聚酯纖維的結(jié)構(gòu)和性能

關(guān)于聚酯纖維的結(jié)構(gòu)和性能SichuanUniversity第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity課程介紹第一節(jié)概論

重點內(nèi)容：聚酯纖維的發(fā)展簡史與產(chǎn)品分類。第二節(jié)聚酯原料生產(chǎn)工藝及技術(shù)

重點內(nèi)容：聚酯原料的生產(chǎn)技術(shù)與工藝。第一章聚酯纖維生產(chǎn)工藝第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity課程介紹第三節(jié)聚酯纖維的生產(chǎn)技術(shù)及工藝

重點內(nèi)容：聚酯纖維的的生產(chǎn)技術(shù)與工藝。第四節(jié)聚酯纖維的結(jié)構(gòu)性能及改性

重點內(nèi)容：聚酯纖維的各種改性方法和目的。第一章聚酯纖維生產(chǎn)工藝第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity1.4.1聚酯纖維的結(jié)構(gòu)和性能聚酯纖維的結(jié)構(gòu)分子鏈結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)晶結(jié)構(gòu)取向結(jié)構(gòu)聚酯纖維的性質(zhì)聚酯纖維的化學(xué)性質(zhì)聚酯纖維的物理性質(zhì)第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity聚酯的分子結(jié)構(gòu)PET聚酯是指分子鏈中含有酯基的聚合物的總稱聚酯分子的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)中由三部分組成，即酯基、苯環(huán)和亞甲基鏈，大分子的兩端各有一個羥基。例如：第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPET的旁式構(gòu)象（能量高）PET的反式構(gòu)象（能量低）聚酯的構(gòu)象第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity構(gòu)象的轉(zhuǎn)變聚酯的分子鏈可轉(zhuǎn)動發(fā)生重排，大約在100oC時開始結(jié)晶。在結(jié)晶過程中旁式構(gòu)象逐步轉(zhuǎn)化為反式構(gòu)象。第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPBT的分子結(jié)構(gòu)PBT中亞甲基鏈節(jié)不是完全伸直的。PBT重復(fù)單元結(jié)構(gòu)中含有四個柔性的亞甲基鏈節(jié)，其可能的空間構(gòu)象顯然比PET更加復(fù)雜?？膳で姆肿渔溤诶ο氯菀咨熘?，故PBT的屈服應(yīng)力比PET要低得多這種性質(zhì)被用來制造彈性纖維。第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPTT的分子結(jié)構(gòu)PTT在兩個對苯二甲酸單元之間存在著3個亞甲基單元。這種化學(xué)結(jié)構(gòu)中奇數(shù)個亞甲基單元會在大分子鏈之間產(chǎn)生“奇碳效應(yīng)”,使苯環(huán)不能與3個亞甲基處于同一平面,臨近兩個羰基的斥力不能呈180°平面排列，只能以空間120°錯開排列，由此使得PTT大分子鏈形成螺旋狀排列，最終影響PTT的物理性能。PTT是新型彈性纖維品種。第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity聚集態(tài)結(jié)構(gòu)PET、PTT、PBT均屬三斜晶系幾種聚酯在結(jié)晶狀態(tài)下大分子鏈的形態(tài)結(jié)構(gòu)

第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity三種聚酯的結(jié)晶結(jié)構(gòu)晶胞參數(shù)PETPTTPBTαβa(?)4.564.584.834.95b(?)5.948.225.945.67c(?)10.7518.1211.5912.95α(o)98.596.999.7101.7β(o)11889.4115.2121.8γ(o)112111.0110.899.9

第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPET纖維的結(jié)晶特征隨卷繞速度的變化卷繞速度（m/min）晶胞底面高×104(μm)表觀晶核側(cè)面高×103(μm)結(jié)晶濃度（kg/m3）估算的結(jié)晶溫度（oC）

abCΛ010Λ100ΛT05

47504.5045.9010.722.42.95.4148818650004.4955.8810.722.93.45.7149519855004.4855.8810.714.14.17.6149921260004.4805.8810.715.14.98.41501218第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPET纖維性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity1.4.2聚酯纖維的改性改性的原因染色性、吸濕性差易起球、靜電大、易沾污等不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求差異改性方法化學(xué)方法共聚、纖維表面改性處理物理方法共混改進紡絲加工技術(shù)，變更纖維加工條件改變纖維形態(tài)以及通過后紡與其他纖維混紡、交織等第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity化學(xué)改性化學(xué)改性是通過化學(xué)的方法改變聚酯分子鏈上某些結(jié)構(gòu)或組成，達到改變聚酯纖維性能的目的。改變聚酯的剛性結(jié)構(gòu)單元改變聚酯的柔性組分改變聚酯的剛性結(jié)構(gòu)單元一、間苯二甲酸代替對苯二甲酸在PET的直接酯化聚合過程中，用對稱性較差的間苯二甲酸（IPA）取代部分的對苯二甲酸（TPA）第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityIPA/(IPA+TPA)mol%[η]/(dL?g)-1Tg/oCTc/oCTm/oC013579120.620.610.600.600.630.600.628181808079.57978157159160162165__253248245240235232228化學(xué)改性第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity采用間苯二甲酸二甲酯（DMI）取代對苯二甲酸二甲酯(DMT)可以達到相同效果DMI/mol%[η]/(dL?g)-1Tg/oCTm/oC015810150.6800.6820.6770.7500.6560.71262.061.558.857.055.454.7252.0248.5237.3232.0226.5217.5隨著間位苯環(huán)含量的增加，共聚酯的Tg和Tm下降，而冷結(jié)晶溫度則上升。當IPA的含量大于9mol%時，共聚酯已無冷結(jié)晶峰存在。美國于1959年實現(xiàn)了PET—IPA共聚酯工業(yè)化生產(chǎn)，該共聚酯的商品名為Vycron，主要用于制備易染纖維。由于PET—IPA結(jié)晶速率慢，我國則更多用其制備高收縮纖維。應(yīng)該指出的是這種共聚酯廣泛用于瓶用聚酯，IPA的添加量為2%～4％化學(xué)改性第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity二、同時用間位和鄰位對苯二甲酸代替對苯二甲酸

這種改性方法的效果與用DMI替代DMT的效果類似，即隨著間位和鄰位苯環(huán)含量的增加，共聚酯的Tg和Tm下降，而冷結(jié)晶溫度則上升。原蘇聯(lián)學(xué)者是將DMT殘渣混合物進行分離回收提純，并通過催化氧化的方法將其中的對醛基苯甲酸甲酯氧化，最終得到含DMT68%，DMI23%，DMO9%（鄰苯二甲酸二甲酯）的苯二甲酸混合物。該技術(shù)已于1980左右工業(yè)化?；瘜W(xué)改性第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity三、與含磺酸基的苯二甲酸共聚

含磺酸基的苯二甲酸是指苯環(huán)上的一個氫被磺酸基取代，形成鄰位、間位或?qū)ξ坏暮撬峄谋蕉姿岢Ｓ糜诰埘ジ男缘挠袑Ρ蕉姿岫柞セ撬徕c（STPM）和間苯二甲酸二甲酯磺酸鈉（SIPM）由于添加的第三單體含有可離子化的磺酸鈉基團，可以極大地改善聚酯的陽離子可染性?；瘜W(xué)改性第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity經(jīng)含磺酸鈉苯二甲酸改性后的聚酯（CDP、ECDP）其物理性質(zhì)也會產(chǎn)生一定的變化。第三組分的加入破壞了PET的規(guī)整性，而對位結(jié)構(gòu)的STPM對PET結(jié)構(gòu)規(guī)整性的影響較間位結(jié)構(gòu)的SIPM要小。添加組分添加量（mol%）Tg/oCTc/oCTm/oCPETSIPM

STPM012342777572717173137157167167187155256250243243242247化學(xué)改性第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity四、聚萘二甲酸乙二酯（PEN）2,6-萘二甲酸二甲酯(DMN)與乙二醇縮聚而成性能PEN纖維PET纖維尼龍66纖維強度（cN/dtex）8.87.97.9模量（cN/dtex）308.096.844.0沸水收縮率（%）158PEN纖維的性能

PEN纖維的耐化學(xué)腐蝕性、抗紫外線輻射、熱穩(wěn)定性和水解穩(wěn)定性均優(yōu)于PET。

PEN的玻璃化溫度高達110oC左右,其纖維可以耐200oC左右的溫度。目前纖維級的PEN樹脂已由美國Shell公司研制成功并投放市場，其商品名稱為Vituf。美國Amoco公司的PEN纖維也已投放市場。化學(xué)改性第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity改變聚酯的柔性組分一、PET與PEG（聚乙二醇）的共聚

PEG分子鏈上有大量的醚鍵，醚鍵上的氧原子有孤對電子，使得PEG的導(dǎo)電率較高，在聚酯纖維中加入適量的PEG有利于改進纖維的吸濕性能、抗靜電能、化學(xué)穩(wěn)定性。一般是先將PET與PEG共聚,制得PET-PEG嵌段共聚物，并以此共聚物作為改性劑加入到PET中混合紡絲。化學(xué)改性第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPET/PEG共聚物的聚合過程

PET-PEG嵌段共聚物是以對苯二甲酸二甲酯(DMT)、EG、PEG為原料,進行共聚而制得的。首先按1∶1.8的摩爾配比將DMT和EG加入到聚合反應(yīng)釜中，在酯交換催化劑Mn(OAc)2的存在下,在230～240℃范圍進行酯交換反應(yīng)當酯交換率達98%后,加入PEG、第二催化劑及其他添加劑,攪拌均勻后進行縮聚反應(yīng),反應(yīng)過程中邊攪拌邊升溫,至240℃后開始緩抽真空,約1h后達到高真空反應(yīng)溫度維持在275℃左右,約2.5～3h后即可得到PET-PEG嵌段共聚酯?；瘜W(xué)改性第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPEG改性后的聚酯性質(zhì)PEG,mol%[η]/dL·g-1Tm/℃75452515-0.8960.7200.69478219252252化學(xué)改性第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity二、與長鏈脂肪族二元醇共聚

改進PET的染色性及回彈性在PET聚合時添加丁二醇可以制備無規(guī)或嵌段的PET-PBT共聚物化學(xué)改性第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity改性后纖維的性能

PET大分子中引入PBT柔性鏈段后共聚酯整體的趨勢是剛性下降,取向度降低,強度也相應(yīng)下降。PBT含量/%試樣線密度/dtex強度/cN·dtex-1延伸度,%模量/cN·dtex-11520251153.02150.13133.23.5763.3963.28030.0437.4231.92105.7476.1583.26化學(xué)改性第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity三、添加脂肪二酸或酯

改性PET纖維常用的脂肪二酸(或酯)為己二酸(酯)和葵二酸(酯)。添加己二酸(酯)的共聚酯的英文縮寫為PET-A，添加葵二酸(酯)的共聚酯的英文縮寫為PET-S。DMS:葵二酸二甲酯

化學(xué)改性第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity四、聚對苯二甲酸-1,4-環(huán)己烷二甲酯(PCT)

從分子鏈結(jié)構(gòu)上看，PCT分子鏈結(jié)構(gòu)中體積龐大的環(huán)己烷二甲酯取代了PET鏈中的乙二酯，因此PCT的分子鏈的剛性較大，熔點比PET高，為290~295oC，特性粘度為0.78，具有成纖能力聚合過程分為預(yù)聚和縮聚化學(xué)改性第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPCT預(yù)聚物的制備縮聚：將預(yù)聚物降低到熔點溫度以下，在減壓或氮氣保護下進行固相縮聚；也可在熔點以上（300-310oC）進行熔融縮聚，制得聚對苯二甲酸-1,4-環(huán)己烷二甲酯(PCT)?；瘜W(xué)改性第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversityPCT的性能由于環(huán)己烷環(huán)的存在，使得PCT有順式和反式兩種異構(gòu)體。雖然順式和反式異構(gòu)體均為三斜晶系，但其相應(yīng)的晶胞參數(shù)、晶區(qū)密度和結(jié)晶熔融溫度以及玻璃化溫度卻有較大的區(qū)別。PCT構(gòu)象晶胞參數(shù)晶區(qū)密度/kg·m-2熔融溫度/oC玻璃化溫度/oCa/nmb/nmc/nmα/(o)β/(o)γ/(o)反式0.6370.6631.40089.3547.11114.36126532087順式0.6020.6011.37089.9453.03112.49130326068化學(xué)改性第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity五、聚酯酰胺（PEA）

從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度綜合聚酯和聚酰胺的優(yōu)點實驗室經(jīng)過很多嘗試，沒有工業(yè)化品種添加量/（mol）%Tg/oCTm/oC強度/MPa模量/MPa伸長/%0235878590932402412402407.9511.410.39.7175.0231.0265.0210.025342934不同己內(nèi)酰胺含量的聚酯酰胺纖維的物理性質(zhì)

化學(xué)改性第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity在聚酯聚合時加入尼龍66鹽-無規(guī)聚酯酰胺加入尼龍66齊聚物-嵌段聚酯酰胺

尼龍66鹽尼龍66齊聚物添加量/（mol）%,相對于BHET0369369Tg/oCTc/Tm/96.113925688.71412468714123884.714222891.913924987.214024388.1140241化學(xué)改性第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity共混填充改性通過切片的共混紡絲,染色性、抗靜電性、導(dǎo)電性、阻燃性等各項性能都能得到很大改善。PET與PBT按照一定的比例進行共混紡絲,可以極大地改進PET纖維的彈性和染色性。在滌綸紡絲時添加增白劑,提高纖維的白度和染色性,減少廢水排放。在聚酯中添加其他的功能組分，可以提高纖維的功能性。在這類改性的范圍最為廣泛，應(yīng)用也最普遍。物理改性第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity一、聚酯與聚酰胺的共混紡絲聚酯與聚酰胺共混紡絲一直被作為改進聚酯纖維的重要手段而加以研究。將PET與尼龍6共混物進行紡絲,然后用甲酸將聚酰胺組分溶解，得到聚酯原纖，這也是目前制備聚酯超細纖維的方法之一。（所謂的海島絲）聚酯與聚酰胺為熱力學(xué)不相容體系，共混物熔體對應(yīng)兩個熔點，可紡性一般變差。物理改性第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity二、PET/PBT共混紡絲

PET、PBT為同系物

PBT可改進PET的染色性、手感及彈性回復(fù)率它們并不是從熱力學(xué)相容的體系，兩個熔點，不能形成共晶一個玻璃化溫度，說明非晶區(qū)相容在共混物紡絲過程中可能會出現(xiàn)鏈交換物理改性第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity三、PET/ECDP/PEG三元共混纖維聚乙二醇(PEG)不僅可以提供柔性鏈段,降低聚酯的玻璃化溫度,

醚鍵具有較好的吸水性。因此采用PEG與PET的共混物紡絲可以提高PET纖維染色性、吸濕性和抗靜電性能。物理改性第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity表面改性表面改性是在纖維形成以后進行的表面改性方法具有針對性強、效果顯著等優(yōu)點表面改性方法包括：化學(xué)改性、光化學(xué)改性、等離子體處理等一、聚酯纖維的堿減量處理

原理：聚酯纖維在強堿和高溫作用下,大分子中的酯基發(fā)生水解反應(yīng)斷裂，分解為熱水可溶的低聚物或單體。經(jīng)水洗過程,熱水可溶性物從纖維中洗出。第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity表面改性第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity

減量效果與堿濃度的關(guān)系表面改性第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity堿減量后纖維性能的改進堿減量后，聚酯纖維織物的去污性能得到改善，例如以10％NaOH堿減量后的聚酯織物進行懸浮性污物去污試驗，其效果相當于一般去污后整理，但耐洗性卻比后者好得多?？椢锝?jīng)堿減量后，纖維間抱合力減小，孔隙增大，透氣量增加，這對穿著舒適性有一定改善。由于強度略有下降，有利于改進織物抗起球性能。純滌綸、滌棉或滌毛混紡織物經(jīng)堿減量后抗起球性能有所改善，目前國內(nèi)外部分仿毛織物產(chǎn)品也采用堿減量處理。表面改性第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity二、聚酯纖維的氨解處理

氨解--是聚酯纖維又一種表面處理的化學(xué)方法。在氨解反應(yīng)中，聚酯與胺發(fā)生親核取代反應(yīng)，胺作用于缺電子的羰基碳上，使聚酯的分子鏈斷裂形成酰胺，分子量減少并溶出。經(jīng)過氨解處理，不僅使纖維產(chǎn)生具有較大親水性的酰胺基和氨基，而且在纖維的表面產(chǎn)生裂紋和坑洼。因此，氨解處理可以極大地改善聚酯纖維的手感、親水性、易去污性、可染性，同時還可以提高纖維的抗靜電性、抗起球性、懸垂效果等。如在經(jīng)過氨解的聚酯纖維上涂敷一層絲素分子膜，可以使絲素分子膜牢固地附著在聚酯纖維的表面，使其具有更好地仿真絲效果。表面改性第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity氨解的三個階段

第一階段反應(yīng)發(fā)生在無定型區(qū)，對纖維的重量或結(jié)晶度影響不大，但聚合物的分子量下降很快。第二階段，纖維失重較快，但由于聚酯分子鏈的鏈斷裂而產(chǎn)生大量可萃取的低分子量物質(zhì)，結(jié)晶度也增加。第三階段，反應(yīng)速率逐漸降低，這是因為無定型區(qū)的反應(yīng)基本結(jié)束，反應(yīng)逐步轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)緊密的結(jié)晶區(qū)的緣故。表面改性第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity三、強氧化劑處理法強氧化劑氧化法是由于纖維在強氧化劑的作用下，表面被強氧化劑燒蝕，使聚合物表面發(fā)生裂解、交聯(lián)和氧化，使纖維和染料及其它材料之間的物理鍵合力和化學(xué)鍵合力增強，提高了纖維的表面活化能力和潤濕性，從而改善了纖維的潤濕性能。強氧化劑氧化法有酸洗、臭氧氧化和雙氧水浸潤等表面改性第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity四、光化學(xué)表面處理在光化學(xué)處理過程中,聚合物鏈在γ射線、紫外線、電子束等高能射線的照射下,發(fā)生鏈斷裂而產(chǎn)生很多自由基,在輻照的同時引入比較親水的單體在纖維表面聚合,使纖維表面活化,從而達到改善纖維表面潤濕性和染色性。最常用的單體為丙烯酸處理后纖維的強度下降較多，但可改善聚酯纖維的潤濕性和粘著性等表面性能表面改性第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity五、等離子體處理

等離子體技術(shù)在纖維表面處理方面的應(yīng)用始于20世紀60年代末。與化學(xué)表面處理處理方法相比有如下優(yōu)點:（1）省能源,無公害,滿足環(huán)保的需要;（2）處理時間短,效率高;（3）處理僅在纖維的表面，典型的作用深度為5~50nm，對所處理的纖維的性能影響不大；（4）可處理形狀較復(fù)雜的材料,材料表面處理的均勻性好;（5）反應(yīng)環(huán)境溫度低。因此,等離子體技術(shù)適合于材料表面的改性。表面改性第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期三SichuanUniversity1.4.3聚酯纖維的應(yīng)用一、聚酯短纖維的應(yīng)用聚酯短纖維在棉紡行業(yè)的應(yīng)用：大約80%被棉紡行業(yè)使用；聚酯短纖維在毛紡行業(yè)的應(yīng)用：少量聚酯短纖