2.1合成纖維詳解

第二章紡織纖維本章知識點(diǎn)：2.1合成纖維2.2纖維素纖維2.3蛋白質(zhì)纖維重點(diǎn)：聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯等纖維的合成、結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，纖維素和蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)知識，棉、麻、蠶絲、羊毛纖維的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)。難點(diǎn)：聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯等纖維的合成，蠶絲、羊毛的化學(xué)加工。學(xué)習(xí)目的要求

掌握紡織纖維的分類與特征；初步掌握棉、麻、絲、毛、聚酯纖維、錦綸纖維、腈綸纖維、聚丙烯纖維的生產(chǎn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用。紡織纖維概述纖維是指柔韌、纖細(xì)，具有相當(dāng)長度、強(qiáng)度、彈性和吸濕性的絲狀物。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。

典型的紡織纖維的直徑為幾微米至幾十微米，而長度超過25mm。

化學(xué)纖維再生纖維合成纖維按來源分類天然纖維棉花、羊毛、蠶絲、麻石棉纖維的分類再生纖維：以天然高聚物為原料，經(jīng)過化學(xué)處理與機(jī)械加工而制得的纖維。再生纖維再生蛋白質(zhì)纖維大豆纖維牛奶纖維再生纖維素纖維粘膠纖維銅氨纖維醋酯纖維纖維的分類

合成纖維：以石油、天然氣、煤及農(nóng)副產(chǎn)品等為原料，經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)合成高分子，再加工制得纖維。碳鏈纖維聚丙烯腈纖維聚乙烯醇縮醛纖維等……雜鏈纖維聚酰胺纖維聚酯纖維聚氨酯纖維等……合成纖維2.1合成纖維2.1.1合成纖維概述一、成纖聚合物的結(jié)構(gòu)特征

高聚物的品種很多，但并不是所有高聚物都能用于紡絲，而是具有如下特征的高聚物都能進(jìn)行紡絲。成纖高聚物均為線型高分子

主鏈分子結(jié)構(gòu)線型或支化度很低，沒有龐大側(cè)基的聚合物，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(shí)，大分子能同時(shí)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。2.成纖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)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)量太高太低均不好，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。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16000-2200019000-2100053000-160000聚乙烯醇全同聚丙烯60000-80000180000-300000主要成纖高聚物的相對分子質(zhì)量3.側(cè)鏈結(jié)構(gòu)所有的天然聚合物和大多數(shù)成纖聚合物的側(cè)鏈都含有極性基團(tuán)。極性基團(tuán)的存在對于大分子鏈間的相互作用和纖維的溶解性、熱性能、吸濕性、染色性等都有很大的影響。4.結(jié)晶結(jié)構(gòu)用于紡制纖維的聚合物一般都要求是半結(jié)晶結(jié)構(gòu)的聚合物。結(jié)晶區(qū)的存在使纖維具有較高的強(qiáng)度和模量，而非結(jié)晶區(qū)的存在使纖維具有一定的彈性、耐疲勞性和染色性。半結(jié)晶結(jié)構(gòu)能使原來排列不規(guī)整的分子鏈，經(jīng)過拉伸取向而沿著纖維軸進(jìn)行有序排列的這種狀態(tài)固定下來。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。二、聚合物的紡絲方法1、熔體紡絲凡能熔融或轉(zhuǎn)變成粘流態(tài)而不發(fā)生顯著分解的成纖聚合物都可采用熔體紡絲。

熔體紡絲不用溶劑，工藝簡單，成本低，特點(diǎn)是紡絲速度快，生產(chǎn)能力大。一般紡絲速度在1000~1200m/min。2、濕法紡絲將聚合物溶解于合適的溶劑中，制成紡絲液，再由噴絲孔噴出細(xì)流，進(jìn)入凝固浴，細(xì)流中的溶劑向凝固液擴(kuò)散，而凝固浴中的凝固劑向細(xì)流擴(kuò)散，聚合物在凝固浴中析出，形成纖維。3、干法紡絲也需要將聚合物溶解在溶劑中配成紡絲溶液，而后段過程與熔體紡絲相似，從噴絲頭擠壓出來的細(xì)流不是進(jìn)入凝固浴，而是導(dǎo)入紡絲甬道，在甬道中利用熱空氣使細(xì)流中的溶劑揮發(fā)而凝固成纖維。三、成纖聚合物的力學(xué)狀態(tài)合成纖維一般都具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性能好、密度輕、耐酸、耐堿、耐氧化劑以及不易霉蛀等特點(diǎn)，但也存在吸濕低、透氣性差、容易產(chǎn)生靜電、易沾污、不易染色等缺點(diǎn)，為了提高纖維的使用性能，必須了解各種纖維的結(jié)構(gòu)和性能。聚酯是制造聚酯纖維、涂料、薄膜及工程塑料的原料，是由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。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(gè)共同特點(diǎn)，就是其大分子的各個(gè)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。以聚酯為基礎(chǔ)制得的纖維稱為滌綸，是三大合成纖維（滌綸、錦綸、腈綸）之一，是最主要的合成纖維。2.1.2聚酯纖維2.1.2聚酯纖維PET主要原料TPADMT環(huán)氧乙烷乙二醇對苯二甲酸對苯二甲酸二甲酯EGEO一、聚對苯二甲酸乙二醇酯的合成（1）酯交換聚酯路線（酯交換聚酯法）最早（1953年）實(shí)現(xiàn)工業(yè)的聚酯路線，技術(shù)最成熟，目前大型滌綸生產(chǎn)商基本采用此法。是將對苯二甲酸二甲酯與乙二醇按1∶2.5（摩爾比）比例混合，在醋酸鋅、醋酸錳和醋酸鈷催化劑的作用下，發(fā)生酯交換反應(yīng)，生成對苯二甲酸雙羥乙酯。H3COOC－－COOCH3＋2HOCH2CH2OHZn（CH3COO）2HOCH2CH2OOC－－COOCH2CH2OH對苯二甲酸雙羥乙酯（2）對苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路線（直接酯化聚酯法），目前發(fā)展很快。對苯二甲酸雙羥乙酯＋2

HOCH2CH2OHHOOC－－COOHHOCH2CH2OOC－－COOCH2CH2OH路線（1）和路線（2）對比：省去了DMT的制造及甲醇的回收等工序，工藝過程簡單，但該路線對原料對苯二甲酸和乙二醇的純度要求較高。

二、PET的結(jié)構(gòu)與相對分子質(zhì)量1、結(jié)構(gòu)PET是具有對稱苯環(huán)結(jié)構(gòu)，沒有支鏈的線型分子，除了兩端含有-OH外，不含有親水性基團(tuán)，故吸濕性染色性差；聚酯纖維的結(jié)構(gòu)為高度對稱芳環(huán)的線型聚合物，沒有大的側(cè)基和支鏈，易于取向和結(jié)晶，具有較高的強(qiáng)度和良好的成纖性及成膜性，結(jié)晶度為40%～60%，結(jié)晶速度慢。HOCH2CH2OOC－－COOCH2CH2OHPET大分子中酯鍵的存在使滌綸分子具有一定的化學(xué)反應(yīng)能力，由于苯環(huán)和亞甲基的穩(wěn)定性較好，滌綸的化學(xué)穩(wěn)定性較好；結(jié)構(gòu)單元中含有一個(gè)剛性基團(tuán)-苯環(huán)，阻礙了大分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使主鏈剛性增加，又有一個(gè)柔性基團(tuán)（-CH2CH2-），使滌綸大分子結(jié)構(gòu)剛?cè)岵?jì)。滌綸具有彈性優(yōu)良、挺括、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異品質(zhì)。HOCH2CH2OOC－－COOCH2CH2OH2、相對分子質(zhì)量分布聚對苯二甲酸乙二醇酯的聚合度n一般為80-150，相對分子質(zhì)量為18000-25000。3、PET纖維的物理性能

聚酯纖維一般為乳白色，相對密度為1.38～1.4，回潮率很低，具有易洗快干的特性。聚酯纖維的熔點(diǎn)為255～265℃，軟化溫度230～240℃。遇明火能燃燒，有黑煙并有芳香氣味，離火后自熄。聚酯纖維在承受外力時(shí)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。

4、PET纖維的化學(xué)性質(zhì)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。在室溫下，聚酯纖維能耐弱酸、弱堿和強(qiáng)酸，但不耐強(qiáng)堿；爛花布、堿減量處理。見課本。爛花布5、聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維的染色性能染色性差：因?yàn)槲圆?、缺少極性基團(tuán)染色方法：分散染料（結(jié)構(gòu)簡單、體積較?。└邷厝旧?、載體法染色6、聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維的改性2.1.3聚酰胺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。其中以聚酰胺-66和聚酰胺-6的產(chǎn)量最大，約占聚酰胺產(chǎn)量的98%。共同特點(diǎn)：就是其大分子的各個(gè)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。聚酰胺-1010聚酰胺-6聚酰胺-66聚酰胺-11種類聚酰胺-12聚酰胺-610產(chǎn)量最大69%一、聚酰胺6和66的合成1、聚酰胺6的合成聚己內(nèi)酰胺，可由已內(nèi)酰胺在高溫下，微量水存在時(shí)的聚合反應(yīng)如下:nNH（CH2）5C＝O－NH（CH2）5CO－n微量H2O2、聚酰胺66的合成是己二酸與己二胺的縮聚物，是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的聚酰胺品種，也是產(chǎn)量最大的。n－OOC（CH2）4COHN（CH2）6NH3+nHOOC（CH2）4COOH＋nH2N（CH2）6NH2n－OOC（CH2）4COHN（CH2）6NH3+HO－OC（CH2）4COHN（CH2）6NH－H＋（2n－1）H2On二、聚酰胺的結(jié)構(gòu)聚酰胺是沒有龐大側(cè)基的線型高分子，中間的脂肪鏈?zhǔn)峭ㄟ^酰胺鍵相連的分子兩端有氨基和羧基，具有一定的吸濕性和染色性。聚酰胺中酰胺基的存在，可以在大分子中間形成氫鍵，使分子間作用力增大，易在酸堿作用下發(fā)生水解。賦予聚酰胺以高熔點(diǎn)和力學(xué)性能，同時(shí)，也使其吸水率增大。聚酰胺重復(fù)結(jié)構(gòu)單元中的脂肪鏈較長，聚酰胺基之間的亞甲基賦予其柔性和沖擊性，聚酰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。聚酰胺大分子中相鄰大分子間和大分子內(nèi)部可借羰基和亞氨基生成氫鍵，分子結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，因此它在適當(dāng)條件下可以結(jié)晶，結(jié)晶度達(dá)50%～60%。其聚酰胺-6的晶體為α、γ晶型；聚酰胺-66的晶體為α、β晶型。具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和形狀穩(wěn)定性。另外聚酰胺的性能還受亞甲基的奇偶數(shù)影響，偶數(shù)聚酰胺的熔點(diǎn)比奇數(shù)聚酰胺的熔點(diǎn)高。三、聚酰胺纖維的物理性質(zhì)機(jī)械性能：強(qiáng)度高、回彈性好——耐磨性好密度：較小，僅次于聚丙烯和聚乙烯電性能：疏水性纖維，導(dǎo)電性差熱性能：熱穩(wěn)定性差吸濕性：親水性的酰胺鍵，有較好的吸濕性四、聚酰胺纖維的化學(xué)性質(zhì)酸、堿的作用氧化劑的作用染色性：分散染料耐光性：較差1、改變二元酸或二元胺2、交聯(lián)和接枝利用甲醛進(jìn)行交聯(lián)，交聯(lián)發(fā)生在無定形區(qū)。還可通過接枝聚合，使聚酰胺纖維性質(zhì)獲得改善，如聚己二酰己二胺纖維纖維與環(huán)氧乙烷接枝聚合后，使纖維具有很好的柔軟性和親水性。五、聚酰胺纖維的改性2.1.4聚丙烯腈纖維PAN一、丙烯腈共聚物的合成1、主要單體——丙烯腈丙烯腈的結(jié)構(gòu)式為：CH2＝CH－C≡N丙烯腈在常溫常壓下是具有獨(dú)特氣味的無色透明、易流動液體。相對分子質(zhì)量為53.06，沸點(diǎn)為77.3℃，凝固點(diǎn)為－83.6℃，相對密度為0.8060，易燃、易爆，在空氣中的爆炸極限為3.05%～17.0%（體積）。丙烯腈能與苯、甲苯、四氯化碳、甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、醋酸乙酯等許多有機(jī)溶劑以任何比例互溶，丙烯腈也能溶于水。丙烯腈能與水、苯、甲醇、異丙醇、四氯化碳等形成二元共沸物。其中丙烯腈與水的共沸溫度為71℃，含水12%（質(zhì)量）。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(yùn)輸過程要加入酚類、胺類阻聚劑。2、丙烯腈共聚物的合成我國的共聚丙烯腈纖維，第一單體是丙烯腈，約為90%；第二單體是丙烯酸甲酯，約5%―10%；第三單體是丙烯磺酸鈉，約為1%-3%。引發(fā)劑是偶氮二異丁腈。第二單體的引入能破壞大分子鏈的規(guī)整性，削弱聚丙烯腈大分子間的作用力，提高纖維的柔軟性和彈性，減少脆性；第三單體的加入是為了引入能與染料結(jié)合的基團(tuán)，有利于染色并改善其親水性。二、丙烯腈共聚物的結(jié)構(gòu)1、腈綸的分子結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)單元為丙烯腈。2、腈綸的超分子結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)極性氰基間的相互作用，聚丙烯腈分子鏈的構(gòu)象不是像聚乙烯那樣的平面鋸齒形，也不是像等規(guī)聚丙烯那樣有規(guī)則的螺旋狀，而是一種具有不規(guī)則曲折和扭轉(zhuǎn)的螺旋狀。為側(cè)向二維有序而縱向無序的結(jié)構(gòu)——準(zhǔn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)。三、聚丙烯腈纖維的物理性質(zhì)柔軟、保暖“合成羊毛”1、機(jī)械性能：強(qiáng)度高出羊毛1-2.5倍2、密度3、熱性能：沒有明顯熔點(diǎn)4、吸濕性：低于錦綸，略高于滌綸四、聚丙烯腈纖維的化學(xué)性質(zhì)1、酸、堿的作用2、氧化劑、還原劑的作用3、有機(jī)溶劑的作用4、染色性5、耐光性五、聚丙烯腈纖維的用途利用聚丙烯腈纖維的耐熱性可制備耐高溫的碳纖維和石墨纖維。丙烯腈主要用于生產(chǎn)合成纖維、塑料、橡膠等高分子產(chǎn)品。利用腈綸的準(zhǔn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)造成的熱收縮，可制造“膨體紗”。

2.1.5聚丙烯纖維PP主要原料為丙烯。丙烯的結(jié)構(gòu)式為：CH2＝CH－CH3

丙烯在常溫常壓下為帶有甜味的無色、可燃性氣體。其主要物性參數(shù)如下：

相對分子質(zhì)量 42.08 熔點(diǎn) －185.3℃沸點(diǎn) －103.7℃ 相對密度（液體）0.5139臨界溫度 91.9℃ 臨界壓力4.54MPa爆炸極限（體積） 2.0%～11.1% 聚合熱 85.7kJ/mol丙烯的化學(xué)性質(zhì)活潑，主要用于制異丙醇、丙酮、合成甘油、合成樹脂、合成橡膠、塑料和合成纖維等。一、丙綸（聚丙烯）的合成聚丙烯纖維（丙綸）是以丙烯為原料，通過定向聚合反應(yīng)而獲得相對分子質(zhì)量、結(jié)晶度（65%）及熔點(diǎn)（158~170℃）相當(dāng)高，能符合紡織纖維要求的立構(gòu)等規(guī)聚丙烯纖維。分子結(jié)構(gòu)有全同、間同和無規(guī)三種，相對分子質(zhì)量一般在80000~120000，也可提到200000左右。二、聚丙烯纖維的結(jié)構(gòu)1、聚丙烯的分子結(jié)構(gòu)：從構(gòu)型上看，聚丙烯分子的主鏈?zhǔn)怯稍谕黄矫嫔系奶荚忧坻溗M成的，側(cè)甲基可在平面上、下有不同的空間排列形式，具有較高的立體規(guī)整性，這種規(guī)則的結(jié)構(gòu)很容易結(jié)晶。2、聚丙烯的晶體結(jié)構(gòu)：丙綸的超分子結(jié)構(gòu)可采用“折疊鏈纓狀微原纖”理論及模型來解釋。

纓狀原纖模型：纖維大分子的基本單元是原纖，在原纖中也有少數(shù)大分子分支出去組成其他的原纖成為連續(xù)的網(wǎng)狀組織。具有較高的連續(xù)性。根據(jù)這個(gè)模型，纖維中仍然存在結(jié)晶部分和無定形部分。聚丙烯初生纖維的結(jié)晶度為33%~40%，經(jīng)后拉伸，結(jié)晶度上升至37%~48%，再經(jīng)熱處理，結(jié)晶度可達(dá)65%~75%。三、聚丙烯纖維的物理性質(zhì)1、機(jī)械性能：強(qiáng)度好，耐磨性好2、密度：化學(xué)纖維中最輕的3、電性能：電絕緣性最好4、熱性能：熔點(diǎn)很低5、吸濕性：無極性基團(tuán)，吸濕、回潮都很低四、聚丙烯纖維的化學(xué)性質(zhì)1、酸、堿等化學(xué)試劑的作用：C-C鍵很穩(wěn)定2、染色性能聚丙烯纖維密度小、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。2.1.6聚氨酯彈性纖維PU一、聚氨酯纖維是以聚氨酯為主要成分、由嵌段共聚物制成的，簡稱氨綸PU。商品名有Lycra、Neolon、Dorlastan等。二、聚氨酯彈性纖維的結(jié)構(gòu)及彈性產(chǎn)生機(jī)理聚氨酯彈性纖維是一種以聚氨基甲酸酯為主要成分的嵌段共聚物纖維，是一種具有橡膠般的伸長和回彈能力的彈性纖維。在嵌段共聚物中有兩種鏈段，即軟鏈段和硬鏈段。軟鏈段由非結(jié)晶性的聚酯和聚醚組成，玻璃化溫度很低，常溫下處于高彈態(tài)，相對分子質(zhì)量為1500~3500，鏈段長度15~30nm，為硬鏈段的10倍左右。在室溫下被拉伸時(shí)，纖維可以產(chǎn)生很大的伸長變形，具有優(yōu)異的回彈性。硬鏈段采用具有結(jié)晶性且能發(fā)生橫向交聯(lián)的二異氰酸樹脂，相對分子質(zhì)量較小M=500~700，鏈段短，但由于含有多種極性基團(tuán)，分子間的氫鍵和結(jié)晶性起著大分子鏈間的交聯(lián)作用。在外力作用下，大分子柔性鏈相對滑移，并為回彈提供必要的連接點(diǎn)。整個(gè)聚合物由結(jié)晶的剛性鏈段和非結(jié)晶的柔性鏈段縱橫向連接，結(jié)合形成一個(gè)具有強(qiáng)大的分子間作用力的大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中軟鏈段可為聚醚或聚酯，所以有聚醚型聚氨酯彈性纖維和聚酯型聚氨酯彈性纖維之分。如萊卡屬于聚醚型，韋綸屬于聚酯型。三、聚氨酯彈性纖維的物理性能1、機(jī)械性能：伸長率大于400%，高達(dá)800%2、熱性能3、吸濕性能4、密度5、其他性能四、聚氨酯彈性纖維的化學(xué)性能對氯比較敏感：游泳池水消毒用氯，分解氨綸一、聚乙烯醇的合成游離態(tài)的乙烯醇極不穩(wěn)定，不能單獨(dú)存在，通常以醋酸乙烯為單體進(jìn)行聚合，再醇解或水解制成聚乙烯醇。聚醋酸乙烯通常以甲醇為溶劑，采用溶劑聚合法制得。二、聚乙烯醇縮醛的結(jié)構(gòu)聚乙烯醇縮醛纖維的基本組成物質(zhì)是聚乙烯醇，它具有水溶性，對紡成的聚乙烯醇纖維用甲醛或乙醛進(jìn)行縮醛化處理，能成為不溶于水的聚乙烯醇縮醛纖維。三、聚乙烯醇縮醛纖維的物理性質(zhì)熱性能吸濕性四、聚乙烯醇縮醛纖維的化學(xué)性質(zhì)染色性能2.1.7聚乙烯醇縮醛纖維PVA2.1.8聚氯乙烯纖維PVC一、聚氯乙烯的合成及其結(jié)構(gòu)引發(fā)劑作用下的懸浮聚合，是游離基型聚合。二、聚氯乙烯的性能耐熱性，密度，導(dǎo)熱性，靜電性，難燃性，對無機(jī)試劑的穩(wěn)定性好，易發(fā)生光老化，長時(shí)間受到光照時(shí)，大分子會氧化裂解。三、改性聚氯乙烯纖維過氯綸偏氯綸聚乙烯醇—聚氯乙烯共混阻燃纖維腈氯