤维,生物不可降解合成纤维,主要为聚酯类纤维:聚羟基乙酸、聚乳酸、聚己内酯、聚羟基丁（戊）酸酯及其共聚物纤维,PA、涤纶、腈纶、丙纶等,可降解聚酯类纤维：医学可吸收缝线、自增强人造骨复合材料等； 不可降解类纤维： PA、涤纶、丙纶可用作非吸收性缝合线，涤纶和氟纶用于制造人工血管，PAN中空纤维用于人工肾，PP中空纤维用于人工心脏。,3.4.4 医用合成纤维,用途：,3.4.5 超细合成纤维,纤度（线密度） ：表征纤维粗细的指标，1000m长纤维质量的1/10质量（g）表示，单位分特（dtex）。 1 dtex=1g/10000m 7.0 dtex：1000m纤维重0.7g,纤维根据纤度分为

21、：,粗旦纤维：7.0dtex; 中旦纤维：7.02.4dtex; 细旦纤维：2.41.0dtex; 微细纤维：1.00.3dtex; 超细纤维：0.3dtex,3.4.5 超细合成纤维,超细合成纤维制作的关键：纺丝工艺和技术； 超细纤维长丝和短丝制作工艺也有差别； 超细合成纤维的结构可分为单一结构和复合结构两种，复合结构超细纤维可由两种不同纤维通过复合纺丝工艺制备。,复合纤维结构类型：,皮芯结构,并列结构,橘瓣结构,带形结构,海岛结构,3.4.6 导电纤维,1960，日本帝人；1975，美国杜邦； 产量最大导电纤维品种； PA、PU、PET、PAN等。,1970，聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩

22、等，直接纺丝或后处理法。,铜、铝、不锈钢纤维，细丝难以加工,径向强度低,铜、银、镍、铬的硫化物和碘化物；,导电纤维的应用,在纤维中混入0.055的导电纤维，可解决织物的带静电问题， 导电纤维具有优异的远高于抗静电纤维的消除和防止静电的性能； 由导电纤维制成的导电织物具有导电、电热及屏蔽和吸收电磁波的功能，可用来制成导电工作服；或制造电热毯、电热服、睡袋及电热绷带等面状发热体； 利用导电纤维对电磁波的屏蔽特性，可用作精密电子元件、电子仪器、高频焊接机等电磁波屏蔽罩，或航空和航天部门的电磁波屏蔽材料。,3.4.7 光导纤维,传输介质： 双绞线、 同轴电缆 、光导纤维,3.4.7 光导纤维,光导纤维

23、（光纤) ：是一种把光能闭合在纤维中，产生导光作用的光学复合材料。 由两种或两种以上折射率不同的材料复合而成，即由实际起导光作用的芯材和折射率低于芯材而能将光能闭合于芯材之中的皮构成。芯材和皮材的折射率相差越大越好。,3.4.7 光导纤维,3.4.7 光导纤维,60年代推出,70年代推出，损耗小，传导距离长， 但价格昂贵、不易弯曲、加工困难,70年代开始出现，损耗较大，传导距离短， 但加工容易、轻而柔软、绕曲性好、,有机光纤特点： 是一种很细的皮芯型光学合成纤维，其芯丝是高光学纯的有机高聚物，直径在0.0050.1mm，在它外面包裹着一层较低光折率的有机高聚物薄膜皮层； 光在纤维界面上全反射而

24、使光在纤维内曲折反复传播并把光约束在纤维内进行导光。,芯用材料：透光性好，又易纤维化，如PMMA和PS； 皮层材料：选用比芯材折射率低的透明性高聚物； 选择皮材时要充分考虑皮材的熔融性与芯材的熔融性差异要。,有机光纤,例如：,芯材,皮材,氟化偏氯乙烯四氟乙烯共聚物,PMMA,（折射率在1.40左右）,（折射率为l.49）,PS,（折射率为1.59）,PMMA,（1）Gore面料（1976，美国）：该面料中复贴而成的PTFE防水透湿薄膜，该薄膜拥有原纤维状的微孔结构，使汗气可以通过，液态水不能通过； （2）高密度面料 利用超细合成纤维制成紧密的织物，从而使织物具有较高的水蒸汽穿透性，经过拒水整理

25、后具有一定的防水性。 （3）涂层面料,纤维的其他功能,防水透湿功能“可呼吸” ：,（1）采用抗静电剂对织物进行表面处理而获得的防静电织物； （2）通过织造工艺直接获得防静电织物，如在合成纤维制造过程中，在聚合阶段用共聚方法引入抗静电剂，如加入0.10.5%的纳米TiO2、Cr2O3、ZnO、Fe2O3等，通过纺丝制成具有抗静电效果的纤维；或者直接加入导电纤维进行混纺。,纤维的其他功能,防静电功能：,静电的危害：放电，吸尘,（1）加入有机抗菌、防臭剂 ； （2）加入无机抗菌、防臭剂，如纳米TiO2 。TiO2阳光下尤其在紫外线照射下能自行分解出自由移动的电子和空穴，它们分别与吸附在TiO2表面的氧和H2O作用形成O2- 和HO，所生成的O2- 和HO有很强的化学活性，能与细菌内的有机物反应生成CO2和H2O，从而在短时间内就能杀死细菌，消除恶臭和油污。,纤维的其他功能,抗菌、防臭功能：,（1）紫外线A（UVA，320 nm400 nm）会引起皮肤老化；紫外线B（UVB，290 nm320 nm）会引起晒斑（红疹），而导致皮肤癌。 （2）将纳米TiO2、ZnO、SiO2 、Al2O3、Fe2O3等加入到涤纶、维纶、腈纶、尼龙和丙纶等制作各类纺织品，就能满足人们对抗紫外衣物的需要。,纤维的其他功能,抗紫外线功能：,