化学纤维

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化学纤维(Chemical Fiber/Chemical Fibre)

目录

什么是化学纤维[1]

  化学纤维是指用天然的或合成的高聚物为原料,经过化学和机械方法加工制造出来的纺织纤维

化学纤维的分类[2]

  (一)按原料、加工方法和组成成分不同分类

  根据原料、加工方法和组成成分的不同,化学纤维可以分为再生纤维、醋酯纤维、合成纤维和无机纤维。

  1.再生纤维

  再生纤维是以天然聚合物为原料,经化学方法和机械加工制成的、化学组成与原高聚物基本相同的化学纤维。它可以分为再生纤维素纤维再生蛋白质纤维两种。

  (1)再生纤维素纤维:是指用木材、棉短绒、蔗渣等纤维素为原料制成的结构为纤维素Ⅱ的再生纤维。目前生产的主要是粘胶纤维,此外还有铜氨纤维等。

  (2)再生蛋白质纤维:是指用酪素、大豆、花生等天然蛋白质为原料制成的再生纤维。这类纤维的物理化学性能类似于羊毛,但强度低,生产成本高,且原料本身又是食物,故发展受到限制。按照蛋白质的来源不同,再生蛋白质纤维可以分为花生纤维、乳酪纤维等。近年来市场上出现的牛奶纤维亦属此类纤维。

  2.醋酯纤维

  以天然纤维素为原料,经化学方法,转化成醋酯纤维素酯的纤维称为醋酯纤维。品种有二醋酯纤维、三醋酯纤维。纤维的化学组成与原高聚物不同,亦称为半合成纤维。

  3.合成纤维

  合成纤维是以石油、煤、天然气及一些农副产品等低分子物作为原料制成单体后,经人工合成获得的聚合物纺制成的化学纤维。

  4.无机纤维

  主要成分是无机物构成的纤维。主要有碳纤维、玻璃纤维、金属纤维,此外还有陶瓷纤维、硼纤维等。

  碳纤维是采用聚丙烯腈、粘胶长丝等原料经过高温处理,使含碳量达91]90%以上的纤维。如再增加温度,含碳量达98%以上的即为石墨纤维。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温等特性,宜于做飞机、导弹、火箭、宇宙飞船等的骨架材料,现也逐渐用于汽车和运动器材等民用工业。金属纤维早期采用金属钢、铜、铅、钨或其他合金拉细成金属丝或延压成片,然后切成条状而制成。现已采用熔体纺丝法制取。表面镀有金属的化学纤维也称为金属纤维,如金银丝。金属纤维因密度大、质硬、易生锈,不宜作衣着材料,仅作为装饰,增加织物光彩。在工业上用作轮胎帘子线、带电工作服和电工材料,不锈钢丝多用作过滤材料

  玻璃纤维的主要成分是铝、钙、镁、硼等的硅酸盐混合物。玻璃纤维强度很高,但抗弯性能差、易脆折;它的吸湿能力差,几乎不吸湿;密度大;化学稳定性好;电绝缘性优良;耐热和绝热性也好。玻璃纤维在工业中可用作绝缘、耐热和绝热以及过滤等材料。玻璃纤维还可以作为复合制品的骨架材料。民用中,玻璃纤维常用以织制贴墙布、窗纱等。

  (二)按形态结构分类

  按照化学纤维的形态特征,可以分成长丝短纤维两大类。按照化学纤维的截面形态和结构,又可分为异形纤维复合纤维。按纤维粗细还可分为粗特、细特、超细纤维等。

  1.长丝

  化学纤维加工得到的连续丝条,不经过切断工序的称为长丝。长丝又可分成单丝复丝与变形丝。单丝中只有一根纤维,用于加工细薄织物或针织物,如透明袜、面纱巾等;复丝中包括多根单丝,一般用于织造的长丝,大多为复丝。经过变形加工的化学纤维称为变形丝或弹力丝,由于加工方法不同,变形丝分为捻回丝和非捻回丝两种。捻回性变形丝呈规则的螺旋形,以假捻法加工为主;非捻回性变形丝呈波形、圈形及各种不规则的卷曲形,常见的变形丝如高弹锦纶丝、丙纶弹力丝、低弹涤纶丝等。

  2.短纤维

  化纤在纺丝后加工中可以切断成各种长度规格的短纤维,长度基本相等的称为等长纤维,长度形成一个分布的称为不等长纤维。一般棉型化纤都是等长的,一部分毛型化纤采用牵切法加工成不等长纤维,使加工得到的产品更具有毛型的风格。

  3.复合纤维

  在化学纤维的横截面上具有两种或两种以上的组分或成分的纤维称为复合纤维。复合纤维的种类很多,常用的是双组分复合纤维,两个组分并列的叫并列型或双侧型复合纤维,这种纤维具有良好的卷曲性能,两个组分成皮芯型结构的叫皮芯复合纤维,皮芯复合纤维可以产生多种效应,如改善染色性、耐磨性和橡胶的黏附性等。两种组分在截面中呈分散状的称为海岛型复合纤维。

  4.异形纤维

  用非圆形喷丝板加工的非圆形截面的纤维称为异形纤维,还有异形并且中空的异形纤维,如三角形、三叶形、三角中空纤维等,用圆形喷丝板加工的圆形截面纤维经过异形化处理亦得到异形纤维。用圆形喷丝板经过湿法纺丝得到的纤维,有时截面形状亦为非圆形,例如粘胶纤维、醋酯纤维、维纶纤维等,这些纤维通常不包括在异形纤维之内。

  5.粗、细、超细纤维

  粗特纤维一般指单丝线密度在1.1tex或1.65tex以上的纤维,可用于普通纺丝法加工或用裂膜法制造丙纶粗特纤维等,用以制造低档织物或地毯等,可降低原料成本。单纤维线密度小于0.044tex的纤维称为超细纤维,线密度大于0.044tex而小于0.1ltex的纤维称为细特纤维。超细纤维组成的长丝称为超复丝,细特纤维组成的长丝称为高复丝。超细纤维采用常规纺丝改进法或特种纺丝加工,大多制造人造麂皮,细旦纤维大多用于制仿丝绸类织物。

化学纤维的优缺点[3]

  化学纤维的优点是强力大j耐磨、弹性较好,不易发霉和被蛀,耐用性好,保形性好,不易缩水变形。

  其缺点是吸湿性差、耐热性差、透气性差、染色困难,容易起毛、起球、吸附尘埃、产生静电,因而穿着不舒适,尤其是夏服有闷热感。涤纶、锦纶、丙纶等纤维还有熔孔性,其织物极易被火星、烟头熔成孔洞。只有粘胶纤维与天然纤维相似,吸湿、透气,但强度低、易变形。

化学纤维的发展概述[4]

  1884年,法国率先研制成功硝酸纤维,为人类历史上第一次开辟了人工制造纤维的道路。1891年,美国人发明了粘胶纤维并于1905年实现工业化生产。1938年粘胶纤维占到整个纺织纤维数量的1l%左右。之后,又相继出现了以纤维素或蛋白质等天然的高分子化合物为原料的铜氨纤维、醋酯纤维、人造蛋白质纤维等化学纤维的生产。1939年,第一个用合成高分子化合物为原料纺丝的合成纤维——化学纤维锦纶66在美国实现了工业化生产。20世纪50年代后期,合成纤维的原料从煤转向石油、天然气后,发展更迅猛,一系列合成纤维如腈纶、维纶、涤纶、丙纶等都先后研制成功并投人工业化生产。

  20世纪60年代以后,石油化工的发展促进了化学纤维工业的发展,形成了以聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维和聚丙烯纤维为主的四大化纤品种,其年产量已超过天然纤维。现在,化学纤维成为社会经济发展中的重要物质资源

化学纤维发展的展望[5]

  (一)化学纤维作为传统材料在全球经济中仍将占有重要地位

  一百多年来世界化学纤维获得了巨大的发展,粘胶、聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈和聚丙烯等几个传统大品种,曾于20世纪化纤大舞台上领尽风骚。虽然如今谈到化纤工业,往往将它与“夕阳工业”联系在一起,但化学纤维作为一种传统材料,与国民经济密切相关,其未来的前景依然被大多数专家看好。

  著名材料科学家师昌绪院士指出,凡是传统材料,往往与国民经济支柱产业密不可分。例如,钢铁曾是衡量一个国家实力的重要标志。虽然人类已进入信息时代,但今天在一些工业发达国家,仍然将它视为支柱产业。因为钢具有不可代替的优良性能,其价格又比较低廉。合成纤维、树脂、塑料、橡胶在国民经济中具有非常重要的位置,而且逐年增加,这些都属于传统产业。此外,机械制造、造船、机车等都是以钢铁及其他传统材料为基础的,所以传统材料是国民经济的基础,不可小视。著名化学纤维专家郁铭芳院士认为,化纤工业是为纺织工业提供重要原料的基础工业。由于天然纤维的发展受到客观条件的限制,因此化学纤维的发展同解决各国人民的穿衣问题和提高人民生活水平关系十分密切。另外,纤维材料具有其他材料不能替代的特征。因此在21世纪,化学纤维及其工业将更加兴旺发达。进入21世纪以来的事实,已经完全证实了专家们的预言。

  20世纪90年代,当世界上最早的聚丙烯腈纤维生产厂商——杜邦公司做出了退出聚丙烯腈纤维业务的决定后,著名聚丙烯腈纤维专家FilionA.Gadecki曾经明确指出:“可以预料,只要人们需要羊毛的性能和外观,聚丙烯腈纤维的商品化生产仍将延续下去。”今天,同样可以肯定,由于化学纤维品种繁多,各有特性,它不仅在数量上可补充天然纤维的不足,而且是高新技术发展与进步不可或缺的材料。因此,世界离不开化学纤维,化学纤维必将继续发展。

  (二)化学纤维的发展将更加依靠科技创新

  自20世纪90年代起,世界化学纤维工业进入成熟期,许多常规品种的市场竞争十分激烈,经济效益迅速下降。面对这种局面,有些生产商相继退出了化学纤维市场。有些大公司则转向高新技术开发,化纤新产品已走入了以差别化纤维功能纤维高性能纤维等附加值高的第二代化学纤维为主导的新纤维时代。大量化纤新产品的问世,不但为这些企业带来了可观的经济效益,而且使化纤的用途不断拓宽,成为许多高新技术不可或缺的组成部分。当前,世界化学纤维及其生产技术面临着新的机遇与挑战,化学纤维正在朝以下几个方向发展。

  (1)纤维的性能由高性能纤维、功能纤维向多功能纤维和结构功能化纤维方向发展。具有优异的光、电、磁、生物等性能的多功能纤维以及兼具高性能与功能的纤维,能够更好地满足信息能源、国防以及生命技术领域的要求。

  (2)纤维的尺寸向越来越小的方向发展。特别是具有优良微纤效应、力学性能、电学性能等的纳米纤维,在高性能及功能纺织品、储氢材料、过滤阻隔材料、生物组织材料及光电材料等领域具有广泛的应用,因此受到世界各国的高度重视。

  (3)纤维的层次由被动向主动方向发展。过去的功能纤维只能机械地进行输入/输出的响应,因此是一种被动性材料。智能纤维由于引入了仿生功能,从无生命变得有了“感觉”和“知觉”,因此达到了更高的层次。它可以主动地针对一定范围的各种输入信号进行判断,自动适应环境的变化,并且自行解决问题,因此被称为第三代化学纤维。

  要实现这些发展目标,必须依靠高新技术的发展,特别是依靠科技创新。回顾世界化学纤维的发展史,正是一部依靠科技创新不断开发新技术和新产品的历史。回顾我国化纤工业的发展历程,科技进步也一直是主线。对世界化纤生产技术的大量引用和自主开发,使我国的化纤工业从无到有,一跃成为世界第一化纤生产大国,并且涌现了大豆蛋白/聚乙烯醇复合纤维、竹纤维等一批具有自主知识产权的新品种。今后,无论是世界还是我国的化学纤维,必将更加依靠科技创新。

  当前世界化学纤维领域的一些创新性研究,尤其应该引起我们注意。

  1.纤维科学与生命科学的交叉

  2.纤维技术与纳米技术的结合

  3.纤维科学与信息科学的融合

  (三)化学纤维原料将注意摆脱对石油的依赖

  合成纤维有诸多优点,已在现代纺织世界中占据应有的位置,这是无须争辩的事实。但另一个无须争辩的事实是,合成纤维的原料以煤化工和石油工业为基础,而煤化工和石油工业仅有小一部分原料可以用于生产合成纤维。即使这一小部分资源,也不是可以无限制地使用下去。20世纪50年代,石油化工的迅速发展,为合成纤维提供了大量廉价的基本原料,因此世界各国合成纤维的原料纷纷转移到石油化工产品,从而促进了合成纤维的大发展。目前,合成纤维的原料中间体主要来自石油化工。但石油作为一种不可再生资源,有人估计其可开采年限大约只有50年。目前世界石油需求以每年2%增长,假如不转变现有石油消费的方式,石油危机达到顶峰是迟早的事情。因此,纤维科学家将不得不为合成纤维寻找新的资源,以摆脱对石油的依赖。

  事实上,在欧美发达国家对这类问题已开始进行大量的研究。其中一个重要的方向就是利用可再生的天然高分子。目前,地球上可再生的天然高分子,例如纤维素、淀粉、甲壳素和蛋白质等的总量达107~184t/a。而且只要地球上有生命,这些天然高分子就可以通过太阳能、水和二氧化碳不断生产出来。因此是一种取之不尽、用之不竭的资源。其广泛使用不仅将扩大化学纤维的原料来源,缓解对石油的依赖,而且可使制得的纤维具有环境友好的特征,可以生物降解和循环再生,从而克服有些合成纤维造成的“白色污染”问题。

  从20世纪90年代起,欧美国家已加强了对纤维素的研究,开发并且大规模生产了Lyocell纤维。20世纪初期已经问世的各种再生蛋白质纤维,近年来重新受到青睐。尽管甲壳素及其衍生物纤维的产量很小,但其研究和开发的历史可以追溯至20世纪20年代。以淀粉为原料的

  聚乳酸经过多年的研究,制备技术不断发展,已从早期的医用材料,发展到现在建立起年产140kt的生产线,并且在性能上聚乳酸纤维与聚酯等常规纤维相当接近。这些都为以资源可再生的天然高分子替代石油作为化学纤维原料奠定了基础。如何充分利用该资源,是纤维科学家面临的重要任务之一。

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参考文献

  1. 汪秀琛主编.第二章 服用纤维的概述 服装材料基础与应用.中国轻工业出版社,2012.02.
  2. 张萍主编.第四章 化学纤维 纺织材料学.中国轻工业出版社,2008.9.
  3. 劳动和社会保障部中国就业培训技术指导中心组织编著.第三篇 营业员国家职业资格培训教程 国家职业资格培训教程营业员.中国商业出版社,2003.11.
  4. 何志贵主编.第三章 化学纤维 纺织材料标准手册.中国标准出版社,2009.12.
  5. 沈新元主编.第一章 化学纤维概论 化学纤维手册.中国纺织出版社,2008.9.
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