1、化学纤维第3章 化学纤维1. 化学纤维的发展过程 化学纤维的问世，结束了人类几千年来只将天然纤维作为唯一纺织原料的历史，形成了一个稳定的，持续发展的原料 特点：性能可以人为改变和控制不同性能的纤维。 在民用、工农业、交通运输，国防，医疗及尖端科学领域等方面具有广阔的用途。 人工制丝技术蚕丝是自然界唯一可供利用的长丝，而且形成独具一格由液体状变成固体状。早在南宋，周去非的岭外代答，广西某县枫树上有“食叶之虫”称做“丝虫”，它的外形“似蚕而呈赤黑色”，每当五月（农历）间“虫腹如蚕之熟”，当地人就捉回用醋浸渍，然后剖开虫腹取出丝素，在醋中牵引成丝，一虫可得丝长6-7尺，这种从野蚕身上抽丝的方法，堪称
2、是人类人工制丝技术最早的事实。 第一个人工制造的纤维 硝酸酯纤维 通过对比测定了蚕丝和桑叶的组成: 桑叶C 、H 、O 蚕丝C 、H 、O ，N 方法：硝酸处理纤维素 1884 年，法国，很快便停产：易燃烧，成本贵，纺用价值低。 第一个大规模商用化学纤维粘胶纤维1891 年在英国有人将纤维素黄酸酯溶于稀碱中制成很粘的液体纺丝，因其很粘，故称为粘胶，制成的纤维称为粘胶纤维。 在1905 年，发明三组分凝固浴，实现工业化生产。 化学纤维开始走上成功之路。 人造纤维的制造成功是仿生学的应用的成功。 化学纤维工业的发展概况1884年，法国人H.B. Chardonnet制成最早的化学纤维硝酸酯纤维；1
3、891年法国进行工业生产；1891年 制成粘胶；1901年，纤维素的铜氨溶液制成铜氨纤维；1905年，用CS2与碱纤维素作用得到溶解性的纤维素磺酸酯，制成粘胶纤维；1935年，意大利人从牛乳中提取乳酪素，制成人造羊毛；到40年代末，各种人造纤维的世界年总产量已超过60万吨，其中，粘胶纤维占84%。此后，又有高湿模量纤维、超强力粘胶纤维、永久卷曲粘胶纤维等问世。1935年，合成聚酰胺66，1938年，开始生产；1941年，聚己内酰胺纤维在德国工业化生产；1944年，发明聚酯纤维，1949年开始生产；1948年，聚丙烯腈纤维开始生产；1958年，聚丙烯纤维实现工业化生产。中国化学纤维工业发展第一阶
4、段 起步阶段 （19561965年） 粘胶纤维、维纶、腈纶第二阶段 奠基阶段 （19661980年） 合成纤维第三阶段 发展阶段 （19811995年） 仪征化纤、上海石化、广东新会、佛山、平顶山、辽宁抚顺第四阶段 持续增长 占世界化学纤维产量55以上2. 化学纤维的基本纺丝方法成纤高聚物：用于化学纤维生产的高分子化合物，可分为两类：(1) 天然高分子化合物；(2) 合成高分子化合物。纺丝：将成纤聚合物熔体或浓溶液，通过喷丝孔挤出后凝固成初生纤维的过程。也称作“纤维成型”。基本纺丝过程：原料制备、纺前准备、纺丝成型、后加工2.1 原料制备（1）再生纤维（原料纯净化）：将天然高分子化合物经一系列
5、的化学和机械加工，除去杂质等。再生纤维素纤维（2）合成纤维（聚合）：将低分子化合物通过聚合反应生成高分子化合物。2.2 纺前准备固态高聚物流体必要处理。成为流体方法：溶剂、熔融溶液纺丝：熔点与热分解温度接近甚至高于热分解温度的采用溶液纺丝方法成形。粘胶、维伦、腈纶等采用此法。熔体纺丝：熔点低于热分解温度的可以采用熔体纺丝，也可以进行溶液纺丝；涤纶、锦纶、丙纶等等采用此法。 基本过程：【熔融（溶解）】、混合、过滤2.3 纺丝成型流体固态（丝条）熔体：降温固化溶液： 干法纺丝：凝固介质为干热气流 湿法纺丝：凝固介质为含凝固剂的凝固浴2.3.1 熔体纺丝过程：（1）将高聚物加热至熔点以上的适当温度制
6、成的纺丝熔体（2）送至纺丝部位，再经纺丝泵定量压送到纺丝组件（3）从喷丝板中压出而成为细流，在纺丝甬道中冷却成形。特点：（1）纺丝速度一般为10002000 m/min，高者可达30006000m/min，或更高。（2）丝的截面通常为圆形。（3）干净、污染少、成本低纺丝品种：涤纶、锦纶、丙纶2.3.2 湿法纺丝过程：纺丝液通过计量泵，经烛形滤器、鹅颈管进入喷丝头，从喷丝孔中挤出进入凝固浴，高聚物在凝固浴中析出形成初生纤维。特点（1）纺丝速度一般为18380m/min（2）截面多为非圆形，有皮芯结构（3）污染问题严重、成本高纺丝品种：腈纶、维纶、氯纶、粘胶2.3.3 干法纺丝溶剂要求：溶解能力强
7、（溶质浓度高），沸点和蒸发潜热低，低毒性、可燃性满足安全防护要求。最常用有丙酮、二甲基甲酰胺等。纺丝特点：（1）纺丝速度一般为200500 m/min，高者可达10001500m/min。（2）溶剂挥发可能污染环境，成本高，丝的质量好。纺丝品种：一般是化学纤维长丝，主要品种有腈纶、醋酯纤维、氯纶、氨纶、Lyocell纤维、铜氨纤维等。2.3.4 其他纺丝方法（1）有色纺丝（2）异形纺丝（3）复合纺丝2.4 纺丝后加工纺丝成形得到的丝称为初生丝初生丝强度低、伸长大，沸水收缩率大，一般不能直接用于纺织加工长丝：拉伸加捻定型上油络丝漂白（湿法纺丝）短纤维：集束抽伸上油卷曲热定型切断（牵切）打包（1）
8、拉伸：提高纤维的取向度，进而提高纤维的断裂强度、降低断裂伸长率，提高耐磨性和疲劳强度。按拉伸次数：一道牵伸和多道牵伸 按拉伸介质：干牵伸、蒸汽牵伸和湿牵伸 按拉伸温度：冷牵伸和热牵伸（2）热定型：消除纤维的内应力，提高结晶度和结构稳定性，减少蠕变和沸水收缩率，提高纤维尺寸稳定性。热定型分紧张热定型和松弛热定型（3）上油提供纤维的平滑性、柔软性，减少摩擦和静电产生（增加纤维间抱合），改善化学纤维本身呈现和纺织加工性能。化纤油剂分纺织油剂和纺丝油剂。各种油剂的配方和成分并不相同。油剂的成分一般包括:平滑剂、柔软剂、渗透剂、抗静电剂等。其原料如下：润滑成分：天然植物油，矿物油，合成酯类等乳化成分：表
9、面活性剂等调整成分：表面活性剂高级脂肪醇，脂肪酸添加成分：防氧化剂，防毒剂，水，有机溶剂等。 化纤上油都是用乳化液，必须加入表面活性剂。表面活性剂分阳离子型、阴离子型、非离子型、两性离子型等。柔软润滑性提高原因：化纤上油后，在纤维表面形成一层油膜，降低了纤维的摩擦系数。纤维的柔软性取决于静摩擦系数，润滑性则取决于动摩擦系数。抗静电性提高原因：（1）降低纤维的表面比电阻；（2）摩擦产生相反的电荷，使电荷中和；（3）降低摩擦系数，减少电荷量。（4）切断短纤维：切断（等长）、牵切（不等长）牵切使纤维长度特征更接近于天然短纤维，主要通过两对或多对速度不同的加压罗拉牵伸长丝束直至拉断的过程，纤维发生随机
10、断裂。（5）加捻：长丝单纤维紧密抱合，提高束丝强度。（6）卷曲：短纤维增加纤维抱合3. 化学纤维普通品种、加工及性能分类定义纤维再生纤维以天然高聚物为原料制成浆液其化学组成（分子主链）基本不变并高纯净化后制成的纤维再生纤维素纤维：粘胶法、溶剂法 、酯化法再生蛋白质纤维合成纤维以石油、煤、天燃气及一些农副产品为原料制成单体，经化学合成为高聚物，纺制的纤维涤纶、锦纶、维纶、氯纶、氨纶。无机纤维以天然无机物或含碳高聚物纤维为原料，经人工抽丝或直接炭化制成的无机纤维玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维等3.1 再生纤维素纤维用纤维素为原料制成的、结构为纤维素II的再生纤维3.1.1粘胶纤维用粘胶法制成的再生纤
11、维。粘胶法： （1）纤维素与碱作用制成碱纤维素，（2）碱纤维素在一定温度下和二硫化碳作用，生成纤维素黄酸酯，（3）把纤维素黄酸酯溶于稀碱即制成粘胶，（4）纺丝细流进入凝固浴（硫酸、硫酸钠、硫酸锌）凝固。纺丝流程：浆粕的准备碱纤维素的制备老成纤维素黄酸酯的制备熟成溶解混合过滤纺丝拉伸水洗脱硫漂白 酸洗上油干燥3.1.1.1 普通粘胶纤维形态特点：截面呈不规则的锯齿形，有明显的皮芯结构。形成原因：（1）双扩散作用速度不同 （2）凝固次序不同结构特征：聚合度低、结晶度低、取向度低，空隙多性能特点：（1）吸湿优良，仅次于羊毛而优于棉（2）染色性优良：易、色谱全、色泽艳，牢度好（3）耐热性高，优于棉。没
12、热塑性，高温时不变软，不粘连（4）易发生多种化学反应：耐碱稳定性不好（5）易伸长变形，故织物缩水性大，吸湿后膨胀变硬。（6）湿态强度、模量低，湿态下强度下降近50，（7）耐磨性差。3.1.1.2 粘胶分类力学性能特点：3.1.1.3高湿强和强力粘胶品种及特点高湿强粘胶提高纤维结晶度，全芯层结构，截面为圆形代表品种：富强纤维、虎木棉，Polynosic高湿模量粘胶增加纤维的皮层结构代表品种：HWM、Vincel、Modal强力粘胶提高分子取向度、改善结晶结构，全皮层结构代表品种：强力帘子线、强力粘胶纤维3.1.2 溶剂纺纤维素纤维3.1.2.1 铜氨纤维1899年开始生产湿法纺丝：溶剂（浓铜氨溶
13、液），凝固浴（水或稀碱溶液）加工复杂，成本高特点：截面呈圆形，无皮芯结构；纤维表面光滑，光泽柔和，有真丝感用途：高档衣料3.1.2.2 Lyocell纤维Lyocell是以纤维素浆粕直接溶于有机溶剂N-甲基吗啉-N氧化物纺制形成的新型纤维素纤维。Lyocell于1989年由国际人造丝及合成纤维标准化局确认，1992年美国联邦贸易委员会也确认，并经ISO组织批准，归属于纤维素纤维Lyo希腊文“Lyein”，溶解Cell“Cellulose”，纤维素生产厂家及品种：Acordis公司 Tencell， Courtaulds LyocellLenzing AG公司 Lenzing LyocellAz
14、ko Nobel和Lenzing公司合资 Newcell基本加工流程 木浆 混合 溶解 过滤 纺丝 水洗 溶剂NMMO 蒸发 纯化 整理 干燥 卷曲 Lyocell纤维结构特征：聚合度高、结晶度高、取向度高等性能：具有干湿强度大、初始模量高、在水中收缩率小、尺寸稳定性好、吸水膨润性大以及有突出的原纤化特征。3.1.2.3 醋酯纤维利用醋酸酐对羟基的作用，羟基被乙酰基置换，生成纤维素酯命名：以纤维素大分子上的3个-OH被酯基取代（乙酰化）的个数命名。 二醋酯纤维：7492羟基乙酰化滤材 三醋酯纤维：大于92的羟基乙酰化纺织纺丝方法：干法或湿法纺丝特点：截面为不规则多瓣形，无皮芯结构。 模量较低，
15、易伸长，低伸长下弹性回复性能好 织物柔软，有弹性，不易起皱，悬垂性好主要用途：女用内衣和绸类面料3.2 再生蛋白质纤维酪素蛋白、牛奶蛋白、蚕蛹蛋白、大豆蛋白、花生蛋白方法：共混纺丝（高再生蛋白） 接枝共聚纺丝（低再生蛋白）80%以上：再生蛋白纤维2080：混合或复合纤维低于20：蛋白质改性纤维特点：纤维强度低；耐热性差，易泛黄；纤维自身发黄；成本高。3.3 普通合成纤维用单体经人工合成获得的聚合物为原料制成的化学纤维六大纶：涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶以产量多少排序：涤纶、丙纶、锦纶、腈纶3.3.1 聚酯类纤维由有机二元酸与二元醇经缩聚反应制得的高聚物，在大分子链中至少有85%的酯的链节
16、。 聚对苯二甲酸乙二酯（PET）：涤纶（商品名）阳离子染料可染共聚酯纤维聚对苯二甲酸丁二酯纤维（PBT）聚对苯二甲酸丙二酯纤维（PTT）聚萘二甲酸乙二酯纤维3.3.1.1常见纺丝加工分类UDY：常规纺丝 10001500m/min MOY：中速纺丝15003000m/min POY：高速纺丝30006000m/min FOY：超高速纺丝60008000m/min3.3.1.2 物理性质颜色：一般为乳白色并带有丝光；生产无光产品在纺丝前需加入消光剂；生产纯白色产品需加入漂白剂；有色丝需在熔体中加入颜料或涂料。表面及横截面形状：常规涤纶表面光滑，截面近于圆型。异型喷丝板则可制成各种特殊形状。密度：
17、涤纶完全无定型时密度为1.333，完全结晶时为1.455，一般为 1.38 1.40g/cm3。回潮率：标准状态下为0.4%。低于腈纶和锦纶。织物洗可穿性好，吸湿性差、透气性差，静电现象严重。热性能：软化点230240，熔点255265，分解点为300。在火中能燃烧，发生卷曲，并熔融成珠，有黑烟及芳香味。耐光性：仅次于腈纶。涤纶在315nm光波区有强烈吸收带，日光照射600h后，强度损失60%。电性能：导电性差，是一种良好的绝缘体 力学性能(1) 强度高：干态强度47cN/dtex，在湿态下强度不下降。(2) 延伸度适中：20%50%(3) 模量高：在合纤中，涤纶的初始模量为最高，这是涤纶织物
18、尺寸稳定，不变形、不走样，褶裥持久。(4) 回弹性好：近于羊毛，伸长5%时，去负荷后几乎完全可以回复。织物抗皱性超过其他合纤。(5) 耐磨性：仅次于锦纶超过其他合纤 化学稳定性(1) 耐酸性：对酸很稳定，但室温下不能抵抗浓硝酸和浓硫酸的长时间作用。(2) 耐碱性：大分子上的酯基受碱作用容易水解。在常温下与浓碱、高温下与稀碱作用是纤维破坏，只有在低温下对稀碱或弱碱才比较稳定。(3) 耐溶剂性：对一般非极性有机溶剂有极强的抵抗能力，在室温下对极性有机溶剂也有相当强的抵抗能力。主要缺点(1) 吸湿性差，0.4%(2) 染色性差(3) 织物易起毛起球(4) 抗熔性差3.3.2 聚酰胺纤维分子主链由酰胺
19、键(CONH) 连接起来的合成纤维的统称。脂肪族聚酰胺纤维 特征基团： 有极性集团-CONH-；-NH2；-COOH；锦纶66 锦纶6 纤维特点：单基较长，无支链，属柔性基团锦纶是柔曲大分子，空间呈平面锯齿形。 有范德华力、氢键力；结晶度比涤纶略低。（1）机械性质 断裂强度、屈曲强度较高，伸长大； 初始模量较低，使用过程易变形，织物的保形性和挺括性较差； 断裂功大，弹性好，耐磨性好。（2）吸湿染色性 W=4.5%，合成纤维中仅次于维纶（3）热学性质 耐热性差； 安全使用温度：低于93(锦纶6); 低于130(锦纶66)； 熔点：215 (锦纶6)，250 (锦纶66) 遇火熔成小孔（4）耐光性
20、差，易变色和发脆（5）耐碱不耐酸： 95 NaOH(10%)处理16小时，强力几乎无损失 可溶解于59%的硫酸以及热的甲酸和乙酸中锦纶6和锦纶66的区分： 锦纶6溶解于15%的盐酸 锦纶66溶解于20%的盐酸应用领域：运动类服装、伞、绳及轮胎帘子线或产业用3.3.3 聚丙烯腈纤维 丙烯腈链节占85%以上的共聚纤维，其基本组成为丙烯腈 ，商品名腈纶。 丙烯腈链节含量在3585%的共聚纤维称为改性聚丙烯腈纤维。手感柔软弹性好，“合成羊毛”第一单体：丙烯腈（超过85%）； 第二单体：丙烯酸甲酯、甲醛丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯等；第三单体：引入一定量带有酸性或碱性染料的基团氰基强极性适合共混、接枝共聚 结
21、构：准晶结构性质： 强度较低，伸长较大； 初始模量：E锦纶E腈纶106) 丙纶纤维的结构： 分子间不存在强的化学结合力。 等规聚丙烯分子量相当高，具有较高的立体规整性，易结晶。性质： 机械性质：强度较高，伸长率较大，初始模量不高，弹性很好，耐磨性好。 吸湿染色性：吸湿性、染色性很差 热学性质：熔点低，耐湿热不耐干热 耐光性特别差，易老化 化学稳定性很好，耐酸、耐碱、耐其他化学试剂 具有“芯吸”效应，导湿性好密度最轻：0.91g/cm3，是比重最轻的合成纤维，人水不沉。飞机上的毛毯、宇航员的衣服用它制作，可以减轻升空的负担。保暖性好3.3.5 聚乙烯醇缩醛纤维聚乙烯醇纤维 聚乙烯醇缩甲醛纤维 聚
22、乙烯醇缩醛纤维可与其他共聚物共混纺丝 大豆纤维、牛奶纤维聚乙烯醇缩甲醛纤维性能（1）结构： 皮芯层结构 截面形状： 浓度30%，哑铃状；浓度40%，圆形； 大分子主链呈平面锯齿形。（2）性质 机械性质：强度较高，伸长率不大，初始模量比涤纶低，弹性较差，耐磨性较好。 吸湿性：W=5.0%，在合纤中居于首位，“合成棉花”; 染色性不好，色泽不鲜艳 热学性质：耐干热稳定性较好，耐热水性较差。 耐碱不耐强酸； 耐光性、耐腐蚀性较好； 热传导系数低，保暖性较好； 3.3.6 聚氯乙烯纤维聚氯乙烯纤维 氯纶 CH2CHCl n氯化聚氯乙烯纤维 过氯纶 CH2CHClCHClCHClCH2CHCl偏氯纶：氯
23、乙烯与偏二氯乙烯共聚维氯纶腈氯纶4. 化学纤维的检验4.1长度与细度的选择项 目毛 型棉型中长型粗梳精梳长度 (mm)64767611433385176细度 (tex)0.330.550.330.550.130.180.220.33棉型化纤：等长毛型和中长型：等长、切断比较细长时，可以改善条干；过分细长，易扭结，大量短绒；过分粗短，影响条干。等长切断纤维经验公式：长度（英寸）/细度（D）1长度（cm）/细度（tex）23牵切纤维可以大于上述限制4.2 长度、细度指标与检验（1）长度等长纤维：等长切断法（平均长度、短纤维率、超长纤维率）不等长纤维：参照羊毛纤维的长度测试方法超长纤维：超过实际长度
24、7mm（名义长度小于50mm）或10mm（名义长度大于50mm），但纤维长度小于1.9倍名义长度倍长纤维：未切断纤维，长度是名义长度的整数倍（2）细度指标：特（tex）、纤度（D）、纤维直径测定方法：中段切断称重法、测直径、振动法4.3化学纤维卷曲改善可纺性、织物的服用性卷曲途径 ： （1 ）纤维内部结构不对称 维纶、粘胶（卷曲数量少，稳定），复合纤维 （2 ）纤维的热塑性、机械挤压 涤纶、锦纶、丙纶（数量多，呈波浪形，牢度差） 指标：卷曲度（率）、卷曲数、卷曲波长、卷曲比、卷曲回复率、卷曲弹性率4.4 化纤长丝检验（1）细度（复丝）表示方法：复丝总特数/单丝根数如：16.5tex/30f复丝
25、细度等于组成该复丝的单丝细度Ntex之和。测量：切断称重法（2）变形丝的形态特征伸缩型和弹性膨松性5. 差别化纤维泛指对常规化纤品种有所创新或赋予某些特性的化学纤维，或指在现有化学纤维基础上经过化学改性或物理改性的化学纤维。方法：（1）物理改性：改进物理结构，改进聚合和纺丝条件、纤维截面、复合纺丝、共混纺丝（2）化学改性：改变化学结构，共聚、接枝、交联等（3）表面物理化学改性5.1 变形丝（纱）具有（或潜在具有）卷曲、螺旋、环圈等外观特性而呈现膨松、伸缩性的单根或多根长丝纱改善：光泽呆板、滑溜、冷湿等感觉途径：赋予长丝卷曲变形（螺旋、环圈），并加以固定（如热定型）蓬松性5.1.1 假捻变形纱5
26、.1.2 空气变形丝（ATY） 空气变形丝又称喷气变形丝。原丝为POY或FOY，通过一个特殊的喷嘴，在空气喷射作用下单丝弯曲形成圈状结构，环圈和线圈缠结在一起，形成具有高度蓬松性的环圈丝。 空气变形丝具有仿短纤纱的效果。5.1.3 网络丝利用高速气流垂直间歇地冲击丝束，使单丝之间互相纠缠和扭结，形成周期性的网络结，从而增加纤维间的抱合性。2种不同的长丝并合使用时，长使用网络加工，可减少纱线起毛、织造断丝等加工性能。5.1.4 其他变形方法 5.2 异形纤维（Profiled fiber）经一定几何形状（非圆形）喷丝孔纺制的具有特殊横截面形状的化学纤维。三角形纤维 闪光效应十字型锦纶 回弹性强五
27、叶形截面的长丝 真丝光泽、抗起球、手感好中空纤维 保暖性和蓬松性优良4DG fiber Hollow fiber5.3 复合纤维(Bicomponent fiber)有两种或两种以上高聚物，或性能不同的同种聚合物，经复合纺丝法纺制成的化学纤维亦称“双组分纤维”或“多组分纤维”。来源羊毛卷曲、麻纤维结构。 并列型 螺旋状卷曲 皮芯型 螺旋状卷曲、兼具两种或突出一种聚合物的性质 海岛型 超细纤维 裂离型 超细纤维5.4 超细纤维（Superfine fiber）国际上尚无公认的定义。美国PET委员会：单纤细度为0.3-1.0dtex的纤维日本：0.55dtex中国： GB/T 4146-1984
28、0.4D（0.44dtex ）一般来将：超细纤维0.55dtex，微细纤维（细旦纤维）0.551.11dtex。最细的超细纤维为0.00011dtex，直径仅有95nm.涤纶纤维超细化：飘逸性、悬垂性、舒适性、透气性有明显的增加或改善，但耐磨性、抗皱性、免烫性、缩水性变差。5.5 混纤丝（纱）由几何形态或物理性能不同的单丝组成的复丝目的：提高合成纤维的自然感类型：异收缩、异形、异细度及多异混纤膨体纱：利用聚合物的热可塑性，将两种收缩性能不同的合成纤维毛条按比例混合，经热处理，高收缩毛条发生收缩迫使低收缩毛条中的纤维发生卷曲，从而使之具有蓬松性，类似毛线。5.6 共混纤维(Blended spun fiber ) 两种或多种聚合物混合后纺成的化学纤维。亦称“双成分纤维”或“多成分纤维”。 如大豆纤维5.7其他类型纤维高收缩纤维易染色纤维：CDP、ECDP吸水吸湿纤维6. 功能纤维指在一般纤维具有的物理机械性能的基础上，具有某种特殊功能的纤维。其设计和制备是为了适用于某些特殊的目的和用途。抗静电和导电纤维相变纤维远红外纤维阻燃纤维变色纤维防紫外纤维光导纤维
