化学纤维概论

化 学 纤 维 概 论

秦 志 忠

苏州大学材料学院

2005

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第一部分：总 论

一、化学纤维的分类

纺织纤维可以分为两大类：一类是天然纤维；另一类是化学纤维，是用天然或合成高分子化合物经化学加工制得的纤维。

化学纤维又可以分为两大类：

1、再生纤维：以天然高分子化合物为原料，经化学处理和机械

加工制得的纤维。

主要产品代表有：粘胶纤维；醋酸纤维；铜氨纤维等。

2、合成纤维：以石油、天然气、煤及农副产品等为原料，经一

系列的化学反应，制成合成高分子化合物，再经机械加工而制得的纤维。

主要产品代表：聚酯纤维（涤纶）；聚酰胺纤维（锦纶、尼龙）；聚烯烃纤维（丙纶、乙纶等）；聚丙烯腈纤维（腈纶）；聚乙烯醇纤维（维纶）；聚氯乙烯纤维（氯纶）。

以上就是我们通常所称的六大纶。此外还有一些高性能纤维，如：芳香族的聚酰胺（芳纶）、芳香族的聚酯等。

化学纤维的分类可以归纳成下表. 再生纤维

化学纤维

纤维素酯纤维、三醋酯、二醋酯纤维

合成纤维

六大纶 其它纤维

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再生纤维素纤维、粘胶、铜氨

二、世界化学纤维工业的发展概况

1、天然纤维

天然纤维是人类使用最早、时间最长的纤维材料，主要是棉、毛、丝、麻，它们伴随着早期人类的一切活动。

棉纤维：线密度1.3～1.5dtex/f，截面形状带有空腔的腰子形，纵向为扭曲的扁平带状的，吸湿性8～14%。 其特点：手感柔软、舒适、吸湿性好、透气性好。

羊毛：截面呈不规则的圆形，表面覆盖着鳞片结构和内部的非对称结构所引起的卷曲特性，蓬松度高。 其特点：保暖性好，蓬松度高。

蚕丝：一根蚕丝线密度粗细不等，横截面呈两个基本对称的三角形，蚕丝有丝胶和丝素。

其特点：光泽柔和，织物华丽富贵，吸湿性好，有特殊的丝鸣声。

2、再生纤维应运而生

大家知道蚕丝是由蚕吃了桑叶后生长，吐出一种粘稠液体遇到空气便凝固成丝素，这种现象引起了欧洲化学家们的注意，人们开始尝试用人工的方法是否可以制造出具有象天然纤维那样性质、特征的纤维品种。

人类经过无数次尝试，经历了200多年的探索，终于在1884年制成了硝酸酯纤维，并在1891年在法国建厂生产。在1901年制得了铜氨纤维，1905年制成了粘胶纤维，并使粘胶纤维发展成为再生纤维中最主要品种。继粘胶纤维之后，醋酯纤维、再生蛋白质纤维等再

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生纤维也相继实现了工业化生产。

上述三种纤维都是以天然高分子化合物—纤维素为原料，经化学处理和机械加工来制得纤维，因此我们称之为人造纤维或再生纤维。

3、世界合成纤维的探索与研究

再生纤维的问世的确大大丰富了世界纤维家族的成员，在其发展过程中，人们发现其主要原材料—天然纤维素的来源要受到自然资源的限制，人们不可能无限制地去利用天然资源，因此，再生纤维的发展受到一定的限制。与此同时世界石油化工行业的发展有许多副产品，如：甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇等，一时找不到合适的用途，能否用这些石油化工的副产品来经过适当的途径制成类似天然纤维那样的有用的材料？许多国家的科学家们为此进行了许多有益的探索研究。

经过长期的探索研究，终于在1935年，由美国的Carthers等首先研究成功第一种聚酰胺纤维—尼龙66，并于1939～1940年间开始工业化生产。所以，实际上尼龙66是第一种正式生产的合成纤维。一般认为合成纤维的发展史是从1938～1940年算起的。

从1938年至今，合成纤维生产已经有60余年历史，它的发展可以分为四个阶段。

第一阶段：1938～1950年，主要发展尼龙，同时集中探索新的成纤纤维。

第二阶段：1950～1956年，尼龙以外的主要合成纤维（涤纶和腈纶）问世，并实现工业化。

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第三阶段：1956～迄今，发展第二代合成纤维—改性纤维，包括差别化纤维。

第四阶段：1960～迄今，发展特种纤维，亦称之为高技术纤维或高性能纤维。这些纤维可称之为第三代合成纤维，包括碳纤维（或石墨纤维）、耐热高强高模的聚芳酰胺纤维（芳纶，如kevlar纤维）、高弹性纤维（氨纶）、超高分子量并高强高模的聚乙烯纤维等。

由于合成纤维性能优良，用途广泛，原料来源丰富，生产又不受气候和地址条件的影响，所以合成纤维工业自建立以来，发展速度便十分迅速。

在品种方面，占主导地位的是涤纶、尼龙、腈纶三大纶。 开发一个新品种需要大量的探索研究工作和时间，也有投资问题，而改进老品种则较为经济且收效快，所以在研究方面，目前仍以老品种的改进和提高工作仍将占主要地位。

4、我国的化纤工业发展历程

我国的化学纤维工业是新中国成立后发展起来的一门新兴工业，发展历程可以大致分为四个阶段。

第一阶段：起步阶段（1956～1965年），主要是粘胶纤维，60年代初，从日本、英国分别引进了生产维纶、腈纶的成套设备。

第二阶段：奠基阶段（1966～1980年），随着我国石油工业的发展，化纤原料开始转向石油化工路线，我国相继建立一批维纶厂。如上海、辽阳、天津、四川等。

第三阶段：发展阶段，80年代建设了特大型化纤企业—江苏仪

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征，完成了上海石化的二期工程；90年代又完成了仪征三期和辽化二期工程。

第四阶段：百花齐放，升级换代。从90年代开始，随着经济建设的发展，各地的民营企业在化纤发展中扮演了重要的角色，使我们的化纤又进入了一新的发展时代，主要向高质量、多品种、多功能的方向发展。

三、化学纤维的常用基本概念

1、纤维（Fibre）

从形状上说，纤维是一种比较柔韧的细而长的物质，供纺织应用的纤维长度与直径之比一般大于1000：1。典型的纺织纤维的直径为几微米至几十微米，长度超过25mm，线密度的数量级为10-5g/mm。 对于纺织纤维，还要有较大的断裂伸长，纺织纤维的典型断裂伸长在10%～50范围内。

2、长丝（Continuous Filament）

在化学纤维制造过程中，纺丝流体（熔体或溶液）经纺丝成形和后加工后，得到的长度以千米计的纤维称为长丝。 长丝包括单丝、复丝和帘线丝。

3、短纤维（Staple）

化学纤维的产品被切成几厘米至十几厘米的长度，这种长度的纤维称为短纤维。

根据切断强度的不同，短纤维可分为棉型、毛型、中长型短纤维。

棉型短纤维：长度25～38mm，纤维较细（线密度1.3～1.7dtex），

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类似棉花，主要用于与棉混纺—涤棉织物。

毛型短纤维：长度为70～150mm，纤维较粗（线密度3.3～7.7dtex），类似羊毛，主要用于与羊毛混纺—毛涤织物。

中长短纤维：纤维长度为51～76mm，纤维的线密度为2.2～3.3dtex，介于棉型和毛型之间，主要用于制造中长纤维织物。

4、异形截面纤维（Shaped Fibres）

在合成纤维成型过程中，采用异形喷丝孔（非圆形孔眼）纺制的具有非圆形横截面的纤维或中空纤维，这种纤维称为异形截面纤维，简称异形纤维。

异形纤维具有特殊的光泽，并且具有蓬松性、耐污性和抗起球性，纤维回弹性与覆盖性也可得到改善。如三角形横截面的涤纶具有闪光性；五叶形横截面涤纶有类似真丝的光泽、抗起球、手感和覆盖性好；某些中空纤维还具有特殊用途，如制作反渗透膜，用于人工肾脏、海水淡化、污水处理、硬水软化等。

5、复合纤维

复合纤维是将两种或两种以上成纤高聚物的熔体或浓溶液，利用组分、配比、粘度或品种的不同，分别输入同一纺丝组件，在组件中的适当部位汇合，在同一纺丝孔中喷出而成为一根纤维，称为复合纤维。

复合纤维的品种很多，有并列型、皮芯型、散布型（海岛型）等。

6、变形纱

变形纱包括所有经过变形加工的丝和纱，如弹力丝和膨体纱都属

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于变形纱。

弹力丝即变形长丝，有高弹丝和低弹丝之分。弹力丝的伸缩性、蓬松性好，其织物在厚度、重量、不透明性、覆盖性和外观特征等方面接近毛织品、丝织品或棉织品。

膨体纱是利用高聚物的热可塑性，将两种收缩性能不同的合成纤维毛条按比例混合，经热处理后，高收缩性的毛条迫使低收缩性的毛条卷曲，从而使其具有伸缩性和蓬松性。

类似毛线的变形纱和膨体纱以腈纶为主。

7、超细纤维

由于单纤维的粗细对于织物的性能影响很大，所以化学纤维也可按照单纤维的粗细（线密度）分类，一般分为常规纤维、细旦纤维、超细旦纤维和极细纤维。

常规纤维：线密度1.4～7dtex；

细旦纤维：线密度为0.55～1.3dtex，主要用于仿真丝类的轻薄型和中厚型织物；

超细纤维：线密度为0.11～0.55dtex，主要用于高密度防水透气织物和人造皮革、仿桃皮绒织物等；

极细纤维：线密度在0.11dtex以下，可通过海岛纺丝法生产，主要用于人造皮革和医学滤材等特殊领域。

8、差别化纤维

差别化纤维系外来语，来源于日本。一般泛指通过化学改性或物理变形使常规化纤品种有所创新或赋予某些特性的服用化学纤维。

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在聚合及纺丝工序中改性的有：共聚、超有光、超高收缩、异染、易染、速染、抗静电、抗起毛起球、防霉、防菌、防污、防臭、吸湿、吸汗、防水、荧光变色等纤维。

在纺丝、拉伸和变形工序中形成的有：共混、复合、中空、异形、异缩、异材、异色、细旦、超细、特粗、三维卷曲、网络、混纤、混络、皮芯、并列以及竹节、混色、包覆等等都属于差别化纤维的范畴。

差别化纤维主要用于服装及服饰织物，可提高经济效益、优化工序、节约能源、减少污染、增加纺织新产品。

9、特种纤维

特种纤维一般指具有特殊的物理化学结构、性能和用途的化学纤维，如高性能纤维、功能纤维等。

特种纤维主要用于产业及尖端技术领域等。

四、化学纤维的主要质量指标

1、线密度（纤度）

在法定计量单位中，表示纤维粗细程度的两的名称为“线密度”，在我国化学纤维工业中，旧称“纤度”。

线密度的单位名称为特，符号为tex，其1/10称分特，符号记为dtex。

1000m长纤维质量的克数即为该纤维的特数。

旦尼尔（Denien简称旦）和公制支数（简称公支）为非法定计量单位，以后不单独使用。

特数=1000/公制支数

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特数≈0.11*旦尼尔数

2、断裂强度

常用相对强度表示化学纤维的断裂强度。即纤维在连续增加负荷的作用下，直至断裂所能承受的最大负荷与纤维的线密度之比。单位为牛/特（N/tex）、厘牛/特（CN/tex）。

断裂强度是反映纤维质量的一项重要指标，断裂强度高，纤维在加工过程中不易断头，绕辊，纱线和织物的牢度高，但断裂强度太高，纤维刚性增加，手感变硬。

纤维在干燥状态下测定的强度称干强度；在润湿状态下测定的强度称湿强度。回潮率较高的纤维的湿强度比干强度低。大多数合成纤维回潮率很低，湿强度接近或等于干强度。

3、断裂伸长

纤维的断裂伸长率一般用断裂时的相对伸长率，即纤维在伸长至断裂时的长度比原来长度增加的百分数表示：

Y=[（L-L0）/L0]*100%

式中：L0—纤维原长；L—纤维伸长至断裂时的强度。

断裂伸长率是一种反映纤维韧性的指标。对于衣着用长丝，伸长率愈大，手感愈柔软，后加工中毛丝、断头较少；但过大时，织物易变形。对于工业用长丝，伸长率愈小，其最终产品不易变形。

4、条干不匀率

条干不匀率是一种表示长丝条干均匀度的指标，用CV值（变异系数）或U(Uster%)表示。这项指标对预取向丝和拉伸丝尤为重要。

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亚麻 羊毛 蚕丝 粘胶 维纶 腈纶 涤纶 锦纶 丙纶 多角形，有空腔 不规则圆形 三角形、圆形 锯齿形 腰子形 哑铃形 圆形 圆形 圆形 有竹节状横节及条纹 有鳞片状横纹 表面光滑 有条纹 有粗条纹 有条纹 表面光滑 表面光滑 表面光滑 2、燃烧法

根据不同纤维的燃烧特性来鉴别纤维。燃烧特性包括燃烧速度、火眼的颜色、燃烧时放出来的气味、燃烧后灰烬的颜色及形状、硬度等。燃烧法简便易行，不需要特殊设备和试剂，但只能区别大类纤维，而对混纺纤维复合纤维、经阻燃处理的纤维等不能用此法鉴别。

表4：常见纤维的燃烧特性

纤维 棉 燃烧情况 易燃、黄色火焰 气味 灰烬颜色及形状 有烧纸气味 灰烬少，灰末细软，浅灰色 麻 易燃、黄色火焰 有烧纸气味 灰烬少，灰末细软，浅灰色 粘胶 易燃、黄色火焰 有烧纸气味 灰烬少，灰末细软，浅灰色 16

羊毛 徐徐冒烟起泡并燃有烧毛发臭灰烬少，黑色块状，质脆 烧 味 有烧毛发臭味 易碎的黑褐色小球 蚕丝 燃烧慢 醋酯纤维 涤纶 缓慢燃烧 有醋酸刺激味 黑色硬块或小球 一边熔化，一边缓有芳香气味 慢燃烧 易碎、黑褐色小球 锦纶 一边熔化，一边缓有特殊臭味 慢燃烧 坚硬、褐色小球 丙纶 边收缩，边熔化燃有烧蜡臭味 烧 黄褐色硬块 腈纶 一边熔化，一边燃有鱼腥臭味 烧 易碎、黑色硬块 维纶 燃烧缓慢 有特殊臭味 易碎、褐色硬块 3、溶解法

利用各种纤维在不同化学试剂中的溶解性能不同来鉴别纤维，这种方法操作简单，实际准备容易，准确性较高，且不受混纺、染色等影响，应用范畴较广。

4、着色法

利用纤维在着色剂中着色后的颜色不同来鉴别纤维，所用的着色剂是根据各种纤维适用的染料配制而成的专用着色剂，如将不同的纤

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维在通用着色剂HI-1号（东华大学研制）中煮沸1min，取出洗净凉

干后，各种纤维的颜色如下：

棉 蓝灰 粘胶 蓝绿 羊毛 红莲 腈纶 桃红 涤纶 红玉 锦纶 朱红 维纶 桔红 丙纶 无色 着色法比较简单易行，且比较准确，但对于有色纤维、复合纤维、涂层或经化学处理的纤维就需借助其它方法进行鉴别

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第二部分：涤纶纤维制备基础

一、概 述

涤纶是属聚酯类的高聚物，其大分子链中喊有酯基（-COO-），英文缩写为PET，其结构式为：

[OCH2CH2COOCO]n

涤纶是化纤工业中产量最高的一个品种。按照纤维长度，涤纶有长丝与短纤维之分。由于涤纶长丝具有许多优点，自80年代来，涤纶长丝得到迅速的发展，目前，国内长丝的产量也超过短纤维的产量。据报道，2004年世界涤纶纤维总产量为2477.3万吨，其中 短纤维为1035.7万吨，长丝为1441.6万吨（占58.19%）；我国涤纶纤维总量为1138.05万吨，几乎占世界的50%，其中短纤维为434.74万吨，长丝为703.31万吨，产量比例为38：62，高于世界的58.19。 涤纶长丝迅速发展的因素有：

1、长丝不必纺纱，也不需要混纺，可直接用于制造。因此，大大提高了长丝后加工的生产效率；

2、长丝的基建投资虽高于短纤维，但可省去纺织加工的投资，二者之和相差不大，而长丝的定员比短纤维少2～3倍，因此，人均利润高4～5倍；

3、长丝生产技术发展很快，纺速提高。工艺路线已由“低速纺丝—拉伸加捻—变形”三步法，简化为“高速纺丝—拉伸变形”二步法，进而又发展到“纺丝—拉伸”一步法，从而降低投资和成本，提高产品质量和生产效率。

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4、长丝的品种繁多，又容易制备差别化纤维。

二、涤纶长丝的分类

未拉伸丝（常规纺丝）—UDY 初生丝 涤纶长丝 半预取向丝（中速纺丝）—MOY 预取向丝（高速纺丝）—POY 高取向丝（超高速纺丝）—HOY 拉伸丝 拉伸丝（低速拉伸丝）—DY 全拉伸丝（纺丝拉伸一步法）—FDY 常规变形丝—TY 变形丝 拉伸变形丝—DTY 空气变形丝—ATY 三、性能

涤纶长丝的一般化学、物理性能与短纤维相同，而与短纤维不同的有：

1、长丝生产系单锭生产方式。一根丝条有几十根单丝，从纺

丝到变形，要经过几十个摩擦点，容易产生毛丝。此外，长丝又是多锭位、多机台的生产，由于设备、工艺、操作等因素，不同锭位的长丝在性能上会有一定的差异，甚至一个筒子的内层与外层也会有差异。

2、长丝通过物理变形的方法，可仿制差别化纤维。如改变

喷丝孔的形状或捻度、混纤、网络、空变、包芯等。

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