高技术纤维复习.ppt

1,高技术纤维,复习课提纲,陈文兴,2,第一章 绪论,高科技纤维（High technology fibers）：依靠高技术和纤维学科最新的基础理论概念研制成功的具有高性能和高功能性的一系列新纤维材料。 合成纤维发展的四个阶段 第一阶段1938～1950年：主要发展锦纶； 第二阶段1950～1956年：涤纶和腈纶问世并实现工业化； 第三阶段1956开始：发展改性纤维，包括差别化纤维； 第四阶段60年代初开始：发展高性能纤维。 三代合成纤维 第一代：锦纶、涤纶和腈纶； 第二代：改性纤维，包括差别化纤维； 第三代：高性能纤维,3,三、本课程内容和要求 内容： 差别化纤维 功能性纤维 环保纤维 高性能纤维,差别化纤维,功能性纤维,,异形纤维 超细纤维 复合纤维 易染纤维 有色纤维 三维立体卷曲纤维 高吸湿纤维 抗静电纤维 抗起球纤维 高收缩纤维 . .,,导电纤维 抗菌纤维 消臭纤维 阻燃纤维 变色纤维 香味纤维 调温纤维 光导纤维 防紫外线纤维 止血纤维 . .,4,要求： 了解国内外纤维发展的动态，掌握代表性高科技纤维的制造、结构、性能。 中期写一篇读书报告，期末闭卷考试。,环保纤维,高性能纤维,,Lyocell 生物可降解纤维 天然彩色棉 . . .,,有机 无机 金属,,刚性 柔性,5,第二章 差别化纤维,差别化纤维：是指在原来纤维组成的基础上进行物理或化学改性处理，使性能上获得一定程度改善的纤维。 高感性纤维：是指风格、质感、触感、外观等感觉方面性能优良的服用纤维。,6,第一节 异形纤维,一、定义 异形纤维：是用非圆形喷丝孔或中空喷丝孔纺制的纤维。 二、异形纤维的制法 1. 异形喷丝孔法 2. 膨化粘着法 3. 复合纤维分离法 4. 其它方法,7,三、异形纤维的特点： (1)光泽 (2)抗弯性和手感 (3)蓬松性与透气性 (4)抗起球性和耐磨性 (6)染色性和防污性,8,四、异形纤维的应用 仿丝绸产品 仿毛产品 针织产品 床上用品 产业用：在污水处理、浓缩分离、海水淡化、人工肾脏等,9,第二节 超细纤维,一、超细纤维的分类 按照现有的化纤生产技术水平，并结合丝的基本性能和应用范围，可以分为四类： 细旦丝Fine denier 0.5～1.3D 涤纶7.2～11.0μm，可以采用常规纺丝方法和设备。 超细旦丝Micro-fiber 0.3～0.5D 涤纶5.5～ 7.2 μm，虽可采用常规纺丝方法，但技术要求高。可以采用复合分离法生产。 极细旦丝Ultra fine fiber 0.1～0.3D 涤纶3.2～ 5.5 μm，用复合分离法或复合溶解法生产。 超极细旦丝Super-ultra fine fiber 0.1D以下，涤纶3.2 μm以下，用海岛纺丝溶解法或共混纺丝溶解法生产。,10,二、超细纤维的性能特点 手感柔软：理论上，纤度的抗弯刚度与纤维直径的4次方成正比。 光泽柔和：纤度粗时，反光过于集中，产生极光；纤度细时，对光线的反射比较分散。 高清洁能力：单纤维很细，象锋利的刮刀，同时由于很强的芯吸作用。 高吸水性和吸油性：纤维变细，比表面积增大，同时也形成更多更小的毛细管孔洞。 高密度结构：细纤维在织造中比粗纤维丝更易被挤压变形和贴紧，可以形成密度更高的织物结构。 高保暖性：能形成更多的空隙。 缺点： 单纤度强度变小，摩擦系数增大，在加工和使用过程中易出现毛丝、断丝、造成网络、织造加工困难。 纤维抗弯刚度变小，织物挺括性变差。 卷曲性下降，蓬松性降低。 比表面积增大，上油率、上染率增加。,11,三、超细纤维的应用 纺真丝织物、高密度防水透气织物、仿桃皮绒织物、洁净布、无尘衣料、高吸水材料、仿麂皮及人造皮革、过滤材料、人造血管等。,12,,海岛法,五、超细纤维的制造方法 长丝： 海岛型；剥离型；多层型。,13,剥离法,多层型,14,第三节 复合纤维,复合纤维(composite fiber)：由两种或两种以上聚合物熔体仅在进入特殊设计的喷丝组件后才被有机复合在一起，并被挤出成形，或将相溶性较差的两种聚合物混合后纺丝而形成具有双相结构的复合纤维。其中两组分的复合纤维称为双组分纤维(bicomponent fiber)或共轭纤维(conjugated fiber)。 复合纤维既不同于异种纤维的混纺或异种长丝间的混纤，也不同于组成纤维的各独立组分在进入喷丝组件前已被充分混合，而后再挤出成形的相溶性聚合物的共混体纤维。,15,二、复合纤维的分类 复合纤维按照组分的数目可分为双组分和多组分复合纤维。 目前开发的多为双组分纤维。双组分纤维根据两组分的位置关系又可分为并列型、皮芯型、海岛型及多层型放射型四种。,16,三、复合纤维的应用,复合纤维,,自发卷曲,裂离或溶解,自 粘 合,导电性 抗静电性,各种改良,,织物 填充料 地毯 袜子,,仿丝绸 人造麂皮 起绒织物 无纺布、纸、人造皮革,,无纺布 针织物 产业用布,,光通讯 电子工业 医用,,力学性能、染色性、粘合性、耐热、阻燃、耐化学溶剂、亲水、吸水性等,17,第三节 易染纤维,所谓易染纤维是指染色条件温和，色谱齐全，染出的颜色色泽均匀并且坚牢度好。,18,1. 阳离子染料易染性共聚酯（CDP）纤维的制备(1) 共聚：在PET大分子链中引入含酸性基的单体。 (2) 接枝共聚：在PET纤维上接上聚羧酸支链。 (3)添加剂法：用可结合阳离子型染料的物质与PET进行混合纺丝。 目前最成熟、应用最普遍的是共聚法。,CDP的合成 合成过程中添加第三单体。,一、 易染性聚酯纤维,19,ECDP的合成 作为ECDP聚酯是在CDP聚配的基础上，增加少量第四组分的改性剂，通常有以下几种化合物： (1)脂肪族或芳香族二羧酸及其衍生物 (2)脂肪族或芳香族二元醇及其衍生物 (3)羟基酸类化合物。,20,2. 分散染料易染性聚酯（EDDP）纤维的制备 第三单体的选择 作为分散染料改性的第三单体的品种很多。用于聚酯纤维染色改性的第三单体目前已达10余种，比较常见的有聚乙二酵(PEG)、癸二酸、间苯二甲酸、聚对苯二甲酸丁二酯、聚硅氧烷和己二酸丁二酯等。,21,三、易染性聚丙烯纤维,聚丙烯纤维,,表面改性：光、辐照、等离子体、试剂处理等,本体改性,,共混,共聚,,高聚物,低分子,,,结晶性,非结晶性,有机化合物,金属化合物,易染性丙纶改性途径,22,第三章 功能性纤维,功能性纤维：主要是指具有分离、防护、医疗保健、传导、生物活性、环保等特殊功能的纤维。,功能性纤维,,导电纤维 抗菌纤维 消臭纤维 阻燃纤维 变色纤维 香味纤维 调温纤维 光导纤维 防紫外线纤维 止血纤维 . .,23,第一节 导电纤维,导电纤维：指在标准状态（20℃、相对湿度65％）下，质量比电阻小于108 •g/cm2的纤维。 在标准状态下，涤纶的质量比电阻为1017 •g/cm2，腈纶为1013 •g/cm2。,导电纤维,,结构型 本征型 复合型,,金属纤维 炭纤维 有机导电纤维,,均匀型 被覆型,24,一、金属纤维 二、有机导电纤维 共轭聚合物 掺杂 三、金属化合物导电纤维 四、复合型导电纤维 五、金属包覆导电纤维,25,应用： 防静电 防电磁波辐射 防爆工作服 防尘工作服,26,第二节 阻燃纤维,（一）纤维的燃烧性能 表1 纤维按燃烧性能分类,27,通常采用极限氧指数（简称LOI）表征纤维及其制品的可燃性。极限氧指数就是将点燃的材料离开火源置于氧和氮的混合气体中，维持继续燃烧时所需要的最低含氧体积百分率。,显然，LOI值愈大，材料燃烧时所需氧的浓度就愈高，即愈难燃烧。通常空气中含氧百分率为21％，所以纤维的燃烧性也可以按LOI进行分类。将LOI低于20％的称为易燃纤维，20～26％之间的称为可燃纤维，26％以上的称为难燃纤维。,28,表2 各种纤维的LOI值,29,（二）阻燃理论 迄今还没有可适用于所有聚合物阻燃作用的一般性理论。根据现有的研究成果，可以认为阻燃的基本原理是减少热分解过程中可燃性气体的生成和阻碍气相燃烧过程中的基本反应。其次，吸收燃烧区域中的热量，稀释和隔离空气对阻止燃烧也有一定的作用。 1. 表面覆盖理论 2. 吸热作用 3. 凝聚相阻燃 4. 气相阻燃 5. 尘粒的壁面效应 6. 熔滴效应,30,三、阻燃加工,1. 共聚 2. 共混 3. 后加工,31,一、抗菌防臭纤维 抗菌防臭纤维：可以抑制细菌繁殖或杀死细菌，从而保护纤维材料自身，以及防止臭气产生、疾病感染和传染的纤维。,第三节 抗菌和消臭纤维,32,（一）主要抗菌剂 过渡金属离子：Ag+、Cu2+、Zn2+等； 季胺盐类：如十八烷基二甲基（3-三甲氧基硅烷基）氯化胺、十六烷基二甲基苄基氯化胺等； 胍系列：1,1’-六亚甲基双[5-(4-氯苯)双胍]二盐酸化合物、聚六亚甲基双胍盐酸化合物等； 酚、醇系列：烯化双酚钠盐，对氯间二甲酚等； 脂肪酸、酯系列：十一碳烯酸、丙二醇单脂肪酸酯等； 杂环化合物：8-羟基喹啉、5-硝基呋喃基-2-丙稀醛等； 天然化合物系列：脱乙酰壳聚糖，扁柏硫醇等； 其他：二甲基氨基丙酰胺、碘络合物等。,33,（二）抗菌加工方法 1. 抗菌剂混入纤维内部 2. 抗菌剂在纤维内部或表面不溶化 3. 抗菌剂与纤维通过化学键结合 4. 树脂加工,34,二、消臭纤维 消臭纤维：消臭纤维与抗菌防臭纤维不同，消臭顾名思义是消除已经存在的臭味。 抗菌防臭是通过抑制细菌的繁殖或杀死细菌而防止臭气产生。,35,（二）消臭原理 1. 感觉消臭法 2. 物理消臭法 3. 生物消臭法 4. 化学消臭法 （三）消臭纤维的制备 消臭纤维的制造是将消臭剂担持在纤维上的过程，根据消臭剂和纤维的特性有纺丝法和后加工法两种。,,环境问题 20带来了环境问题，诸如：臭氧层的破坏、地球世纪工业快速发展，极大地改变了人们地生活方式，但同时也气温变暖、土地沙漠化、空气污染、水污染、垃圾等等，这些问题正严重威胁着人类自身的生存环境和经济可持续发展。 纤维与环境关系密切 环保纤维的含义： 1.纤维制造加工过程少耗资源、少耗能源、少污 染环境。 2.纤维及其制品服役时对人体安全，废弃后对地球较少负荷。 3.纤维主动地治理环境污染。,第四节 环保纤维,37,第五节 Lyocell纤维,Lyocell采用有机溶剂N—甲基氧化吗啉(NMMO)、干湿法纺丝技术制成。目前它的产量全球约十余万吨，预计到2005年世界生产能力将达30万吨。有专家预言到二十一世纪中叶其产量可达2000万吨，超过目前合纤最大品种涤纶。Lyocell解决了粘胶纤维生产严重污染环境的问题，溶剂毒性低、易回收，还具生物可降解性，是典型的绿色环保纤维。不仅如此，Lyocell强度与涤纶相仿，湿强仅下降10％，其柔软舒适、吸湿性与悬垂性好，兼具天然、合成纤维两者优点。,38,第六节 聚乳酸纤维,39,40,第四章 高性能纤维,第一节 概述 高性能纤维(High performance fiber) ：在某些性能上远远超过常规纤维，如高强、高模、耐高温纤维等等。,41,全芳香族聚酰胺纤维 对位型PPTA纤维（例如Kevlar等） 间位型MPIA纤维（例如MetamaxTM等） 全芳香族聚酯纤维 Vectran，Ekonol等 芳杂环类纤维 PBZT，PBO，PBI等 高强高模聚乙烯纤维（UHMWPE） 高强聚丙烯腈纤维（PAN） 其他 碳纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 高强度玻璃纤维 其他,高性能纤维,,有机纤维 无机纤维 金属纤维,刚性链 柔性链,,,,,,42,一、概述 碳纤维(Carbon Fiber) ：指纤维化学组成中碳元素占总质量90％以上的纤维。,第二节 碳纤维,43,二、碳纤维的分类 (1)按原料分类 纤维素基(人造丝)； 聚丙烯腈基； 沥青基。 (2)按照制造条件和方法分类： 碳纤维(炭化温度在800～1600℃时得到的碳纤维)； 石墨纤维(炭化温度在2000～3000℃得到的碳纤维)； 活性碳纤维。 (3)按照力学性能分类： 通用级(GP)，拉伸强度低于1.4GPa、拉伸模量小于140 GPa的纤维；高性能(HP)：其中包括中强型(MT)、高强型(HT)、超高强型(UHT)、中模型(IM)、高模型(UHM)。,44,三、聚丙烯基碳纤维 （一）制造的基本工艺流程,,芳香族聚酰胺: 泛指酰胺基团直接与两个苯环基团连接而成的线形高分子。芳香族聚酰胺纤维，又名芳纶，是这一类新合纤的统称，芳香族聚酰胺纤维主要品种是对位芳纶和间位芳纶。,一、概述,第三节 芳香族聚酰胺纤维,划时代 刚性高分子 高分子液晶 干—湿法纺丝 防弹衣,二、(PPTA纤维)制备方法,1.低温溶液缩聚,2.高分子液晶,,,3.干—湿法纺丝,★高强度、高模量的力学性能 ★良好的耐热性。它的玻璃化温度是345℃左右，分解温度大约在560℃。在高温下不熔融，热收缩也很小，有自熄性，极限氧指数值(LOI)为28-30。在200℃下，强力几乎保持不变。 ★PPTA纤维对普通有机溶剂、盐类溶液等有很好的耐化学药品性。,,◆但耐强酸、强碱性较差。 ◆它对紫外线比较敏感，不宜直接暴露在日光下使用。 ◆纤维弯曲压缩性能较差，耐疲劳性能较差。,四、对位芳纶(PPTA)的性能,,五、PPTA的应用,保护、防弹产品,橡胶补强制品,纤维增强复合材料,摩擦密封件,芳纶增强树脂材料,53,第四节 高强高模聚乙烯纤维,Material’s strength is dictated not so much by bond strength but by  Defects,表12-3 大分子链的极限强度 聚合物 分子截面积 极限强度 常规纺丝法纤维强度 (nm) 聚乙烯 0.193 405 cN/dtex (32GPa) 9.80 cN/dtex 聚酰胺6 0.192 344 cN/dtex (32GPa) 10.34 cN/dtex 聚甲醛 0.185 287 cN/dtex (33GPa) --- 聚乙烯醇 0.228 257 cN/dtex (27GPa) 10.34 cN/dtex 聚对苯二甲酸对苯二胺 0.205 255 cN/dtex (30GPa) 27.22 cN/dtex 聚对苯二甲酸乙二酯 0.217 253 cN/dtex (28GPa) 10.34 cN/dtex 聚丙烯 0.348 237 cN/dtex (18GPa) 9.80 cN/dtex 聚丙烯腈 0.304 213 cN/dtex (20GPa) 5.44 cN/dtex 聚氯乙烯 0.294 184 cN/dtex (21GPa) 4.36 cN/dtex,,,,理论依据,54,常规纺丝得到的实际强度与理论上的极限强度的差别产生的原因,1.目前常规纺所用的聚合物的相对分子量比较小，大分子链长度非常有限，使纤维中的分子末端增多，由分子末端造成纤维结构上的微小缺陷也必然增多。 2.目前常规纺丝法的最大拉伸倍数较小，无法使大分子链、特别是柔性链沿轴向充分伸展。 3. 纤维的结构存在着晶区与非晶区相互交叉并存的复杂结构，晶区与非晶区的排列及连接方式对纤维的力学性能起着很大的影响。,55,UHMWPE纤维的制备,凝胶纺丝是迄今为止纺制高强高模聚乙烯纤维唯一工业化的方法,56,溶解的本质并不仅仅是为了具有可纺性，还要利用溶剂分子的热运动，达到解除大分子链间缠结的目的。,UHMWPE的溶解,纺丝原液的浓度,唯有纺丝原液浓度为半稀状态，凝胶丝条中有适当数量的缠结和缠结分子存在，使张力的传递能顺利进行，才能达到超倍拉伸的目的。 UHMWPE半稀浓度为2－10％。,凝胶丝条的超倍拉伸,凝胶丝条只有进行了超倍拉伸才能成为超高强高模的纤维。至少20倍以上。,57,,1.良好的力学性能,性能特点,密度特别小,比强度、比模量特别大 具有很好的耐疲劳性和耐摩擦性 很高的勾结强度和结节强度 良好的耐冲击性能,2.优良的耐光性 3.优良的耐化学腐蚀性 4.高强聚乙烯纤维的热性能 5.高强聚乙烯纤维的蠕变行为,58,绳索类。 防弹材料。 复合材料的增强材料。,应用领域,