高分子材料之纤维幻灯片

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1、合成纤维 Synthetic Fiber,学习目的要求 掌握纤维的分类与特征；初步掌握涤纶纤维、锦纶纤维、腈纶纤维、丙纶纤维、维纶纤维的生产原理及工艺、结构、性能及应用,1 纤维的分类与特征,纤维是指柔韧、纤细，具有相当长度、强度、弹性和吸湿性的丝状物。大多数是不溶于水的有机高分子化合物，少数是无机物。根据来源可以分为天然纤维和化学纤维两大类。,一、纤维的分类,高聚物的品种很多，但并不是所有高聚物都能用于纺丝，而是具有某些特征的高聚物才能进行纺丝。,二、成纤高聚物的特征,成纤高聚物均为线型高分子 用这类高分子纺制的纤维能沿纤维纵轴方向拉伸而有序排列。当纤维受到拉力时，大分子能同时承受作用力，使

2、纤维具有较高的拉伸强度和适宜的延伸度及其他物理-力学性能。,成纤维高聚物具有适宜的相对分子质量 线型高聚物分子链的长度对纤维的物理-力学性能影响很大，尤其是对纤维的机械强度、耐热性和溶解性的影响更大。相对分子质量的高低均不好，高者不易加工，低者性能不好。常见的主要成纤高聚物的相对分子质量如下表所示。,主要成纤高聚物的相对分子质量,成纤高聚物的分子链间必须有足够的次价力 高聚物的物理力学性能与次价力有密切关系。分子间次价力越大，纤维的强度越高，次价力大20.92kJ/mol的高聚物适宜作纤维材料。,成纤高聚物应具有可溶性和熔融性 只有这样才能将高聚物溶解或熔融成溶液或熔体，再经纺丝、凝固或冷却形

3、成纤维，否则就不能进行纺丝。,2 涤纶纤维,涤纶纤维是以聚酯为基础制得的纤维。聚酯是由饱和的二元酸与二元醇通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物。这类缩聚物的品种因随使用原料或中间体而异，故品种繁多数不胜数。但所有品种均有一个共同特点，就是其大分子的各个链节间都是以酯基“COO”相联，所以把这类缩聚物通称为聚酯。涤纶是三大合成纤维（涤纶、锦纶、腈纶）之一，是最主要的合成纤维。,一、主要原料,PET:,PBT:,对苯二甲酸（对苯二甲酸二甲酯）、乙二醇,对苯二甲酸（对苯二甲酸二甲酯）、丁二醇,二、聚酯纤维的生产原理与工艺,聚酯合成的工艺路线,酯交换聚酯路线,直接酯化聚酯路线,环氧乙烷酯化聚酯路线,

4、聚合机理：缩聚反应,聚酯的纺丝 聚酯纤维是通过熔融纺丝法生产的，一般是将聚酯树脂切片经过真空干燥（真空度266.6666.5Pa，温度140150，时间1020h），除去吸附的微量水分，并使树脂由无定型变为结晶后在惰性气体的保护下加热成熔体。再在一定压力下定量压出喷丝孔，冷却后形成纤维，经拉伸、卷曲、切断等工序成为一定规格的可纺短纤维；或在拉伸后进行加捻、定型等后处理工序，成为符合各项指标的长纤维。,三、聚酯纤维的结构、性能及用途,1聚酯纤维的结构,聚酯纤维的结构为高度对称芳环的线性聚合物，易于取向和结晶，具有较高的强度和良好的成纤性及成膜性，结晶度为40%60%，结晶速度慢。,2聚酯纤维的性

5、能,聚酯纤维一般为乳白色，相对密度为1.381.4，回潮率很低，具有易洗快干的特性。在纺织时，容易产生静电，其纺织品在使用过程中易积累静电荷而吸灰尘。 聚酯纤维的熔点为255265，软化温度230240。遇明火能燃烧，有黑烟并有芳香气味，离火后自息。 聚酯纤维在承受外力时不易发生变形，纺织品尺寸稳定性好，使用过程中褶裥持久。耐磨性仅次于聚酰胺纤维。 在室温下，聚酯纤维能耐弱酸、弱碱和强酸，但不耐强碱；对丙酮、苯、卤代烃等有机溶剂较稳定，但在酚类及酚类与卤代烃的混合溶剂中能溶胀。,3聚酯纤维的用途,即可以纯纺也或以与其他纤维混纺制成各种机织物和针织物。聚酯长丝可用于织造薄纱女衫、帷幕窗帘等，与其

6、他纤维混纺可制成各种棉型、毛型及中长纤维纺织品。 聚酯纤维在工业上可作为轮胎帘子线、制作运输带、篷帆、绳索等。,3 锦纶纤维,锦纶纤维是以聚酰胺基础制得的纤维，是三大合成纤维之一，也是一种主要的合成纤维。聚酰胺是由饱和的二元酸与二元胺通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物。共同特点，就是其大分子的各个链节间都是以酰胺基“CONH”相联，所以把这类缩聚物通称为聚酰胺或尼龙。,一、主要原料,二元酸、二元胺,己内酰胺,-氨基酸,二、生产原理及工艺路线,聚合机理：缩聚反应,实施方法：本体连续聚合法,间接熔融纺丝法是将聚酰胺切成片状颗粒，再进行纺丝，即切片熔融纺丝。直接纺丝法即为熔体直接纺丝，该法具有省

7、去铸带、切片、萃取、熔融等工序和设备，缩短生产周期，提高劳动生产率，成本低等优点。 纺丝过程包括熔体制备、熔体从喷丝孔挤出、丝条拉伸、冷却固化及丝条上油和卷绕等。 后加工包括初捻、拉伸、后加捻、热定型及络丝等工序（长丝）。短纤维的后加工包括集束、拉伸、卷曲、切断、洗涤、上油、干燥和调湿等工序。,聚酰胺的纺丝,间接熔融纺丝和直接熔融纺丝,1聚酰胺的结构 聚酰胺中酰胺基的存在，可以在大分子中间形成氢键，使分子间作用力增大，赋予聚酰胺以高熔点和力学性能，同时，也使其吸水率增大。聚酰胺基之间的亚甲基赋予其柔性和冲击性，聚酰胺中的亚甲基与酰胺基的比例越大，分子间作用力小，柔性越大，吸水率越低。 另外聚酰

8、胺的性能还受亚甲基的奇偶数影响，偶数聚酰胺的熔点比奇数聚酰胺的熔点高。,二、聚酰胺的结构、性能及用途,2聚酰胺纤维（锦纶）的性能与用途 聚酰胺纤维具有耐磨性好、耐疲劳强度和断裂强度高、抗冲击负荷性能优异、容易染色及与橡胶的附着力好等突出性能，因此，聚酰胺纤维多用于作衣料和轮胎帘子线，其产量仅次于聚酯纤维，居第二位。,腈纶纤维学名聚丙烯腈纤维，是三大合成纤维之一。一般是以丙烯腈为主要单体（含量大于85%）与少量其他单体共聚而得的。由于在外观、手感、弹性、保暖性等方面类似羊毛，所以有“合成羊毛”之称。用途广泛，原料丰富，发展速度很快。,4 腈纶纤维,一、主要原料,丙烯腈的结构式为：CH2CHCN

9、丙烯腈分子中含有碳-碳双键和腈基，化学性质很活泼，能进行聚合反应（均聚和共聚）、加成反应、氰乙基化反应等。贮存、运输过程要加入酚类、胺 类阻聚剂。,1主要单体-丙烯腈,第二单体：丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、醋酸乙烯酯等（5%10%），减少聚丙烯腈分子间力，消除其脆性，纺制具有适当弹性的合成纤维-腈纶纤维。 第三单体：用量很少（5%），主要是改进腈纶纤维的染色性能。第三单体多是带有酸性基团的乙烯基单体如乙烯基苯磺酸、甲基丙烯酸、甲叉丁二酸（又称衣康酸）等；或者是带有碱性基团的乙烯基单体如2-乙烯基吡啶、2-甲基-5-乙烯基吡啶等。,2其他单体,第二单体与第三单体的竞聚率都接近1。,聚合原理：自由基共

10、聚合反应 聚合方法：溶液聚合法（又称“一步法”） 水相沉淀聚合法（又称“二步法”）,二、聚丙烯腈纤维的生产原理与工艺,由于丙烯腈共聚物受热时即不熔化又不熔融，所以只能采用溶液纺丝法干法及湿法纺丝。其中干法纺丝主要生产长丝，湿法主要生产短丝。 用于纺丝的聚丙烯腈的相对分子质量一般为2500080000。由于干法纺丝要求溶液的浓度为28%30%，因而相对分子质量要求低一些，在2500040000之间。,聚酰胺的纺丝,（1）以硫氰酸钠溶液为溶剂的湿法纺丝,工业上采用50%的NaSCN水溶液，高聚物的浓度10%13%。并加入适当的稀释剂，以降低溶液的粘度。（纺丝溶液浓度均匀，含气泡、灰尘和机械杂质极少

11、） 纺丝溶液经计量泵压入烛形过滤器至喷头，以510m/s的纺丝速度喷出纺丝细流，在凝固溶中凝固成形。初生的丝条再经预热溶进一步凝固脱水，并给予适当的拉伸后，於蒸汽加热下进行高倍率拉伸。拉伸后的纤维再经水洗、上油、干燥、热定型、卷曲、切断、打包等工序制得聚丙烯腈短纤维。,（2）以二甲基甲酰胺为溶剂的干法纺丝,以二甲基甲酰胺为溶剂的干法纺丝要求聚丙烯腈的相对分子质量不大于50000。基本过程是将丙烯腈共聚物和二甲基甲酰胺加入溶解釜中溶解，制得浓度为26%30%，粘度为600800s（落球法）的纺丝溶液，经过滤及脱泡后，将纺丝液预热，并加入还原性稳定剂。纺丝液经计量泵压入喷丝头，在加热条件下喷出，挥

12、发的溶剂送回收装置，凝固后的丝束经高速拉伸后，洗涤、上油、加捻、定型、卷绕即得聚丙烯腈长丝。干法制得的纤维具有柔性、弹性、耐磨性较好的 优点。干法纺丝具有纺丝速度较高，溶剂回收过程简单的特点。不足之处是高温纺丝操作设备复杂，生产效率比湿法低。,聚丙烯腈为白色粉末状物质，相对密度为1.141.15。由于聚丙烯腈大分子中含有负电性的氰基（CN），它能与-碳原子上的H原子成型牢固的氢键。因此，聚丙烯腈不溶于一般的溶剂，并具有很高的软化点，其理论熔点（267）超过分解温度230。所以聚丙烯腈不能用熔融纺丝法纺丝。工业上采用的是强极性溶剂或浓无机盐溶液，如二甲基甲酰胺、二甲亚砜、二乙基乙酰胺、51.7%

13、NaSCN水溶液、60%ZnCl2等。,三、聚丙烯腈及纤维的结构、性能及用途,1聚丙烯腈的结构、性能,2聚丙烯腈纤维的主要用途,由于聚丙烯腈纤维具有优良的耐光、耐气候性，所以除作衣着及毛毯之外，最适宜作室外织物，如帐篷等。 将聚丙烯腈纤维（共聚组分尽量少）经过高温处理可以得到碳纤维和石墨纤维。如在200左右的空气中保持一定时间，使其碳化，可以获得含碳93%左右的耐高温1000的碳纤维。若在25003000下继续进行热处理，可以获得分子结构为六方晶格的石墨纤维。石墨纤维是目前已知的热稳定性最好的纤维之一，可耐3000的高温。在高温下能经久不变形，并具有很高的化学稳定性，良好的导电性和导热性。因此

14、，碳纤维是宇宙飞行、火箭、喷气技术以及工业一耐高温、防腐蚀领域的良好材料。在医疗上，还可以用于人工肋骨和肌腱韧带等。,5 丙纶纤维,丙纶纤维学名为聚丙烯纤维，是以聚丙烯树脂为原料制得的一种合成纤维。由于聚丙烯纤维性能优良，成本低；加之染色性与耐老化性的改善，使其发展迅速，用途广泛。,一、聚丙烯纤维的生产原理与工艺,聚合机理： 配位聚合 聚合方法： 淤浆法 气相聚合 液相聚合,聚丙烯的纺丝,聚丙烯的纺丝方法主要是熔融纺丝。熔融纺丝的温度控制在220280（Mn120000左右，200000左右） 纺丝时，将粒状聚丙烯先在螺杆挤出机的进料段预热软化（要用惰性气体将粒间空气排除），在压缩段熔融、压缩

15、、混炼、脱泡，再经计量段进一步熔化，建立熔体压力并将熔体挤出，然后到机头过滤、均化。从挤出机出来的聚丙烯熔体用计量泵加压计量送至喷丝头纺丝。由喷丝头喷出的细丝经过冷却套筒，穿过上油盘，最后卷绕在丝筒上，其他与聚酯、取酰胺加工过程相同。 对于有颜色聚丙烯纤维的生产，需要用共聚、共混的方法进行改性才可以。,三、聚丙烯树脂及纤维的结构、性能及用途,1聚丙烯树脂的结构、性能 聚丙烯为线形结构，根据大分子上甲基的空间排列可分为全同立构聚丙烯、间同立规聚丙烯和无规立构聚丙烯。其性能有很大差别，全同立构聚丙烯的结构规整性好，具有高度的结晶性，熔点高，硬度和刚性大，力学性能好；无规立构聚丙烯为无定形，强度很低

16、，难以用作塑料和纤维；规间同立规聚丙烯介于两者间，硬度和刚性小，但冲击强度好。,2聚丙烯纤维（丙纶）的性能、用途 聚丙烯纤维密度小、强度高、吸湿性小、耐酸、耐碱、耐磨、电性能好，但染色性和耐光性差。 聚丙烯纤维可与棉、毛、粘胶纤维等混纺作衣料用，在工业上聚丙烯纤维主要用途绳索、网具、滤布、帆布等；在医疗上用作纱，作外科手术衣服而耐高温高压消毒。,6 维纶（维尼纶）纤维,维纶或维尼纶纤维化学名为聚乙烯醇纤维，是聚乙烯醇缩甲醛纤维的简称。 1924年就合成了聚乙烯醇，因纺得的纤维具有水溶性，仅可用作医学外科手术的缝线。1939年采用热处理与缩甲醛化方法后，使聚乙烯醇纤维可耐115的热水，为用作纺织纤维解决了技术上的难题。我国在1965年开始生产。,一、聚乙烯醇的合成,由乙酸乙烯酯聚合成聚乙酸乙烯酯，再醇解(或水解)成聚乙烯醇。,单体？,二、 聚乙烯醇的结构、性能与用途 头尾形式连接： 头头形式连接： 存在有无规、间规及等规三种立构的聚合物。但因羟基的体积小，且羟基间易形成氢键，所