08-高分子科学导论-纤维

纤维Fiber四川大学化学学院Introductiontopolymerscience高分子科学导论Fiber纤维的基础知识FoundationoftheFiberDefinitionoftheFiber细度很细，直径一般为几微米到几十微米，而长度比直径大百倍、千倍以上的细长物质称为纤维，如棉花、叶络、肌肉、毛发等。长径比（length-diameterratio）1000直径（diameter）0.1mm纤维通常用来制造纺织品，故又称为纺织纤维。Textilefiber纺织纤维（textilefiber）有以下特性：一定的长度和细度一定的机械性能（强力、变形、弹性、耐磨、柔软性等），尤其是具有较高的比强度（strength-to-weightratio）一定的吸湿性、导电性和热学性质化学稳定性和良好的染色性能MorphologyoftheFiber纤维的原纤（fibril）结构原纤是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。原纤为多层次堆砌的结构，其排列大多为同向平行排列，提供给纤维良好的力学性质和弯曲能力。微原纤的堆砌形式示意图Propertiesoffiber纤维长度（length）可以量度长度的纤维称为短纤维，无限长度的纤维称为长纤维。100%HempYarnLongFiberWetSpunShorthempfiberPropertiesoffiber横截面的形状和表面形状shapeofcrosssectionandsurfaceNearperfectgeometricshapesofcrosssectionPropertiesoffiber直度（straightness）:用纤维在纱条轴向投影长度占纤维伸直长度的百分数来表示。强度（strength）：通常用（gf/tex）表示，其中tex（特克斯）指1000米长的纤维束的克数，gf是克力延伸性和弹性（extensibilityandelasticity）Propertiesoffiber吸湿性（moistureabsorption）指吸收水分的能力，用百分比来表示回潮率（moistureregain,M.R.）。M.R.指气温在20oC，相对湿度在65%时，绝对干燥的纤维从空气中吸收水分的能力。耐磨性（wearresistance）光泽与手感（brightnessandhandfeeling）密度（density）Denierisaunitofmeasureforthelinearmassdensityoffibers.Itisdefinedasthemassingramsper9,000meters.IntheInternationalSystemofUnitsthetexisusedinstead.1d=0.1111tex芯吸性（wickability）纤维将水分从一个截面运输到另一截面的能力Fiberprocessing熔体纺丝“meltspinning”湿法纺丝“wetspinning”干法纺丝“dryspinning”凝胶纺丝“gelspinning”or“dry-wetspinning”静电纺丝“electrostaticspinning”染整“dyeingandfinishing”Fiberprocessing熔体纺丝“meltspinning”Meltspinningisthepreferredmethodofmanufactureforpolymericfibers.Inmeltspinning,thefiber-formingsubstanceismeltedforextrusionthroughthespinneretandthendirectlysolidifiedbycooling.Nylon,olefin,polyesterareproducedinthismanner.Fiberprocessing湿法纺丝“wetspinning”Wetspinningistheoldestprocess.Itisusedforfiber-formingsubstancesthathavebeendissolvedinasolvent.Thespinneretsaresubmergedinachemicalbathandasthefilamentsemergetheyprecipitatefromsolutionandsolidify.Becausethesolutionisextrudeddirectlyintotheprecipitatingliquid,thisprocessformakingfibersiscalledwetspinning.Acrylic,rayon,aramid,modacrylicandspandexcanbeproducedbythisprocess.Fiberprocessing干法纺丝“dryspinning”Dryspinningisalsousedforfiber-formingsubstancesinsolution.However,insteadofprecipitatingthepolymerbydilutionorchemicalreaction,solidificationisachievedbyevaporatingthesolventinastreamofairorinertgas.Thefilamentsdonotcomeincontactwithaprecipitatingliquid,eliminatingtheneedfordryingandeasingsolventrecovery.Thisprocessmaybeusedfortheproductionofacetate,triacetate,acrylic,modacrylic,PBI,spandex,andvinylon.Fiberprocessing染整“dyeingandfinishing”染整包括预处理、染色、印花和整理。预处理亦称练漂，其主要目的在于去除纺织材料上的杂质，使后续的染色、印花、整理加工得以顺利进行，获得预期的加工效果。染色是通过染料和纤维发生物理的或化学的结合而使纺织材料具有一定的颜色。印花是用色浆在纺织物上获得彩色花纹图案。整理是通过物理作用或使用化学药剂改进织物的光泽、形态等外观；提高织物的服用性能或使织物具有拒水、拒油、抗皱、防霉等特性。ClassifyoftheFiber纤维的种类很多，习惯上按来源分为天然纤维(naturalfiber)和化学纤维(chemicalfiber)两大类。天然纤维指自然界原有的，或从经人工培植的植物中、人工饲养的动物中获得的纤维。种子纤维：棉植物纤维韧皮纤维：苎麻、黄麻等叶纤维：剑麻等天然纤维果纤维：椰子纤维动物纤维毛发：羊毛、兔毛等分泌液：蚕丝、蜘蛛丝等矿物纤维石棉、碳纤维、玻纤等PlantfiberAnimalfiberMineralfiberClassifyoftheFiber化学纤维是用天然的或合成的高聚物为原料，主要经过化学方法加工制造出来的纤维。涤纶、腈纶、锦纶、氨纶、氯纶、丙纶等化学纤维人造纤维粘胶纤维铜氨纤维醋酸纤维合成纤维差别化纤维异形纤维复合纤维裂膜纤维超细纤维artificialfibersyntheticfiberdifferentialfiberviscosefibercuprammouiumfibercelluloseacetateprofilefibercomplexfibersplitfibersuperfinefiber天然纤维NaturalFiberFiberTheBeginningofTheFiber天然纤维早在5000年前，我们的祖先就开始利用棉、麻、蚕丝、羊毛等天然纤维进行纺织。AncientSpinningTechnology在原始社会，人类为了抵御寒冷，直接用草叶和兽皮蔽体，慢慢的学会了采集野生的葛、麻、蚕丝等，并利用猎获的鸟兽的毛羽，进行撮、绩、编、织成粗陋的衣服，由此发展了编织、裁切、缝缀的技术。人们根据撮绳的经验，创造出绩和纺的技术。NaturalFiberfromPolysaccharideOHHHOHHOHHOHOHHHOHHOHHOHOHHHOHHOHHOHOOOOOHHHOHHNH2HOHOOOHHHOHHNH2HOHOHHHOHHNH2HOHOO淀粉（Starch）纤维素（Cellulose）壳聚糖（Chitosan）OHHHOHHOHHOHOOOHHHOHHOHHOHOHHHOHHOHHOHOOCellulose纤维素是自然界中产量最大的天然高分子化合物。纤维素由很多D-吡喃葡萄糖单元以β(1-4)苷键连接而成。纤维素是高等植物细胞壁的主要成分，主要来源为棉、麻和木材等。PropertiesoftheCellulose纤维素具有一定的结晶性；纤维素的分子间存在非常强烈的氢键，使得其具有更高度的结构有序性，耐化学腐蚀性和耐溶剂性。CRCOOHHCRHNH2CONH蛋白质是由天然产生的不同种类的L-α-氨基酸以酰胺键(—CO—NH—)结合生成的共聚物，这些酰胺键也被称为肽键(peptidelinkages)。α-氨基酸的结构如右图所示RCOOHHNH2NaturalFiberfromProtein蛋白质依其形状可分为两大类：一类是能溶于水的球状蛋白质；一类是不溶于水的纤维状蛋白质NaturalFiberfromProteinFibrousProteinfromAnimalWoolFibrousProteinfromAnimalSilk蚕丝是天然蛋白质类纤维，是自然界唯一可供纺织用的天然长丝。分为家蚕丝与野蚕丝两大类。TheSilkRoad在古代欧洲，丝绸是比黄金还要贵重的物品。张骞通西域以后，中国与西方有了文化交流，公元六世纪后，西方国家陆续学会了养蚕技术。SpiderSilk蜘蛛丝呈金黄色、透明，它的横截面呈圆形。蜘蛛丝的平均直径为6.9μm，大约是蚕丝的一半，是典型的超细、高性能天然纤维。人造纤维ArtificialFiberFiberDevelopmentofArtificialFiber人造纤维是指将天然纤维经过化学或物理处理，改变天然纤维的聚集态结构，从而制造出来的性能更好的纤维。1883年英国化学家J.W.Swan在研究将硝化纤维素制造电灯丝的过程中，制造出一种细纤维，并取名“人造丝”，（Artificialsilk）从而引起了全世界的瞩目。硝化纤维(nitrocellulose)：棉花经硝酸和硫酸处理产物。醋酸纤维(celluloseacetate)：以纤维素浆粕为原料，利用醋酸酐与纤维素羟基反应制备。RegeneratedCellulose化学改性：指通过化学方法将纤维素分子单元中的羟基与酸进行反应得到酯化产物，破坏纤维素的强分子间作用，使得纤维素加工性能有明显改善。RegeneratedCellulose物理改性：将天然纤维素溶于特殊的溶剂中，再通过湿法纺丝得到具有与天然纤维不同聚集态结构的再生纤维素。这类再生纤维服用性能佳，近似于丝绸，极具悬垂感，面料手感柔软，光泽柔和。铜氨纤维：溶剂为氢氧化铜或碱性铜盐的浓溶液。粘胶纤维：溶剂为碱性二硫化碳溶液NewGenerationofArtificialFiberTENCEL传统的再生纤维素因为溶剂的环境污染问题渐渐被淘汰。上世纪80年代初，欧洲开发出了可溶解纤维素高分子的“N-甲基吗啉氮氧化合物”新溶剂，这种溶剂无毒而且可以回收，被称为“绿色粘胶丝”，并于90年代初工业化。这种新型纤维的学名为“lyocell”，被誉为继棉、毛、麻、丝之后的第五纤维。集棉的舒适性、粘胶纤维的吸湿性悬垂性、涤纶纤维的强度和真丝的手感于一身。Modal纤维是奥地利兰精公司开发的再生纤维素纤维，原料采用欧洲的榉木，纤维具有高强力、高湿模量。Modal纤维