第八章 有机合成纤维 Back

第一节 涤纶、锦纶、丙纶纤维的结构与性能 一、涤纶、锦纶、丙纶纤维的化学结构 （一）涤纶纤维的分子结构 第一节 涤纶、锦纶、丙纶纤维的结构与性能 一、涤纶、锦纶、丙纶纤维的化学结构 （一）涤纶纤维的分子结构 分子量一般控制在18000～25000左右

从涤纶分子组成来看， （1）由短脂肪烃链（CH2链段）、酯基、苯环、端羟基所构成； （2）除二端醇羟基外，无其它极性基因，亲水性极差； （3）约含46％酯基，高温时水解、热裂解，遇碱皂解； （4）脂肪族烃链使涤纶分子具有一定的柔曲性，苯环使涤纶大分子基本为刚性分子，且使分子链易于保持线型； （5）涤纶大分子在适宜条件下很易形成结晶，结晶、取向度较高。

（二）锦纶纤维的分子结构 聚酰胺纤维（PA） 常用锦纶纤维分两大类：

（1）由二元胺和二元酸缩聚而得，其长链分子的化学结构式为： H OH 命名：在锦纶后加数字，前一数字是二元胺的碳原子数，后一数字是二元酸的碳原子数。 （2）由已内酰胺缩聚或开环聚合得到，其长链分子的化学结构式为： H OH 命名：根据其单元结构所含碳原子数目。例如锦纶6由含6个碳原子的已内酰胺开环聚合而得的。

锦纶分子组成特点： （1）都由带有酰胺键（-CONH-）的线型大分子组成 （3）分子中的-CH2-（亚甲基）之间只能产生较弱的范德华力，故-CH2-链段部分的分子链卷曲度较大； （4）各种锦纶纤维因含-CH2-个数不同，不仅分子间氢键的结合形式不完全相同，分子卷曲的概率也不一样； （5）有些锦纶纤维的分子有方向性，分子的方向性不同，纤维的结构性质也不完全相同。

（三）丙纶纤维的分子结构 基本组成物质：等规聚丙烯，也称聚丙烯纤维（PP）。其长链的化学结构式为： H OH   H OH 丙纶纤维约含有85%～97%等规聚丙烯、3%～15％无规聚丙烯 具有较高的立体规整性，容易形成结晶。而且聚合物的等规度愈高，结晶速率愈快。

二、涤纶、锦纶、丙纶纤维的形态结构和聚集态结构 （一）形态结构 光学显微镜下：形态结构相似：圆形截面，无特殊纵向结构 电镜下：涤纶、锦纶可观察到丝状的原纤组织，锦纶66的原纤宽约10~15nm。涤纶的原纤宽度达数百nm。 如用异形喷丝板，可制成多角形、多叶形、中空等各种异型截面。

异形纤维可以改变纤维的弹性，使纤维具有特殊的光泽与膨松性，并改善纤维的抱合性能与覆盖能力，还有抗起球、减少静电等性能。如三角形的纤维有闪光效应，五叶形的纤维有真丝般的光泽，手感良好，并抗起球；中空纤维由于内部有空腔，比重小，保暖性好。

（二）聚集态结构 与纺丝过程的拉伸及热处理有密切关系。 涤纶：初生纤维，几乎完全无定形；经拉伸及热处理，具有一定的结晶度（35~45%）和取向度（双折射值可达0.188），密度1.38。 锦纶：较涤纶分子易结晶，在纺丝过程中即结晶，锦纶6在纺丝后的放置过程中也会发生结晶。由于冷却成形时内外温度不一致，皮层取向度较高，结晶度较低；芯层结晶度较高，取向性较低。结晶度一般30~40%，双折射值0.05~0.063，密度1.14。 丙纶：全同构型的纤维具有较高的立体规整性，易结晶，结晶度达65~67%，密度0.90~0.92，（现有纤维中密度最低），双折射值0.034。

涤纶、锦纶与丙纶纤维的聚集态结构都属于折叠链/伸直链的晶体共存体系，涤纶与锦纶纤维的单元晶格均属三斜晶系，丙纶属单斜晶系。涤纶和锦纶纤维的原纤维，原纤之间具有较大的微隙，并由一些排列不规则的无定形分子所联系。而原纤维则是由高侧序度的分子所组成的微原纤堆砌而成。微原纤间可能存在着较小的微空隙，并由一些侧序度稍差的分子所联系。丙纶纤维中的分子链呈立体螺旋构象。 涤纶、锦纶、丙纶纤维的聚集结构均可采用缨状折叠链模型加以描述。

三、涤纶、锦纶、丙纶纤维的性能 （一）涤纶 1．比重 ：1.38～1.40 2．机械性质 （1）强度和伸长 强度高，变化范围广（高强涤纶丝、普通涤纶丝） 伸长率适中（短纤维可分高强低伸型、低强高伸型、抗起球型）

强度 高主要原因： l）大分子相互镶嵌结合形成结晶度高达60％左右的结晶区。 2）热抽伸使纤维分子有较高的取向度。 3）分子量较高，分子量分布较集中，导致分子间有较高作用力。 （2）初始模量和弹性 ：初始模量较高，回弹性好。 织物耐磨性好，手感硬挺，但有蜡状感。干湿态下机械性质几乎无差别。

3．吸湿性：差，W=0.4% 4．热学性质：玻璃化温度67～70℃，软化温度235～240℃，熔点255～260℃ 。耐热性与热稳定性均很好 5．电学性质：极易产生静电 6．光学性质： 双折射率0.188，较高；耐日光性能极好，仅次于腈纶 7．染色性能：染色困难，必须在高温高压下染色

8．化学性质 （1）耐酸性：对有机酸、98％甲酸、80％硫酸（室温）等较稳定。但对浓硫酸、浓硝酸，会因酯键被分解而溶解。 （2）耐碱性：分子链会因酯键被碱液皂化或水解而断裂，故不耐碱。涤纶纤维受强碱作用时，从纤维外侧同心地向内芯溶解，但残余部分纤维的强度可保持不变。涤纶仿真丝“碱减量” 工艺的基本原理。

（二）锦纶 1．比重：1.14，较轻 2．机械性质 （1）强度和伸长度 高 （2）初始模量与弹性 初始模量低，弹性好，耐磨性在所有纤维中居首位 3．吸湿性：W锦纶6：4.5%；W锦纶66：3.8~4.2%，合纤中较高

4．热学性质：耐热性差，高温处理后强度明显下降，安全使用温度93℃。 热收缩：干热收缩 8~9% < 涤纶（14%） 湿热（沸水）收缩 11.5% >涤纶（7%） 5．电学性质：电绝缘性高，与其他物体摩擦常带正电。 6．耐光性：不耐日晒，长期光照色发黄，强度下降20％左右。 7．染色性能：对酸性染料的亲和性大，也可采用分散性染料。 8．化学性质：耐碱不耐酸

（三）丙纶 1．比重：0.90～0.92，浮于水中，是现有纤维中最轻的。 2．机械性质 （1）强度和伸度：一般强度2.6～7.0cN／dtex伸长率20％～80％。 （2）初始模量与弹性：初模量不高，弹性很好，弹性回复能力与锦纶66及涤纶相仿。 （3）耐磨性能：好，不仅耐平磨，耐曲磨性能也好。强度和弹性，特别是急弹性较好，是丙纶织物耐磨的主要原因。丙纶织物不易起球。

3.吸湿和染色性能：不吸湿，难以染色。 4．热学性质：玻璃化温度-15℃，熔点低，耐干热性差，在纤维制造中常加入抗氧化剂（或称热稳定剂），以提高纤维耐热性。耐湿热，在沸水下煮沸几小时不变形。 5．耐光性：特别差，易老化，制造时应添加化学防老剂。 6．化学性质 ：耐酸碱性、耐化学溶剂性能较其他合成纤维要好，但长时间浸于50％硝酸或50％硫酸，强度会降低。

第二节 腈纶、维纶纤维的结构与性能 一、腈纶、维纶纤维的化学结构 （一）腈纶纤维的化学结构 聚丙烯腈纤维（PAN）

第一单体：丙烯腈单元（85％以上），对纤维性能起主要作用。 由于大分子间作用力较强，纯聚丙烯腈纤维结构过于紧密，纺丝原液不易制备，纤维发硬变脆、吸湿性低、染色困难。 第二单体 ：含有酯基的合成物（3～12％ ），如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯或醋酸乙烯酯等。作用：减弱大分子间作用力，降低结构紧密性，提高纤维弹性、手感和热塑性，降低纤维初始模量和耐热性，使纺丝原液易于制备，便于纺丝拉伸，也利于染色。 第三单体 ：带有酸性或碱性基团的单体（1～3％ ），如丙烯磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、对甲基丙烯酰胺苯磺酸钠、甲叉丁二酸单钠盐（衣康酸）。作用：引人一定数量的能与染料结合的基团，以改进纤维的染色性能。

（二）维纶纤维的化学结构 基本组成物质：聚乙烯醇 因乙烯醇很不稳定，故聚乙烯醇不能由乙烯醇聚合形成，而是先由醋酯乙烯聚合成聚醋酸乙烯，然后再以烧碱作催化剂在甲醇溶液中进行醇解，脱去醋酸根，制得聚乙烯醇。 聚乙烯醇无明显熔点，不能被加热成熔融状态；它的分子上有许多羟基，易溶于水，故在纺丝成形后还要再用甲醛作缩醛化处理。 缩醛化处理：由甲醛与纤维中的羟基作用生成聚乙烯醇缩甲醛（即维纶）纤维（PVA）。 缩醛化程度的表示：缩醛度——聚乙烯醇中羟基参与缩醛化反应的克分子百分数。

一般要求缩醛度30%左右。过小，纤维耐热性和耐水溶性差；过高，染色性变差，且强度也会下降过多。经正常缩醛化处理的维纶纤维应可耐115℃热水处理，但因纤维的自由羟基已减少30%，吸湿性及染色性能减弱，收缩率略有增加，强度下降。 其分子结构中的一部分：

二、腈纶、维纶纤维的形态结构和聚集态结构 （一）形态结构 1．腈纶纤维 横截面： 湿纺：基本圆形，有微小空隙； 干纺：花生果形。 纵向：比较粗糙，有轻微条纹。内部存在空穴结构。

2．维纶纤维 湿纺：截面：腰圆形，具有明显的皮芯结构，。 干纺：看不到皮芯结构，截面形状随纺丝液浓度而变化，浓度为30%时，截面似哑铃状，同时还可观察到宽度约0.1μm的原纤结构。

（二）聚集态结构 1．腈纶纤维 腈纶纤维中不存在真正的结晶结构（即三维空间有整齐有序排列），而只存在横向有序纵向无序的聚集态结构特征。准晶区是侧序度较高的部分，其余则可再分为中等侧序度和低侧序度两个部分。

2．维纶纤维 聚乙烯醇大分子的主链骨架为平面锯齿形。大分子链上羟基分布会影响聚乙烯醇的结晶性能，而羟基分布与醋酸乙烯的聚合温度有关，降低聚合温度有利于提高聚乙烯醇结构的规整性。

三、腈纶、维纶纤维的性能 （一）腈纶 1．比重：1.14～1.17。 2．机械性质 （1）强度和伸长度：较小 （2）初始模量和弹性：初模比涤纶小，比锦纶高。弹性明显优于棉、麻、粘胶和蚕丝纤维，低于羊毛、锦纶和涤纶；多次循环拉伸的剩余伸长率大，其服装袖口、领口极易变形。膨松性优，压缩弹性率约为羊毛和锦纶的1.3倍。 （3）耐磨性：优于粘胶、醋酯，但不如锦纶、涤纶等合成纤维。

3．吸湿性：标准回潮率1.2～2.0％，中等。 4．热学性质 ：两个玻璃化温度，低序区80～100℃，中序区140～150℃之间，纤维没有明显的熔点，100～200℃开始软化，280～300℃时分解，燃烧时没有明显的熔融粘流态，大量溅落在衣服上也不会熔成小孔。 工业生产上常利用腈纶纤维热弹性来制造高收缩腈纶纤维腈纶膨体纱。 利用腈纶纤维的色变现象（200℃或以上热处理时，纤维由黄-棕-黑，而强力仍保留原有强力的一半以上）可制造耐高温、高模量的碳纤维。

5．光学性质和电学性质：耐光性和耐气候性特别好，居纺织纤维的首位；电绝缘性较大，摩擦易带电（常带负电）。 6．染色性能：引入第二、第三单体后，染色性能较好。 7．化学性质：耐化学药品作用的稳定性良好的。溶解于浓硫酸、浓硝酸、浓磷酸，但耐浓盐酸，对上述中等浓度的无机酸和浓有机酸有抵抗性。耐碱性比锦纶差，在热稀碱、冷浓碱溶液中会变黄，在热浓碱溶液中立即被破坏。

（二）维纶 1．机械性能 （1）强度和伸长度：强度较高，伸长度不高，湿强下降幅度较高。维纶有高强力长丝、高强力短纤维、普通长丝与普通短纤维之分。维纶可纺成高强度（9.7cN／dtex以上）、高冲击强度、高模量的工业用纤维，性能可优于涤纶和锦纶 （2）初始模量和弹性：初模与粘胶相近，弹性较差，织物易皱，不能做高档用品。 （3）耐磨性：良好，次于锦纶，与涤纶相近 2．吸湿性和染色性能：吸湿性好，W为4.5～5％。染色不鲜艳。 3．耐热性：耐干热稳定性较好，耐热水性较差，热水中收缩变形，若在沸水中连续煮沸3～4h，甚至可发生部分溶解。 4．化学性质：耐碱性能优良，能经受热氢氧化钠溶液的作用。也耐有机酸和大部分溶剂，但不耐强酸。 5．耐光性良好，长期日晒，强度几乎不降低；不怕霉蛀；热传导率低，因而保暖性好。