高分子材料第2章ppt课件.ppt

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1、第三节 纤 维,1. 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。,2. 纤维的分类与特征 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。,纤维的主要性能指标,纤度断裂强度断裂伸长率弹性模量回弹率吸湿性,支数,细度,旦,3. 成纤高聚物的特征（1）分子结构 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。成纤高聚物均为线型高分子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。成纤维

2、高聚物具有适宜的分子量和分布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,分子量分布,缩聚型，HI=1.5-3.0,加聚型，HI=5-7（PP）,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。 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

3、却形成纤维，否则就不能进行纺丝。 成纤高聚物高分子链立体结构具有一定的规整性使其可能形成最佳的超分子结构。为了制得具有最佳综合性能的纤维，成纤高聚物应具有形成半结晶结构的能力，高聚物中无定型区决定了纤维的弹性、染色性，对各种物质的吸收性等重要性能。,（2）形态结构 纤维多重原纤结构和表面形态 a.多重原纤结构 大分子链 基原纤 微原纤 原纤 大原纤 纤维 b.表面形态 纤维横截面形状和皮芯结构 a.纤维横截面形状 b.皮芯结构 纤维中的孔洞,将成纤聚合物的熔体或浓溶液，用纺丝泵(或称计量泵)连续、定量而均匀地从喷丝头(或喷丝板)的毛细孔挤出，而成为液态细流，再在空气、水或特定的凝固浴中固化成为

4、初生纤维的过程称作“纤维成型”，或称“纺丝”。 工业上常用的纺丝方法主要有两大类：熔体纺丝法和溶液纺丝法。 在溶液纺丝法中，根据凝固方式的不同，又分为湿法纺丝和干法纺丝。化学纤维生产中绝大部分采用上述三种纺丝方法。 此外，还有一些特殊的纺丝方法，如乳液纺丝、悬浮纺丝、干湿法纺丝、冻胶纺丝、液晶纺丝、相分离纺丝和反应纺丝法等，用这些方法生产的纤维量很少。,4. 纤维加工工艺,(1) 熔体纺丝加热熔融聚合物熔体，纺丝泵定量压送到纺丝组件，过滤后从喷丝板的毛细孔中压出而成为细流，在空气或水中冷却成纤维的方法称为熔体纺丝。熔体纺丝示意图见图4-3。 熔体纺丝工艺过程比较简单，但其首要条件是聚合物在熔融

5、温度下不分解，并具有足够的稳定性。几种主要成纤聚合物的热分解温度和熔点见表。, 化学纤维的纺丝,几种主要成纤聚合物的热分解温度和熔点,(2) 湿法纺丝 凝固介质为液体 纺丝溶液经混合、过滤和脱泡等纺前准备后，送至纺丝机，通过纺丝泵计量，经烛形滤器、鹅颈管进入喷丝头(帽)，从喷丝头毛细孔中挤出的溶液细流进入凝固浴，聚合物从中析出成为初生纤维。,湿法纺丝中的扩散和凝固不仅是一般的物理化学过程，对某些化学纤维如粘胶纤维还同时发生化学变化。因此，湿法纺丝的成型过程比较复杂，纺丝速度受溶剂和凝固剂的双扩散、凝固浴的流体阻力等因素限制，所以纺丝速度比熔体纺丝低得多。 目前腈纶、维纶、氯纶、粘胶纤维以及某些

6、由刚性大分子构成的成纤聚合物都需要采用湿法纺丝。,(3)干法纺丝 凝固介质为干态的气相介质 从喷丝头毛细孔中挤出的纺丝溶液不进入凝固浴，而进入纺丝甬道。通过甬道中热空气的作用，使溶液细流中的溶剂快速挥发，并被热空气流带走。溶液细流在逐渐脱去溶剂的同时发生浓缩和固化，并在卷绕张力的作用下伸长变细而成为初生纤维。,采用干法纺丝时，首要的问题是选择溶剂。因为纺丝速度主要取决于溶剂的挥发速度，所以选择的溶剂应使溶液中聚合物的浓度尽可能高，而溶剂的沸点尽可能低。最常用的干法纺丝溶剂为丙酮等。 目前干法纺丝速度一般为200500 m/min，高于湿法纺丝，低于熔体纺丝。干法纺丝一般适宜纺制化学纤维长丝，主

7、要生产品种是腈纶、醋酸纤维、氯纶、氨纶等。, 干湿纺丝法 液晶纺丝-高取向和高强度纤维 冻胶纺丝法- TmTd 相分离纺丝法 乳液或悬浮液纺丝法-无合适溶剂时采用 反应纺丝法 裂膜纺丝法 喷射纺丝法,割裂纤维,撕裂纤维, 其它纺丝方法,1、目的 由上述各种方法得到的纤维，分子链排列不规整，物理力学性能差，不能直接用于织物加工。为此，必须进行一系列后加工，以改进纤维结构，提高其性能。 2、后加工过程 短纤维的后处理 集束，牵伸，水洗，上油，干燥，热定性，卷曲，切断，打包等 长丝后处理 拉伸，加捻，复捻，热定性，络丝，分级，包装等。 弹力丝的加工-假捻法 膨体纱的加工, 化学纤维后处理,纺丝成型后

8、得到的初生纤维其结构还不完善，物理力学性能较差，还不能直接用于纺织加工，必须经过一系列的后加工。后加工随化纤品种、纺丝方法和产品要求而异，其中主要的工序是拉伸和热定型。 拉伸的目的是使纤维的断裂强度提高，断裂伸长率降低，耐磨性和对各种不同形变的疲劳强度提高。 热定型的目的是消除纤维的内应力，提高纤维的尺寸稳定性，并且进一步改善其物理力学性能。,在化学纤维生产中，无论是纺丝还是后加工都需进行上油。上油的目的是提高纤维的平滑性、柔软性和抱和力，减小摩擦和静电的产生，改善化学纤维的纺织加工性能。 除上述工序外，某种纤维的加工中，还有水洗、脱硫、漂白和酸洗工序，为了赋予纤维某些特殊性能还可通过某些特殊

9、处理，提高纤维的抗皱性、耐热水性和阻燃性等。, 纤维加工过程中结构的变化 纺丝过程中的取向与结晶 流动取向机理 形变取向机理 拉伸过程中纤维结构的变化 非结晶高聚物纤维的拉伸取向 结晶高聚物纤维的拉伸取向 热定型过程中纤维结构的变化,通过拉伸，在外力作用下可以使分子链段或整个高分子链，结晶高聚物的晶带、晶片、晶粒等，沿外力作用的方向进行有序排列，提高纤维的使用性能。,丙纶加工,5. 主要的合成纤维,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

10、一个共同特点，就是其大分子的各个链节间都是以酯基“COO”相连，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。,聚酯合成的工艺路线,酯交换聚酯路线,对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线,环氧乙烷酯化聚酯路线,聚酯合成工艺：,H3COOCCOOCH3,2HOCH2CH2OH,Zn（CH2COO）2,HOCH2CH2COOCCOOCH2CH2OH,对苯二甲酸双羟乙酯,HOOCCOOH,2HOCH2CH2OH,HOCH2CH2COOCCOOCH2CH2OH,对苯二甲酸双羟乙酯,对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线（直接酯化聚酯法）

11、,酯交换聚酯路线（酯交换聚酯法）是最早（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。,该路线对原料对苯二甲酸和乙二醇的纯度要求较高。,环氧乙烷酯化聚酯路线（环氧乙烷法）该路线是1973年开始工业化生产的。其反应如下：,HOOCCOOH,2CH2CH2,HOCH2CH2COOCCOOCH2CH2OH,对苯二甲酸双羟乙酯,O,聚酯纤维的结构、性能及用途1聚酯纤维的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

12、%60%，结晶速度慢。2聚酯纤维的性质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。在纺织时，容易产生静电，其纺织品在使用过程中易积累静电荷而吸灰尘。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。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。,聚酯纤维的用途 即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

13、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。,锦纶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%。,锦纶纤维,结构、性能及用途1聚酰胺的结构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

14、作用力增大，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。聚酰胺中的酰胺基排列规整，因此它在适当条件下可以结晶，结晶度达50%60%。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聚酰胺纤维的性能与用途 聚酰胺纤维具有耐磨性好、耐疲劳强度和断裂强度高、抗冲击负荷性能优异、容易染色及与橡胶的附着力好等突出性能，因此，聚酰胺纤维多用于作衣料和轮胎帘子线，其产量仅次于聚酯纤维，居第二位。,腈纶纤维学名聚丙烯腈纤维，是三大合成纤维之一。一般是以丙烯腈为

15、主要单体（含量大于85%）与少量其他单体共聚而得的。由于在外观、手感、弹性、保暖性等方面类似羊毛，所以有“合成羊毛”之称。用途广泛，原料丰富，发展速度很快。,腈纶纤维,丙烯腈、丙烯酸甲酯、甲叉丁二酸为单体，以硫氰酸钠的水溶液为溶剂，单体按丙烯腈丙烯酸甲酯甲叉丁二酸91.771.3配比投料,丙烯腈共聚物的纺丝,（1）以硫氰酸钠溶液为溶剂的湿法纺丝,（2）以二甲基甲酰胺为溶剂的干法纺丝,制备工艺：,聚丙烯腈及纤维的结构、性能及用途1聚丙烯腈的结构、性能聚丙烯腈为白色粉末状物质，相对密度为1.141.15。由于聚丙烯腈大分子中含有负电性的氰基（CN），它能与-碳原子上的H原子形成牢固的氢键。因此，聚

16、丙烯腈不溶于一般的溶剂，并具有很高的软化点，其理论熔点（267）超过分解温度230。所以聚丙烯腈不能用熔融纺丝法纺丝。工业上采用的是强极性溶剂或浓无机盐溶液，如二甲基甲酰胺、二甲亚砜、二乙基乙酰胺。,含有85%以上的丙烯腈共聚物，大分子间的极性虽然有所下降，但仍保持聚丙烯腈原有的基本特性。聚丙烯腈在酸或碱的作用下将部分或全部皂化生成聚丙烯酰胺或聚丙烯酸盐。通过共聚、混合纺丝、复合纺丝等方法可以改进聚丙烯腈纤维的染色性、耐热性、蓬松性与提高回弹性等性能。2聚丙烯腈纤维的主要用途由于聚丙烯纤维具有优良的耐光、耐气候性，所以除作衣着及毛毯之外，最适宜作室外织物，如帐篷、苫布等。将聚丙烯腈纤维（共聚组

17、分尽量少）经过高温处理可以得到碳纤维和石墨纤维。如在200左右的空气中保持一定时间，使其碳化，可以获得含碳93%左右的耐高温1000的碳纤维。若在25003000下继续进行热处理，可以获得分子结构为六方晶格的石墨纤维。石墨纤维是目前已知的热稳定性最好的纤维之一，可耐3000的高温。在高温下能经久不变形，并具有很高的化学稳定性，良好的导电性和导热性。因此，碳纤维是宇宙飞行、火箭、喷气技术以及工业一耐高温、防腐蚀领域的良好材料。在医疗上，还可以用于人工肋骨和肌腱韧带等。,聚丙烯纤维,聚丙烯纤维又称丙纶纤维，是以聚丙烯树脂为原料制得的一种合成纤维。由于聚丙烯纤维性能优良，成本低；加之染色性与耐老化性

18、的改善，使其发展迅速，用途广泛。,聚丙烯树脂及纤维的结构、性能及用途 1聚丙烯树脂的结构、性能 聚丙烯为线形结构，根据大分子上甲基的空间排列可分为全同立构聚丙烯、间同立规聚丙烯和无规立构聚丙烯。其性能有很大差别，全同立构聚丙烯的结构规整性好，具有高度的结晶性，熔点高，硬度和刚性大，力学性能好；无规立构聚丙烯为无定形，强度很低，难以用于塑料和纤维；间同立构聚丙烯介于两者之间，硬度和刚性小，但冲击强度好。,聚丙烯纤维的性能、用途聚丙烯纤维密度小、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。,聚乙烯醇纤维聚氯乙烯纤维特种合成纤维 (1) 耐高温纤维 a.芳香族聚酰胺纤维 b. 碳纤维 (2) 耐腐蚀纤维 (3) 吸湿性纤维 (4) 弹性纤维,