第四章 纤维(高分子材料)

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第四章
纤维
学习要求
• 学习目的:通过本节的学习,了解纤维的含义、分类、主
要性能指标及加工工艺;掌握主要纤维的特性与用途;掌握 高性能与高功能纤维的特性与用途。
• 学习重点:
1. 主要纤维的特性与用途; 2. 高性能与高功能纤维的特性与用途。
• 学习难点:
1. 纤维的结构、特性与用途的关系;
2.高性能与高功能纤维的特性与应用等。
(二)纤维加工过程中结构的变化
1. 纺丝过程中的取向与结晶 2. 拉伸过程中纤维结构的变化
3. 热定型过程中纤维结构的变化
五、主要品种(一)人造纤维
1.粘胶纤维(Viscose fiber) 2. 醋酸纤维(Acetate fiber) (1)制备 3. 铜氨纤维(Cuprene fiber) (1) 制备:将醋酸纤维素溶于丙酮中,经纺丝机干纺而成。 以短绒棉或化学纸浆为原料,制成纯净的纤维素,经碱 4.(1) 制备:将纯净的纤维素溶于氢氧化铜的氨溶液中,再经混 再生蛋白质纤维(Regenerated protein fiber 人造蛋白质纤维) 化、磺酸化制成粘稠的液体,再经湿纺、强化处理,遂制成 (2) 特 性 : 具 有 丝 绢 光 泽 , 弹 性 好 , 断 裂 强 度 近 似 羊 毛 粘胶纤维。 (1.15~1.32 cN/dtex ),比重1.3,耐皱性是化学纤维中最好的 纺而成。 是以动物或植物蛋白质为原料制成。主要品种有酪蛋白 一种。 (2) 分类:按断裂强度分 (2) 特性:颜色洁白,光泽悦目,手感柔软,丝质感强,相对 纤维、大豆蛋白质纤维、玉米蛋白质纤维、花生蛋白质纤维 (3) 用途:普遍用于作内衣等。产品主要形式有长丝和短丝束, 密度1.5,断裂强度1.59~2.39 cN/dtex 。伸长率(10%~17%) 普通粘胶纤维(1.50~2.74cN/dtex) 等。其物理和化学性质与羊毛相近似,染色性很好。但强度 长丝供加工纺织品用,短丝束供香烟过滤嘴用。 与蚕丝相仿,定长纤维的伸长率30%~38%,优于羊毛。回潮 加强粘胶纤维(3.00~4.60 cN/dtex ) 一般较低,湿态强度更差,因而应用不广泛。通常切断成断 率低于粘胶纤维,弹性和耐皱性较好。以“铜氨丝bemberg” 纤维,可在毛纺机上纯纺或与羊毛、粘胶短纤维和锦纶短纤 (3) 特性 等商品闻名。制造成本比粘胶纤维高些,但强度胜过粘胶纤 维等混纺。 吸湿性好,回潮率1.3%,耐热性强,比重大,易起皱、 维,对节能和环保方面有利。 抗光性差,抗大气性差,易发霉,耐酸碱能力不及棉纤维。 (3) 用途:产品主要形式为长丝,常用于制作高级仿丝织品物。 (4) 用途:宜作衣着。工业上可作轮胎的帘子线。
一、纤维的分类
1.按长度分 2.按来源分 3.按材质分 连续纤维,如聚酯长丝、真丝、单丝。 一定长度的纤维:长纤维(如羊毛),短纤维(如棉花)。
二、纤维的主要性能指标
1、纤度 2、捻度 用来表示纤维粗细程度的概念。有定长制和定重制两种衡 3、断裂强度 量方法。 捻度是指单位长度(cm)纱线上纤维缠绕的圈数,用捻数 表示。 4、断裂伸长率ε(延伸度) 常用相对强度来表示化学纤维的断裂强度,即纤维在连续 定长制是指用一定长度的纤维所具有的重量来表示纤维 5、弹性模量(初始模量或杨氏模量) 增加负荷的作用下,直到断裂所能承受的最大负荷与纤维的纤 指纤维或试样在拉伸至断裂长度比原来增加的百分数。 的粗细,单位有特数tex和旦数denier两种。 度的比值,单位如N/tex、N/denier等。 6、回弹率 特数是指1000m长纤维或纱线在公定回潮率时所具有质 指纤维受拉伸到伸长率为原长的1%时所需的应力。它表 量的克数。 7、吸湿性 征了纤维对小形变的抵抗能力。弹性模量的大小取决于聚合物 将纤维拉伸至产生一定伸长后撤去负荷,经一定时间 旦数则指9000m长的纤维或纱线在公定回潮率时所具有 的化学结构以及分子间相互作用力的大小,也与纤维的取向度 (30~60s,视测试器而定),测定纤维弹性回缩后的剩余伸长, 指在标准温度和湿度(20±3℃、相对湿度65%+3%)条 质量的克数。 和结晶度有关。 可回复的弹性伸长与总伸长之比称为回弹率。 件下纤维的吸水率。一般用回潮率R或含湿率M表示。 旦数与特数之间的关系为:1den=9tex。 定重制用一定质量的纤维或纱线所具有的长度来衡量纤 吸湿性低的纤维容易产生静电,不但给加工带来困难, 旦数和特数越大,表示纤维越粗。 维粗细程度,单位为支数,支数越大,表示纤维越细。 而且使织物附尘和沾污。另外,吸湿性差的纤维制成织物, 支数分为公制和英制。公制是在公定回潮率时每克(毫 不易吸收人体排出的潮分,使人有闷热和潮湿的感觉。 克)纤维所具有的长度米(毫米)数。 公支数 = 纤维的长度m(mm)/纤维重量g(mg)
四、纤维的加工(一)纤维的加工方法
生产工序
原料的制备
纺丝熔体或溶液的制备
纺丝
后加工
纺丝是纤维生产过程的核心工序,对纤维的结构及性能 有重要影响。 根据纺丝前原料的状态的不同,将纺丝分为熔体纺丝和 溶液纺丝。 溶液纺丝中,由于凝固机理不同,又分为湿法纺丝和干 法纺丝。[纺丝方法] 象聚乙烯、聚丙烯、聚己内酰胺和聚对苯二甲酸乙二醇 酯的熔点低于它们的热分解温度,可以进行熔体纺丝。 而聚丙烯腈、聚氯乙烯和聚乙烯醇的熔点与热分解温度 接近,甚至高于热分解温度,纤维素及其衍生物观察不到熔 点,只能采用溶液纺丝。
一、纤维的分类@
二、纤维的主要性能指标@ 三、纤维结构与性能的一般关系@ 四、纤维的加工 (一)纤维的加工方法@
@33 六、高性能与功能纤维@
(一)耐高温纤维@ (二)高强、高模纤维@
(三)弹性纤维@
(四)耐腐蚀纤维@ (五)阻燃纤维@
(二)纤维加工过程中结构的变化@ (六)吸湿性纤维@ (七)抗静电纤维@ 五、主要品种 (八)导电纤维@ (一)人造纤维@ (九)蓄热保暖纤维@ (二)合成纤维@ (十)保健纤维@ [思考与练习@]
三、纤维结构与性能的一般关系
用于化学纤维生产的高分子化合物,称为成纤聚合物。 原则上,所有的线型高聚物都可以用来生产合成纤维。
1. 分子结构
2. 形态结构
生产合成纤维的合成树脂平均分子量一般要求低于热塑 作为衣物用的合成纤维的高分子,既要求其分子量大, ①成纤聚合物大分子是线型的、能伸直的分子,尽可能少的 1)纤维的多重原纤结构 性塑料,且分子量分布要求窄,以便于纺丝。 支链和交联,没有庞大的侧基,且具有适当高的分子量,分 能进行熔融纺丝,且合成后进行拉伸和热处理容易取向和结 2)表面形态 子链长度超过1000和较窄的相对分子量分布; 晶,还应考虑到吸湿性、可染性的基团对服用性能的影响, 能够满足上述条件的聚合物很多,目前已经投入生产纤 3)纤维横截面形状 因而纤维是比橡胶和塑料更为微妙的产品。 ②聚合物结构具有线型对称性,可以使分子与分子间结合紧 维的不下40种,其中最主要的是聚酯纤维、聚酰胺纤维和聚 4)皮芯结构 密或具有一定规律性的化学结构和空间结构; 丙烯腈纤维三大类,产量约占合成纤维总产量的90%以上。 如今合成纤维已经成为人们衣着的主要原料,其强度、 5)纤维中的孔洞 ③聚合物大分子与大分子之间存在相当强的作用力如离子键、 模量、伸长率的高低是可以调整改变的。经过防燃处理、树 但随着合成工业及其他各行各业的不断发展,具有各种 共价键和氢键等(如存在极性基团等); 脂化处理、纺成空心、异型断面、超细化纺丝及表面镀膜等 各样特殊用途的纤维(功能纤维、高性能纤维)正在不断问 工艺之后,可赋予合成纤维不燃、免熨烫、快干、保暖、闪 ④熔点和软化点及玻璃化温度应比允许的使用温度高得多, 世,产量比重越来越多,地位也越来越重要。 光及手感真丝化等特别的使用性能,这是天然纤维无法比拟 且具有一定的热稳定性。 的。
3. 聚丙烯腈纤维(腈纶、奥纶、人造羊毛、人造丝) (Polyacrylonitrile fiber 或Polyacrylic fiber)
(1)含义:是由聚丙烯腈树脂与少量氯乙烯以及第三单体的 共聚物经湿纺或干纺而成。 (2)特性:耐候性超过一切合成纤维;耐热性优。膨胀柔软、 保暖性好。吸水率低(1~2%),不宜作贴身内衣。断裂强度 4.0~4.5g/旦,伸长率15%~20%。耐磨性差,染色不好。 4. 聚氯乙烯纤维(氯纶、录纶)(Polyvinyl chloride fiber ) (3)用途:主要用于生产绒线和纺毛制品,也用于制造混纺 (1)含义:由聚氯乙烯制成。 衣料。是制造碳纤维、石墨纤维的原料。 (2)特性:干态长纤维断裂强度237.378g/旦,吸湿率很低 (<0.3%,化稳高,绝缘、耐磨、耐日光性强,在水中不溶 胀。耐热性差,染色性不好,导热性低,保暖性好(比棉花 高50%),耐酸碱腐蚀,不霉烂,不受虫蛀。遇火不燃。较易 带静电,具难燃性和自熄性。 (3)用途:可加工制作毛绒、毛毯、衣料、絮棉及各种针织 品。
2. 聚酯纤维(涤纶、涤丝、的确良) 是由大分子链的各链节通过酯基(C-O)相连的成纤聚合 (1)品种:①聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纤维 物纺制而成的合成纤维。 O ②聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)纤维 ③聚对苯二甲酸-1,4-环己二甲酯纤维(Kodel) ④阳离子染料可染聚酯(CDP)纤维 (2)特性:与聚酰胺纤维相似。具有高的压缩弹性、抗皱、 耐热(150℃)、耐光、化学稳定性、回弹性和绝缘性,耐 稀碱而不耐浓碱,不发霉,不怕虫蛀。织品保形性好,耐磨、 易洗易干,但透气性差,其混纺品较好,易带静电。干态长 聚酯纤维的断裂强度为4.3~6.0g/旦,延伸率20%~32%。吸湿 性很低,回潮率不大于0.5%。 (3)用途:可用作纯纺或混纺的衣料。工业上可用于制造 轮胎帘子线、传送带、渔网、帆布、缆绳等。于1953年开始 工业化生产。
(十一)防紫外线纤维@
概 述
1.含义 2.发展简史 3.形态 4.研究意义 5.性质及用途 纤维指长度比其直径大得多、并具有一定的柔韧性的纤细 除了传统的复丝、单丝和短纤维外,先后开发了原纤化纤 纤维是高分子材料中最重要的应用形式之一,尤其是 材料。供纺织用的纤维其长径比一般大于1000。典型的纺织纤 维、短切纤维、割裂纤维、晶须等,以及经共聚、共混、复合、 合成纤维,与塑料、橡胶并称为三大合成材料。 维的直径为几微米至几十微米,而长度超过25mm。 表面处理和后加工等构成了花色品种繁多的庞大的纤维家族 从世界统计和预测的资料来看,1970年,合成纤维生 20世纪Hale Waihona Puke Baidu,粘胶纤维及醋酸纤维的研制成功使世界出现 (差别化纤维)。 产量为490万吨,占纺丝纤维即合成纤维、人造纤维、棉毛 了人造纤维工业,结束了人类只能使用天然纤维的历史。 等总产量的23%,1980年为1200万吨,占40%,到2000年, 20世纪30年代中后期,聚酰胺、聚酯、聚丙烯腈、聚乙 已经超过3500万吨,占所有纤维总量的67%以上,而天然纤 烯醇及聚丙烯的相继问世,诞生了合成纤维工业。 维的产量将停止不前。 若以一座年产一万吨的合成纤维工厂来说,其产量相 1955年后,随着超细纤维、聚四氟乙烯纤维、芳族聚酰 当于30万亩棉田的年产量,或者相当于200万头绵羊的产毛 胺纤维、碳纤维等大批特种纤维的研制开发成功,使化学纤 量。若将这部分棉田改种粮食,则粮产量每年约1.5亿公斤, 维进入了高科技领域,促进了许多工业领域、尖端科技和国 足够62.5万人一年的生活食用。 防建设的现代化。经过半个多世纪的发展,化学纤维已发展 可见,发展合成纤维对于解决我国人民的吃饭穿衣问 成为门类众多和百余个品种的工业体系。 题具有极其重要的意义。
(二)合成纤维
1. 聚酰胺纤维(酰胺纤维、尼龙、锦纶)(Polyamide fiber ) (1)含义:由熔融的聚酰胺树脂抽丝而成。 (2)品种:按原料中C原子的不同有: ①聚己内酰胺纤维(尼龙-6、锦纶、卡普纶) ②聚庚酰胺纤维(尼龙-7)③聚壬酰胺纤维(尼龙-9) ④聚w-氨基十一酰纤维(绚丽尼龙-11) ⑤聚酰胺-66纤维⑥ 聚酰胺-1010纤维 ⑦聚酰胺-610纤维 (3)特性:具有强度、弹性高,耐摩擦、冲击、疲劳,电 绝缘性好。耐碱而不耐酸,耐热和耐光较差,保暖性差,易 皱折,对氧化剂、化学腐蚀性尚好。不发霉、不怕虫蛀。 (4)用途:织造袜子和衣料,也用于制造帘子线,渔网, 绳索,传送带,降落伞等。
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