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聚酯纤维通常是指以二元酸和二元醇缩聚而得的高分子化合物,其基本链节之间以酯键连接。常用的聚酯纤维为聚对苯二甲酸乙二酯(PET),商品名称为涤纶。PET纤维采用熔体纺丝,普通纤维的纵向是光滑、均匀而无条痕的圆柱形,横截面近于圆形。采用异型喷丝板则可制成各种特殊形状(见图1)。 PET大分子的化学组成是聚对苯二甲酸乙二酯,分子结构式表示如下: 图1 聚对苯二甲酸乙二酯分子结构式 (1) 热性能 涤纶的耐热性和热稳定性在几种主要合成纤维中是最高的,主要表现在有较高的熔点和分解点,并且在较高温度下,强度损失较少。 图2 涤纶纤维的纵、横向图片 涤纶的玻璃化温度Tg随其聚集态结构而变化,完全无定形的Tg为67℃,部分结晶的Tg为81℃,取向且结晶的Tg为125℃。Tg对纤维、纱线,织物的使用性能,如硬挺性、弹性、可伸长性有很大影响。 涤纶的软化点温度也很高,在230~240℃,在此温度下涤纶开始解取向,但晶格尚未被破坏,还没有熔化。在255-265℃时,晶格被破坏而熔融。由于软化点较高,使染整加工中的定形温度提高,这对提高定形效果十分有利。 在150℃的空气中,将涤纶加热168h仍不变色,其强度下降仅为15%~30%,即使在150℃下加热1000h,也只是稍有变色,其强度下降也不超过50%,而其他纤维在此温度下,一般经过200~300h即行分解,如棉纤维在150℃下加热1h,强度几乎下降一半,所以对涤棉混纺织物进行热加工时,应着重考虑棉纤维的耐热稳定性。 (2)吸湿性和染色性 涤纶在标准状态下的吸湿率很低,为0.4%~0.5%,原因在于涤纶大分子链上缺少亲水基团,这也使涤纶在干湿强度上几乎无差别,在服用方面有易洗快干的优点。但另一方面也带来导电性差、易产生静电和沾污、染色比较困难、服用时因为不吸湿而发闷等缺点。 涤纶染色困难,主要是因为纤维结构紧密,分子链间空隙小,纤维吸湿性又小,在水中溶胀度小。另外,纤维的化学结构中缺少极性基团,难于同染料结合,所以涤纶染色常采用分子量不太大、水溶性很小的分散染料。染色条件要求更高,如在130℃左右的高温条件下染色,以增加分子链段的热运动,使纤维微隙增大。此外还可使用增塑剂(载体),如有机酚,使纤维分子链作用力降低并发生溶胀,达到染色的目的。 (3) 化学性能 在涤纶大分子中,苯环和两个亚甲基是比较稳定的,唯有酯基较活泼,具有反应性能。酯键在酸和碱的作用下,容易水解而使分子链断裂。由于涤纶大分子物理结构紧密,大分子有较高的取向度和结晶度,因此化学试剂不易扩散到纤维内部,所以涤纶抵御酸、碱、氧化剂、还原剂等的能力在常用的合成纤维中是非常突出的。 酯键在碱中比在酸中易水解,反应是不可逆的: 图3 酯键在碱中水解反应分子结构式 水解生成的酸与碱作用生成钠盐,水解反应能一直进行下去,故涤纶耐碱性较差。一般在温和条件下,浓度较低的烧碱液影响甚微。但在高温或浓碱液中,纤维会逐渐水解,分子量降低,强度降低,由于涤纶具有较大的疏水性,结晶度和取向度高,所以涤纶与氢氧化钠的作用是在纤维表面产生水解反应,并由表及里进行,水解过程中纤维基本上保持原形,只是纤维逐渐变细(这种现象称为剥皮现象)。利用这一方法,可将涤纶进行“碱剥皮”,使纤维变细而柔软,制成有仿真丝绸效果的面料。 还原剂对涤纶基本无损伤,涤纶对在染整加工中遇到的硫代硫酸钠、保险粉等还原剂有很高的稳定性。如将涤纶放入保险粉的饱和溶液中,80℃下处理72h,强度无损伤。 涤纶对各种氧化剂也有较高的抵抗能力,即使用高浓度的氧化剂在高温下长时间处理,也不会使纤维发生显著损伤。 聚酰胺纤维的结构和主要性能 聚酰胺纤维商品名为 Nylon(尼龙)。聚酰胺纤维的品种很多,用于服装面料的主要有两类,一类是由二元胺和二元酸缩聚得到的尼龙-66纤维： 图4 二元胺和二元酸缩聚得到的尼龙-66纤维分子结构式 另一类是由w-氨基酸缩聚或由己内酰胺开环聚合得到的尼龙-6纤维： 图5 由w-氨基酸缩聚或由己内酰胺开环聚合得到的尼龙-6纤维分子结构式 尼龙-6纤维是我国常用的一种纺织材料,在国内又叫锦纶。 尼龙纤维同涤纶纤维一样采用熔体纺丝,普通纤维纵向光滑、无条痕,横截面近似于圆形,近年来逐渐出现了异形截面纤维。  1.尼龙纤维的分子结构 尼龙-6纤维、尼龙-66纤维的大分子主链都是由碳原子和规律相间的氮原子构成的,主链上无侧基,易结晶,在晶体中分子结构形成伸展的平面锯齿状。相邻大分子链间可借羰基和亚胺基形成氢键结合,如图6所示。 图6 尼龙纤维分子间的氢键结合 尼龙纤维大分子间排列得很规整,结晶度为50%~60%,甚至高达70%,结晶度随纤维拉伸程度的提高而增加。  2.尼龙纤维的主要性能 (1)热性能 在尼龙纤维加工时,必须考虑温度对纤维性能的影响。尼龙纤维的耐热性较差,在110℃以上的热空气中,尼龙纤维强度损失明显,这是由于在热的作用下,纤维分子发生了氧化裂解。若无氧存在进行加热时,则强度损失很小。温度升高还会使尼龙纤维收缩,接近熔点时收缩严重,纤维变黄。尼龙-6纤维的Tg为35~60℃,尼龙-66纤维的Tg为40~60℃。 (2)吸湿性和染色性 尼龙纤维属于疏水性纤维,但尼龙纤维大分子链中含有大量的弱亲水基-CONH-,分子两端还有亲水基-NH2和-COOH,因此尼龙纤维的吸湿性高于除维纶以外的所有合成纤维。尼龙-66纤维中由于残留有低分子物,吸湿性略高于尼龙-6纤维。在标准状态下,尼龙-6纤维和尼龙-66纤维的吸湿率分别为4.0%和4.2%。 尼龙纤维的染色性不如天然纤维,但在合成纤维中又属容易染色的,从尼龙纤维分子结构上看,大分子上含有相当数量的-CH2-疏水链,因而尼龙纤维可采用疏水性的分散染料染色。 尼龙纤维大分子末端含有氨基-NH2和羧基-COOH,链中含有亚氨基-NH-，将这些特征变成简化结构式:NH2-NH-COOH,在不同pH值时有如下结构:
图7 尼龙纤维大分子在不同pH值时的分子结构式 因此,尼龙纤维也具有两性性质,有类似于羊毛的染色性能。在酸性介质中,尼龙纤维大分子具有阳荷性,可用阴离子染料染色。 (3)化学性能 尼龙纤维的化学稳定性较好,特别是耐碱性较为突出。在10%氢氧化钠溶液中,85℃处理10h,纤维强度只降低5%。 尼龙纤维大分子中含有比较活泼的酰胺基,在一定条件下会发生水解。酸可使尼龙纤维大分子水解,使纤维聚合度降低。在150℃以上的水中,尼龙纤维大分子也会发生水解,酸和热起催化作用。稀的无机酸在温度低、时间短时,对纤维破坏不明显,但浓度高、时间长时,破坏则会很明显,如浓的硫酸、硝酸、盐酸在室温下就能破坏尼龙纤维大分子,使纤维发生溶解。有机酸对尼龙纤维的作用较缓和,甲酸和乙酸对尼龙纤维有膨化作用。 强氧化剂能够破坏尼龙纤维,如漂白酚、次氯酸钠、过氧化氢等都能引起纤维大分子链的断裂,使纤维强度降低,而且用这些氧化剂漂白后织物容易变黄。所以尼龙纤维需要漂白时,一般用亚氯酸钠或还原型漂白剂。 聚丙烯腈纤维的组成、结构和主要性能 聚丙烯腈纤维是丙烯腈与第二单体、第三单体的共聚纤维,纤维名称为腈纶。 1.聚丙烯腈纤维的组成 由于均聚丙烯腈纤维脆硬,不易染色,手感及弹性都较差,不适应纺织加工和服用的要求。为了改善纤维的性能,在聚合时需加入少量其他单体。一般采用三种单体共聚。 通常将丙烯腈称为第一单体,含量占85%以上,是聚丙烯腈纤维的主体,对纤维的许多化学、物理及力学性能起着主要的作用; 第二单体为结构单体,可以是丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯或乙酸乙烯酯等,这些单体的取代基极性较氰基弱,基团体积又大,可以减弱聚丙烯腈大分子链间的作用力,改善纤维的手感和弹性,克服纤维的脆性,也有利于染料分子进入纤维内部; 第三单体又称染色单体,是使纤维引入具有染色性能的基团,改善纤维的染色性能。第三单体又可以分两大类:一类是含酸性基团的单体,如丙烯磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、对甲基丙烯酰胺苯磺酸钠、衣康酸，加入这类单体的聚丙烯腈纤维可以用阳离子染料染色;另一类是含碱性基团的单体,如乙烯吡啶、丙烯基二甲胺等,加入这类单体的聚丙烯腈纤维可以用酸性染料染色。显然因第二单体、第三单体的品种不同,用量不一,就得到了不同的聚丙烯腈纤维,染整加工时应注意。 目前国内生产的腈纶基本上都是三元共聚的。第一种是以丙烯酸甲酯为第二单体,用量为7%,以丙烯磺酸钠为第三单体,用量为1.7%左右,其余均为丙烯腈。 第二种是第三单体为衣康酸,其余的同第一种。三种单体在共聚体分子链上的分布是随机的。上述两者的差异在于用磺酸型的单体,染色的日晒牢度较高,而羧酸型的单体,日晒牢度差,但染浅色时色泽较鲜艳。 2.腈纶的结构 腈纶的纵向表面比较粗糙,并存在沿轴向的沟槽。纤维横截面的形状随纺丝方法的不同而异。湿法纺丝纤维截面呈圆形或腰圆形,干法纺丝为哑铃形(见图8)
图8腈纶纤维纵、横向照片 腈纶形态结构的另一重要特征是纤维截面内有空穴存在,有利于染料向纤维内部扩散。经高度拉伸的纤维,空穴明显变小,力学性能提高。 腈纶的超分子结构较为复杂,几乎很难找到与分子轴向垂直的层面,沿纤维轴(即大分子纵向)原子的排列是没有规则的,纤维纵向表现无序,聚集态结构中具有大分子排列侧向有序、轴向无序的准晶结构,呈现二维有序的特点,存在的非晶部分经拉伸后,又比涤纶、尼龙等其他纤维规整性高。聚丙烯腈超分子结构的无序和准序排列使其具有热弹性。产生原因可能有两个:一是由于强极性氰基的作用;二是其分子结构中引入了第二单体、第三单体。 3.腈纶的主要性能 (1)热性能 腈纶的热稳定性不如涤纶和尼龙,由于它没有真正的结晶,所以对热处理比较敏感,具有较大的热塑性。腈纶的耐热性能较好,在125℃热空气中,放置32天,强度不变,在150℃热空气中经20h,其强度下降不到5%。随着第二单体、第三单体的加入,耐热性有所下降。腈纶在空气中长时间受热会变黄。 腈纶不像涤纶、尼龙那样有明显的结晶和无定形结构,只有不同序态的区别,所以腈纶没有明显的熔融温度,软化温度范围也比较宽(190~240℃)。聚丙烯腈共聚物的玻璃化温度在75℃左右。 (2)吸湿性和染色性 腈纶的吸湿性较差,在标准状态下,其回潮率为1.2%~2.0%,在合成纤维中属中等. 聚丙烯腈均聚物纤维很难染色,但在纤维的组成中引入了第二单体、第三单体后,不仅在一定程度上降低了纤维结构的规整性,并且引进了少量酸性或碱性基团,而能采用阳离子染料或酸性染料染色,使猜纶的染色性能得到改善,染料在纤维上的染色牢度与第三单体的种类密切相关 (3)化学性能 聚丙烯腈属碳链高分子聚合物,其大分子主链对酸,碱比较稳定,然而聚丙烯腈大分子的侧基—氰基在酸、碱的催化作用下会发生水解,先生成酰氨基,进一步水解生成羧基。水解的结果使聚丙烯腈转变为可溶性的聚丙烯酸而溶解,造成纤维失重,强力降低,甚至完全溶解。在水解反应中,氢氧化钠的催化作用比硫酸强,碱性催化时,水解释出的NH2与未水解的氰基反应生成脒基,产生黄色,这就是聚丙烯腈纤维在强碱条件下处理易发黄的原因。 腈纶对常用的氧化性漂白剂稳定性良好,在适当条件下,可使用亚氯酸钠、过氧化氢进行漂白。对常用的还原剂,如亚硫酸钠、亚硫酸氢钠和保险粉也较稳定,所以与羊毛混纺时可用保险粉漂白。 氨纶的组成、结构和主要性能 氨纶的学名是聚氨基甲酸酯弹性纤维,在美国称为 Spandex纤维,在欧洲普遍称为 Elastane纤维,杜邦公司生产的聚氨基甲酸酯弹性纤维的商品名为 Lycra(莱卡)。 1.氨纶的化学组成和结构 生产氨纶的聚氨基甲酸酯是由软链段和硬链段组成的嵌段共聚物,氨纶的优异弹性正是由这种特殊的化学组成和结构所决定的,长链二羟基化合物(大分子二醇)的相对分子质量为1500~3000,熔点低于50℃,长度为15-30nm,具有很低的玻璃化温度(Tg为-70~-50℃),组成分子链的“软段”。长链二羟化合物有两类:一类为聚醚二醇;另一类为聚酯二醇。根据分子链中软链段是聚酯型二醇还是聚醚型二醇,聚氨酯纤维分为聚酯型聚氨酯纤维和聚醚型聚氨酯纤维两大类。 分子结构中的“脲基结构”(-NH-CO-NH-)熔点高,可以形成较强的氢键,易结晶,组成分子链的“硬段”,使聚合物具有较高的强度、模量和耐磨性,因此,最后形成的聚合物是由“脲基结构”的“硬链段”通过氨基甲酸酯基(-NHCO-O-)与“软链段”交替相接的大分子,氨基甲酸酯基自身仅起辅助性的连接作用。 在氨纶弹性体中,硬链段较短,起结点作用,防止大分子链受力时产生滑移;软链段较长,约为硬链段长度的10倍,分子间作用力小,弯曲不规整,易伸长。正是这种软、硬链段嵌段的结构,使氨纶产生弹性。 2.氨纶的主要性能 (1)物理机械性能 氨纶具有很高的弹性,强度较低,断裂伸长率大(450%~800%),初始模量低。 氨纶的弹性回复率很高,聚醚型氨纶在伸长500%时回复率达到95%,聚酯型氯纶在伸长600%时回复率达到98%,氨纶的耐疲劳性能很好,在50%~300%的伸长范围内,可耐100万次拉伸收缩疲劳。 氨纶湿态的断裂强度为0.35-0.88cN/dtex,干态断裂强度为0.44~0.88cN/dtex。
(2)热性能 聚醚型氨纶的Tg为-65~-20℃,聚酯型氨纶的Tg为25~45℃，聚酯型氨纶较硬,聚醚型氨纶较柔软。 氨纶的耐热性能跟生产工艺有关,一般在95~150℃,短时间内不会有损伤,聚醚型氨纶在150℃以上会泛黄,175℃以上会发黏:聚酯型氨纶在150℃以上热塑性显著增加,弹性减弱,当温度超过190~195℃时,纤维强度会明显下降。 因此,氨纶的处理温度不能超过195℃,加工时间长时,150℃也会引起氨纶变形和弹性丧失,在180~190℃下热定形的时间不能超过40s。 (3)吸湿性和染色性能 在标准条件下,聚酯型氨纶的回潮率在0.5%~1.2%，聚醚型氨纶的回潮率在1.2%~1.5%。水对氨纶有增塑作用,使纤维的拉伸强度下降10%-20%。 氨纶可以用分散染料、酸性染料和金属络合染料染色。 (4) 化学稳定性 氨纶的化学稳定性一般较好,对氧化剂和还原剂较稳定,可以在稀的过氧化氢溶液中漂白,或进行还原漂白。但氨纶不耐含氯氧化剂,会形成N-Cl结合而使纤维损伤,聚醚型氨纶的损伤更严重。 氨纶的耐酸性特别好,在耐碱性能方面,聚醚型氨纶较好,但聚酯型氨纶不耐强碱,在热碱溶液中会快速水解,在染整加工中要特别注意。 聚酯型氨纶防霉性较差,霉变会影响外观,降低纤维的力学性能。 氨纶耐光稳定性比常规合成纤维差,在光照下会逐渐脆化,强度下降。紫外线会引起氨纶氧化降解,产生交联,使纤维泛黄,甚至变为棕色。 |
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