聚氨酯弹性纤维概论结业论文

高分子材料与工程四班2010416031161结业论文学院化学化工与环境学院专业班级姓名学号科目纤维生产各论高分子材料与工程四班2010416031162聚氨酯弹性纤维概论摘要:介绍了氨纶纤维的生产、结构、性能及在产业用纺织品行业的应用,说明了氨纶纤维具有良好的性能,在产业用纺织品行业具有良好的发展前景。关键词:弹性纤维;氨纶;生产;性能;结构；应用1前言氨纶是由氨基甲酸酯嵌段共聚物组成的聚氨酯系纤维,是一种高弹性纤维,世界上通称为spandex,我国简称氨纶。由于氨纶具有很高的强力、良好的回弹性与耐磨性等特点,因而获得迅速发展。氨纶纤维是高弹性合成纤维，用氨纶做成的内衣伸缩自如，被誉为“第二皮肤”，广泛用于游泳衣、运动服、内衣、袜子、外衣及医用绷带等领域。从本世纪开始，我国氨纶产业呈现跳跃式发展：2001～2006和2007年，我国氨纶产能从2.51万吨/年猛增到23.56万吨/年和26.26万吨/年；产量从1.7万吨/年增至15.5万吨/年和16.4万吨/年；表观消费量由3.5万吨/年增至17.04万吨/年和18.24万吨/年；氨纶自给率由48.57%提高至2007年基本实现自给。到2009年年底，全球氨纶总产能达到约62.58万吨/年，而我国氨纶总产能达到35.5万吨/年，占世界57%，成为全球最大的氨纶生产和消费国。氨纶产业与纺织业（包括针织、机织、化纤、服装业等）有着非常密切的关系。我国是一个纺织业大国也是一个纺织品出口大国。在化纤纺织品出口服装中有70%含有氨纶成分（含3%~18%）。随着氨纶质量日臻完善、氨纶产品优势日渐凸显，“无氨不成布”将逐渐成为现实。我国纺织业的快速发展，无疑是氨纶产业可持续发展最有力的保障。2聚氨酯纤维的结构与性能2.1.结构及弹性产生机理氨纶之所以具有较高的弹性和良好的回弹性,是由它的高分子嵌段共聚物结构所决定的。聚氨酯纤维是一种以聚氨基甲酸酯为主要成分的嵌段共聚物纤维。大分子由软链段和硬链段组成软链段由非结晶性的聚酯或聚醚组成，玻璃化温度很低，常温下处于高弹态，在室温下被拉伸时，纤维可以产生很大的伸长变形，并具有优异的回弹性。硬链段采用具有结晶性且能发生横向交联的二异氰酸酯组成，虽然链段短，但由于含有多种极性基团，分子间的氢键和结晶性起着大分子链间的交联作用，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)，还可赋予纤维一定的强度。软硬链段镶嵌共存的结构赋予聚氨酯纤维的高弹性和强度的统一。2.2聚氨酯纤维的性能氨纶多为白色不透明的消光型长丝,横截面形状依据生产工艺的不同存在一定差异。干纺弹性丝为圆型、椭圆型截面,湿法纺丝法生产的弹性丝主要为粗大的叶形及不规则截面,并且各丝条之间在纵向形成不规则的粘结点,形成粘结复丝。熔纺氨纶主要为圆型截面的单丝或复丝。(1)弹性:氨纶纤维的弹性伸长率可达400%~800%,比锦纶高弹丝的的弹性高,回弹率达95%以上。(2)强度:氨纶纤维的强度比较高,是弹性纤维中强度最大的一种。(3)弹性模量:氨纶的弹性模量较小,丝的柔软性好。(4)耐热性:由于氨纶分子间有氢键,分子内有结晶性,使氨纶纤维具有较高的耐热性,但不同品种氨纶的耐热性差异较大。(5)染色性:氨纶的染色性较好,而且不易褪色。用于聚酰胺纤维的大多数染料都能用来氨纶纤维染色,特别是酸性染料、分散染料及含铬染料更好,可染成各种漂亮的色泽。(6)具有很高的耐磨性,良好的耐化学药品性能,尤其具有耐油与耐溶剂性能。高分子材料与工程四班2010416031163(7)氨纶与橡胶丝是有差异的,橡胶单丝虽有很大的弹性,但在实际应用中有一些严重的缺欠,如橡胶丝的抗张强度很低,回弹过程很慢,如果想提高弹性效果,就必须将单丝加粗,这在薄型织物中就不适合,其它性能与氨纶的比较见表1所示：从表1中可知,橡胶丝除在残余伸长方面特别出色外,其强度、模量、耐老化、染色性、回弹力、纤度和热稳定性等都不如氨纶。3氨纶的生产氨纶的生产分为三个部分,即嵌段共聚物合成、纺丝及后处理。生产聚氨酯弹性纤维一般选用芳香族二异氰酸酯，以满足硬链段的硬度。常用的芳香族二异氰酸酯有二苯基甲烷4，4ˊ-二异氰酸酯（MDI）或2，4-甲苯二异氰酸酯(TDI)。二苯基甲烷二异氰酸酯可以用苯胺与甲醛反应缩合，生成二苯基甲烷二胺，再将其光气化，得到粗MDI，如图：3.1共聚物的合成根据所选用的原料不同,生成聚氨酯弹性纤维链段结构中软链段部分分为聚酯型与聚醚型两大类。3.1.1聚酯型以二元醇和已二酸反应制成末端含有羧基的聚酯起到软链段的作用,然后再与过量的芳香族二异氰酸酯反应,起到硬链段的作用,合成具有二异氰酸酯端基的预聚物。这种预聚物再加二元胺或二元醇反应而获得镶嵌共聚物,是纺丝的原料。3.1.2聚醚型以聚四氢呋喃、二苯基甲烷4.4,一二异氰酸酯,间本二胺为原料,合成大分子中具有醚结构-软醚段和氨基甲酸酯的及脲结构-硬链段的嵌段共聚物。在制备嵌段共聚物的反应中必须严格控制三种原料的摩尔比,任何一种造成原料的欠量或过量等因素均影响共聚物的形成。高分子材料与工程四班20104160311643.2氨纶的纺丝方法到目前为止,世界上工业化氨纶纺丝方法有熔融挤压纺丝、化学反应纺丝、湿法纺丝和干法纺丝。氨纶的纺丝方法与纤维的最后形成的结构有关,如果纤维是由物理交联型结构的线型嵌段共聚物制备,则可采用熔融挤压、干法和湿法纺丝法;如果纤维是由化学交联型的非线性嵌段高聚物所制备,则必须采用化学反应纺丝法。3.2.1干法纺丝将预聚物在链增长剂的作用下生成聚合物,将聚合物溶液细流压入热的惰性气体中(如氮气等),再将丝条中DMF溶剂脱出扩散到空气中,进而固化成丝条。然后经上油卷绕等制成氨纶。目前,世界干法纺丝产量较大,约占氨纶总产品的80%。干法纺丝工艺路线及技术成熟,产品性能优良,但干法纺丝设备投资大,产品成本高,干法纺丝使用的溶剂毒性大,影响生产者的身体健康,对环境有很大的污染。3.2.2湿法纺丝将预聚物在链增长剂二元胺的作用下,制成聚合物溶液,使丝条在凝固浴中固化成形,液态细流中的DMF溶剂扩散到水中,得到初生纤维。湿法纺丝必须配备凝固浴、循环回收等系统,设备投资大,生产成本高,纺丝速度低,正逐渐被淘汰。3.2.3化学反应纺丝将预聚物溶液在甲苯、乙二胺的反应浴中进行反应成形,纤维出纺丝浴时,完成聚合反应。这种纺丝方法因工艺复杂,纺丝速度低,生产成本高,设备投资大等问题,逐渐被淘汰。3.2.4熔融挤压纺丝只适用于热稳定性良好的聚氨酯嵌段共聚物,将异氨酸酯端基的预聚物在链增长剂二元醇的作用下,生成熔融温度较低的聚合物,然后铸带切粒,再进行熔融挤压纺丝。熔融挤压纺丝法是近几年新兴起的纺丝技术,此方法不用溶剂,也无溶剂回收,不仅设备投资少,建设周期短,生产流程简单,产量大,成本低,更主要的是没有溶剂造成的污水及污水处理,是最具发展前途的氨纶纺丝技术。熔融纺丝法生产氨纶的原料是热塑性聚氨酯(TPU),美国古立德公司是最早开始热塑性聚氨酯研究工作的公司之一。90年代后,古立德公司加强了对可用作熔纺原料TPU的研制工作,先后开发出了一系列TPU产品,并在德国、日本和中国台湾省等地进行了大量的试纺工作,效果良好,所生产的氨纶纤维性能已接近干法生产的氨纶性能,并且生产技术成熟,产品质量稳定。高分子材料与工程四班20104160311653.3后加工聚氨酯纤维的后加工包括裸丝的加工，包芯纱的加工（环锭纺、气流纺、涡流纺、静电纺等，以环锭纺的应用最为泛），包覆纱的加工，合捻纱的加工。4氨纶主要的检测方法4.1手工拆分法，国家标准GB/T2910．1—2009《纺织品定量化学分析第1部分：试验通则》中对具体拆分手法有详细描述，本文不再赘述。该方法准确性高，低碳环保，节约能源，但消耗人力较大，完全依赖手工操作，对于某些特殊工艺织造的纺织品无法通过手工方法拆分出氨纶；4.2溶解法，该方法主要通过二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、硫酸或盐酸等溶液的溶解实现。5聚氨酯弹性纤维的新品种一、耐高温聚氨酯纤维日本钟纺公司在80％的聚己二酸己二醇酯和MDI及1,4-丁二醇组成的聚合物中，加入20％的聚己二酸丁二醇酯和MDI合成的预聚体，得到的熔纺聚氨酯纤维，具有较好的耐热性能。日本旭化成公司用脂肪族聚碳酸酯二醇、1,6-己二醇和1,5-戊二醇的混合醇与MDI合成的聚氨酯，采用干法纺丝，得到的纤维的伸长率为618％，具有较好的耐高温性能。日本可乐丽公司用含有1,9-壬二醇或聚碳酸酯二醇的混合二醇，制取得熔纺聚氨酯纤维，具有优异的耐高温性能。美国NOVEON公司采用聚四氢呋喃二醇、MDI、芳香族低分子二醇制取的熔纺聚氨酯纤维，可以在130C下染色，具有良好的耐高温性能。二、耐氯、耐水解聚氨酯纤维水中含有的活性氯扩散到纤维的内部，容易使醚键氧化断裂，导致纤维脆化、强度下降。在纤维中添加活性氯中和剂，如络合氧化物、氢氧化镁、锌和铝，再用聚烷基硅氧烷和含磷酸酯的矿物油处理，在醚键断裂之前，纤维中含有的氧化物微粒，可捕捉到活性氯，可以防止醚键破坏，提高纤维的耐氯性。三耐潮、耐菌的聚氨酯纤维东洋纺采用聚己二酸乙二醇丁二醇共聚酯和MDI制成的预聚物，用1,2-丁二醇扩链并添加2,3,5,6-四氯代烷-4­-甲磺基吡啶，再经干法纺丝纺制的聚氨酯纤维织物经20次洗涤后，其抗菌性能仍符合日本工业标准的要求。在70℃和相对湿度为95％的条件下，保持14d后，其强度仍保持90％，而一般的聚氨酯纤维织物的强度保持率仅有30％。富士纺公司研究出一种抗菌吸臭的聚氨酯纤维。在氨基甲酸酯纺丝溶液中加入环糊精包囊杀菌剂和Zn、Cu或Ni的2价金属硅酸盐粉末组成的添加剂，再经干法纺丝制取聚氨酯纤维，灭菌率可达到99.5％。四、具有良好低温性能的聚氨酯纤维高分子材料与工程四班2010416031166旭化成公司研制了一种新型催化剂，用于合成含有支链的2,3-丁二醇的生产。再用2,3-丁二醇合成含有支链的聚醚二醇来生产聚氨酯纤维，其纤维模量较低，适于老年人和幼儿穿着；在低温下有良好的低温性能，可用于制作冰上运动服日本大赛路公司采用聚己二酸戊四醇酯与ε-己内酯进行酯交换的产物，与MDI反应合成聚氨酯，再经熔法纺丝制取聚氨酯纤维，其弹性回复率可达75％～90％，具有良好低温性能的聚氨酯纤维，主要用于制作运动装。6氨纶的应用6.1氨纶的应用概况聚氨酯纤维是1959年由美国杜邦公司实现工业化生产的。与聚酯、尼龙、聚丙烯腈等常规纤维不同,聚氨酯纤维是有橡胶般伸缩性能的特殊纤维。因此,聚氨酯纤维的发展过程也与其他纤维不同,是随着新商品的不断开发而发展起来的。从袜套、连裤袜开始,进入到具有功能性的游泳衣、紧身衣裤等运动服面料,继而发展到要求审美性和舒适性的紧身内衣、衬裙、衬裤、衬衣等内衣用衣料。近来,因其穿着舒适性和设计对应性良好,迅速地应用到衬衫、网球短裤、羊毛混纺外衣、针织外衣等有弹性的面料。此外,还开始应用于纸尿布、鞋面等材料,其以7%～10%的年增长率扩大需求。6.2氨纶应用形式1.裸丝：拉伸与回复性能好。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。2.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要有一般毛织物的外观和良好的保暖性，而且织物的回弹性好，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品种。3.包覆纱：又称包缠纱。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。手感比较硬挺，纱线较粗，织造的面料比较厚实。4.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。如果使这种纱线退捻，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