杏彩平台登录第八章 纤维材料

　　杏彩平台登录第八章 纤维材料由连续或者不连续的细丝组成的物质。纤维直径从几微米到几十微米，长度从几毫米到几十毫米，甚至上千米，长度与细度差别大，长径比在103以上。

　　2、历史：天然（麻、羊毛、丝、棉）、人造（硝化纤维素、粘胶纤维、醋酸纤维）、合成（锦纶、涤纶、氨纶、维纶、丙纶、腈纶）、高功能（仿线～仿羊毛、抗静电、吸水性、阻燃性、抗起球、耐污性、渗透性、拒水性、抗菌防臭性）和高性能（碳纤维： 人造丝基，1959～ ，PAN基，1962～，芳纶：间位芳纶，1962～，对位芳纶，1966～高强聚乙烯纤维：1975～）

　　定义：以石油、天然气、煤等为原料，经过提炼和化学反应合成高分子化合物，再经过熔融或溶解后纺丝制得的纤维。

　　通用(聚酯、涤纶，聚酰胺、锦纶，聚丙烯腈、腈纶，聚丙烯纤维、丙纶，聚乙烯醇缩甲醛纤维、维纶）；

　　功能（除力学和耐热性能外的特殊性能纤维，高分子光纤、导电合成光纤、生物降解性合成纤维、医用合成纤维、智能合成纤维等）

　　高分子易于沿着纤维纵轴方向牵伸而有序排列。当纤维受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，而在垂直于纤维纵轴方向上保持柔韧性。

　　2 成纤高聚物具有适宜的相对分子量（加工&物理机械性能）：相对分子量过高不易于纺丝加工，过低则物理机械性能不好。

　　3. 多数成纤聚合物含有极性侧基（相互作用、吸湿、染色、热性能）：极性基团的存在对于大分子链间相互作用、纤维的吸湿性、热性能和染色性有很大影响。

　　4. 具有可熔融或溶解性（加工方法）： 能够通过将高聚物熔化或溶解成熔体或溶液，通过纺丝、冷却或凝固制成纤维。

　　5. 一般要求是半晶结构的聚合物（综合性能）：结晶区的存在使纤维具有较高的强度和模量；非结晶区的存在使纤维具有一定的弹性、耐疲劳性和可染色； 半晶结构能使原来排列不规整的分子链，经过纺丝牵伸时沿着纤维轴方向取向而有序排列 ，并将这种状态固定下来。

　　6. 原纤：纤维的微细结构的基本组成单元，多为细长纤维状的物质，统称为原纤（fibril），是聚合物大分子有序排列的结构（结晶结构），严格意义上是带有缺陷的多层次堆砌结构。

　　1熔融纺丝：1）聚合物熔体制备、2）经过喷丝板压出形成细流、3）熔体细流被拉伸变细和热定型（挤出胀大、形变细化、固化丝条运动，取向结晶）4）固态纤维上油和卷绕；5）固态纤维后加工（后拉伸和热定型）

　　后拉伸：提高取向度、提高纤维强度、减少伸长率。拉伸温度在聚合物软化点以上，熔点以下，拉伸倍率一般为4-6倍，最高可达10倍。

　　热定型：消除内应力、提高尺寸稳定性，张紧热定型或松弛热定型。在纤维聚合物的热变形温度以下，如涤纶为120-130 oC

　　主要优点是卷绕速度高，一般纺速为1000—2000m/min；高速纺丝可以达到4000—6000m/min。

　　熔点低于热分解温度、可以熔融形成稳定熔体流的成纤聚合物均可采用熔体纺丝。涤纶、锦纶和丙纶的生产均采用熔体纺丝工艺。

　　这种方法目前一般的纺丝速度为200~500m/min，高者可达1000~1500m/min。干法纺丝溶剂挥发易污染环境，成本高，但丝的质量好，此法多用于制作长丝

　　溶液细流经过一小段空气层，然后进入凝固浴，溶剂向凝固浴扩散，沉淀剂向细流内部扩散，聚合物凝固析出成纤。

　　溶液纺丝适用范围：热分解温度低于熔融温度和加热易变色，但可溶解在适当溶剂中的聚合物适合采用溶液纺丝工艺；腈纶、氯纶、氨纶、维纶均采用溶液纺丝工艺生产。

　　涤纶是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）经熔融纺丝制成的合成纤维，分子链上存在大量酯基故称聚酯纤维

　　PET物理性质和化学性质：①熔点：纯267℃，工业PET：255～264℃(常用纤维级 PET265℃)；②玻璃化转变温度：无定形67℃；晶态81℃；取向结晶125℃

　　PET纺丝方法:熔融纺丝 聚酯切片纺丝工艺（切片、熔融、过滤、分配、喷丝头拉伸、冷却、上油、卷绕）。不同纺速得到不同产品

　　差别化纤维：通过物理化学改性方法而获得的以适合特定领域的需要，与传统的普通纤维产品有差别的纤维新品种。如阻燃聚酯、抗静电聚酯、有色聚酯、仿真丝纤维等。

　　功能纤维：通过物理或化学改性，赋予纤维特殊性能和功能。如离子交换树脂。防辐射、抗紫外、远红外、防臭、防菌、医用聚酯纤维等。

　　定义：聚丙烯腈纤维（acrylic fibers）是指由聚丙烯腈或丙烯腈含量占85％以上的线型聚合物所纺制的纤维。我国聚丙烯腈纤维的商品名称为腈纶。

　　20世纪30年代德国Hoechst化学公司和美国Du Pont公司就已着手聚丙烯腈纤维的生产试验，直至1950年，聚丙烯腈纤维才正式投入大生产。

　　最早的聚丙烯腈纤维由纯聚丙烯腈（PAN）制成，因染色困难，且弹性差，故仅作为工业用纤维。后来开发出丙烯腈与烯基化合物组成的二元或三元共聚物，改善了聚合体的可纺性和纤维的染色性。

　　白色粉末状物质，密度为1.14~1.15g/cm3；半结晶高聚物；－CN的存在，使它具有优良的耐光性；在220~230℃软化的同时发生分解，在空气中长时间受热会使颜色变黄甚至变黑，加热到250~300℃时，发生热裂解，分解出氰化氢及氨；

　　聚丙烯腈纤维大多是以丙烯腈为主的三元共聚物制得，其中丙烯腈占88％～95％，第二单体用量为4％～10％，第三单体用量为0.3％～2％。

　　第二单体:丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯和丙烯酰胺，降低PAN的结晶性，增加纤维的柔软性，提高纤维的机械强度、弹性和手感。

　　第三单体:羧基或磺酸基的单体，如丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠等； 含有氨基、酰胺基、吡啶基等的单体，如乙烯吡啶等。引入一定数量的亲染料基团，以增加纤维对染料的亲和力。

　　纺丝方法：溶液。一步法（采用均相聚合，所得溶液可以直接纺丝）；二步法（采用非均相水相沉淀聚合法，聚合物从反应体系中分离出并干燥得到粉状固体，然后将其溶解在适当溶剂中制成纺丝原液）。

　　常用溶剂：硫氰酸钠NaSCN水溶液，氯化锌ZnCl2水溶液，浓硝酸HNO3，二甲基亚砜DMSO，二甲基甲酰胺DMF，二甲基乙酰胺DMAc

　　性质：人造羊毛；质轻保暖、染色鲜艳而牢固，防蛀、防霉，具有热弹性和极好的日晒牢度；缺点： 吸湿差，染色难。

　　应用：主要作民用，可纯纺也可混纺，制成多种毛料、毛线、毛毯、运动服也可：人造毛皮、长毛绒，膨体纱，水龙带，阳伞布等。

　　定义：聚丙烯腈纤维（acrylic fibers）是指由聚丙烯腈或丙烯腈含量占85％以上的线型聚合物所纺制的纤维。我国聚丙烯腈纤维的商品名称为腈纶。

　　20世纪30年代德国Hoechst化学公司和美国Du Pont公司就已着手聚丙烯腈纤维的生产试验，直至1950年，聚丙烯腈纤维才正式投入大生产。

　　最早的聚丙烯腈纤维由纯聚丙烯腈（PAN）制成，因染色困难，且弹性差，故仅作为工业用纤维。后来开发出丙烯腈与烯基化合物组成的二元或三元共聚物，改善了聚合体的可纺性和纤维的染色性。

　　白色粉末状物质，密度为1.14~1.15g/cm3；半结晶高聚物；－CN的存在，使它具有优良的耐光性；在220~230℃软化的同时发生分解，在空气中长时间受热会使颜色变黄甚至变黑，加热到250~300℃时，发生热裂解，分解出氰化氢及氨；

　　聚丙烯腈纤维大多是以丙烯腈为主的三元共聚物制得，其中丙烯腈占88％～95％，第二单体用量为4％～10％，第三单体用量为0.3％～2％。

　　第二单体:丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯和丙烯酰胺，降低PAN的结晶性，增加纤维的柔软性，提高纤维的机械强度、弹性和手感。

　　第三单体:羧基或磺酸基的单体，如丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠等； 含有氨基、酰胺基、吡啶基等的单体，如乙烯吡啶等。引入一定数量的亲染料基团，以增加纤维对染料的亲和力。

　　纺丝方法：溶液。一步法（采用均相聚合，所得溶液可以直接纺丝）；二步法（采用非均相水相沉淀聚合法，聚合物从反应体系中分离出并干燥得到粉状固体，然后将其溶解在适当溶剂中制成纺丝原液）。

　　常用溶剂：硫氰酸钠NaSCN水溶液，氯化锌ZnCl2水溶液，浓硝酸HNO3，二甲基亚砜DMSO，二甲基甲酰胺DMF，二甲基乙酰胺DMAc

　　性质：人造羊毛；质轻保暖、染色鲜艳而牢固，防蛀、防霉，具有热弹性和极好的日晒牢度；缺点： 吸湿差，染色难。

　　应用：主要作民用，可纯纺也可混纺，制成多种毛料、毛线、毛毯、运动服也可：人造毛皮、长毛绒，膨体纱，水龙带，阳伞布等。

　　应用：长丝，多用于针织和丝绸工业，尼龙绸；短纤，大都与羊毛或毛型化纤混纺，做华达呢，凡尼丁等。 工业：帘子线和渔网，也可作地毯，绳索，传送带，筛网等。

　　性能特点：弹性最好，强度最差，吸湿差，有较好的耐光、耐酸、耐碱、耐磨性。氨纶比原状可伸长5-7倍，所以穿着舒适、手感柔软、并且不起皱，可始终保持原来的轮廓。

　　用途：氨纶利用它的特性被广泛地使用于内衣，休闲服，运动服，短袜，连裤袜，专业运动服、健身服及锻炼用服装、潜水衣、游泳衣、比赛用泳衣等；绷带等为主的纺织领域，医疗领域等。

　　性能特点：丙纶纤维是常见化学纤维中最轻的纤维。几乎不吸湿，具有良好的芯吸能力，强度高， 制成织物尺寸稳定，耐磨弹性、化学稳定性好。热稳定性差，不耐日晒，易于老化脆损。

　　用途：可以织袜，蚊帐布，被絮，保暖填料、尿布湿等。工业上：地毯、渔网，帆布，水龙带，医学上带代替棉纱布

　　五高性能纤维：了解各种高性能纤维性能特点、典型应用、了解我国碳纤维研究生产现状、掌握至少3种高性能纤维的制备途径、掌握聚丙烯腈基碳纤维性能特点、掌握聚丙烯腈基碳纤维制备基本流程

　　特点：高强、高模（比强度是钢丝的5－6倍，比模量为钢丝的2倍， 比重仅为钢丝的1／5左右）耐高温，热膨胀系数小；

　　特殊的纺丝技术：干湿法纺丝（液晶纺丝）； 湿法纺丝。 制得的纤维强度和模量可达到柔性链成纤聚合物所达不到的程度

　　主要用途：宇航----航空、航天、导弹等，－－发动机壳体；特种复合材料----防弹、气罐等； 保温隔热材料；高级轮胎帘子线（橡胶增强材料，重量轻、耐磨好、滚动阻力低、高速性能好、耗油少、使用寿命长）；光缆、特种缆绳；高压容器、各种高速传送带、各种树脂基复合材料等

　　结构与性能：超分子量----百万以上；摩擦系数小，耐磨性优于工业用纤维；容易进行各种纺织加工；优良的耐化学药品，不吸水；电磁波透过性能好等

　　制备/简史：1975年，荷兰Dutch State Mines 公司，冻胶纺丝—超拉伸技术，打破了只有刚性高分子才能制取高强高模纤维的格局；

　　1985年，美国联合信号（Allied Signal )购买DSM专利改进技术制备高强纤维（超过杜邦Kevlar)；中国，我国多年攻关，产业化

　　聚酰亚胺(Polyimide)结构：指高分子主链上含有亚胺环的一类高聚物,由含二胺和二酐的化合物，经逐步聚合制备。

　　PI树脂特点：目前工程塑料中耐热性最好的一种，是目前产量最大的一类耐热树脂。被称为是解决问题的能手。没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术。21世纪最有希望的工程塑料之一。

　　复合材料：碳纤维增强的热塑性聚酰亚胺复合材料，该材料在低温、高速、干摩擦和高磨损等恶劣工作条件下表现优异

　　薄膜：是聚酰亚胺最早的商品之一，用于电机的槽绝缘及电缆绕包材料。杏彩官网透明的聚酰亚胺薄膜可作为柔软的太阳能电池底版。

　　PI纤维制备：主要包括聚合物的制备、聚合物流体的制备和纺丝成型（干法、湿法或干湿法）三个过程。

　　以聚酰胺酸溶液为纺丝浆液先制取聚酰胺酸纤维，经250～350℃高温热酰亚胺化、热拉伸和热处理后可得到高性能的聚酰亚胺纤维

　　耐高温：PI的起始分解温度一般都在500℃左右。由联苯二酐和对笨二胺合成的聚酰亚胺，其热分解度达到600℃。

　　合成：单体，2，6-二氨基间苯二酚盐酸盐；对苯二甲酸（聚酯合成用大宗产品）；溶剂：多聚磷酸PPA，脱水剂P2O5进行缩聚反应

　　制备：干湿法液晶纺丝。PBO在 PPA中的缩聚溶液为纺丝原液，空气层为 20cm，稍有喷头拉伸；得到强度 37N/tex，杏彩体育注册模量 114.4N/tex的初生纤维；初生纤维在张力下 600℃左右热处理，纤维弹性模量上升为 176N/tex，而强度不下降，经过热处理的 PBO纤维表面呈金的金属光泽。 （tex，1000米长纤维g数）

　　性能：强度（5.8GPa）、模量（180-280GPa）、密度（1.54g/cm3)、分解温度：650℃、LOI（68）。强度和模量超过了碳纤维及钢纤维

　　5.陶瓷纤维：纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点，纤维表面光滑。

　　内部组织结构：由固态纤维与空气组成的混合结构，固相与气相都是以连续相的形式存在的，其中固态物质以纤维状形式存在，并构成连续相骨架，而气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中。

　　含铬陶瓷纤维：在高纯陶瓷纤维合成料中加入3%～6%三氧化二铬，以抑制非结晶纤维受热条件下出现的析晶变化，故又称铬稳定化纤维。使用温度1200℃。

　　喷吹法是先用电阻炉将原料熔融成高温熔融物，经由高温流口形成细流，用高压空气喷吹，在高速空气的作用下，熔融液体分散成粒子，在粒子之间形成纤维。甩丝法是用一组甩轮，利用甩轮高速旋转的离心力将高温熔融液体形成纤维

　　CVD 化学气相沉积法：以一种导热、导电性能较好的纤维作为芯材，利用可以气化的小分子化合物在一定的温度下反应，生成目标陶瓷材料沉积到芯材上，从而得到“有芯”的陶瓷纤维

　　前驱体转化法：以一种可以通过反应转化成目标纤维的基体纤维为起始材料，与引入的化学气氛发生气一固反应形成陶瓷纤维

　　溶胶凝胶法：利用具有一定粘度的溶胶来成型纤维，通常是将金属盐类与羧酸混合，配制成一定粘度的溶胶，将溶胶纺丝后进行热处理而制备无机纤维的方法

　　特点：性脆、 色黑；高强度、高模量； 质轻； 耐高温；耐化学腐蚀；导电、导热；可编织、可缠绕等

　　(3)具有各向异性，热膨胀系数小（0-10-6K-1），导热率（10-160Wm-1K-1 ）随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；

　　(5)耐高温和低温性好，在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；