合成纤维

第五章 合成纤维

教学目的要求：通过学习使学生掌握合成纤维的基本知识；各种合成纤维的结构及性能

重点难点

重点：合成纤维的基本知识、结构及性能

难点：各类合成纤维的结构及性能

重点部分详细讲解。难点部分通过图示、语言描述，使学生容易接受。

教学内容及过程

第一节 合成纤维的概况

一、 原料

合成纤维的原料来源广泛，主要来源于煤、石油、天然气等

二、合成纤维发展概况

1940年：最早出现并进行工业化生产的合成纤维——锦纶66，随后是锦纶6

1950年：第二次世界大战后，相继出现并工业化生产的合成纤维——涤纶、腈纶、维纶

1957年开始生产聚丙烯纤维（丙纶）、聚氯乙烯纤维（氯纶）、聚氨酯弹性纤维（氨纶）等

70年代：各种性能的新合纤（物理、化学改性合成纤维）迅速发展以适应市场的不同需求——具有较好的吸湿性、染色性、抗静电性、抗起毛、起球性，手感、外观风格，功能性等。

我国合成纤维在1958年开始，随着石油工业的发展而迅速发展，目前我国的合成纤维产量已居世界前列。

三、生产过程

（一）合成高分子物

通过加聚、缩聚反应把低分子化合物聚会成可以纺织的高分子化合物——成纤高分子物。

具备条件：大分子必须是线型，支链少，侧基小；含有极性基团；分子量相当高、多分散性小，分子链长度为200～400nm；具有半结晶结果；玻璃化温度＞使用温度；熔点或软化点＞＞允许使用温度；一定的热稳定性，介质稳定性。

（二）纺丝熔体或纺丝溶液的制备

Tm＜T分解，可加热熔融制成粘稠的熔体

Tm＞T分解，可用适当溶剂溶解固体制成溶液

（三）纺丝

1. 纺丝方法

（1）熔融法纺丝

（2）湿法纺丝

（3）干法纺丝

除上述纺丝法外，还有复合纺丝法、拉裂法、切割法、反应法等。 2.圆形纤维和异形纤维

在合成纤维成形过程中，用圆形喷丝孔纺成的丝的横截面呈圆形；→圆形纤维

用各种异形喷丝孔则纺成非圆形横截面的纤维或中空纤维，称为异形横截面纤维，简称异形纤维。

异形纤维

异形纤维主要原料为涤纶，在纯化纤仿真丝、仿毛产品中应用广泛。

有的异形纤维由于采用不均匀牵伸技术，使化纤长丝的条干不匀，织物可获得像天然纤维般的自然外观，并可改善纤维的抱合力、手感、回弹性、抗起球性、耐污性等。

中空纤维

中空纤维的保暖性和蓬松性优良，某些中空纤维还具有特殊用途，如制作反渗透膜，用于人工肾脏、海水淡化、污水处理、硬水软化、溶液浓缩等。

3. 复合纤维

复合纤维是指用两种或两种以上不同的高分子物粘并成为一根纤维。复合纤维最突出的特点是大多数都具有三维空间的立体卷曲，所以具有高度蓬松性、延伸性和覆盖能力。

复合纺丝设备

复合纺丝设备主要由3-螺杆挤出机、4-计量泵和5-复合纺丝组件组成。

双组分复合纺丝装置示意图，其中复合纺丝组件是关键部件，有各种组合形式。只需改变纺丝组件的形式，就可生产出各种类型的复合纤维。

（四）纺丝后加工

刚纺出来的合成纤维不能直接用来加工制成纺织品。必须根据不同品种进行拉伸、加捻、水洗、上油、干燥、卷曲、切割、定形等一系列后处理过程。

第二节 涤纶（PET）

一、涤纶生产简介

1. 酯交换法

（1） 对苯二甲酸（TPA）与甲醇制取对苯二甲酸甲酯（DMT）(硫酸为催化剂)

（2） 对苯二甲酸甲酯（DMT）与乙二醇进行酯交换，生成对苯二甲酸乙二酯（BHET）

（3） 缩聚反应制取涤纶树脂（PET）

2. 直接酯化法 （1） 由对苯二甲酸（TPA）和乙二醇直接酯化成对苯二甲酸乙二酯（BHET）

（2） 缩聚反应制取涤纶树脂（PET）

将合成的聚对苯二甲酸乙二酯经铸带、切粒，成为无色透明的固体颗粒，通常称为涤纶树脂或涤纶切片，切片干燥后即可纺丝。

涤纶采用熔融法纺丝，熔体温度为285～290℃。

涤纶的后加工因生产品种不同而不同。

生产涤纶长丝时，要经牵伸加捻、热定型、络丝、包装；

涤纶短纤维后加工一般包括集束、牵伸、上油、卷曲、热定型、切断、打包等。

二、 涤纶的结构

（一）涤纶的形态结构

在一般光学显微镜下观察，普通涤纶 纵向为光滑、均匀、无条痕的圆柱体，

横截面为圆形实体

异形丝取决于喷丝孔

（二）涤纶的分子结构

从结构式中可以看出：

1．除两端含—OH外，涤纶的大分子上不含有亲水性基团，只有极性很小的酯基，且缺乏与染料分子结合的官能团，故吸湿性、染色性差，属于疏水性纤维。

2．酯键的存在使分子具有一定的化学反应能力，但由于分子链中苯环和亚甲基的化学稳定性较好，所以涤纶的化学稳定性较好。

3．涤纶大分子的基本链节中含有苯环，苯环与相连的两个羰基生成大π键共轭，阻碍了大分子的内旋转，所以分子具有一定的刚性；同时涤纶大分子的基本链节中还含有一定数量的亚甲基柔性链，所以又有较大的柔性；刚柔相济的大分子结构使涤纶具有弹性优良、挺括、尺寸稳定性好等优异性质。

4．涤纶大分子为线型分子，没有大的侧基和支链，因此分子间容易紧密地堆砌在一起，形成结晶，这使纤维具有较高的机械强度和形状稳定性。

（三）涤纶的超分子结构 成型后的初生纤维是无定形的，取向度很差，需要进一步牵伸取向后方能纺织加工。

经过拉伸和热定型处理后的纤维，是半晶高聚物，结晶度约为60%，并有较高的取向度。

拉伸程度大时，链被拉直，经热处理后，重新产生链的折叠，所以涤纶分子中既有伸直链又有折叠链，可用“折叠链—缨状微原纤”表示其超分子结构

三、涤纶的性能

（一）热性能

1．玻璃化温度与软化点温度

涤纶的玻璃化温度为68（ 完全无定形）～81℃（部分结晶）

涤纶的软化点温度为230～240℃

熔点=255～265℃

2．耐热性

在几种主要合成纤维中，涤纶Tm、T软化较高，耐热性最好。由于较高温度下，涤纶强度↓的少所以热稳定性也是最好的。

（二）机械性能

1．强度和断裂伸长率

在适当的热处理条件下，涤纶在纺丝过程中拉伸程度愈高，则纤维的取向度愈高，纤维的断裂强度也愈高，而断裂伸长率却较低；反之，则可能获得低强高伸的纤维。即改变拉伸和热处理条件，可制成高强低伸或低强高伸等不同品种的纤维。

图5-7 部分纤维的强度-伸长率曲线

1-羊毛 2-腈纶 3-黏胶纤维 4-锦纶 5-涤纶 6-棉

普通涤纶纤维断裂伸长率较大（与棉、富纤比）,略低于锦纶 2．弹性

涤纶具有优良的弹性，在较小的外力作用下不易变形，当受到较大外力作用而产生形变时，取消外力后，其回复原状的能力也较强，其形变回复能力与羊毛相近。

涤纶弹性好的原因有两方面：

一方面涤纶具有较大的弹性模量，这表明纤维的刚性强，受外力时不易产生形变；一旦产生形变，由于回弹率较高，又易回复。

另一方面，从涤纶的微结构来看，存在两相结构，受外力作用时，无定形区分子间作用力较小，可产生链段运动，提供一定形变。而结晶区和取向度高的部位，由于纤维基本结构单元间有比较牢固的联结点，要使它们发生形变或断裂需要用较大的外力。当一些联结点被拆散后，基本结构单元或分子链段移动至新的位置上，不易建立起比较牢固的新联结点，以致放松后，可通过未断裂的联结点贮藏起来的内能和分子内旋转作用使纤维有较好的回复性。

即涤纶在一定外力作用下产生的形变是可复形变，但在高度拉伸时，回复性能显著变差。

伸长 2% 4% 8%

回复 97% 90% 80%

但在涤纶纤维的使用过程中，一般受力不大，很少遇到高度拉伸的情况，所以纤维具有较好的回复性。又由于纤维的初始模量高，不易变形，即小变形需要大外力，另外，即使发生变形，由于回弹率很高，去除外力，很容易回复，所以涤纶纤维不易折皱，具有较好的抗皱性能。即具有“洗可穿”性能

3．耐磨性

涤纶的耐磨性仅次于锦纶而超过其他纤维。

（三）化学性能

1. 酸的作用

耐酸性较好。遇弱酸，即使煮沸，纤维也几乎无损伤；遇强酸，T不高，纤维受影响不大（＜60℃，70%硫酸，72h强度不变）；高T高浓时，纤维受损伤，酯键水解

∵是可逆反应，∴不可能完全水解

2.碱的作用

涤纶在碱性条件下，酯键产生不可逆水解，∴可出现完全水解。∴对碱的稳定性稍差。

“剥皮现象” ——涤纶纤维在烧碱溶液中发生由表及里均匀剥落，而强度不受影响的现象。

3.氧化剂和还原剂的作用

涤纶的耐溶剂性较好。酚类化合物常用作涤纶染色的载体。

（四）涤纶的吸湿性低，染色困难

原因：由于涤纶纤维大分子上缺少亲水基团，结构紧密，分子间空隙小，所以吸湿性很低，用水无法使纤维膨化，难使染料进入纤维内部，染色困难。

解决：采用分子量小、结构简单、水溶性低的分散染料通过载体、高温高压、热熔染色；使纤维变性。

（五）起球现象

易起球，是涤纶纤维主要缺点之一，直接影响织物的外观

原因：由于涤纶纤维截面是圆形，表面光滑，抱合力差，纤维尖端易散露在外，在穿着过程中，尖端从纱线中伸出，在衣服表面形成纤维绒毛，经摩擦，绒毛相互缠绕在一起，再加上附着的油污，易起球。由于纤维强度高、弹性好，球不易脱落。

克服起球的方法：

改变涤纶截面形状，（截面做成三角形、扁平型、多边形），增加抱合力；

降低涤纶聚合度或使之变性，降低强度和耐弯曲疲劳度，使球易脱落；

烧毛和定型

（六）静电现象

涤纶纤维导电性差，吸湿性差，所以是一个很好的绝缘体，由于摩擦时产生的电无法输送，∴静电现象十分严重。

静电现象导致：吸灰尘、贴身、触电

解决：混纺；上油；抗静电剂；

（七）燃烧性能

涤纶靠近火焰时会收缩熔化为黏流状，接触火焰即燃烧，并形成熔珠而滴落，熔珠为硬的黑色小球。燃烧时有芳香气味并产生黑烟。离开火焰后能继续燃烧，但易熄灭。

四、改性涤纶

（一）涤纶的改性原理

1．引入有空间阻碍的基团，降低大分子的结晶度。

2．引入第三单体，使涤纶分子结构的规整性下降，改变其紧密堆砌的状况，使结构变得较疏松。

3．引入可与染料分子结合的基团，以提高其对染料的亲和力。

4．引入一定的吸水性基团，改善其吸湿性。

5．改变工艺条件，增加纤维中无定形区的含量。