《合成纤维》PPT课件.ppt
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1、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
2、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
3、,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
4、。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
5、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
6、。,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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、-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
13、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
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