Introduction to polymer science

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1 Introduction to polymer science
高分子科学导论 纤维 Fiber 四川大学化学学院

2 纤维的基础知识 Foundation of the Fiber

3 Definition of the Fiber
细度很细，直径一般为几微米到几十微米，而长度比直径大百倍、千倍以上的细长物质称为纤维，如棉花、叶络、肌肉、毛发等。 长径比（length-diameter ratio）> 1000 直径（diameter）< 0.1mm 纤维通常用来制造纺织品，故又称为纺织纤维。

4 Textile fiber 纺织纤维（textile fiber）有以下特性： 一定的长度和细度
一定的机械性能（强力、变形、弹性、耐磨、柔软性等），尤其是具有较高的比强度（strength-to-weight ratio） 一定的吸湿性、导电性和热学性质 化学稳定性和良好的染色性能

5 Morphology of the Fiber
纤维的原纤（fibril）结构 原纤是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。原纤为多层次堆砌的结构，其排列大多为同向平行排列，提供给纤维良好的力学性质和弯曲能力。 微原纤的堆砌形式示意图

6 Properties of fiber 纤维长度（length） 可以量度长度的纤维称为短纤维，无限长度的纤维称为长纤维。
100% Hemp Yarn Long Fiber Wet Spun Short hemp fiber

7 Properties of fiber 横截面的形状和表面形状 shape of cross section and surface
Near perfect geometric shapes of cross section

8 Properties of fiber 直度（straightness）: 用纤维在纱条轴向投影长度占纤维伸直长度的百分数来表示。
强度（strength）： 通常用（gf/tex）表示，其中tex（特克斯）指1000米长的纤维束 的克数，gf是克力 延伸性和弹性（extensibility and elasticity）

9 Properties of fiber 吸湿性（moisture absorption）
指吸收水分的能力，用百分比来表示回潮率（moisture regain, M.R.） 。M.R.指气温在20oC，相对湿度在65%时，绝对干燥的纤维从空气中 吸收水分的能力。 耐磨性（wear resistance） 光泽与手感（brightness and hand feeling） 密度（density） Denier is a unit of measure for the linear mass density of fibers. It is defined as the mass in grams per 9,000 meters. In the International System of Units the tex is used instead. 1 d = tex 芯吸性（wickability） 纤维将水分从一个截面运输到另一截面的能力

10 Fiber processing 熔体纺丝“melt spinning” 湿法纺丝“wet spinning”
干法纺丝“dry spinning” 凝胶纺丝“gel spinning” or “dry-wet spinning” 静电纺丝 “electrostatic spinning” 染整 “dyeing and finishing”

11 Fiber processing 熔体纺丝“melt spinning”
Melt spinning is the preferred method of manufacture for polymeric fibers. In melt spinning, the fiber-forming substance is melted for extrusion through the spinneret and then directly solidified by cooling. Nylon, olefin, polyester are produced in this manner.

12 Fiber processing 湿法纺丝“wet spinning”
Wet spinning is the oldest process. It is used for fiber-forming substances that have been dissolved in a solvent. The spinnerets are submerged in a chemical bath and as the filaments emerge they precipitate from solution and solidify. Because the solution is extruded directly into the precipitating liquid, this process for making fibers is called wet spinning. Acrylic, rayon, aramid, modacrylic and spandex can be produced by this process.

13 Fiber processing 干法纺丝“dry spinning”
Dry spinning is also used for fiber-forming substances in solution. However, instead of precipitating the polymer by dilution or chemical reaction, solidification is achieved by evaporating the solvent in a stream of air or inert gas. The filaments do not come in contact with a precipitating liquid, eliminating the need for drying and easing solvent recovery. This process may be used for the production of acetate, triacetate, acrylic, modacrylic, PBI, spandex, and vinylon.

14 Fiber processing 染整 “dyeing and finishing” 染整包括预处理、染色、印花和整理。
预处理亦称练漂，其主要目的在于去除纺织材料上的杂质，使后续 的染色、印花、整理加工得以顺利进行，获得预期的加工效果。 染色是通过染料和纤维发生物理的或化学的结合而使纺织材料具有 一定的颜色。印花是用色浆在纺织物上获得彩色花纹图案。 整理是通过物理作用或使用化学药剂改进织物的光泽、形态等外观； 提高织物的服用性能或使织物具有拒水、拒油、抗皱、防霉等特性。

15 Classification of the Fiber
纤维的种类很多，习惯上按来源分为天然纤维(natural fiber) 和化学纤维 (chemical fiber) 两大类。天然纤维指自然界原有的，或从经人工培植的植物中、人工饲养的动物中获得的纤维。 种子纤维：棉 植物纤维 韧皮纤维：苎麻、黄麻等 叶纤维：剑麻等 天然纤维 果纤维：椰子纤维 动物纤维 毛 发：羊毛、兔毛等 分泌液：蚕丝、蜘蛛丝等 矿物纤维 石棉、碳纤维、玻纤等 Plant fiber Animal fiber Mineral fiber

16 Classification of the Fiber
化学纤维是用天然的或合成的高聚物为原料，主要经过化学方法加工制造出来的纤维。 化学纤维 人造纤维 粘胶纤维 铜氨纤维 醋酸纤维 合成纤维 差别化纤维 异形纤维 复合纤维 裂膜纤维 超细纤维 artificial fiber synthetic fiber differential fiber viscose fiber cuprammonium fiber cellulose acetate profile fiber complex fiber split fiber superfine fiber 涤纶、腈纶、锦纶、氨纶、氯纶、丙纶等

17 Fiber 天然纤维 Natural Fiber

18 The Beginning of The Fiber
天然纤维 早在5000年前，我们的祖先就开始利用棉、麻、蚕丝、羊毛等天然纤维进行纺织。

19 Ancient Spinning Technology
在原始社会，人类为了抵御寒冷，直接用草叶和兽皮蔽体，慢慢的学会了采集野生的葛、麻、蚕丝等，并利用猎获的鸟兽的毛羽，进行撮、绩、编、织成粗陋的衣服，由此发展了编织、裁切、缝缀的技术。人们根据撮绳的经验，创造出绩和纺的技术。

20 Natural Fiber from Polysaccharide
淀粉 （Starch） 纤维素 （Cellulose） 壳聚糖 （Chitosan）

21 Cellulose 纤维素是自然界中产量最大的天然高分子化合物。 纤维素由很多 D-吡喃葡萄糖单元以 β(1-4)苷键连接而成。
纤维素是高等植物细胞壁的主要成分，主要来源为棉、麻和木材等。

22 Natural Fiber from Protein
α-氨基酸的结构如右图所示 蛋白质是由天然产生的不同种类的 L- α-氨基酸以酰胺键(—CO—NH—)结合生成的共聚物，这些酰胺键也被称为肽键(peptidelinkages)。

23 Fibrous Protein from Animal Wool

24 Fibrous Protein from Animal Silk
蚕丝是天然蛋白质类纤维，是自然界唯一可供纺织用的天然长丝。分为家蚕丝与野蚕丝两大类。

25 The Silk Road 在古代欧洲，丝绸是比黄金还要贵重的物品。张骞通西域以后，中国与西方有了文化交流，公元六世纪后，西方国家陆续学会了养蚕技术。

26 Spider Silk 蜘蛛丝呈金黄色、透明，它的横截面呈圆形。蜘蛛丝的平均直径为6.9μm，大约是蚕丝的一半，是典型的超细、高性能天然纤维。

27 Fiber 人造纤维 Artificial Fiber

28 Development of Artificial Fiber
人造纤维是指将天然纤维经过化学或物理处理，改变天然纤维的聚集态结构，从而制造出来的性能更好的纤维。 1883年英国化学家 J. W. Swan 在研究将硝化纤维素制造电灯丝的过程中，制造出一种细纤维，并取名“人造丝”，（Artificial silk ）从而引起了全世界的瞩目。

29 Regenerated Cellulose
化学改性：指通过化学方法将纤维素分子单元中的羟基与酸进行反应得到酯化产物，破坏纤维素的强分子间作用，使得纤维素加工性能有明显改善。 硝化纤维 (nitrocellulose)：棉花经硝酸和硫酸处理产物。 醋酸纤维 (cellulose acetate) ：以纤维素浆粕为原料，利用醋酸酐与纤维素羟基反应制备。

30 Regenerated Cellulose
物理改性：将天然纤维素溶于特殊的溶剂中，再通过湿法纺丝得到具有与天然纤维不同聚集态结构的再生纤维素。这类再生纤维服用性能佳，近似于丝绸，极具悬垂感，面料手感柔软，光泽柔和。 铜氨纤维：溶剂为氢氧化铜或碱性铜盐的浓溶液。 粘胶纤维：溶剂为碱性二硫化碳溶液

31 New Generation of Artificial Fiber TENCEL
传统的再生纤维素因为溶剂的环境污染问题渐渐被淘汰。 上世纪80年代初，欧洲开发出了可溶解纤维素高分子的“N-甲基吗啉氮氧化合物” 新溶剂，这种溶剂无毒而且可以回收，被称为“绿色粘胶丝” ，并于90年代初工业化。 这种新型纤维的学名为“ lyocell ”，被誉为继棉、毛、麻、丝之后的第五纤维。集棉的舒适性、粘胶纤维的吸湿性悬垂性、涤纶纤维的强度和真丝的手感于一身。

32 New Generation of Artificial Fiber MODAL
Modal 纤维干强大于棉纤维、粘胶纤维，湿强与棉纤维相近，比粘胶高近一倍，这是 Modal纤维的特点，这表明它能够承受机械和化学处理 。 Modal 纤维全部由天然材料构成，对人体无害，能自然降解，对环境无害。 Modal 纤维具有很好的抗菌性，因此非常适合内衣用。

33 Fiber 合成纤维 Synthetic Fiber

34 Characteristics of Synthetic Fiber
合成纤维多属于线形热塑性高分子，在纺丝过程中进行加热拉伸定型，高分子链局部会几乎平行地沿轴向整齐排列，因而表现出特别的性质。 合成纤维是化学纤维中最具发展空间的一类，其品种较多，性能也各具特色。

35 Nylon-Polyamide Fiber
聚酰胺纤维又被称为 “尼龙”、“耐纶”、 “锦纶”，是聚酰胺在260~280oC熔融状态下抽丝制备得到，无须溶剂和化学处理。 尼龙是目前产量最大、用途最广的合成纤维，具有高强度、高弹性、高耐磨和高介电性。

36 Terylene-Polyester Fiber
大分子主链中含酯键的聚合物纤维被称为聚酯纤维，我国商品名为 “涤纶” ，也称 “的确凉”。 涤纶作为纺织纤维最大的特点是抗皱性和保型性出色，耐磨性仅次于尼龙，耐热性更高，缺点是不易染色、不吸水、易脏。

37 Acrylon-Polyacrylonitrile Fiber
腈纶纤维通常是丙烯腈与丙烯甲酸酯、醋酸乙烯酯、甲叉丁二酸等单体的共聚物 (丙烯腈含量>85%)。 对光和气候的稳定性是所有已知纤维中最好的； 热稳定性是所有碳链合成纤维中最好的，具有良好的抗温和保暖性； 有很高的强度和弹性（约为羊毛的2~3倍）； 比重小，具有羊毛外观。

38 Polyvinyl Chloride Fiber
聚氯乙烯纤维是最早工业化的合成纤维之一，由于分子链中含有大量氯原子，分子间作用力强，因此具有耐腐蚀、耐溶剂、阻燃的优点，适用于制作有阻燃要求的服装、沙发布、窗帘以及滤布、渔网等用具。

39 Polypropylene Fiber 丙纶是所有服装用纤维中比重最轻的，是可浮在水面上的纤维，但其强度很好，因此在服装中得到了普遍应用。
丙纶属轻装面料之一，其重量仅为棉花的3/5。 丙纶织物的吸湿性极小，因此其服装以快干、挺爽、不缩水等优点著称。但舒适性欠佳，染色性亦很差。 丙纶的强度、耐磨性很好，服装坚牢耐穿。 丙纶耐腐蚀，但不耐热、不耐光、易老化。 丙纶对无机酸碱有着很好的稳定性，对有机溶剂稳定性稍差。

40 差别化纤维 Differential Fiber

41 Differential fiber 差别化纤维通常是指在原来纤维组成的基础上进行物理或化学改性处理，使性状上获得一定程度改善的纤维。物理改性： 指采用改变纤维高分子材料的物理结构使纤维性质发生变化的方法。目前物理改性的主要内容包括改进聚合与纺丝条件。 化学改性：是指通过改变纤维原来的化学结构来达到改性目的的方法。改性方法包括共聚、接枝、交联、溶蚀、电镀等。 表面物理化学改性：主要是指如采用高能射线（γ射线、β射线）、强紫外辐射和低温等离子体对纤维进行表面蚀刻、活化、接枝、交联、涂覆等改性处理，是典型的清洁化加工方法。

42 Profile fiber 异型纤维的横截面呈特殊形状，而不像传统纤维一样为圆型。其主要具有以下特征：
具有良好的光学性能，有柔和、典雅的蚕丝般光泽和手感； 由于横截面的特殊形状增加了纤维间合抱力、透气性、蓬松性和丝条硬挺性； 能增加染色的鲜明性。

43 Complex Fiber 复合纤维又称为组合纤维和共轭纤维，通常是采用两种或两种以上的熔体经同一纺丝口喷出成丝制备得到。
复合纤维具有很高的体积膨松性、弹性和覆盖能力，从而使纤维的毛型感增加。使不同纤维优势互补，性能大幅增加。

44 Superfine Fiber 超细纤维又叫喷射纤维，通常指比一般纤维更细，直径在 5 微米以下的纤维，其最大特点是永久带电性。主要用途是作为高效过滤材料。 超细纤维由于直径很小，因此其弯曲刚度很小，纤维手感特别柔软。 超细纤维的比表面积很大，因此超细纤维织物的覆盖性、蓬松性和保暖性有明显提高，并具有极强的清洁功能。 超细纤维在微纤维之间具有许多微细的孔隙，形成毛细管构造，具有较高吸水性。

45 Introduction 一维纳米复合材料-核壳纳米纤维 组织工程支架 药物控制释放 Core 伤口包扎 化学或生物探针 Shell
纳米核壳纤维 As a One-Dimensional Composite Nanomaterials, core-shell composite nanofiber have attracted plenty of attention due to their novel properties and intriguing applications in many areas in the past few years. Abidian M. R., Martin D. C., Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 573 30 April 2012, SPIE Newsroom. DOI: /

46 Electrospinning 同轴静电纺丝 乳液静电纺丝 Sun et al. Adv. Mater.
2003, 15, 乳液静电纺丝 Coaxial electrospinning (co-electrospinning) was introduced first by Sun el al. Conventional co-electrospinning requires a core–shell nozzle attached to a double-compartment syringe or supply of two polymer solutions by means of two separate syringe pumps and pipelines leading to a core–shell nozzle. Therefore, co-electrospinning setups are more complicated than the ordinary electrospinning ones which involve a single nozzle and pump. ordinary single-nozzle electrospinning using emulsion of two polymer solutions as a working liquid. Bazilevsky et al. Langmuir 2007, 23,

47 Star anise-like nano aggregates
TEM images of PPDOstar-b-PEG nano aggregate. AFM images of PPDOstar-b-PEG nano aggregate. Chem. Commun., 2011, 47, 4198–4200

48 Morphological transition of PEG-b-PPDO nano particles incorporating with PVA
ACS Nano 2013, 7,

49 Morphology of the nanofiber
TEM (AC) images of the electrospun nanofibers of PVA/PEG45.5-b-PPDO18 with different copolymer content and SEM images (DF) of corresponding nanofibers after selectively removing of the copolymer. The weight contents of copolymer are 17 wt % (A and D), 30 wt % (B and E) and 38 wt % (C and F), respectively.

50 XRD rocking curves

51 Hypothetical formation mechanism of PVA/PEG-b-PPDO core-shell nanofibers

52 功能性纤维 Functional Fiber

53 Urethane Elastic Fiber-Polyurethanes Fiber
氨纶纤维商品名称有莱卡（Lycra、美国、英国、荷兰、加拿大、巴西）、尼奥纶（Neolon、日本）、多拉斯坦（Dorlastan、德国）等。 氨纶首先由德国 Bayer 公司于 1937 年研究成功，美国杜邦公司于1959年开始工业化生产。 氨纶纤维共有两个品种，一种简称为聚酯型氨纶，另一种为聚醚型氨纶。

54 High Rebound Elasticity of Polyurethanes Fiber
氨纶纤维通常有500～800％的伸长；弹性回复性能也十分出众，在伸长50％时，回缩率超过99％。 氨纶纤维的高弹力是因为它的高分子链是由低熔点、无定型的“软”链段和嵌在其中的高熔点、结晶的“硬”链段所组成。柔性链段分子链间相互作用力小，可以自由伸缩。刚性链段分子结合力比较大，造成高的回弹性。

55 Application of Polyurethanes Fiber
弹力强的衣料可以随着人体的活动白如地伸缩，消除或减少对身体的张力，不产生紧绷感而使人感觉舒适。主要用于内衣、紧身衣裤、踩脚裤、韵律服、运动衣、连裤袜、芭蕾舞服、体操服、游泳服等，并进一步向休闲服和外衣领域扩展。

56 Aramid Fiber-Poly(p-Phenylene Diamine Terephthalamide
芳纶具有超高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、重量轻、良好的绝缘性和抗老化等优良性能，其强度是钢丝的5~6 倍 ，模量为钢丝或玻璃纤维的 2~3 倍，韧性是钢丝的 2 倍，而重量仅为钢丝的1/5左右; 芳纶具有高耐热性，在500oC下也不会分解。 芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的里程碑。Kevlar纤维是杜邦公司的芳纶产品，是目前市场占有率第一的产品。

57 High Strength of 芳纶具有高度规整的分子结构，同时分子间存在大量氢键，因此具有很高的强度和分子间力，要破坏这种结构需要大量的能量。

58 芳纶的应用

59 芳纶的应用

60 21世纪超级纤维PBO PBO是聚对苯撑苯并双噁唑纤维的简称，是20世纪80年代美国为发展航天航空事业而开发的复合材料用增强材料，是一种杂环芳香族的聚酰胺纤维，其性能远远超出现有纤维，被誉为21世纪超级纤维。 其商品名为柴隆(Zylon)，现已实现商品化。

61 PBO的特性与应用 PBO作为21世纪超性能纤维，具有十分优异的物理机械性能和化学性能，其强力、模量为Kevlar 纤维的2倍并兼有间位芳纶耐热阻燃的性能。 一根直径为1毫米的PBO细丝可吊起450千克的重量，其强度是钢丝纤维的10倍以上。 PBO被用于制造消防服、耐热服、防弹背心等防护衣料以及用作耐热工业原料、光导纤维电缆等。2001年，美国国家航空和航天局（NASA）还将其用作宇宙观测用气球的强化材料。

62 PBO的应用

63 Summary 纤维的定义、分类与简介 天然纤维 人造纤维 合成纤维 特种合成纤维