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1、第三章 纤维品种,聚氨酯弹性纤维-氨纶,目录,概述聚氨酯的结构与性质氨纶原料的制备氨纶纺丝原理及工艺氨纶纤维的后加工,氨纶-概述,氨纶的学名是聚氨基甲酸酯弹性纤维。聚氨酯弹性纤维是指以聚氨基甲酸酯为主要成分的一种嵌段共聚物制成的纤维，我国简称氨纶 氨纶是指由至少85%(重量)聚氨酯链段组成的线型大分子，拉长至3倍后能快速回复到原来长度的纤维。Spandex纤维（美国）Elastane（欧洲）Neolon（日本）Dorlastan（德国）,氨纶-概述,简史聚氨酯弹性纤维最早由德国拜耳(Bayer)公司于1937年试制成功，但当时未能实现工业规模生产。1958年美国杜邦公司也研制出这种纤维，并实现
2、了工业化生产。最初的商品名为Spandex，后来更名为Lycra。60年代初聚氨酯弹性纤维的生产出现高潮，发展速度较快。60年代末及70年代，由于生产技术、成本核算、推广应用以及聚酰胺弹力丝的高速发展对聚氨酯弹性纤维市场的冲击等原因，其发展速度较为缓慢。进入80年代，随着加工技术的进步，包芯纱、包覆纱、细旦丝等新产品不断涌现，使聚氨酯弹性纤维的用途逐步扩大，进入了第二个高速发展时期。,氨纶-概述,我国氨纶工业起步较晚,1988年底,烟台氨纶厂引进日本东洋纺织株式会社干法氨纶生产技术,形成了3,200/的生产规模.1992年江苏连云港钟山氨纶有限公司也引进相同生产技术,建成相同规模的氨纶厂。19
3、96年广东鹤山又引进意大利公司500/，湿法氨纶生产技术设备。,氨纶-概述,1997年与美国杜邦公司在上海合资建成规模为2000/的氨纶装置浙江温州华峰工业集团、浙江绍兴龙山公司、郑州中原、韩国晓星(嘉兴)公司等陆续投产。2003年国内氨纶生产能力估计到会达到57000/预计到2005年,世界氨纶的生产能力将达300/左右,产量将达161/。亚洲(不包括日本)占全球氨纶需求量近一半,并且将继续较快增长。,氨纶-概述,氨纶-概述,氨纶-概述,氨纶纤维的用途应用领域：聚氨酯弹性纤维在针织或机织的弹力织物中得到广泛应用。应用形式主要有以下四种：裸丝包芯纱包覆纱合捻纱,氨纶-概述,裸丝裸丝是最早开发的
4、聚氨酯弹性纤维品种。裸丝的拉伸与回复性能好，且不用纺纱加工便可用于生产，因此具有成本低的优点。由于裸丝的摩擦系数大，滑动性差，直接用于织造织物的不多，一般适宜在针织机上与其它化纤长丝交织。主要纺织产品有：紧身衣、运动衣、护腿袜、外科用绷带和袜口、袖口等。,氨纶-概述,包芯纱以聚氨酯弹性纤维为芯纱，外包一种或几种非弹力短纤维(棉、毛、腈纶、涤纶等)纺成的纱线。芯层提供优良的弹性，外围纤维提供所需要的表面特征。例如棉包芯纱，除了弹性好以外，还保持了一般棉纱的手感和外观，其织物具有棉布的风格、手感和性能，可以制出多种棉型织物。毛包芯纱的服装面料不仅具有一般毛织物的外观和良好的保暖性，而且织物的回弹性
5、好，穿着时伸缩自如，增强了舒适感，并能显现出优美的体型。包芯纱是聚氨酯弹性纤维中应用最广泛的纱线品种。,氨纶-概述,包覆纱包覆纱又称包缠纱。它是以聚氨酯弹性纤维为芯，用合成纤维长丝或纱线以螺旋形的方式对其予以包覆而形成的弹力纱。包覆纱的手感比较硬挺，纱线较粗，织造的面料比较厚实。包覆纱又可分为单包覆纱和双包覆纱。单包覆纱是在聚氨酯弹性纤维外层包上一层长丝或纱线。由于施加于芯纱上的包覆圈数较少，在高伸长的弹性织物上有时会出现露芯现象，主要用于袜子、纬编内衣等弹力织物。双包覆纱是在聚氨酯弹性纤维外层包覆两层长丝或纱线，且两层包裹方向相反。由于外层纤维以相反的螺旋角对称包裹，纱线不用再加捻就可以达到
6、成纱弹力的平衡。双包覆纱的加工费用较高，主要用于护腿、弹力带、袜子口、连袜裤等弹力织物。,氨纶-概述,合捻纱合捻纱又称合股纱。它是在对聚氨酯弹性纤维牵伸的同时，与其它无弹性的两根纱并合加捻而成。退捻这种纱线，在使张力减弱的同时对整个纱线施加较轻的冲击，使各纱线间相对移动达稳定状态，最后导致弹性纤维进入纱芯中，其它无弹性的纱成为外包层。合捻纱多用于织造粗厚织物，如弹力劳动布、弹力单面华达呢等。优点是条干均匀，产品洁净。缺点是手感稍硬，弹性纤维有的露在外面，使染色时容易造成色差。一般不用于深色织物。,聚氨酯弹性纤维的结构与性能,1.聚氮酯弹性纤维的结构及弹性产生机理 一般的聚氨基甲酸酯均聚物并不具
7、有弹性。聚氨酯弹性纤维实际上是一种以聚氨基甲酸酯为主要成分的嵌段共聚物纤维。其结构式如下：,聚氨酯弹性纤维的结构与性能,在聚氨酯嵌段共聚物中有两种链段，即软链段和硬链段。软链段由非结晶性的聚酯或聚醚组成，玻璃化温度很低(Tg-50-70)，常温下处于高弹态，它的相对分子质量为15003500，链段长度1530nm。硬链段多采用具有结晶性且能发生横向交联的二异氰酸酯，虽然它的分子量较小(M500700)，链段短。,聚氨酯弹性纤维的结构与性能,软链段长度为硬链段的10倍左右。软链段赋予纤维的高弹性。硬链段含有多种极性基团(如脲基飞氨基甲酸酯基等)，分子间的氢键和结晶性起着大分子链间的交联作用，一方
8、面可为软链段的大幅度伸长和回弹提供必要的结点条件(阻止分子间的相对滑移)，另一方面可赋予纤维一定的强度。正是这种软硬链段镶嵌共存的结构才赋予聚氨酯纤维的高弹性和强度的统一，所以聚氨酯纤维是一种性能优良的弹性纤维。,聚氨酯弹性纤维的结构与性能,软链段可为聚醚或聚酯，又有聚醚型聚氨酯弹性纤维和聚酯型聚氨酯弹性纤维之分。如杜邦公司的Lycra、我国烟台和连云港氨纶厂的产品均属聚醚型而德国的Dorlastan和美国橡胶公司的Vyrene则属聚酯型。,聚氨酯弹性纤维的结构与性能,2.聚氨酯弹性纤维的性能 由于聚氨酯弹性纤维具有特殊的软硬镶嵌的链段结构，其纤维特点如下 线密度低：聚氨酯弹性纤维的线密度范围
9、为224778dtex，最细的可达11dtex；而最细的橡胶丝约180号(约合156dtex)。强度高：聚氨酯弹性纤维的断裂强度，湿态为0.350.88dNtex，干态为0.50.9dNtex，是橡胶丝的24倍。弹性好：聚氨酯弹性纤维的伸长率达500800，瞬时弹性回复率为90以上，与橡胶丝相差无几。,聚氨酯弹性纤维的结构与性能,耐热性较好：聚氨酯弹性纤维的软化温度约200oC，熔点或分解温度约270oC，优于橡胶丝，在化学纤维中属耐热性较好的品种吸湿性较强：橡胶丝几乎不吸湿，而在20oC、65的相对湿度下，聚氨酯弹性纤维的回潮率为1.1，虽较棉、羊毛及锦纶等小，但优于涤纶和丙纶。密度较低：聚
10、氨酯弹性纤维的密度为1.11.2gcm3，虽略高于橡胶丝，但在化学纤维中仍属较轻的纤维。染色性优良：由于聚氨酯弹性纤维具有类似海绵的性质，因此可以使用所有类型的染料染色。在使用裸丝的场合，其优越性更加明显。,聚氨酯弹性纤维的结构与性能,聚氨酯弹性纤维还具有良好的耐气候性、耐挠曲、耐磨、耐一般化学药品性等。对次氯酸钠型漂白剂的稳定性较差，推荐使用过硼酸钠、过硫酸钠等含氧型漂白剂。聚醚型的聚氨酯纤维耐水解性好；而聚酯型的聚氨酯纤维的耐碱、耐水解性稍差。,聚氨酯弹性纤维的结构与性能,聚氨酯的原料准备,一、芳香二异氰酸酯的合成生产聚氨酯弹性纤维之所以要采用芳香族的二异氰酸酯，是体现硬链段的硬度所必须的
11、。常用的芳香二异氰酸酯是2,4-甲苯二异氰酸酯(2,4-TDI)或4,4-甲撑二苯二异氰酸酯(MDI)此外，还有2,6-甲苯二异氰酸酯、l,4-苯二异氰酸酯、l,5-萘二异氰酸酯等。以合成的2,4TDI为例，,聚氨酯的原料准备,甲苯经硝化生成含80的2,4-二硝基甲苯和20的2,6-二硝基甲苯的异构混合物，该混合物再经催化还原成为相应的甲苯二胺，并与光气反应则生成2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酸酯的混合物。通过分步结晶从混合物中提纯的2,4-甲苯二异氰酸酯。,聚氨酯的原料准备,二、聚醚的制备常用的聚醚有聚氧乙烯、聚氧丙烯和多缩正丁醇等。聚醚是构成聚氨酯弹性纤维的软链段部分，其分子量
12、越大，聚合物的分子极性越小，分子链越柔软。一般将其分子量控制在15003500。氧化乙烯的聚合是采用环氧乙烷为原料，在水和碱催化剂的存在下进行的。,聚氨酯的原料准备,聚氨酯的原料准备,三、聚酯的制备 取过量的二元醇与己二酸反应，生成相对分子质晕为10005000、末端含有羟基的聚酯。常用的二元酸有：己二酸、苯二甲酸等。常用的二元醇有l,4-丁二醇、l,6-己二醇、乙二醇、1,2-丙二醇等。也可采用混合二元醇，如用乙二醇和l,2-丙二醇的混合物等。,聚氨酯的原料准备,四、聚氨酯嵌段共聚物的制备用于干法纺丝、湿法纺丝和熔体纺丝的聚氨酯嵌段共聚物都为线型结构，其合成过程一般分两步完成。第一步为预聚合
13、，即用l摩尔的聚醚或聚酯与2摩尔的芳香二异氰酸酯反应，生成分子两端含有异氰酸酪基(一NCO)的预聚物。第二步是用低分子量的含有活泼氢原子的双官能团化合物作链增长剂，如二胺、肼或二醇等，与预聚物继续反应，生成相对分子质量为2000050000的线型聚氨酯嵌段共聚物。,聚氨酯的原料准备,聚氨酯的原料准备,五、氨纶的弹性结构模型弹性纤维的基本结构是按照橡胶的经典弹性理论来设计的。聚氨酯嵌段共聚物的软链段在常温下受力后可以自由移动,分子链间作用力很弱,类似于液体分子的相互作用。,聚氨酯的原料准备,硬链段是易结晶的氨基甲酸乙酯和脲基结构，分子链间的亚氨基和羰基可形成较强的氢键结合:,聚氨酯的原料准备,氨
14、纶的弹性结构模型(伸长200%),氨纶纺丝原理及工艺,一、纺丝成形 聚氨酯弹性纤维的工业化纺丝方法有：干法纺丝湿法纺丝熔体纺丝反应纺丝等四种方法,氨纶纺丝原理及工艺,二、干法纺丝原理及工艺干法纺丝是历史上最早的化学纤维成型方法。属溶液纺丝方法。适用于某些熔点在其分解温度之上的成纤聚合物在挥发性的溶剂中能溶解而成浓溶液。干法纺丝过程中通常受到溶剂从丝条中挥发速度的限制，聚合物固化速度较慢，这就决定了干纺工艺的特点。,氨纶纺丝原理及工艺,1.干纺工艺的特点溶液的浓度高，一般达1845，相应的粘度也高，能承受更大的喷丝头拉伸(27倍)。纺丝线上丝条受到的阻力远比湿纺小，故其纺速比湿纺高，一般达300
15、600mmin，高者可达1000mmin或更高些。喷丝头孔数远比湿纺少，这是因为干法固化慢，固化前丝条易粘连，一般干纺短纤维的喷丝板孔数不超过1200孔。干法成型涉及聚合物-溶剂二元体系，因此比三元体系的湿纺简单，但比单组分体系的熔纺复杂。,氨纶纺丝原理及工艺,2.干法纺丝的基本方程 基于众多假设：体系处于稳态；纺丝线的密度与比热容为常数；纤维截面为圆形；轴向速度的径向分量v相当小；与纺丝线上切向位置相关的参数不变；热扩散与粘滞损耗可忽略不计；溶剂(丙酮)沿轴向的扩散小于径向，因此可以忽略不计；由浓 度差所引起的热传导可忽略不计；与径耐相比，沿轴向的 热传导可忽略不计；与溶剂径向扩散有关的焓变
16、可以忽 略；11.所有作用于纺丝线上的力均视为与纤维轴平行；12.从最大挤出物胀大处以下为牛顿流体；13.在喷丝头表面和最大挤出物胀大处的区间内，纺丝线上的热量和质量传递可忽略不计；14.轴向速度不随径向速度而改变，即纺丝线呈柱塞流动。,氨纶纺丝原理及工艺,方程表示溶剂在丝条内的扩散,氨纶纺丝原理及工艺,右端末项为纺丝线上热传导率的变化,氨纶纺丝原理及工艺,氨纶纺丝原理及工艺,氨纶纺丝原理及工艺,氨纶纺丝原理及工艺,三、干法纺丝的运动学和动力学,氨纶纺丝原理及工艺,四、干法纺丝中的传热和传质 干纺时，固化是由于溶剂从丝条细流中挥发的结果。这实际上与纤维状聚合物材料的干燥过程相类似。由于溶剂的挥
17、发耗费了大量的热能，所以成型过程同时取决于热量和质量交换的动力学。干纺过程溶剂的挥发干燥与丝条的细化同时发生。溶剂除去有三种机理：1.闪蒸；2.纺丝线内部的扩散；3.从纺丝线表面向周围介质的对流传质。,氨纶纺丝原理及工艺,五、干法纺丝中纤维结构的形成 干纺初生纤维中分子和微晶的取向度很低，它在纺程上通常是各向同性的纤维的微观结构、形态结构以及机械性质强烈地依赖于纺丝线和周围介质之间的传质强度以及各种浓度所控制的转变。溶剂从丝条表面蒸发的速度(E)和溶剂从丝条中心扩散到表面的速度(v)的相对大小，E/v值决定了初生纤维断面形态结构的特征。干纺纤维的截面形状还取决于纺丝液的初始浓度和固化时的浓度以
18、及纤维在甬道中的停留时间等。,六、氨纶干法纺丝成型工艺,氨纶的后加工,一、包芯纱的加工 包芯纱的品种规格多，其加工方法有环锭纺、气流纺、涡流纺、静电纺等。加工方法不同，其加工设备也有较大区别。在诸多方法中在经过改装的环锭细纱机上纺制氨纶包芯纱较普遍。改装方法是在普通的细纱机上加装氨纶丝的喂入机构以及预牵伸机构。,氨纶的后加工,二、包覆纱的加工包覆纱一般是在空心锭子纺纱机上纺制的全机共分弹力丝喂给、拉伸包覆和松弛卷取三部分。外包覆的非弹性长丝或短纤纱的线密度一般为2244dtex。用于高弹织物的包覆纱，其芯纱较粗，牵伸倍数较大，外包覆丝与芯纱成70o的包缠角进行包覆；一般中弹织物用纱的包缠角则为35o。,
