功能纤维及纺织品

第一章总论本课程内容第一章：概述第二章：高感性纺织材料第三章：防护性纺织材料第四章：防水透湿性纺织材料第五章：保温、温控性纺织材料第六章：抗菌保健性纺织材料一、材料的发展石头、木材---金属---高分子材料---复合材料---功能智能化材料。高分子材料：纤维、橡胶、塑料高技术产业部门高难度技术：航空航天、海洋高效益技术：微电子、机电一体、新材料、生物技术、新能源材料?具有一定性能，可用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。人类文明、社会进步、科技发展的物质基础和技术先导。材料与人类文明历史上人们将当时主导材料作为时代标志——“石器时代”、“青铜器时代”和“铁器时代”。在近代，很难用一种材料来代表当今时代特征。当代文明的三大支柱材料、能源、信息全球新技术革命的四大标志新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。光纤3.有机高分子材料（高聚物）由一种或几种简单低分子化合物聚合组成的分子量。按来源分为天然和合成；按材料性能和用途可分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。材料按服役领域分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。材料按材料的尺寸可分为零维材料；一维材料；二维材料；三维材料。磁白PVC、哑黑PVC零维材料即超微粒子，大小1—100nm的纳米微粒。一维材料——细丝。二维材料（薄膜）用于环保或表面改性的保护膜。三维材料即块状材料。硼氮化合物合成与加工、组成与结构、性质、使用性能——确定了材料学研究的基本内容。合成与制备过程使用性能性质组成与结构（化学）（工程）（物理学）记忆合金(一)结构与性能的关系1.结构：纤维：内部大分子排列形态，外观形态纱线：纤维在纱中配置和空间形态织物：纱线在织物中排列及本身屈曲2.性能：性能是结构的产物，结构决定性能工艺——长度、细度、卷曲……物理——热、光、电、吸湿……化学——耐腐蚀（酸碱……）机械——拉、弯、磨、压……服用——起毛起球、折皱、缩水……(二)性能与工艺的关系原料性能是制定工艺的依据，工艺是产生结构的手段。可根据原料性能，采用不同工艺，开发新用途，也可根据用途要求，选取不同原料，或制造新原料。材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，决定于材料组成与结构。使用性能：材料使用状态下表现的行为。实用性包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。合成与制备包括传统和各种新发展材料加工技术。纺织工业产品制造的一般过程二、高科技纤维天然纤维---化学纤维----高科技纤维1、高科技纤维依靠高技术和纤维学科最新基础理论概念研发成功的具有高性能和高功能性的新型纤维材料。2、高科技纤维具备的属性性能：材料对于来自外部的应力、光、电等物理作用或化学作用的抵抗能力。如：高强度、高模量、耐高温。功能：纤维受到外部作用时的转变能力。如：导电、传递、转换的能力。三、纺织纤维的发展1、纤维的分类天然纤维再生纤维合成纤维长久以来，为了满足人类穿着日益增长的需要，人们一直在寻找更多的纤维材料来源。蚕丝是自然界唯一可供利用的长丝，而且它的形成独具一格——由液体状变成固体状。我国早在南宋，就有记载，周去非的《岭外代答》一书记述，广西某县枫树上有“食叶之虫”称做“丝虫”，它的外形“似蚕而呈赤黑色”，每当五月（农历）间“虫腹如蚕之熟”，当地人就捉回用醋浸渍，然后剖开虫腹取出丝素，在醋中牵引成丝，一虫可得丝长6-7尺，这种从野蚕身上抽丝的方法，堪称是人类人工制丝技术最早的事实。到十八世纪人们想到蚕吃了桑叶能吐出丝，那为什么不能用人工方法，把桑叶制成跟蚕丝相似的纤维呢？后来人们测定了蚕丝和桑叶的组成，发现：桑叶中大量含有碳、氢、氧三元素，而蚕丝中除含有上述元素外，还含有氮。这一发现，启发人们用硝酸来处理纤维素来增加氮的部分。1884年在法国制得硝酸纤维。但因其容易燃烧，加上成本贵，又没多少纺用价值，所以问世不久便停产了，但它毕竟是人类历史上第一次人工制造的纤维。1891年在英国有人将纤维素黄酸酯溶于稀碱中制成很粘的液体纺丝，因其很粘，故称为粘胶，制成的纤维称为粘胶纤维。它在1905年实现工业化生产。从此以后人造纤维开始走上了成功之路，发展到目前这种现状。可以说人造纤维的制造成功是仿生学的应用的成功。2、普通纤维的缺点纤维大分子高次结构和理想分子结构模型相差甚远。性能不能满足舒适、卫生、保健的要求普通柔性链大分子强度低。折叠晶片结构的结晶区与无定型区呈无规则线团缠结一起3、理想分子构造模型成纤高分子构象线性化—伸直链结构分子链横截面具有对称性、排列紧密四、发展高科技纤维控制高分子化学结构及基团组成纤维加工成形技术刚性链液晶纺丝技术超高倍拉伸技术凝胶纺丝技术单晶片拉伸技术五、成纤的基本概念1.单体：低分子化合物2.高聚物：可溶性、熔融性3.合成方式：加聚、缩聚4.成纤形态：短纤、长丝、变形丝5.纺丝方式：熔体纺丝、湿法、干法六、化学纤维的制造成纤高聚物必须具有线型分子结构；大分子必须具有适当的分子量；相邻分子间必须具有足够的结合力。化学纤维的制造化学纤维制造过程：成纤高聚物的提纯或聚合纺丝液的制备纺丝后加工1、成纤高聚物的提纯或聚合再生纤维：将天然高聚物原料（棉短绒、木材等）进行提纯，去杂质，制成浆粕合成纤维：将石油、天然气中的小分子化合物进行人工聚合形成液态（溶液或熔体）或固态（切片）高聚物熔体法熔融温度＜分解温度如：涤纶、锦纶、丙纶、乙纶。溶液法熔融温度＞分解温度如：粘胶纤维、醋酯纤维、腈纶、氯纶、维纶。2.纺丝液的制备3.纺丝纺丝熔体或纺丝液用计量泵定量供料通过喷丝孔后凝固成丝条的过程称为纺丝。喷丝孔喷出的丝条称为初生纤维。纺丝刚纺出来的丝称为初生纤维。初生纤维的内部结构不稳定，强度低、伸长大、弹性差，不具有纺纱价值。根据纺丝液不同可分为熔体纺丝：直接纺丝、切片纺丝溶液纺丝：一步法，二步法熔体纺丝熔体纺丝：将高聚物加热至熔点以上的适当温度以制备熔体，熔体经螺杆挤压机由计量泵压出喷丝孔，使成细流状射入空气中，经冷凝而成为细条。过程简单、纺丝快、孔数少、截面多为圆形。涤纶、锦纶、丙纶采用熔体纺丝。熔体纺丝工艺聚合物熔体高聚物切片熔体制备熔体过滤及分配纺丝后加工纤维螺杆熔融纺丝箱体分配组件过滤喷丝板成型熔体纺丝过程直接纺：单体聚合高聚物熔体切片纺：切片筛选干燥等处理螺杆挤出机中熔融纺丝箱体泵送至纺丝组件由喷丝孔挤出在纺丝甬道中冷却(拉伸)上油、卷绕或落桶熔体纺丝的主要设备——螺杆挤压机纺丝箱体喷丝头组件喷丝孔及导孔形状丝条的冷却上油纤维的卷绕成型溶液纺丝溶液纺丝：湿法纺丝、干法纺丝湿法纺丝：将纺丝溶液从喷丝孔中压出、在液体凝固剂中固化成丝。纺丝速度慢、孔数多，有明显的皮芯结构。腈纶、维纶、氯纶、粘胶。干法纺丝：将纺丝液从喷丝孔中压出，在热空气中使溶剂挥发固化成丝。工艺较复杂、成本高醋酯纤维、氨纶等湿法纺丝工艺.一步法：单体直接聚合聚合物溶液二步法：固体成纤聚合物纺丝液纺丝机混合、过滤、脱泡+溶剂溶解分离、干燥计量泵、烛形滤器喷丝头凝固浴后处理干法纺丝（dryspinning）将成纤聚合物溶于挥发性溶剂中，通过喷丝孔喷出细流，在热空气中形成纤维的纺丝方法。分解温度低于熔点或加热时易变色，但能溶解在适当溶剂中的成纤聚合物适用于干法纺丝，例：二醋酯纤维对于既能用干法纺丝，又能用湿法纺丝成形的纤维，如聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、聚乙烯醇、聚氨酯等纤维，干法纺丝更适合于纺长丝。三种方法的比较七、新型纺丝技术简介1.干湿法纺丝与湿法相比，喷丝头拉伸↑↑，使纺速↑与湿法相比，喷丝孔径可↑与湿法相比，纺丝液浓度及粘度可↑与干法相比，能有效调节纤维结构形成过程2.冻胶纺丝冻胶纺丝也称凝胶纺丝，是一种通过冻胶态中间物质制得高强度纤维的新型纺丝方法。冻胶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺，使挤出细流先通过气隙，然后进入凝固浴。因此与普通干湿法纺丝的区别，主要不在于纺丝工艺，而在于挤出细流在凝固浴中的状态不同冻胶纺丝的所有技术要点都是为了减少宏观和微观的缺陷，使结晶结构接近理想的纤维，使分子链几乎完全沿纤维轴取向。与干法、湿法相比:采用超高分子量原料、半稀溶液（2%~10%）固化过程主要是冷却过程，溶剂基本不扩散拉伸比大（大于20）产品高强高模3.液晶纺丝具有刚性分子结构的聚合物在适当的溶液浓度和温度下，可以形成各向异性溶液或熔体。在纤维制造过程中，各向异性溶液或熔体的液晶区在剪切和拉伸流动下易于取向，同时各向异性聚合物在冷却过程中会发生相变形成高结晶性的固体，从而可以得到高取向度和高结晶度的高强纤维。溶致性聚合物的液晶纺丝通常采用干湿法纺丝工艺。热致性聚合物的液晶纺丝可采用熔融纺丝工艺。4.静电纺丝法静电纺丝法是一种对高分子溶液或熔体施加高电压进行纺丝的方法。静电纺丝的装置包括定量供给溶液或熔体的装置（计量泵）形成细流的装置（喷丝模口）以及纤维接受装置。regeneratedsilkfibroinaqueoussolution蜘蛛和蚕是在空气中吐丝成形的，其成丝过程其实是一个干法纺丝过程。静电纺丝从本质上而言，属于一种干法纺丝过程。静电压：20KV~40KV；喷射孔径：0.9mm；接收距离：11cm。例:再生蚕丝蛋白水溶液的静电纺丝后加工的作用初生纤维强度很低，伸长很大，沸水收缩率很高，没有实用价值。必须进行一系列后加工，使纤维具有一定物理机械性能集束—将几个喷丝孔喷出的丝束以均匀的力集合成规定粗细的大股丝束；拉伸：提高纤维大分子的取向度和结晶度，改善纤维的力学性质热定形：消除纤维内应力，形成稳定的纤维结构卷曲：短纤维：改善纤维间的抱合力；长丝：变形纱加工，如弹力纱、膨体纱上油：降低摩擦、提高抗静电性八、高性能纤维高性能纤维主要体现在高强度、高模量、耐高温、轻量化。刚性链有机纤维、柔性链有机纤维、无机纤维碳纤维：强度、模量高，化学性能稳定，导电性好，可反射电磁波。芳纶：间位芳纶、对位芳纶，耐高温高强聚乙烯：超高分子量聚乙烯凝胶纺丝。应用：国防、航空、航天、安全防护、体育器材。达到理想分子构造的路线九、功能性材料功能性纤维：通过物理、化学改性的方法，使纤维的形态结构、物理化学性能与常规化纤有明显不同，从而取得仿生的效果或改善、提高化纤的性能形态结构上的变化：异形纤维、中空纤维、复合纤维、细特或超细特纤维、异纤度纤维物理化学性能变化：抗静电纤维、防辐射纤维、抗紫外线纤维、导电纤维、抗菌纤维、阻燃纤维1.功能性纤维分类物理性功能---电、热、光、形化学性功能---光化学、化学反应物理分离性功能---分离性、吸附交换生物适应性功能---医疗保健、生体功能2.功能性纤维技术特点成纤高分子物质合成阶段引入具有功能的特定化学基团纤维成形阶段喷丝孔异型---异型截面、中空、复合纤维的后加工阶段拉伸、热处理、树脂整理、化学物理加工纤维的纺织和染整阶段。纤维集合体加工---膨体纱、混纤纱、炭化第二章高感性纤维1.高感纤维：指风格、质感、触感、外观等感觉方面性能优良的纤维。2.核心技术：仿和超过天然纤维的性能。发展化纤的目的模仿、超过、取代天然纤维。物理改性：三异（异型、异细、异缩）化学改性：接枝、共聚等3.高感纤维服用：薄型织物、中厚织物⑴仿丝织物⑵仿毛、麻、皮织物⑶吸湿透气导汗功能织物一、仿真丝纤维1、蚕丝的结构和性能：蚕丝是纤维中的女王，具有许多优秀的性能，已有六千多年的历史，最著名的出土文物是20世纪70年代，长沙马王堆汉墓出土的素纱衣，薄如蝉翼，重量不到一两，是稀世珍宝。真丝是一种长的蛋白质纤维。截面为圆角三角形，透明状，丝的纤度不均匀，平均纤度1~1.5dtex，呈不规则的卷曲。具有良好的力学性能。其中模量高，仅次于麻。性能：柔和的光泽→截面形状、层状结构平滑柔软手感、悬垂性好→单纤维低吸湿性好10%~12%→有亲水基刚度较大→模量高2、仿真丝原料⑴粘胶纤维⑵醋酯纤维⑶尼龙纤维：手感柔软，鲜艳、光泽良好，耐磨好⑷聚丙烯腈纤维：类似羊毛、蓬松性、保暖性、手感柔软。⑸