搜索
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、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合成纤维制造聚合物制备纺丝熔体纺丝溶液纺丝熔体纺丝：纺丝熔体的制备熔体经喷丝头形成熔体细流纤维卷绕细流被拉伸、取向，并冷却一般纺丝速度800~1000m/min，高速纺丝6000~9000m/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.............平面端部侧面合成纤维的纺丝：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10～20％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）的抗张强度：4700-5700kg/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溶液纺丝一般纺丝速度200~500m/min；腈纶采用此法；纺丝液的制备纺丝液经喷丝头形成原液细流细流中溶液向凝固剂扩散，浴中沉淀剂向西流扩散，聚合物析出并形成初生纤维纤维拉伸、热定型、卷绕3.2通用合成纤维NHCO3.2.1聚酰胺（PA）CH2NHCOCH2CH2NHCH2COHHOPA(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ω-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14000~20000；纺丝温度控制在260~280（PA6熔点为215）；聚酰胺66（PA66）相对分子量控制在20000~30000；纺丝温度控制在280~290（PA6熔点为255~265）；nCO(CH2)4CO][NH(CH2)6NHHOH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15000~22000；PET纺丝温度275~295℃（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）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚萘酯（PEN）等纤维涤纶COnCOOOCH2CH23.2.2聚酯纤维PET成纤的结构：PET纤维单丝原纤直径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。COnCOOOCH24聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）纤维1995年，Shell公司研制成功，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γ射线消毒，开发功能性织物。COnCOOOCH23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ＭA或MAA等的自由基共聚PAN相对分子量：50000~80000；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。相对分子量：10~30万（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COnCONHNHCOnCONHNH1413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，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、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OCOnOCOnOCO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COCOOCH2CH2OOCOBCOCOOCH2CH2OOCOBE第三单体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。COOCOO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。聚苯并咪唑(PBI)纤维NNHCNHNC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NOON3.3.4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2.2~3.5GPa，而芳纶1414强度为2.15~2.58GPa；具有很好的耐疲劳性和耐磨擦性；耐冲击性能强于芳纶、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