《合成纤维》PPT课件.ppt

第二章 纺织纤维,本章知识点：2.1 合成纤维2.2 纤维素纤维2.3 蛋白质纤维2.4 蛋白质纤维的化学加工重点：聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯等纤维的合成、结构和理化性质，纤维素和蛋白质的基础知识，棉、麻、蚕丝、羊毛纤维的结构和理化性质。难点：聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯等纤维的合成，蚕丝、羊毛的化学加工。,本章重难点,学习目的要求掌握纺织纤维的分类与特征；初步掌握棉、麻、丝、毛、聚酯纤维、锦纶纤维、腈纶纤维、聚丙烯纤维的生产技术、结构、性能及应用。,纺织纤维概述,纤维是指柔韧、纤细，具有相当长度、强度、弹性和吸湿性的丝状物。大多数是不溶于水的有机高分子化合物，少数是无机物。根据来源可以分为天然纤维和化学纤维两大类。典型的纺织纤维的直径为几微米至几十微米，而长度超过25mm。纤维的分类,纤维的分类,人造纤维：以天然高聚物为原料，经过化学处理与机械加工而制得的纤维。,纤维的分类,合成纤维：由合成的高分子化合物加工制成的纤维。根据大分子主链的化学组成，又分为杂链纤维和碳链纤维两类。,2.1 合成纤维,2.1.1合成纤维概述一、成纤聚合物的结构特征高聚物的品种很多，但并不是所有高聚物都能用于纺丝，而是具有如下特征的高聚物都能进行纺丝。1.成纤高聚物均为线型高分子主链分子结构线型或支化度很低，没有庞大侧基的聚合物，用这类高分子纺制的纤维能沿纤维纵轴方向拉伸而有序排列。当纤维受到拉力时，大分子能同时承受作用力，使纤维具有较高的拉伸强度和适宜的延伸度及其他物理-力学性能。2.成纤维高聚物具有适宜的相对分子质量线型高聚物分子链的长度对纤维的物理-力学性能影响很大，尤其是对纤维的机械强度、耐热性和溶解性的影响更大。相对分子质量的高低均不好，高者不易加工，低者性能不好。常见的主要成纤高聚物的相对分子质量如下表所示。主要成纤高聚物的相对分子质量,3.侧链结构 所有的天然聚合物和大多数成纤聚合物的侧链都含有极性基团。极性基团的存在对于大分子链间的相互作用和纤维的溶解性、热性能、吸湿性、染色性等都有很大的影响。成纤高聚物的分子链间必须有足够的次价力高聚物的物理-力学性能与次价力有密切关系。分子间次价力越大，纤维的强度越高，次价力大于20.92kJ/mol的高聚物适宜作纤维材料。4.结晶结构 用于纺制纤维的聚合物一般都要求是半结晶结构的聚合物。结晶区的存在使纤维具有较高的强度和模量，而非结晶区的存在使纤维具有一定的弹性、耐疲劳性和染色性。半结晶结构能使原来排列不规整的分子链，经过拉伸取向而沿着纤维轴进行有序排列的这种状态固定下来。成纤高聚物应具有可溶性和熔融性只有这样才能将高聚物溶解或熔融成溶液或熔体，再经纺丝、凝固或冷却形成纤维，否则就不能进行纺丝。,二、聚合物的纺丝方法,1、熔体纺丝凡能熔融或转变成粘流态而不发生显著分解的成纤聚合物都可采用熔体纺丝。（1）将合成得到的聚合物熔体直接送至纺丝机纺丝，称为直接纺丝法。（2）将合成得到的聚合物熔体冷却制成切片，干燥后再在纺丝机中重新熔融成熔体进行纺丝，称为切片纺丝。熔体纺丝不用溶剂，工艺简单，成本低，特点是纺丝速度快，生产能力大。一般纺丝速度在10001200m/min。2、湿法纺丝将聚合物溶解于合适的溶剂中，制成纺丝液，再由喷丝孔喷出细流，进入凝固浴，细流中的溶剂向凝固液扩散，而凝固浴中的凝固剂向细流扩散，聚合物在凝固浴中析出，形成纤维。3、干法纺丝也需要将聚合物溶解在溶剂中配成纺丝溶液，而后段过程与熔体纺丝相似，从喷丝头挤压出来的细流不是进入凝固浴，而是导入纺丝甬道，在甬道中利用热空气使细流中的溶剂挥发而凝固成纤维。,三、成纤聚合物的力学状态,合成纤维一般都具有机械强度、耐磨性能好、密度轻、耐酸、耐碱、耐氧化剂以及不易霉蛀等特点，但也存在吸湿低、透气性差、容易产生静电、易沾污、不易染色等缺点，为了提高纤维的使用性能，必须了解各种纤维的结构和性能。,2.1.2 聚酯纤维PET,对苯二甲酸,对苯二甲酸二甲酯,EG,EO,2.1.2 聚酯纤维,聚酯是制造聚酯纤维、涂料、薄膜及工程塑料的原料，是由饱和的二元酸与二元醇通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物。这类缩聚物的品种因随使用原料或中间体而异，故品种繁多数不胜数。但所有品种均有一个共同特点，就是其大分子的各个链节间都是以酯基“COO”相联，所以把这类缩聚物通称为聚酯。以聚酯为基础制得的纤维称为涤纶，是三大合成纤维（涤纶、锦纶、腈纶）之一，是最主要的合成纤维。一、苯二甲酸乙二醇酯的合成（1）酯交换聚酯路线（酯交换聚酯法）最早（1953年）实现工业的聚酯路线。是将对苯二甲酸二甲酯与乙二醇按12.5（摩尔比）比例混合，在醋酸锌、醋酸锰和醋酸钴催化剂的作用下，发生酯交换反应，生成对苯二甲酸双羟乙酯。,2HOCH2CH2OH,Zn（CH3COO）2,对苯二甲酸双羟乙酯,2.1.2 聚酯纤维,（2）对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线（直接酯化聚酯法）,对苯二甲酸双羟乙酯,2HOCH2CH2OH,该路线对原料对苯二甲酸和乙二醇的纯度要求较高。（3）环氧乙烷酯化聚酯路线（环氧乙烷法）该反应在饱和低分子脂肪胺或季胺盐存在下，进行极为顺利，该路线具有成本低；产物低聚物少，容易精制；设备利用率高，辅助设备少等优点。如果采用高纯度的对苯二甲酸和环氧乙烷进行反应，其产物可不经过精制就可以直接用于缩聚成聚酯。该路线是1973年开始工业化生产的。其反应如下：,2.1.2 聚酯纤维,二、聚对苯二甲酸乙二醇酯的结构与相对分子质量1、结构聚酯纤维的结构为高度对称芳环的线性聚合物，易于取向和结晶，具有较高的强度和良好的成纤性及成膜性，结晶度为40%60%，结晶速度慢。PET是具有对称苯环结构，没有支链的线型分子，除了两端含有-OH外，不含有亲水性基团，故吸湿性染色性差；分子中没有大的侧基和支链，分子链容易沿着纤维拉伸方向平行排列，使分子容易紧密地堆砌在一起形成结晶；PET大分子中酯键的存在使涤纶分子具有一定的化学反应能力，由于苯环和亚甲基的稳定性较好，涤纶的化学稳定性较好；结构单元中含有一个刚性基团-苯环，阻碍了大分子内旋转，使主链刚性增加，又有一个柔性基团（-CH2CH2-），使涤纶大分子结构刚柔并济。2、相对分子质量分布,2.1.2 聚酯纤维,三、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的物理性能机械性能、密度、静电性能、热性能、吸湿性:聚酯纤维一般为乳白色，相对密度为1.381.4，回潮率很低，具有易洗快干的特性。聚酯纤维的熔点为255265，软化温度230240。遇明火能燃烧，有黑烟并有芳香气味，离火后自息。聚酯纤维在承受外力时不易发生变形，纺织品尺寸稳定性好，使用过程中褶裥持久。耐磨性仅次于聚酰胺纤维。四、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的化学性质酸、碱的作用，氧化剂、还原剂的作用，耐溶剂性，染色性能等:在室温下，聚酯纤维能耐弱酸、弱碱和强酸，但不耐强碱；对丙酮、苯、卤代烃等有机溶剂较稳定，但在酚类及酚类与卤代烃的混合溶剂中能溶胀。,2.1.2 聚酯纤维,五、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的改性化学改性：共聚和表面处理等方法，具有持久性的效果。物理改性：改变纤维的形态结构，复合纺丝、共混纺丝、改变纤维加工条件、改变纤维形态以及混纤、交织等方法。1、改变二元酸2、改变二元醇3、加入第三单体六、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的用途既可以纯纺也或以与其他纤维混纺制成各种机织物和针织物。聚酯长丝可用于织造薄纱女衫、帷幕窗帘等，与其他纤维混纺可制成各种棉型、毛型及中长纤维纺织品。聚酯纤维在工业上可作为轮胎帘子线、制作运输带、篷帆、绳索等。,2.1.3 聚酰胺纤维,聚酰胺纤维是以聚酰胺基础制得的纤维，是三大合成纤维之一，也是一种主要的合成纤维。聚酰胺又是制造薄膜及工程塑料的原料，是由饱和的二元酸与二元胺通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物。常见的这类缩聚物有聚酰胺-6、聚酰胺-66、聚酰胺-11、聚酰胺-12、聚酰胺-610、聚酰胺612、聚酰胺-1010等，其中以聚酰胺-6和聚酰胺-66的产量最大，约占聚酰胺产量的90%。共同特点：就是其大分子的各个链节间都是以酰胺基“CONH”相联，所以把这类缩聚物通称为聚酰胺或尼龙。,聚酰胺-1010,聚酰胺-6,聚酰胺-66,聚酰胺-11,聚酰胺-12,聚酰胺-610,产量最大,2.1.3 聚酰胺纤维PA,一、聚酰胺6和66的合成1、聚酰胺6的合成聚已内酰胺，可由已内酰胺在高温下，微量水存在时的聚合反应如下:,2、聚酰胺66的合成是已二酸与已二胺的缩聚物，是最早实现工业生产的聚酰胺品种，也是产量最大。,2.1.3 聚酰胺纤维,二、聚酰胺的结构聚酰胺是没有庞大侧基的线型高分子，中间的脂肪链是通过酰胺键相连的分子两端有氨基和羧基，具有一定的吸湿性和染色性。聚酰胺中酰胺基的存在，可以在大分子中间形成氢键，使分子间作用力增大，易在酸碱作用下发生水解。赋予聚酰胺以高熔点和力学性能，同时，也使其吸水率增大。聚酰胺重复结构单元中的脂肪链较长，聚酰胺基之间的亚甲基赋予其柔性和冲击性，聚酰胺中的亚甲基与酰胺基的比例越大，分子间作用力小，柔性越大，吸水率越低。聚酰胺大分子中相邻大分子间和大分子内部可借羰基和亚氨基生成氢键，分子结构比较规整，因此它在适当条件下可以结晶，结晶度达50%60%。其聚酰胺-6的晶体为、晶型；聚酰胺-66的晶体为、晶型。具有较高的机械强度和形状稳定性。另外聚酰胺的性能还受亚甲基的奇偶数影响，偶数聚酰胺的熔点比奇数聚酰胺的熔点高。,2.1.3 聚酰胺纤维,三、聚酰胺纤维的物理性质机械性能密度电性能热性能吸湿性,2.1.3 聚酰胺纤维,四、聚酰胺纤维的化学性质酸、碱的作用氧化剂的作用染色性耐光性,五、聚酰胺纤维的改性1、改变二元酸或二元胺2、交联和接枝利用甲醛进行交联，交联发生在无定形区。还可通过接枝聚合，使聚酰胺纤维性质获得改善，如聚己二酰己二胺纤维纤维与环氧乙烷接枝聚合后，使纤维具有很好的柔软性和亲水性。,2.1.3 聚酰胺纤维,2.1.4聚丙烯腈纤维PAN,一、丙烯腈共聚物的合成1、主要单体丙烯腈丙烯腈的结构式为：CH2CHCN丙烯腈在常温常压下是具有独特气味的无色透明、易流动液体。相对分子质量为53.06，沸点为77.3，凝固点为83.6，相对密度为0.8060，易燃、易爆，在空气中的爆炸极限为3.05%17.0%（体积）。丙烯腈能与苯、甲苯、四氯化碳、甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、醋酸乙酯等许多有机溶剂以任何比例互溶，丙烯腈也能溶于水。丙烯腈能与水、苯、甲醇、异丙醇、四氯化碳等形成二元共沸物。其中丙烯腈与水的共沸温度为71，含水12%（质量）。丙烯腈分子中含有碳-碳双键和腈基，化学性质很活泼，能进行聚合反应（均聚和共聚）、加成反应、氰乙基化反应等。贮存、运输过程要加入酚类、胺类阻聚剂。,2、丙烯腈共聚物的合成我国的共聚丙烯腈纤维，第一单体是丙烯腈，约为90%；第二单体是丙烯酸甲酯，约5%10%；第三单体是丙烯磺酸钠，约为1%-3%。引发剂是偶氮二异丁腈。均相溶液聚合：所用溶剂既能溶解单体又可溶解聚合产物。非均相聚合：多采用以水为介质的水相沉淀聚合法，以水为介质，单体在水中具有一定的溶解度，当水溶性引发剂引发聚合时，聚合产物不溶于水而不断从水相中沉淀出来。,2.1.4聚丙烯腈纤维,2.1.4聚丙烯腈纤维,二、丙烯腈共聚物的结构1、腈纶的分子结构主要结构单元为丙烯腈。2、腈纶的超分子结构由于强极性氰基间的相互作用，聚丙烯腈分子链的构象不是像聚乙烯那样的平面锯齿形，也不是像等规聚丙烯那样有规则的螺旋状，而是一种具有不规则曲折和扭转的螺旋状。为侧向二维有序而纵向无序的结构准晶态结构。三、聚丙烯腈纤维的物理性质1、机械性能2、密度3、热性能4、吸湿性,2.1.4聚丙烯腈纤维,四、聚丙烯腈纤维的化学性质1、酸、碱的作用2、氧化剂、还原剂的作用3、有机溶剂的作用4、染色性5、耐光性,2.1.4聚丙烯腈纤维,五、聚丙烯腈纤维的用途利用聚丙烯腈纤维的耐热性可制备耐高温的碳纤维和石墨纤维。丙烯腈主要用于生产合成纤维、塑料、橡胶等高分子产品。利用腈纶的准晶态结构造成的热收缩，可制造“膨体纱”。丙烯腈可以通过环氧乙烷与氢氰酸的合成法；乙炔与氢氰酸合成法；乙醛与氢氰酸合成法；丙烯氨氧化等方法合成，其中以丙烯氨氧化法为主。下表列出了丙烯氨氧化法生产的丙烯腈质量指标。纯度99%外观无色透明沸点范围7578折光率 1.38821.3892水份0.5%氢氰酸0.0005%醛（乙醛）0.002%不挥发组份0.05%（丙烯醛）0.002%铁0.00001%过氧化物0.0005%,2.1.5聚丙烯纤维PP,主要原料为丙烯。丙烯的结构式为：CH2CHCH3 丙烯在常温常压下为带有甜味的无色、可燃性气体。其主要物性参数如下：相对分子质量42.08熔点185.3沸点103.7相对密度（液体）0.5139临界温度91.9 临界压力4.54MPa 爆炸极限（体积）2.0%11.1%聚合热85.7kJ/mol丙烯的化学性质活泼，主要用于制异丙醇、丙酮、合成甘油、合成树脂、合成橡胶、塑料和合成纤维等。,2.1.5聚丙烯纤维PP,一、丙纶（聚丙烯）的合成聚丙烯纤维（丙纶）是以丙烯为原料，通过定向聚合反应而获得相对分子质量、结晶度（65%）及熔点（158170）相当高，能符合纺织纤维要求的立构等规聚丙烯纤维。分子结构有全同、间同和无规三种，相对分子质量一般在80000120000，也可提到200000左右。,2.1.5聚丙烯纤维PP,二、聚丙烯纤维的结构1、聚丙烯的分子结构：从构型上看，聚丙烯分子的主链是由在同一平面上的碳原子曲折链所组成的，侧甲基可在平面上、下有不同的空间排列形式，具有较高的立体规整性，这种规则的结构很容易结晶。2、聚丙烯的晶体结构：全同聚丙烯的结晶结构有五种，即、和拟六方变体。最常见的晶体属于单晶体系（变体），丙纶的最佳结晶温度为125135温度过高，不易形成晶核，结晶缓慢；温度过低，由于分子链扩散困难，结晶难以进行。丙纶的超分子结构可采用“折叠链缨状微原纤”理论及模型来解释。缨状原纤模型：纤维大分子的基本单元是原纤，在原纤中也有少数大分子分支出去组成其他的原纤成为连续的网状组织。具有较高的连续性。根据这个模型，纤维中仍然存在结晶部分和无定形部分。聚丙烯初生纤维的结晶度为33%40%，经后拉伸，结晶度上升至37%48%，再经热处理，结晶度可达65%75%。,2.1.5聚丙烯纤维PP,三、聚丙烯纤维的物理性质1、机械性能2、密度3、电性能4、热性能5、吸湿性,2.1.5聚丙烯纤维PP,四、聚丙烯纤维的化学性质1、酸、碱等化学试剂的作用2、染色性能聚丙烯纤维密度小、强度高、吸湿性小、耐酸、耐碱、耐磨、电性能好，但染色性和耐光性差。聚丙烯纤维可与棉、毛、粘胶纤维等混纺作衣料用，在工业上聚丙烯纤维主要用途绳索、网具、滤布、帆布等；在医疗上用作纱，作外科手术衣服而耐高温高压消毒。,2.1.6聚氨酯弹性纤维PU,一、聚氨酯嵌段共聚物的合成1.预聚合2.用低相对分子质量，含有活泼氢原子的双官能团化合物作为链增长剂，与预聚物继续反应，生成相对分子质量，含有活泼氢原子的双官能团化合物2000050000之间的聚氨酯嵌段共聚物。,2.1.6聚氨酯弹性纤维PU,二、聚氨酯弹性纤维的结构及弹性产生机理一般的聚氨基甲酸酯均聚物并不具有弹性。现生产的聚氨酯弹性纤维是一种以聚氨基甲酸酯为主要成分的嵌段共聚物纤维，是一种具有橡胶般的伸长和回弹能力的弹性纤维。在嵌段共聚物中有两种链段，即软链段和硬链段。软链段由非结晶性的聚酯和聚醚组成，玻璃化温度很低，常温下处于高弹态，相对分子质量为15003500，链段长度1530nm，为硬链段的10倍左右。在室温下被拉伸时，纤维可以产生很大的伸长变形，具有优异的回弹性。硬链段采用具有结晶性且能发生横向交联的二异氰酸树脂，相对分子质量较小M=500700，链段短，但由于含有多种极性基团，分子间的氢键和结晶性起着大分子链间的交联作用。在外力作用下，大分子柔性链相对滑移，并为回弹提供必要的连接点。整个聚合物由结晶的刚性链段和非结晶的柔性链段纵横向连接，结合形成一个具有强大的分子间作用力的大分子网状结构。其中软链段可为聚醚或聚酯，所以有聚醚型聚氨酯弹性纤维和聚酯型聚氨酯弹性纤维之分。如莱卡属于聚醚型，韦纶属于聚酯型。,2.1.6聚氨酯弹性纤维PU,三、聚氨酯弹性纤维的物理性能1、机械性能2、热性能3、吸湿性能4、密度5、其他性能四、聚氨酯弹性纤维的化学性能氯、含氧型漂白剂、染料等的作用。,一、聚乙烯醇的合成 游离态的乙烯醇极不稳定，不能单独存在，通常以醋酸乙烯为单体进行聚合，再醇解或水解制成聚乙烯醇。聚醋酸乙烯通常以甲醇为溶剂，采用溶剂聚合法制得。二、聚乙烯醇缩醛的结构 聚乙烯醇缩醛纤维的基本组成物质是聚乙烯醇，它具有水溶性，对纺成的聚乙烯醇纤维用甲醛或乙醛进行缩醛化处理，能成为不溶于水的聚乙烯醇缩醛纤维。三、聚乙烯醇缩醛纤维的物理性质热性能吸湿性四、聚乙烯醇缩醛纤维的化学性质染色性能,2.1.7聚乙烯醇缩醛纤维PVA,2.1.8聚氯乙烯纤维PVC,一、聚氯乙烯的合成及其结构引发剂作用下的悬浮聚合，是游离基型聚合。二、聚氯乙烯的性能耐热性，密度，导热性，静电性，难燃性，对无机试剂的稳定性好，易发生光老化，长时间受到光照时，大分子会氧化裂解。三、改性聚氯乙烯纤维过氯纶偏氯纶聚乙烯醇聚氯乙烯共混阻燃纤维腈氯纶,2.1.9高性能纤维,一、高性能纤维的分子设计 构成高分子主链的共价键键能要大；高分子链的构象要近似直线形；高分子链的横截面积要小；高分子链的键角形变和键的内旋转受到的阻力要大；高分子的相对分子质量应尽量大，减少大分子链中的末端基数。二、碳纤维根据加工纤维时的处理温度不同，分为碳纤维和石墨纤维。碳纤维是在10002300范围内碳化得到的，石墨纤维是在2300以上碳化得到的，其含碳量超过98，结构上类似石墨，有金属光泽。碳纤维根据原料及生产方式的不同，主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维及沥青基碳纤维。碳纤维产品包括PAN基碳纤维（高强度型）及沥青基碳纤维（高弹性型）。,用聚丙烯腈为原料制造碳纤维的过程为：,2.1.9高性能纤维,碳纤维的性能与用途碳纤维具有优良的机械性能，其断裂强度为15cN/tex左右，模量可达3000cN/tex以上，断裂伸长率为0.52.0。具有自润滑性能。其化学性质与碳相似，在室温下是惰性的，除能被强氧化剂氧化外，一般的酸碱对碳纤维不起作用。在惰性气体中，其耐热性十分突出，在1500以上的高温下强度才开始降低。纤维不燃烧。碳纤维导电性能好，比电阻在1l0-2cm以下，吸附性强。碳纤维的缺点是抗压性差，易折断，耐冲击性能差。碳纤维是航天工业的重要材料，碳纤维复合材料应用在宇宙飞船。导弹和飞机上，可显著减轻重量。在汽车、体育器材等方面作为增强材料有广阔的前景。,2.1.9高性能纤维,三、芳香族聚酰胺纤维1、芳纶14142、芳纶1313四、芳香族聚酯纤维五、芳杂环类聚合物纤维六、超高相对分子质量聚乙烯纤维七、聚四氟乙烯纤维（PTFE),思考题：,1.简要说明合成纤维三种纺丝方法。2.试比较涤纶、锦纶、腈纶的耐热性和机械性能。3.涤纶经烧碱处理后会发生怎样的变化？4.涤纶为什么染色困难？可采用哪些染色方法？5.试说明水、酸、碱、氧化剂、光对锦纶的作用。6.试述腈纶的分子结构，常用第二、第三单体的名称及它们的作用。7.试述氨纶结构和弹性间的关系。,