什么是化学纤维?

什么是化学纤维?

[拼音]：huaxue xianwei

[外文]：chemical fibre

用天然的或人工合成的高分子物质为原料制成的纤维。常见的纺织品，如粘胶布、 涤纶卡其、 锦纶丝袜、腈纶毛线以及丙纶地毯等，都是用化学纤维制成的。根据原料来源的不同,化学纤维可以分为：

（1）人造纤维,以天然高分子物质（如纤维素等）为原料，有粘胶纤维等；

（2）合成纤维，以合成高分子物为原料，有涤纶等；

（3）无机纤维，以无机物为原料，有玻璃纤维等。自从18世纪抽出第一根人工丝以来，化学纤维品种、成纤方法和纺丝工艺技术都有了很大的进展。

化学纤维的制备，通常是先把天然的或合成的高分子物或无机物制成纺丝熔体或溶液，然后经过过滤、计量，由喷丝头(板)挤出成为液态细流，接着凝固而成纤维。此时的纤维称为初生纤维。它的力学性能很差，不能直接应用，必须通过一系列后加工工序才能符合纺织加工和使用的要求。后加工主要是对纤维进行拉伸和热定形，以提高纤维的力学性质和尺寸稳定性。拉伸是使初生纤维中大分子或结构单元沿着纤维轴取向；热定形主要是使纤维中内应力松弛。湿纺纤维的后加工还包括水洗、上油、干燥等工序。纺制长丝时，经过上述工序即可卷绕成筒；纺制短纤维时还须增加卷曲、切断和打包工序。

化学纤维的种类人造纤维

中国不仅是饲蚕制丝的发源地，从历史记载看也是人工制造纤维最早的国家（参见中国化学纤维生产史）。人造纤维的主要品种有：

（1）粘胶纤维,1848年J.默塞发现棉纤维素被浓碱液浸渍后，化学反应灵敏性增加。此后英国人C.克罗斯和E.贝文用二硫化碳与碱纤维作用获得溶解性纤维素黄酸酯，从而制得粘胶纤维。后来出现了离心罐式绕丝器，使粘胶纤维有了工业化生产的条件。

（2）硝酸酯纤维，又称硝酸人造丝。1855年，英国人将纤维素硝化后溶解成胶液并挤压成丝。1884年，脱硝方法研究成功，硝酸法制造人造丝正式投产。

（3）醋酯纤维，将棉短绒在以冰醋酸为主的试剂中醋化形成纤维素醋酸酯,溶解在 *** 的浆液中,经过纺丝获得三醋酯纤维。如将纤维素醋酸酯局部皂化，则获得溶于丙酮的纤维素醋酸酯，纺丝后所得纤维称二醋酯纤维。

（4）铜铵纤维，采用氢氧化四氨铜溶液作溶剂，将棉短绒溶解成浆液纺丝制得的人造丝。丝质精细优美，但成本较高。

（5）人造蛋白质纤维，英国人最早研究从动物胶中提取蛋白制造人造蛋白纤维。1935年意大利有人试验从牛乳中提取乳酪素，制成人造羊毛。此后，一些国家相继以大豆蛋白、花生蛋白制取人造纤维获得成功。由于这类纤维的实用性能和制造成本存在问题，产量极少。

自从粘胶纤维工业化生产以来，随着科学技术的发展，人造纤维的产量不断增加、质量不断提高。到了40年代末,各种人造纤维的世界总年产量已超过60万吨,其中粘胶纤维占84％。此后，又发展出几种有突出性能的新型粘胶纤维。其中有：

（1）高湿模量纤维：结构接近于棉纤维，截面形状接近于羊毛,湿态与干态的强度比达70％，吸水量小,碱溶性低。50年代初，日本石川正之改进粘胶纤维制备工艺条件，并将初生的湿丝条进行高倍拉伸，获得高强度的粘胶纤维，取名为“虎木棉”。此后，比利时、瑞士和法国等相继生产，制得一系列高强度、低延伸度和高湿模量的粘胶纤维，统称波里诺西克。这种纤维兼具棉和粘胶纤维的优点。

（2）超强粘胶纤维：是一系列具有高强度、高韧性和抗疲劳等性能的粘胶纤维。这种纤维晶粒小、横截面上皮层结构占60％以上,有的甚至达100％。因此，纤维的强度和抗疲劳性能都很高，可用于制造汽车轮胎帘子线。

（3）永久卷曲粘胶纤维：利用粘胶纤维具有皮芯结构的特点，采用适当的工艺条件，使纤维横截面形状不对称和皮层厚度分布不均匀，在横截面上产生不同的内应力，从而使纤维形成卷曲形态。

合成纤维普通合成纤维

20世纪30年代中期合成纤维开始兴起。聚氯乙烯纤维是最早的合成纤维（见含氯纤维）。以乙炔和盐酸合成氯乙烯，然后经过聚合、纺丝制成纤维。德国最早的产品称配采乌(PCU)。纤维的断裂强度和延伸度近似于棉，干态和湿态的强度几乎相等，耐水，抗腐蚀而且不易霉烂，对各种化学药品的反应很稳定。耐燃烧是聚氯乙烯纤维的一个突出性质，但在75～80℃时易变形。聚氯乙烯纤维可以用作工业滤布、薄膜、包装布、航海服以及游泳衣等。将聚氯乙烯继续氯化，可使含氯量升至64％，这类高氯纤维商品名叫配采(PC)，中国称过氯乙烯纤维。其软化点高于纯聚氯乙烯纤维，短纤维适用于制做飞行员和消防员的防火服装。普通合成纤维的品种很多，重要的有：

（1）聚酰胺纤维：中国称锦纶，又称尼龙。1939年美国人首先研制成功。由己二酸和己二胺缩水成盐，再经缩聚、熔纺而成纤维。根据单体分子上碳原子的数目，这种纤维称为聚酰胺66。由氨基己酸缩水生成己内酰胺，进一步开环聚合获得的纤维,称聚酰胺6。这两种纤维都具有优异的耐磨性,回d性和耐多次变形性能,广泛用于制做袜子、内衣、运动衣、轮胎帘子线、工业带材、渔网、军用织物等。

（2）聚丙烯腈纤维：中国称腈纶。50年代初出现以来发展很快。1950年工业化生产的产品为纯聚丙烯腈长丝，因吸湿性差而染色困难，后经改进与烯基衍生物形成2元或3元共聚物，其中90％左右为丙烯腈，染色性能大为改善。腈纶广泛用于制做绒线、针织物和毛毯。腈纶纺织物轻、松、柔软、美观，能长期经受较强紫外线集中照射和烟气污染，是目前最耐气候老化的一种合成纤维织物，适用于作船篷、账篷、船舱和露天堆置物的盖布等。

（3）聚酯纤维：中国称涤纶。1940年由英国人J.温菲尔德和J.迪克逊用对苯二甲酸和乙二醇为原料，在实验室内研制成功，1941年正式生产。涤纶的拉伸性、回d性和化学稳定性都很好。涤纶织物具有挺刮和易洗快干的优点。涤纶的耐晒强度比锦纶好，能抗微生物和霉烂，耐虫蛀,但吸湿性不及锦纶,且染色困难。涤纶采用熔体纺丝,纺丝速度在1300米/分以下。后来有一种高速纺涤纶长丝,纺速在3500米/分以上，不仅产量增加，而且由于纤维中大分子部分取向而使结构比较稳定，纤维便于运输和贮藏。

（4）聚烯烃纤维:是50年代发展的纤维,其中重要品种聚乙烯纤维是用石油裂解所得的乙烯副气为原料制成的，中国商品名乙纶。乙纶织物可用作汽车装饰布、家具布、工厂滤布、船篷、绳索和渔网等。等规聚丙烯纤维是聚烯烃纤维中一个出色的品种,简称聚丙烯纤维,中国商品名丙纶。意大利人G.纳塔以三乙基铝及四氯化钛溶于四氢化萘中作为催化剂将丙烯进行聚合，使大分子具有立体规整性，由此获得固体高结晶性的聚丙烯，可以制成性能优越的纤维。聚丙烯纤维吸湿率低，不能用常规方法染色,常在聚合物里掺入颜料,熔态时捏和纺制成有色纤维。丙纶耐老化性能很差，必须添加防老化剂以改善其耐日光性能。丙纶可用作地毯、大面积的人工草坪、工业用滤布、工作服以及家用织物如蚊帐等，还可与其他纤维混纺制成各种针织物和机织物。

（5）聚乙烯醇纤维：中国称维纶。是以醋酸乙烯为原料进行聚合、醇解、纺丝，然后经缩甲醛而制得。维纶性质接近于棉，吸湿性比其他合成纤维高。主要产品为短纤维，用于制做渔网、 滤布、 帆布、轮胎帘子线、软管织物、传动带以及工作服等。生产维纶的主要国家有日本、朝鲜和中国。维纶与聚氯乙烯纤维混纺的产品称为维氯纶。

特种纤维

指具有耐腐蚀、耐高温、难燃、高强度、高模量等一些特殊性能的新型合成纤维。特种纤维除作为纺织材料外，广泛用于国防工业、航空航天、交通运输、医疗卫生、海洋水产和通信等部门。主要品种有：

（1）耐腐蚀纤维：是用四氟乙烯聚合制成的含氟纤维,1954年在美国试制成功，商品名特氟纶(Teflon),中国称氟纶。聚四氟乙烯熔点327℃,极难溶解，化学稳定性极好，在王水、酸液和浓碱液中沸煮而不分解，除在高温下经过高度氟化过的试剂外，几乎不溶于任何溶剂。氟纶织物主要用作工业填料和滤布。

（2）耐高温纤维：有聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚酰亚胺纤维等种类，其熔点和软化点高，长期使用温度在200℃以上能保持良好的性能。

（3）高强度高模量纤维:指强度大于10克/旦、模量大于200克/旦的合成纤维。如1968年美国研制的凯夫拉尔，是将聚对苯二甲酰对苯二胺制成液晶溶液，通过干－湿法纺丝制成的纤维,中国称芳纶1414，可用作飞机轮胎帘子线和航天、航空器材的增强材料。以粘胶纤维、腈纶纤维、沥青为原料经高温碳化、石墨化可以得到高强度、高模量碳纤维。用碳纤维制成的复合材料，是制造宇宙飞船、火箭、导d、飞机的结构材料，在原子能、冶金、化工等工业部门和体育运动器材方面也有广泛的应用。

（4）难燃纤维：如酚醛纤维、PTO纤维等,在火焰中难燃，可用作防火耐热帘子布、绝热材料和滤材等。

（5）d性体纤维：断裂伸长率在400％以上,拉伸外力除去后能快速恢复原来长度。d性纤维的代表品种是聚氨酯纤维，中国称氨纶。d性纤维是由硬链段和软链段嵌段共聚物制成的。软链段赋予纤维高的伸长率，硬链段不发生形变，阻止分子间的相对滑移，因而赋予纤维较高的回d性。d性纤维可制紧身衣、游泳衣、松紧带、袜子罗口、外科手术用袜等。

（6）功能纤维：改变纤维形状和结构使其具有某种特殊功能，例如将铜铵纤维或聚丙烯腈纤维制成中空形式，在医疗上可用作人工肾透析血液病毒的材料。聚酰胺66中空纤维用作海水淡化透析器，聚酯中空纤维用作浓缩、纯化和分离各种气体的反渗透器材等。

改性纤维

合成纤维虽然有良好的物理机械性质，但是由于表面光滑，吸水性、染色性差，织物的服用性能不及天然纤维织物。为使合成纤维具有天然纤维特色，50年代开展合成纤维改性研究，主要是用物理方法或化学方法改善合成纤维的吸湿、染色、抗静电、抗燃、抗污、抗起球等性质，同时还增加了化学纤维的品种。

（1）化学改性：主要有接枝变性、共聚变性以及将原纤维经过化学处理变性等三种方法。

（2）物理改性：主要有通过改变喷丝孔形状纺制的异形纤维；利用合成纤维的热塑性，将伸直的纤维变为卷曲的变形纤维（如膨体纱和d力丝）；将两类性质不同的高聚物流体从同一喷丝孔挤出而制成的复合纤维。

无机纤维

近代工业的发展需要耐高温、高强度、电绝缘、耐腐蚀的特种材料，为此人们试制出一系列无机物纤维，如玻璃纤维、硅酸铝纤维、硼纤维、钛酸钾纤维、陶瓷纤维、石英纤维、硅氧纤维等。玻璃纤维可用作防火焰、防腐蚀、防辐射以及塑料增强材料，也是优良的电绝缘材料。钛酸钾、硅酸铝纤维是1200℃高温下的绝缘材料。

化学纤维的结构大分子结构

化学纤维大多由分子量很高的高聚物制成，许多分子量不大、化学结构相同或不同的小分子称为单体，经过缩聚或聚合反应串连成线形高聚物，就象一根有许多环节的链条，即为高分子：

A′-A-A……-A-A-A-A……-A-A-A″链中A为单体，A′及A″为末端基团。 由A、B两种或A、B、C三种化学组成不同的单体构成的高聚物,称作二元或三元共聚物。用二元或三元共聚物制成的纤维又称做二元或三元共聚纤维。高分子的特征是分子量很高，但其分子量W是一系列不同分子量的平均值。 大分子中重复单元称为链节，可以由一个或一个以上单体组成。构成分子链的链节的重复数目称聚合度DP。纤维的平均分子量是链节的分子量A与聚合度的乘积，即W=A×DP。

由化学结构不同的高聚物制备的化学纤维，其分子量也不相同。如聚酰胺 6分子量为16000～22000，是由130～180多个己内酰胺单体组成的,DP=130～180。丙纶的分子量为180000～300000，是由4000个以上丙烯单体组成的,DP=4000～7000。化学纤维中大分子伸展的平均长度为200～400毫微米。分子量越高，纤维的强度也越高。

制造化学纤维的大分子的一般要求是：线形能伸直，支链尽可能少,没有庞大的侧基，大分子间无化学键,具有一定规律的化学结构和空间结构。大分子的化学结构对纤维性能有一定的影响。例如：大分子中含有共轭体系的纤维，其熔点高；含有卤素的纤维难燃；含有亲水基团的纤维吸湿性好。

织态结构

纤维是高分子物质，在空间构型上常是一个方向的长度大于其他两向长度好多倍。集合几个这样的大分子构成一个组织单元，既可能成为晶体，也可能是无定形区。大分子长度可以贯穿一个或数个晶体组织和无定形区。连接多个分子的单元组织的集合体，称做超分子，又名织态结构。纤维的各种性质和特征，既和大分子的化学结构有联系，也在较大程度上和它的超分子结构有关。表征纤维织态结构的因素有多种，重要的有：序态、结晶形态、侧序分布和取向。

序态

纤维中相邻大分子的聚集状态称为序态。这种序态可以由紊乱的无定形态直到三维有序的结晶态，两者在纤维中常同时存在。晶区由许多更小的微晶体构成，微晶体中最小的重复单位为晶胞。晶体的存在和它的特征可以从 X射线的衍射图谱中得到证实和说明。纤维中结晶与无定形的分布形态及其对纤维宏观性质的影响，是一个复杂而且尚不能十分肯定的问题，较有重要影响的学说有：

（1）两相结构：它的基本概念是一些大分子的长度可以远超过晶区或无定形区各自的长度，足够把若干个晶区和无定形区串连起来形成网络结构。粘胶人造纤维在溶液中的溶胀行为支持了这种论点，它是属于分散的晶相和连续的无定形相所组成的例子。其他纤维如棉及苎麻等则属于连续晶相和分散的无定形相的两相结构。图1 表示两相结构的两种模型，缨状微胞模型中大分子可以穿过若干晶区和无定形区，而折叠链缨状微胞模型中大分子可以折叠在一个晶区内，也可以穿过无定形区进入另一晶区折叠。连结二个晶区的分子称为缚结分子，它们的数量和形态对纤维的物理机械性质有重要的影响。

（2） 单相结构：认为实际上有一些纤维的结晶不够规整，不能视作真正的结晶，属于过渡态的蕴晶(准晶)，它们与以岛屿形式分散在无定形基质中的两相结构不同，两相不能截然分开，故称单相结构。它们的实际结晶度和密度都低于理想结晶性纤维的结晶度和密度。染料和水的吸附作用都发生在无定形区内。

结晶形态

晶区在整个纤维中的百分含量为结晶度，结晶度的大小与纤维性质有直接关系，对纤维的物理机械和热学性质影响尤大。纤维中结晶有多种不同形态(见图2 )。例如在聚酰胺、聚烯烃纤维的初生纤维中常出现球状晶。这种初生纤维经过拉伸以后,球状晶常被破坏,变成其他晶型。纤维中晶型可能是单晶，例如在聚乙烯中以折叠链状组成的单晶型；也可能是由条带状折叠链盘旋成的串晶；还可能是柱状晶。

纤维中的晶区大小并不均衡一致，常呈一定的分布。长度可由数十至一、二百埃，宽度则甚小。检测晶体的X射线衍射谱上的衍射点的宽度直接与晶区的宽度相关。

侧序分布

分子聚集成序垂直于大分子轴向的形状称为侧序。侧序最高的部分是微晶体，最低的部分是无定形。各种纤维的侧序分布都不相同。有些纤维的晶相和无定形相不能截然分离，应看作是由无定形到结晶同时存在的连续相。用这样的侧序分布图谱阐述它们的性质很容易理解。

通常测定侧序分布的方法是将试样置于逐渐增加浓度或温度的溶剂内，依次测定各物理量，如溶胀、溶解、收缩、吸附或吸收等性质的变化。凡侧序较低的部分首先受到溶剂的影响而发生相应的变化。图3 是纤维侧序分布的例子。

取向

以特定方向（如纤维轴向）为基准的纤维大分子作有序的排列状态，称为取向。纤维在成形拉伸过程中所形成的平行于轴向的取向称单轴取向，纤维的性质在平行和垂直于轴向的两个方向呈各向异性，例如偏振光在纤维上的折射率、用直接染料染色的纤维的光吸收率和声波传播速度都呈各向异性。根据光折射原理所测定的平行于纤维轴的折射率与垂直于纤维轴的折射率之差（即双折射），是表示纤维取向度的一个重要指标。薄膜则可以兼有平行和垂直于轴的双取向。

表征化学纤维性质的参数

属于形态方面的有：纤度(见支数)、截面形状、长度、卷曲和折皱、光泽；属于机械性质方面的有：断裂强度和继裂伸长度、d性模量、耐疲劳性、耐磨性;属于物理方面的有:耐热性、耐光性、导电性、难燃或抗燃性、比重；属于化学方面的有：纤维和水、酸、碱、有机溶剂以及微生物等的作用性能。各种化学纤维分子结构和织态结构不同，反映化学纤维各方面性质的参数也不相同。