聚酯纤维的结构和性能

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1、Textile Engineering 化纤纤生产产各论论Textile Engine ering 课课程介绍绍 第一节 概论重点内容：聚酯纤维的发展简史与产品分类。 第二节 聚酯原料生产工艺及技术重点内容：聚酯原料的生产技术与工艺。第一章 聚酯纤维酯纤维生产产工艺艺Textile Engine ering 课课程介绍绍 第三节 聚酯纤维的生产技术及工艺重点内容：聚酯纤维的的生产技术与工艺。 第四节 聚酯纤维的结构性能及改性重点内容：聚酯纤维的各种改性方法和目的。第一章 聚酯纤维酯纤维生产产工艺艺Textile Engine ering 1.4.1 1.4.1 聚酯纤维的结构和性能聚酯纤维的结

2、构和性能v 聚酯纤维的结构 分子链结构 聚集态结构 结晶结构 取向结构 v 聚酯纤维的性质 聚酯纤维的化学性质 聚酯纤维的物理性质Textile Engine ering 聚聚酯酯的分子的分子结结构构PETPETv 聚酯是指分子链中含有酯基的聚合物的总称 v 聚酯分子的重复单元结构中由三部分组成，即酯基、 苯环和亚甲基链，大分子的两端各有一个羟基。 v 例如：Textile Engine ering v PET的旁式构象（能量高） v PET的反式构象 （能量低）聚酯的构象聚酯的构象Textile Engine ering 构象的转变构象的转变v 聚酯的分子链可转动发生重排，大约在100 oC

3、时开始 结晶。在结晶过程中旁式构象逐步转化为反式构象。 Textile Engine ering Textile Engine ering PBTPBT的分子结构的分子结构v PBT中亚甲基链节不是完全伸直的。v PBT重复单元结构中含有四个柔性的亚甲基链节，其可能的空间构象显然比PET更加复杂。v 可扭曲的分子链在拉力下容易伸直，故PBT的屈服应力比PET要低得多v 这种性质被用来制造弹性纤维。 Textile Engine ering PTTPTT的分子结构的分子结构v PTT在两个对苯二甲酸单元之间存在着3个亚甲基单元。v 这种化学结构中奇数个亚甲基单元会在大分子链之间产生“奇碳效应”,

4、 使苯环不能与3个亚甲基处于同一平面,v 临近两个羰基的斥力不能呈180平面排列，只能以空间120错开排列，由此使得PTT大分子链形成螺旋状排列，最终影响PTT的物理性能。v PTT是新型弹性纤维品种。 Textile Engine ering 聚集态结构v PET、PTT、PBT均属三斜晶系几种聚酯在结晶状态下大分子链的形态结构几种聚酯在结晶状态下大分子链的形态结构Textile Engine ering 三种聚酯的结晶结构晶胞参晶胞参 数数PETPETPTTPTTPBTPBT a(a( ) )4.564.564.584.584.834.834.954.95 b(b( ) )5.945.94

5、8.228.225.945.945.675.67 c(c( ) )10.7510.7518.1218.1211.5911.5912.9512.95 (o o) )98.598.596.996.999.799.7101.7101.7 (o o) )11811889.489.4115.2115.2121.8121.8( (o o) )112112111.0111.0110.8110.899.999.9Textile Engine ering 结构的形成和发展Textile Engine ering PET纤维的结晶特征随卷绕速度的变化卷绕速卷绕速 度（度（ m/minm/min）晶胞底面高晶胞底面

6、高10104 4(m)(m)表观晶核侧面高表观晶核侧面高10103 3(m)(m)结晶浓度结晶浓度（kg/mkg/m3 3）估算的结估算的结 晶温度晶温度（o oC C）a ab bC C 010010 100100 T05T05475047504.5044.5045.905.9010.710.72 22.42.42.92.95.45.414881488186186500050004.4954.4955.885.8810.710.72 22.92.93.43.45.75.714951495198198550055004.4854.4855.885.8810.710.71 14.14.14.14

7、.17.67.614991499212212600060004.4804.4805.885.8810.710.71 15.15.14.94.98.48.415011501218218Textile Engine ering PET纤维性能与结构的关系Textile Engine ering Textile Engine ering 1.4.2 1.4.2 聚酯纤维的改性聚酯纤维的改性v 改性的原因 染色性、吸湿性差 易起球、静电大、易沾污等 不同应用领域的要求差异 v 改性方法 化学方法 共聚、纤维表面改性处理 物理方法 共混 改进纺丝加工技术，变更纤维加工条件 改变纤维形态以及通过后纺与其他

8、纤维混纺、交织等Textile Engine ering 化学改性化学改性v 化学改性是通过化学的方法改变聚酯分子链上某些结构或组 成，达到改变聚酯纤维性能的目的 。 改变聚酯的刚性结构单元 改变聚酯的柔性组分 改变聚酯的刚性结构单元改变聚酯的刚性结构单元一、间苯二甲酸代替对苯二甲酸 在PET的直接酯化聚合过程中，用对称性较差的间苯二甲酸（IPA）取代部分的对苯二甲酸（TPA）Textile Engine ering IPA/(IPA+TPA) mol %/(dLg)-1Tg/oCTc/oCTm/oC0 1 3 5 7 9 120.62 0.61 0.60 0.60 0.63 0.60 0.6

9、281 81 80 80 79.5 79 78157 159 160 162 165 _ _253 248 245 240 235 232 228化学改性化学改性Textile Engine ering 采用间苯二甲酸二甲酯（DMI）取代对苯二甲酸二甲酯(DMT) 可以达到相同效果DMI/mol %DMI/mol %/(dLg)/(dLg)-1-1T Tg g/ /o oC CT Tmm/ /o oC C0 0 1 1 5 5 8 81010 15150.6800.680 0.6820.682 0.6770.677 0.7500.750 0.6560.656 0.7120.71262.062.

10、0 61.561.5 58.858.8 57.057.0 55.455.4 54.754.7252.0252.0 248.5248.5 237.3237.3 232.0232.0 226.5226.5 217.5217.5随着间位苯环含量的增加，共聚酯的Tg和Tm下降，而冷结晶温度则上升。当 IPA的含量大于 9 mol % 时，共聚酯已无冷结晶峰存在。美国于1959年实现了 PETIPA共聚酯工业化生产，该共聚酯的商品名为Vycron，主要用于制备易 染纤维。由于PETIPA结晶速率慢，我国则更多用其制备高收缩纤维。应该 指出的是这种共聚酯广泛用于瓶用聚酯，IPA的添加量为2%4 化学改性化

11、学改性Textile Engine ering 二、同时用间位和邻位对苯二甲酸代替对苯二甲酸二、同时用间位和邻位对苯二甲酸代替对苯二甲酸 这种改性方法的效果与用DMI替代DMT的效果类似，即随 着间位和邻位苯环含量的增加，共聚酯的Tg和Tm下降，而 冷结晶温度则上升。原苏联学者是将DMT残渣混合物进行分离回收提纯，并通过催化氧化的方法将其中的对醛基苯 甲酸甲酯氧化，最终得到含DMT 68%，DMI 23%，DMO 9%（邻苯二甲酸二甲酯）的苯二甲酸混合物。该技术已于 1980左右工业化。化学改性化学改性Textile Engine ering 三、与含磺酸基的苯二甲酸共聚三、与含磺酸基的苯二甲

12、酸共聚 含磺酸基的苯二甲酸是指苯环上的一个氢被磺酸基取代，形成邻位、间位或对位的含磺酸基的苯二甲酸 常用于聚酯改性的有对苯二甲酸二甲酯磺酸钠（STPM）和 间苯二甲酸二甲酯磺酸钠（SIPM） 由于添加的第三单体含有可离子化的磺酸钠基团，可以极大地改善聚酯的阳离子可染性。 化学改性化学改性Textile Engine ering 经含磺酸钠苯二甲酸改性后的聚酯（CDP、ECDP）其 物理性质也会产生一定的变化。第三组分的加入破坏了PET的规整性，而对位结构的 STPM对PET结构规整性的影响较间位结构的SIPM要小。 添加组分添加量（ mol %）Tg / oCTc / oCTm / oCPET

13、 SIPMSTPM0 1 2 3 4 277 75 72 71 71 73137 157 167 167 187 155256 250 243 243 242 247化学改性化学改性Textile Engine ering 四、聚萘二甲酸乙二酯（四、聚萘二甲酸乙二酯（PENPEN） 2,6-萘二甲酸二甲酯(DMN)与乙二醇缩聚而成 性能PEN纤 维PET纤维尼龙66纤维强度（ cN/dtex）8.87.97.9模量（ cN/dtex）308.096.844.0沸水收缩率（ %）158PENPEN纤维的性能纤维的性能PEN纤维的耐化学腐蚀性、抗紫外线辐射、热稳定性和水解稳定性均优 于PET。PE

14、N的玻璃化温度高达110oC左右,其纤维可以耐200oC左右的温度。 目前纤维级的PEN树脂已由美国Shell公司研制成功并投放市场，其商品名 称为Vituf。美国Amoco公司的PEN纤维也已投放市场。 化学改性化学改性Textile Engine ering 改变聚酯的柔性组分改变聚酯的柔性组分一、一、PETPET与与PEGPEG（聚乙二醇）的共聚聚乙二醇）的共聚 PEG分子链上有大量的醚键，醚键上的氧原子 有孤对电子，使得PEG的导电率较高，在聚酯纤维 中加入适量的PEG有利于改进纤维的吸湿性能、抗静电能、化学稳定性。一般是先将PET与PEG共聚,制得PET-PEG嵌段 共聚物，并以此共

15、聚物作为改性剂加入到PET中混合纺丝。 化学改性化学改性Textile Engine ering PET/PEGPET/PEG共聚物的聚合共聚物的聚合过过过过程程PET-PEG嵌段共聚物是以对苯二甲酸二甲酯 (DMT)、EG、PEG为原料,进行共聚而制得的。首先按11.8的摩尔配比将DMT和EG加入到聚合 反应釜中，在酯交换催化剂Mn(OAc)2的存在下,在 230240范围进行酯交换反应当酯交换率达98%后,加入PEG、第二催化剂及 其他添加剂,搅拌均匀后进行缩聚反应,反应过程中边搅 拌边升温,至240后开始缓抽真空,约1h后达到高真 空反应温度维持在275左右,约2.53h后即可 得到PE

16、T-PEG嵌段共聚酯。 化学改性化学改性Textile Engine ering PEG改性后的聚酯性质PEG,mol %PEG,mol %/dLg/dLg-1-1T Tmm/ /7575 4545 2525 1515- -0.8960.896 0.7200.720 0.6940.6947878 219219 252252 252252化学改性化学改性Textile Engine ering 二、与长链脂肪族二元醇共聚二、与长链脂肪族二元醇共聚 改进PET的染色性及回弹性 在PET聚合时添加丁二醇可以制备无规或嵌段的PET- PBT共聚物 化学改性化学改性Textile Engine ering 改性后纤维的性能PET大分子中引入PBT柔性链段后共聚酯整体的 趋势是刚性下降,取向度降低,强度也相应下降