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化学纤维

化学纤维是用天然高分子化合物或人工合成的高分子化合物为原料,经过制备纺丝原液纺丝和后处理等工序制得的具有纺织性能的纤维。

纤维的长短、粗细、白度、光泽等性质可以在生产过程中加以调节。并分别具有耐光、耐磨、易洗易干、不霉烂、不被虫蛀等优点。广泛用于制造衣着织物滤布运输带水龙带绳索渔网、电绝缘线、医疗缝线、轮胎帘子布降落伞等。一般可将高分子化合物制成溶液或熔体,从喷丝头细孔中压出,再经凝固而成纤维。产品可以是连绵不断的长丝、截成一定长度的短纤维或未经切断的丝束等。化学纤维的商品名称,中国暂行规定合成短纤维一律名“”(例如,锦纶涤纶),纤维素短纤维一律名“纤”(例如,粘纤、铜氨纤),长丝则在末尾加一“”字,或将“纶”、“纤”、改为“丝”。

(一)再生纤维

再生纤维的生产是受了蚕吐丝的启发,用纤维素和蛋白质等天然高分子化合物为原料,经化学加工制成高分子浓溶液,再经纺丝和后处理而制得的纺织纤维

1.再生纤维素纤维 用天然纤维素为原料的再生纤维,由于它的化学组成和天然纤维素相同而物理结构已经改变,所以称再生纤维素纤维。

粘胶纤维是以天然棉短绒、木材为原料制成的,它具有以下几个突出的优点。

(1)手感柔软光泽好,粘胶纤维像棉纤维一样柔软,丝纤维一样光滑。

(2)吸湿性、透气性良好,粘胶纤维的基本化学成份与棉纤维相同,因此,它的一些性能和棉纤维接近,不同的是它的吸湿性与透气性比棉纤维好,可以说它是所有化学纤维中吸湿性与透气性最好的一种。

(3)染色性能好,由于粘胶纤维吸湿性较强,所以粘胶纤维比棉纤维更容易上色,色彩纯正、艳丽,色谱也最齐全。

粘胶纤维最大的缺点是湿牢度差,弹性也较差,织物易折皱且不易恢复;耐酸、耐碱性也不如棉纤维。

2.富强纤维 俗称虎木棉、强力人造棉。它是变性的粘胶纤维。

富强纤维同普通粘胶纤维(即人造棉、人造毛、人造丝)比较起来,有以下几个主要特点:

(1)强度大,也就是说富强纤维织物比粘胶纤维织物结实耐穿。

(2)缩水率小,富强纤维的缩水率是粘胶纤维的一半。

(3)弹性好,用富强纤维制做的衣服比较板整,耐折皱性比粘胶纤维好。

(4)耐碱性好,由于富强纤维的耐碱性比粘胶纤维好,因此富强纤维织物在洗涤中对肥皂等洗涤剂的选择就不像粘胶纤维那样严格。

(二)合成纤维

合成纤维是由合成的高分子化合物制成的,常用的合成纤维有涤纶、锦纶、腈纶、氯纶、维纶、氨纶、聚烯烃弹力丝等

1.涤纶 涤纶的学名叫聚对苯二甲酸乙二酯,简称聚酯纤维。涤纶是中国的商品名称,国外有称“大可纶”,“特利纶”,“帝特纶”等。

涤纶由于原料易得、性能优异、用途广泛、发展非常迅速,产量已居化学纤维的首位。涤纶的最大特点是质量稳定、强度和耐磨性较好,由它制造的面料挺括、不易变形,涤纶的耐热性也是较强的;具有较好的化学稳定性,在正常温度下,都不会与弱酸、弱碱、氧化剂发生作用。

缺点是吸湿性极差,由它纺织的面料穿在身上发闷、不透气。另外,由于纤维表面光滑,纤维之间的抱合力差,经常摩擦之处易起毛、结球。

2.锦纶 锦纶是中国的商品名称,它的学名叫聚酰胺纤维;有锦纶-66,锦纶-1010,锦纶-6等不同品种。锦纶在国外的商品名又称“尼龙”,“耐纶”,“卡普纶”,“阿米纶”等。锦纶是世界上最早的合成纤维品种,由于性能优良,原料资源丰富,因此一度是合成纤维产量最高的品种。直到1970年以后,由于聚酯纤维的迅速发展,才退居合成纤维的第二位。

锦纶的最大特点是强度高、耐磨性好。

锦纶的缺点与涤纶一样,吸湿性和通透性都较差。在干燥环境下,锦纶易产生静电,短纤维织物也易起毛、起球。锦纶的耐热、耐光性都不够好,熨烫承受温度应控制在140℃以下。此外,锦纶的保形性差,用其做成的衣服不如涤纶挺括,易变形。但它可以随身附体,是制做各种体形衫的好材料。

3.腈纶 腈纶是国内的商品名称,其学名为聚丙烯腈纤维。国外又称“奥纶”,“考特尔”,“德拉纶”等。

腈纶的外观呈白色、卷曲、蓬松、手感柔软,酷似羊毛,多用来和羊毛混纺或作为羊毛的代用品,故又被称为“合成羊毛”。腈纶的吸湿性不够好,但润湿性却比羊毛、丝纤维好。它的耐磨性是合成纤维中较差的,腈纶纤维的熨烫承受温度在130℃以下。

4.维纶 维纶的学名为聚乙烯醇缩甲醛纤维。国外又称“维尼纶”,“维纳尔”等。

维纶洁白如雪,柔软似棉,因而常被用作天然棉花的代用品,人称“合成棉花”。维纶的吸湿性能是合成纤维中吸湿性能最好的。另外,维纶的耐磨性、耐光性、耐腐蚀性都较好。

5.氯纶 氯纶的学名为聚氯乙烯纤维。国外有“天美龙”,“罗维尔”之称。

氯纶的优点较多,耐化学腐蚀性强;导热性能比羊毛还差,因此,保温性强;电绝缘性较高,难燃。

氯纶的缺点也比较突出,即耐热性极差。

6.氨纶 氨纶的学名为聚氨酯弹性纤维,国外又称“莱克拉”,“斯潘齐尔”等。它是一种具有特别的弹性性能的化学纤维,已工业化生产,并成为发展最快的一种弹性纤维。

氨纶弹性优异。而强度比乳胶丝高2~3倍,线密度也更细,并且更耐化学降解。氨纶的耐酸碱性、耐汗、耐海水性、耐干洗性、耐磨性均较好。

氨纶纤维一般不单独使用,而是少量地掺入织物中,如与其它纤维合股或制成包芯纱,用于织制弹力织物。

7. 聚烯烃弹力纤维,聚烯烃弹力纤维是采用热塑性弹性体经熔融纺丝而成的,能耐220℃的高温,具有耐氯漂及强酸强碱处理,具有较强的抗紫外线降解等特性的新型弹力丝。

(1)长丝:化学纤维加工中不切断的纤维。长丝又分为单丝和复丝。

单丝:只有一根丝,透明、均匀、薄。

复丝:几根单丝并合成丝条。

(2)短纤维:化学纤维在纺丝后加工中可以切断成各种长度规格的纤维。

(3)异形纤维:改变喷丝头形状而制得的不同截面或空心的纤维。

①、改变纤维弹性,抱合性与覆盖能力,增加表面积,对光线的反射性增强。

②、特殊光泽。如五叶形、三角形。

③、质轻、保暖、吸湿性好。如中空。

④、减少静电。

⑤、改善起毛、起球性能,提高纤维摩擦系数,改善手感。

(4)复合纤维:将两种或两种以上的聚合体,以熔体或溶液的方式分别输入同一喷丝头,从同一纺丝孔中喷出而形成的纤维。又称为双组分或多组分纤维。复合纤维一般都具有三度空间的立体卷曲,体积高度蓬松,弹性好,抱合好,覆盖能力好。特点是:

①、结构不均匀。

②、组分不均匀。

③、膨胀不均匀。

(5)变形丝:经过变形加工的化纤纱或化纤丝。

①、高弹涤纶丝:利用合纤的热塑性加工,50~300-的伸长率。

②、低弹涤纶丝:伸长率控制在35-以下。

③、腈纶膨体纱;利用腈纶的热弹性。热拉伸高收缩,收缩可达45~53-,与低收缩纤维混合纺纱,经蒸汽处理。

(1)普通纤维:再生纤维与合成纤维。

(2)特种纤维:耐高温纤维、高强力纤维、高模量纤维、耐辐射纤维。

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。

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。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。

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、弹性模量、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。

人造纤维的短纤维一律叫“纤”(如粘纤、富纤),合成纤维的短纤维一律叫“纶”(如锦纶、涤纶)。如果是长纤维,就在名称末尾加“丝”或“长丝”(如粘胶丝、涤纶丝、腈纶长丝)。

化学纤维的制备,通常是先把天然的或合成的高分子物质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,必须经过一系列后加工工序才能符合纺织加工和使用要求。后加工主要针对纤维进行拉伸和热定形,以提高纤维的力学性能和尺寸稳定性。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、切断和打包等工序。用来生产纺织品的原料中,以、麻、、毛(羊毛)的历史最悠久。但是天然资源毕竟有限,棉花的产量约有50千克/公顷,养吐丝也要种桑树,增产羊毛则要发展畜牧业。因此,化学家开始研究,利用价格更便宜、来源更丰富的原料来纺纱织布,它们便是化学纤维。

随着全球化纤生产进一步向中国转移,中国已经成为世界最大的化纤生产国。中国化纤产量占据全球总量的60-以上。我国化纤工业持续快速发展,综合竞争力明显提高,全面完成了规划的各项目标任务,有力推动和支撑了纺织工业和相关产业的发展,在世界化纤产业中的地位与作用进一步提升。

2012年,我国化纤产量累计为3876.2万吨,同比增加500.2万吨,增长14.82-。化纤及其制品已经形成完整的产业配套基础,国际市场竞争优势明显。

2013年,我国化纤行业实现利润总额259.8亿元,同比增长18.3-。行业平均利润率为3.6-,比2012年提高0.3个百分点。2013年化纤产量继续保持增长,全年共完成产量4122万吨,同比增长7.9-。其中,涤纶3341万吨,同比增长6.6-,增速下降了2.8个百分点;氨纶产量增长最快,增速达27.3-。2014年化纤行业利润总额277.30亿元,同比增长6.7-。2012-2014年利润总额持续增长。2014年化纤行业毛利率10.06-。2010-2014年我国化纤行业毛利率增长较平稳,起伏波动较小。

据中国产业调研网发布的中国化纤行业现状调研及未来发展趋势分析报告(2016-2020)显示,“十三五”期间,随着世界经济的复苏和发展,在国际纺织品服装市场需求继续保持增长趋势的带动下,化纤工业作为纺织品服装的原料产业也将继续保持增长态势,我国化纤及其制品凭借较为明显的国际竞争优势,国际市场还有继续扩大的空间。

同时,随着国内人民生活水平进一步改善和全面建设小康社会进程的加快推进,也将直接拉动化纤产品消费的增加。由此可见,未来我国化纤行业前景依然看好。

国家在1978年发行《化学纤维》特种邮票从几个侧面反映了中国自1949年以来30年间化纤工业的成就。

第一图:《原料》。主图是一个原液釜,背景为相应的厂房和设施剪影,各种原料通过一系列复杂的化学变化,在原液釜中形成具有一定粘度的原液,最后脱去气泡并进行过滤,供下步抽丝使用。

第二图:《抽丝》。主图为喷丝头喷出的细丝被“品”字形的收集辊收集和卷绕。背景是抽丝车间的剪影。

第三图:《纺织》。丝束经过牵伸,再经过以纱锭和织梭图案为代表的纺织加工工艺,就成为经、纬纱分明的坯布。背景上锯齿形的厂房,便是纺织车间。

第四图:《印染》。主图是红、黄、蓝三个长方形色块,代表三种原色,经过染色或印花,白色的坯布就变成五彩缤纷的色布或花布。

第五图:《成品》。图案中,花色精美的布匹堆满货架,一套鲜艳的衣裙已赫然成形。至此,化纤纺织品的工艺流程结束。

邮票按化学纤维纺织品生产的工艺过程,用连续的图案描绘了中国化纤工业所达到的水平,这在中国邮票史上还是第一次。主流程线条粗犷有力,简洁地勾勒出具有代表性的图案,背景处理也恰到好处,取舍得当,起到很好的补充和烘托作用。深暗宁静的背景底色与鲜明有力的主图色调相互配合,具有较强的概括力和装饰效果,各枚邮票均不用边框,加强了图案的连续性,使整套邮票浑然一体。

化学纤维5连印 用天然的或合成的高分子化合物做原料,经过化学方法加工而得的一切纤维,总称化学纤维。新中国成立初期,中国只有一家化纤厂丹东化纤厂,年产粘胶纤维230吨。20世纪50年代末,中国才第一次从民主德国引进了一套化纤设备,建成了年产6000吨的保定化纤厂,并相继又自己设计建成了南京、杭州等一批人造纤维厂。20世纪60年代,中国主要发展粘胶纤维(即人造纤维),合成纤维发展较慢,只有兰州从国外引进了人造毛生产设备,保定从日本引进了维尼纶生产设备。从20世纪70年代开始,中国化纤工业进入全面发展时期。国家投资100亿元,引进了四套大化纤生产线,建起了上海金山石化总厂、辽阳石油化纤公司等大型化纤企业。进入20世纪80年代后,中国又建成了仪征化纤联合公司。到1986年,中国已成为世界化纤生产大国,产量突破100万吨,居世界第四位,化纤生产的发展速度,在世界上也是首屈一指的。

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