化學纖維

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化學纖維(Chemical Fiber/Chemical Fibre)

目錄

什麼是化學纖維[1]

  化學纖維是指用天然的或合成的高聚物為原料,經過化學和機械方法加工製造出來的紡織纖維

化學纖維的分類[2]

  (一)按原料、加工方法和組成成分不同分類

  根據原料、加工方法和組成成分的不同,化學纖維可以分為再生纖維、醋酯纖維、合成纖維和無機纖維。

  1.再生纖維

  再生纖維是以天然聚合物為原料,經化學方法和機械加工製成的、化學組成與原高聚物基本相同的化學纖維。它可以分為再生纖維素纖維再生蛋白質纖維兩種。

  (1)再生纖維素纖維:是指用木材、棉短絨、蔗渣等纖維素為原料製成的結構為纖維素Ⅱ的再生纖維。目前生產的主要是粘膠纖維,此外還有銅氨纖維等。

  (2)再生蛋白質纖維:是指用酪素、大豆、花生等天然蛋白質為原料製成的再生纖維。這類纖維的物理化學性能類似於羊毛,但強度低,生產成本高,且原料本身又是食物,故發展受到限制。按照蛋白質的來源不同,再生蛋白質纖維可以分為花生纖維、乳酪纖維等。近年來市場上出現的牛奶纖維亦屬此類纖維。

  2.醋酯纖維

  以天然纖維素為原料,經化學方法,轉化成醋酯纖維素酯的纖維稱為醋酯纖維。品種有二醋酯纖維、三醋酯纖維。纖維的化學組成與原高聚物不同,亦稱為半合成纖維。

  3.合成纖維

  合成纖維是以石油、煤、天然氣及一些農副產品等低分子物作為原料製成單體後,經人工合成獲得的聚合物紡製成的化學纖維。

  4.無機纖維

  主要成分是無機物構成的纖維。主要有碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維,此外還有陶瓷纖維、硼纖維等。

  碳纖維是採用聚丙烯腈、粘膠長絲等原料經過高溫處理,使含碳量達91]90%以上的纖維。如再增加溫度,含碳量達98%以上的即為石墨纖維。碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫等特性,宜於做飛機、導彈、火箭、宇宙飛船等的骨架材料,現也逐漸用於汽車和運動器材等民用工業。金屬纖維早期採用金屬鋼、銅、鉛、鎢或其他合金拉細成金屬絲或延壓成片,然後切成條狀而製成。現已採用熔體紡絲法制取。錶面鍍有金屬的化學纖維也稱為金屬纖維,如金銀絲。金屬纖維因密度大、質硬、易生鏽,不宜作衣著材料,僅作為裝飾,增加織物光彩。在工業上用作輪胎帘子線、帶電工作服和電工材料,不鏽鋼絲多用作過濾材料

  玻璃纖維的主要成分是鋁、鈣、鎂、硼等的硅酸鹽混合物。玻璃纖維強度很高,但抗彎性能差、易脆折;它的吸濕能力差,幾乎不吸濕;密度大;化學穩定性好;電絕緣性優良;耐熱和絕熱性也好。玻璃纖維在工業中可用作絕緣、耐熱和絕熱以及過濾等材料。玻璃纖維還可以作為複合製品的骨架材料。民用中,玻璃纖維常用以織制貼牆布、窗紗等。

  (二)按形態結構分類

  按照化學纖維的形態特征,可以分成長絲短纖維兩大類。按照化學纖維的截面形態和結構,又可分為異形纖維複合纖維。按纖維粗細還可分為粗特、細特、超細纖維等。

  1.長絲

  化學纖維加工得到的連續絲條,不經過切斷工序的稱為長絲。長絲又可分成單絲復絲與變形絲。單絲中只有一根纖維,用於加工細薄織物或針織物,如透明襪、面紗巾等;復絲中包括多根單絲,一般用於織造的長絲,大多為復絲。經過變形加工的化學纖維稱為變形絲或彈力絲,由於加工方法不同,變形絲分為捻回絲和非捻回絲兩種。捻回性變形絲呈規則的螺旋形,以假捻法加工為主;非捻回性變形絲呈波形、圈形及各種不規則的卷曲形,常見的變形絲如高彈錦綸絲、丙綸彈力絲、低彈滌綸絲等。

  2.短纖維

  化纖在紡絲後加工中可以切斷成各種長度規格的短纖維,長度基本相等的稱為等長纖維,長度形成一個分佈的稱為不等長纖維。一般棉型化纖都是等長的,一部分毛型化纖採用牽切法加工成不等長纖維,使加工得到的產品更具有毛型的風格。

  3.複合纖維

  在化學纖維的橫截面上具有兩種或兩種以上的組分或成分的纖維稱為複合纖維。複合纖維的種類很多,常用的是雙組分複合纖維,兩個組分併列的叫併列型或雙側型複合纖維,這種纖維具有良好的卷曲性能,兩個組分成皮芯型結構的叫皮芯複合纖維,皮芯複合纖維可以產生多種效應,如改善染色性、耐磨性和橡膠的黏附性等。兩種組分在截面中呈分散狀的稱為海島型複合纖維。

  4.異形纖維

  用非圓形噴絲板加工的非圓形截面的纖維稱為異形纖維,還有異形並且中空的異形纖維,如三角形、三葉形、三角中空纖維等,用圓形噴絲板加工的圓形截面纖維經過異形化處理亦得到異形纖維。用圓形噴絲板經過濕法紡絲得到的纖維,有時截面形狀亦為非圓形,例如粘膠纖維、醋酯纖維、維綸纖維等,這些纖維通常不包括在異形纖維之內。

  5.粗、細、超細纖維

  粗特纖維一般指單絲線密度在1.1tex或1.65tex以上的纖維,可用於普通紡絲法加工或用裂膜法製造丙綸粗特纖維等,用以製造低檔織物或地毯等,可降低原料成本。單纖維線密度小於0.044tex的纖維稱為超細纖維,線密度大於0.044tex而小於0.1ltex的纖維稱為細特纖維。超細纖維組成的長絲稱為超復絲,細特纖維組成的長絲稱為高復絲。超細纖維採用常規紡絲改進法或特種紡絲加工,大多製造人造麂皮,細旦纖維大多用於制仿絲綢類織物。

化學纖維的優缺點[3]

  化學纖維的優點是強力大j耐磨、彈性較好,不易發黴和被蛀,耐用性好,保形性好,不易縮水變形。

  其缺點是吸濕性差、耐熱性差、透氣性差、染色困難,容易起毛、起球、吸附塵埃、產生靜電,因而穿著不舒適,尤其是夏服有悶熱感。滌綸、錦綸、丙綸等纖維還有熔孔性,其織物極易被火星、煙頭熔成孔洞。只有粘膠纖維與天然纖維相似,吸濕、透氣,但強度低、易變形。

化學纖維的發展概述[4]

  1884年,法國率先研製成功硝酸纖維,為人類歷史上第一次開闢了人工製造纖維的道路。1891年,美國人發明瞭粘膠纖維並於1905年實現工業化生產。1938年粘膠纖維占到整個紡織纖維數量的1l%左右。之後,又相繼出現了以纖維素或蛋白質等天然的高分子化合物為原料的銅氨纖維、醋酯纖維、人造蛋白質纖維等化學纖維的生產。1939年,第一個用合成高分子化合物為原料紡絲的合成纖維——化學纖維錦綸66在美國實現了工業化生產。20世紀50年代後期,合成纖維的原料從煤轉向石油、天然氣後,發展更迅猛,一系列合成纖維如腈綸、維綸、滌綸、丙綸等都先後研製成功並投人工業化生產。

  20世紀60年代以後,石油化工的發展促進了化學纖維工業的發展,形成了以聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維和聚丙烯纖維為主的四大化纖品種,其年產量已超過天然纖維。現在,化學纖維成為社會經濟發展中的重要物質資源

化學纖維發展的展望[5]

  (一)化學纖維作為傳統材料在全球經濟中仍將占有重要地位

  一百多年來世界化學纖維獲得了巨大的發展,粘膠、聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈和聚丙烯等幾個傳統大品種,曾於20世紀化纖大舞臺上領盡風騷。雖然如今談到化纖工業,往往將它與“夕陽工業”聯繫在一起,但化學纖維作為一種傳統材料,與國民經濟密切相關,其未來的前景依然被大多數專家看好。

  著名材料科學家師昌緒院士指出,凡是傳統材料,往往與國民經濟支柱產業密不可分。例如,鋼鐵曾是衡量一個國家實力的重要標誌。雖然人類已進入信息時代,但今天在一些工業發達國家,仍然將它視為支柱產業。因為鋼具有不可代替的優良性能,其價格又比較低廉。合成纖維、樹脂、塑料、橡膠在國民經濟中具有非常重要的位置,而且逐年增加,這些都屬於傳統產業。此外,機械製造、造船、機車等都是以鋼鐵及其他傳統材料為基礎的,所以傳統材料是國民經濟的基礎,不可小視。著名化學纖維專家鬱銘芳院士認為,化纖工業是為紡織工業提供重要原料的基礎工業。由於天然纖維的發展受到客觀條件的限制,因此化學纖維的發展同解決各國人民的穿衣問題和提高人民生活水平關係十分密切。另外,纖維材料具有其他材料不能替代的特征。因此在21世紀,化學纖維及其工業將更加興旺發達。進入21世紀以來的事實,已經完全證實了專家們的預言。

  20世紀90年代,當世界上最早的聚丙烯腈纖維生產廠商——杜邦公司做出了退出聚丙烯腈纖維業務的決定後,著名聚丙烯腈纖維專家FilionA.Gadecki曾經明確指出:“可以預料,只要人們需要羊毛的性能和外觀,聚丙烯腈纖維的商品化生產仍將延續下去。”今天,同樣可以肯定,由於化學纖維品種繁多,各有特性,它不僅在數量上可補充天然纖維的不足,而且是高新技術發展與進步不可或缺的材料。因此,世界離不開化學纖維,化學纖維必將繼續發展。

  (二)化學纖維的發展將更加依靠科技創新

  自20世紀90年代起,世界化學纖維工業進入成熟期,許多常規品種的市場競爭十分激烈,經濟效益迅速下降。面對這種局面,有些生產商相繼退出了化學纖維市場。有些大公司則轉向高新技術開發,化纖新產品已走入了以差別化纖維功能纖維高性能纖維等附加值高的第二代化學纖維為主導的新纖維時代。大量化纖新產品的問世,不但為這些企業帶來了可觀的經濟效益,而且使化纖的用途不斷拓寬,成為許多高新技術不可或缺的組成部分。當前,世界化學纖維及其生產技術面臨著新的機遇與挑戰,化學纖維正在朝以下幾個方向發展。

  (1)纖維的性能由高性能纖維、功能纖維向多功能纖維和結構功能化纖維方向發展。具有優異的光、電、磁、生物等性能的多功能纖維以及兼具高性能與功能的纖維,能夠更好地滿足信息能源、國防以及生命技術領域的要求。

  (2)纖維的尺寸向越來越小的方向發展。特別是具有優良微纖效應、力學性能、電學性能等的納米纖維,在高性能及功能紡織品、儲氫材料、過濾阻隔材料、生物組織材料及光電材料等領域具有廣泛的應用,因此受到世界各國的高度重視。

  (3)纖維的層次由被動向主動方向發展。過去的功能纖維只能機械地進行輸入/輸出的響應,因此是一種被動性材料。智能纖維由於引入了仿生功能,從無生命變得有了“感覺”和“知覺”,因此達到了更高的層次。它可以主動地針對一定範圍的各種輸入信號進行判斷,自動適應環境的變化,並且自行解決問題,因此被稱為第三代化學纖維。

  要實現這些發展目標,必須依靠高新技術的發展,特別是依靠科技創新。回顧世界化學纖維的發展史,正是一部依靠科技創新不斷開發新技術和新產品的歷史。回顧我國化纖工業的發展歷程,科技進步也一直是主線。對世界化纖生產技術的大量引用和自主開發,使我國的化纖工業從無到有,一躍成為世界第一化纖生產大國,並且涌現了大豆蛋白/聚乙烯醇複合纖維、竹纖維等一批具有自主知識產權的新品種。今後,無論是世界還是我國的化學纖維,必將更加依靠科技創新。

  當前世界化學纖維領域的一些創新性研究,尤其應該引起我們註意。

  1.纖維科學與生命科學的交叉

  2.纖維技術與納米技術的結合

  3.纖維科學與信息科學的融合

  (三)化學纖維原料將註意擺脫對石油的依賴

  合成纖維有諸多優點,已在現代紡織世界中占據應有的位置,這是無須爭辯的事實。但另一個無須爭辯的事實是,合成纖維的原料以煤化工和石油工業為基礎,而煤化工和石油工業僅有小一部分原料可以用於生產合成纖維。即使這一小部分資源,也不是可以無限制地使用下去。20世紀50年代,石油化工的迅速發展,為合成纖維提供了大量廉價的基本原料,因此世界各國合成纖維的原料紛紛轉移到石油化工產品,從而促進了合成纖維的大發展。目前,合成纖維的原料中間體主要來自石油化工。但石油作為一種不可再生資源,有人估計其可開采年限大約只有50年。目前世界石油需求以每年2%增長,假如不轉變現有石油消費的方式,石油危機達到頂峰是遲早的事情。因此,纖維科學家將不得不為合成纖維尋找新的資源,以擺脫對石油的依賴。

  事實上,在歐美髮達國家對這類問題已開始進行大量的研究。其中一個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,例如纖維素、澱粉、甲殼素和蛋白質等的總量達107~184t/a。而且只要地球上有生命,這些天然高分子就可以通過太陽能、水和二氧化碳不斷生產出來。因此是一種取之不盡、用之不竭的資源。其廣泛使用不僅將擴大化學纖維的原料來源,緩解對石油的依賴,而且可使制得的纖維具有環境友好的特征,可以生物降解和迴圈再生,從而剋服有些合成纖維造成的“白色污染”問題。

  從20世紀90年代起,歐美國家已加強了對纖維素的研究,開發並且大規模生產了Lyocell纖維。20世紀初期已經問世的各種再生蛋白質纖維,近年來重新受到青睞。儘管甲殼素及其衍生物纖維的產量很小,但其研究和開發的歷史可以追溯至20世紀20年代。以澱粉為原料的

  聚乳酸經過多年的研究,製備技術不斷發展,已從早期的醫用材料,發展到現在建立起年產140kt的生產線,並且在性能上聚乳酸纖維與聚酯等常規纖維相當接近。這些都為以資源可再生的天然高分子替代石油作為化學纖維原料奠定了基礎。如何充分利用該資源,是纖維科學家面臨的重要任務之一。

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參考文獻

  1. 汪秀琛主編.第二章 服用纖維的概述 服裝材料基礎與應用.中國輕工業出版社,2012.02.
  2. 張萍主編.第四章 化學纖維 紡織材料學.中國輕工業出版社,2008.9.
  3. 勞動和社會保障部中國就業培訓技術指導中心組織編著.第三篇 營業員國家職業資格培訓教程 國家職業資格培訓教程營業員.中國商業出版社,2003.11.
  4. 何志貴主編.第三章 化學纖維 紡織材料標準手冊.中國標準出版社,2009.12.
  5. 沈新元主編.第一章 化學纖維概論 化學纖維手冊.中國紡織出版社,2008.9.
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