1、聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维之物理化学性质及其应用与发展一、前言聚丙烯腈纤维，学名 Polyacrylonitril ，商品名为Acrylic ，大陆称为腈纶。聚丙烯腈纤维为今日已工业化之合成纤维中，最多采多姿的纤维。聚丙烯腈纤维的定义为“属一 种人造纤维形成这种纤维的物质是任何长练的聚合体所组成的，此聚合体至少含有 85%以上之聚丙烯腈成分”。而经改质过的聚丙烯腈纤维称为改质聚丙烯腈纤维 (modacrylicfiber)，其中聚丙烯腈成分占 85%以下但至少须含有 35%以上(Textile Fiber ProductIde ntificatio n Act 1960) 。聚丙烯腈纤维之分类学
2、术上分科聚丙烯腈纤维(Acrylic Fiber)改质聚丙烯腈纤维(modacrylic fiber)商业上分类In出丙烯腈含量95%100%85%95%35%85%商品名奥隆司米隆都拉隆(Dralon) 丽隆(Redon)毛丽绒爱司隆压克力隆克丽丝(Cresla n)嘉尼嘉隆(kanekalon) 丹尼(Dynel) 维丽尔(Verel)聚丙烯腈纤维为高熔点之聚合物，例如奥隆 (Orlon)之熔点为238 C249C，聚丙烯腈纤维之熔点约在240 C左右，故加热至融点时容易变质， 不能融熔纺丝，一班均采用融液纺丝法。早期因为无适当的溶剂，对于溶剂的选择上，为最大的问题点。直到 1948年，美
3、国杜邦公司(Du pont)发现DMF(dimethyl formamide 二甲基甲酰胺)为聚丙烯腈纤维之最 佳的溶剂，而在1950年大量生产，命名为奥隆(Orlon)。因为聚丙烯腈单独聚合时染色较不易，故除了奥隆及极少数商品之外，现在市场上出售的聚丙烯腈纤维皆为其共聚合物 (copolymer)。例如维尼龙N为丙烯腈与醋酸乙烯酯，压克力隆为丙烯腈与苯乙烯之共聚合物。而共聚合之意义在于强化物理性质与改善染色性 (导入染色座席使盐基性染料可染或酸性染料可染)，但各个制造厂商对于所使用之共聚合原料均极端的保守秘密，不做任何明确的说明。纯粹聚丙烯腈纤维具有甚高的强度，而改质的聚丙烯腈纤维则强度较低
4、，与黏液嫘萦差不多。各种聚丙烯腈纤维的纵侧面都很类似，唯有截面的形状有异。特有特有性质(1)短纤维柔软、蓬松，有像羊毛般给人温暖的感觉。(2)抗候性特强，一般棉纤维经一年之风吹日晒， 强度降低95% nylon和蚕丝损失约99%而聚丙烯腈织品的强度仅损失约 20%(3)耐热性优良：于150 C温度下，经过两日，强度仍不改变， 200C变黄，温度继续升高，色由黄而黑，但强度损失并不是很严重。(4)耐旋光性特优良：于室外暴露一年半，强度仍然保有 77%(5)水分率：1.5%。(6)比重：1.17。(7)具有防霉、抗虫和抗霉菌性。一般用途：帐棚、遮日棚、雨棚、防水布、阳伞、窗帘、沙袋、衬衣、领带、运
5、动服、 工作服等等。、聚丙烯腈之化学构造及化性1、聚丙烯腈(PAN的加成聚合反应由氰化氢分别与环氧乙烷、乙炔、乙醛作用，皆可生成丙烯腈单体。氰化氢与环氧 乙烷可经由两阶段反应生成丙烯腈。聚丙烯腈(Polyacrylonitrile 宀P.A.N.)由原料丙烯腈(A.N.)加成聚合而成。丙烯腈为具不饱和键的单体， 可藉游离基引发剂的作用，促使它发生游离基聚合反应，其加成聚合反应( Addition Polymerizatio n )步骤为：(1)初始反应(initiation )首先若干单元体被起始剂(ini tiator )活化而开始聚合反应，活化单体的方式以游离基效应与离子催化效应为例。I、
6、游离基效应：反应系统内添加初始剂， (R - R)吸收能量而分解成游离基R (free radical )，再以游离基 R为活化中心，诱导单元 体进行成长反应。作用，将单元体在极低的温度下进行聚合反应。 反应期间催化剂吸收电子，单元体含双键的碳原子释放电子成为C 离子(carbonium iron )。(2)成长反应(propagation )head to tail ) 较为安定a、同位立体结构(isotactic structure )b、对位立体结构(syn diotactic structure )c、错位立体结构( atactic structure )(3)终止反应(termina
7、tion )Mr十：*HitPolymer札- sSX - ” M,X + S:A n fLPolyiner已止 PotynierMr +亂.Z -ti iLPolyner反应过程中，分枝最多的地方在终止反应，不是初始或成长反应，因此要减少聚 合反应的分枝的方法，就是降低并控制聚合反应温度。2、聚丙烯腈纤维的分类根据美国联邦贸易委员会资料表示：(1)丙烯腈(acrylonitrile )含量占聚合体的 85%以上，称为聚丙烯腈纤维(Acrylic Fibers )。(2)丙烯腈含量占聚合体的 3585%，称为改质聚丙烯腈纤维( ModacrylicFibers )。 含100 %丙烯腈含量者，
8、一般称为工业级聚丙烯腈纤维( Tech nical grade ,T-Acrylics )。学术上分类聚丙烯腈纤维(Acrylic Fibers)改质聚丙烯腈纤维(Modacrylic Fibers)商业上分类Acrylic Fiber IAcrylic FibernAcrylic Fiber 川丙烯腈含量95 100%85 95%35 85%商品名称美 Orlon ? 日 Cashmil on ? ?日 Exla n日 Vonn el ?日 Kan ekal on结晶性较大(H-bond较多)较小吸湿性较小较大染色性较难(结构致密)较易(结构松弛，第二成份多)强力较大较小回潮率1 2.5 %
9、0.4 4%比重较轻较重横断面近乎圆形近乎椭圆形聚丙烯腈纤维加入其它共聚合体( copolymer )，其作用有monomer般丙烯腈与其它单体共聚合，其单元体有下列几种类别:mono merH2C=CHCOOHmono merH 極性兄力的曲rH bond 多極性基製I人造仝或臧他殲權蛛構褻弛 （养 ）在妨絲工程蝉罐忡作闲银殲樂結描蛟嫩密（蛛品區多）存在非緖晶區珂的 毡性塞穀梦大部分極性基旳存程結晶區海吸温性11）7染色*性（t）有效極t ）険漁性（* ）渠邑性（）有政極性島就（1 4、聚丙烯腈纤维制造流程聚肖烯睛製進逾程聚丙烯腈共聚合物可用溶液、悬浮、乳化聚合方式制得，首先制得象牙色的聚合
10、物， 再用高极性的溶剂溶解 DMF二甲基甲酰胺(dimethylformamide) 、DMSO二甲亚腈(dimethylsulfoxide) 等使之溶解过滤之后，最后以湿式或干式纺丝法抽丝。然后经过抽长及卷取处理，但须注意奥隆丝的处理和特多隆一样是在较高的温度下施行 (称为热抽)，通常抽长至三到八倍，可使分子排列成长条的并行炼而增加强度。经过抽长及卷取处理 的奥隆丝并成丝束，在经切短成奥隆棉 (Orlon staple)，也就是现在市面上所供应的货0H3C-S-CHj品。HCNXCHaDMF -二甲廉* al凰湿式纺丝：利用水溶液交换法。干式纺丝：以蒸气使 DMF蒸发。5、聚丙烯腈纤维对热的
11、性质聚丙烯腈纤维（含 85%以上丙烯腈），比重（g/cm3）： 1.161.20，其玻璃转位 点（Tg）: 87C,公定回潮率1.32.5 %。聚丙烯腈质轻、保温，弹性回复率佳。抗化学药品性强（除强酸、强碱，及某些溶 剂外），抗微生物性优，故保存容易。使用盐基性邙日离子性）染料染色，色泽鲜 艳，坚牢度佳。易带静电，易生毛羽。（1） PAN 受热变色的发色团azometh ine group )polyene )polyimi ne cha inh2h2（2） PAN 受热变色机构G途擾（主）汁IHCICtH C4 :因於含比更紀悶舉合豪耘3盼心B -Ketonrtriie舛巾加糧質子说刪極性试
12、刑）A,:A帥味1*业CoHionom日爭话二吨忖和耐成A途径因添加亲质子试剂（极性试剂）或添加端基或Comono me等第二成份而形成。 即Comonome所引起的变色机构。宀貯A/H? H2 出 H；、廿 /、#、/%/Till ICN,心B途径因聚合反应期间，聚合体长链形成 3 -酮腈(3 -Ketonitrile ) , 3 -酮腈受热生成聚亚胺链而变色。C途径PAN受热氧化作用，使 PAN内形成酮腈结构而变色。OH *七悔H C， I CN-NHCICh?-cn* AsfcffeH2OCN OH CN CN CN6、聚丙烯腈纤维的应用(1)蓬松纱( Bulky yarn )的制造聚丙
13、烯腈纤维加热到 Tg点以上呈现橡胶状态，延伸 2030 %后冷却，则在常 温下可保持此应变。当聚丙烯腈纤维与其它纤维混纺后，于蒸气高温下，聚丙 烯腈纤维会产生收缩， 而其它纤维不收缩， 因此使纱具有温暖、 弹性的蓬松感。(2)用途 聚丙烯腈纤维受日光及化学药品之抵抗力强， 适于制造室外用织物， 如：窗帘、 帐篷、 防雨布等。 在工业用途上， 可作为化学工厂之滤布及电镀工业之阳极袋。 可以与羊毛、棉、嫘萦混纺，作西装衣料、地毯、针织品等。三、各种市售PAN系纤维之特性奥隆 (Orlon) 的特性(1)会燃烧而无确定的熔点，燃烧时有光亮的火焰，但易熄灭，有臭味，残渣为黑色 的硬圆颗粒。(2)在23
14、5C变黏，耐热性优良，超越 100C的温度下一个月，仍保有原来之强力。(3)可融于 DMF(dimethyl formamide 二甲基甲酰胺 ) ，其余之溶剂皆无影响。(4)比重 1.14 。相对湿度 65%时约为 1.5%。(5)对于酸和碱均有良好的抵抗能力。(6)湿润时强力减弱很微小，干洗次数对其稳定无影响。(7)熨斗太热时，会使织物成油光或变黄。(8)会聚集静电，通常用静电防止剂加以控制。(9)当纯奥龙织物与其它纤维混纺时，都有柔软和暖的感觉，也都易洗快干。Acrilin 的特性 是美国孟山都公司 (Monsanto Company) 的纺织部门出品，亦为丙烯腈的聚合物，其纺丝 的方法
15、是用湿式纺丝法在凝固液中使其凝固，故与奥隆稍异，其后又在高温下予以抽长 卷取处理后切成小断。(1)无确定的熔点，有臭味，残渣为黑色的硬圆颗粒。(2)在沸水中，收缩 2.5%。(3)对于酸和碱均有良好的抵抗能力。(4)对于氯酸盐及其它漂白剂，都有良好的抵抗能力。(5)对于一般溶剂及太阳光，性能均很良好，可融于 DMF(dimethyl formamide 二甲基 甲酰胺 ) 。(6)比重 1.17 。(7)易洗快干，不缩水。(8)质地蓬松，有温暖感，卷取性能良好。(9)强度和耐摩性中等，伸展性良好，吸水性甚低。Creslan 的特性美国氰胺公司出品 (American Cyanamid Comp
16、any) 性质和 Acrilan 相似。 以上三种属于聚丙烯腈纤维，所含之主要成份均以丙烯腈为主，主要的用途为地毯、衣 着、窗帘、滑雪装、短袜、婴儿衣物、运动装、工作服、帐幔、沙袋、室内饰物。此类 型之织物运用机器洗涤时，需用温水，及在最后冲洗时加入织物软化剂。若需熨烫，宜 用中温，不可用高温。Dynel 的特性(1)与火焰接触时会燃烧，但一离开火焰即会自行熄灭，燃烧时不溶化，留下坚硬的 黑色颗粒。(2)对酸、碱、蛀虫、霉菌、细菌、都有抵抗力。(3)浸在浓硫酸 ( 浓度高达 95%)中，毫无影响。(4)太阳光可使其稍稍变白，长时间接触高温度，则强度减弱、变黑。(5)具有良好的弹力、暖和感、稳定
17、性。(6)可洗、快干、保持折痕、不缩水、不变形、不走样。(7)比重 1.3 。(8)吸水量和聚酯相当仅约 0.4%。(9)在100C以下不会毡合(Felting)，亦不收缩。(10)在沸水中部受影响。Verel 的特性(1) 这类人纤棉具有热塑性 (Thermoplastic) ，不会燃烧。 以130C以上温度处理，则会变黏及变黑。(3)就算浸在盐酸、硝酸、苯酚、王水处理影响甚小。(4)运用强碱处理例如高浓度的氢氧化钠，稍稍变黄。(5)Verel 之原色是白色，所以不需漂白，过氧化氢等氧化季对它无作用。(6)干洗用的一般有机溶剂，对他无影响，但可融于热丙酮。(7)对霉菌及微生物有高抵抗能力，且
18、不受日光影响。(8)比重 1.37 。(9)吸水量为 3.5%4%。(10)耐洗且能保持式样及折痕。Kanekalon 的特性日本 Kanegafuchi 公司研发，和 Dynel 、Verel 性能与用途类似。以上三种属于改质聚丙烯腈纤维，其中含有相当成份的共单体和聚丙烯腈共聚合，一般 主要的用途为仿制兽毛、填充玩具、假发、不织布、防火窗帘及帐幔、针织起毛织物的 底布、地毯、地毡。此类型的长毛织物应以干洗或洗兽毛的方法为宜。若运用机器洗涤, 应用温水洗涤且在最后清水中加入软化剂，烘干或整烫，宜用低温，不可用高温。四、从聚丙烯腈制造碳纤维1碳素纤维的分类（1） 依制造原料区分Rayo n）系碳
19、纤维PAN系碳纤维Pitch ）系碳纤维依热处理温度区分500 C以下。5001500 C，供电气传导性材料。2000 C以上，耐热与电气传导性增加。2、碳素纤维加热期间之结构变化3、碳素纤维制造流程聚丙烯腈（PAN系制造原料：高纯度 PAW原料形状：丝、布、毡毯、非织物等。N2中加热。68 wt %，碳化率 48%。PAN系的化学反应如下：4、碳素纤维之特性(1)密度小、重量轻。(2)弹性率高、比弹性系数(Specific modulus )亦高。(3)抗张强力大、比强度( Specific strength )亦大。(4)传导性佳。(5)耐热性高，无氧状态下可耐 3000 C高温。(6)耐
20、化学药品腐蚀性强。(7)尺寸安定性良好。(8)热膨胀系数小，热冲击性强。(9)石墨质碳素纤维具有润滑性(10)具有电气传导性(因处理温度而异) 。(11)所含不纯物极少，不污染与其接触之液态气体，也不沾污熔融金属。(12)碳素纤维能吸收电波，石墨质则会反射电波。(13)弹性率随着处理温度的升高而渐增，在 160 C附近达到最高峰，其后又逐渐下降。(14)具有高度静疲劳强度。在许许多多的新型纤维中，碳纤维是最具竞争力的一种。新式的复合材料结构上，大部 分都需用到碳纤维与改质的环氧树脂配合制成，藉以增加强度，而取代较重的金属材料， 军事上不论是飞机或船舶也都大量运用各种类的含碳复合材料，以减轻重量且增加韧性 等性能。
