第十章合成纤维 Synthetic fiber 学习目的要求 掌握纤维的分类与特征;初步掌握聚 酯纤维、锦纶纤维、腈纶纤维、聚丙烯 纤维的生产技术、结构、性能及应用
第十章 合成纤维 Synthetic Fiber 学习目的要求 掌握纤维的分类与特征；初步掌握聚 酯纤维、锦纶纤维、腈纶纤维、聚丙烯 纤维的生产技术、结构、性能及应用
89-1纤维的分类与特征 纤维是指柔韧、纤细,具有相当长度、强度、弹性和吸湿性的丝状物。大多 数是不溶于水的有机高分子化合物,少数是无机物。根据来源可以分为天然纤维 和化学纤维两大类 纤维的分类 胶黏纤维 纤维素纤维铜氨纤维 天然纤维 醋酸纤维 蛋白质纤维 纤维 锦纶系列纤维 涤纶系列纤维 腈纶系列纤维 化学纤维〈聚乙烯醇系列纤维 聚烯烃纤维 含氯纤维 耐高温纤维 其他纤维
§9-1 纤维的分类与特征 纤维是指柔韧、纤细，具有相当长度、强度、弹性和吸湿性的丝状物。大多 数是不溶于水的有机高分子化合物，少数是无机物。根据来源可以分为天然纤维 和化学纤维两大类。 一、纤维的分类 纤维 天然纤维 化学纤维 胶黏纤维 铜氨纤维 醋酸纤维 纤维素纤维 锦纶系列纤维 蛋白质纤维 涤纶系列纤维 腈纶系列纤维 聚乙烯醇系列纤维 聚烯烃纤维 含氯纤维 耐高温纤维 其他纤维
§91纤维的分类与特征 、成纤高聚物的特征 高聚物的品种很多,但并不是所有高聚物都能用于纺丝,而是具有如下特征 的高聚物都能进行纺丝。 成纤高聚物均为线型高分子用这类高分子纺制的纤维能沿纤维纵轴方向拉 伸而有序排列。当纤维受到拉力时,大分子能同时承受作用力,使纤维具有较高 的拉伸强度和适宜的延伸度及其他物理一力学性能。 成纤维高聚物具有适宜的相对分子质量线型高聚物分子链的长度对纤维的 物理-力学性能影响很大,尤其是对纤维的机械强度、耐热性和溶解性的影响更 大。相对分子质量的高低均不好,高者不易加工,低者性能不好。常见的主要成 纤高聚物的相对分子质量如下表所示 主要成纤高聚物的相对分子质量 高聚物相对分子质量 高聚物 相对分子质量 聚酰胺-6或-66 16000-22000 聚乙烯醇 60000-80000 聚酯 16000-20000 全同聚丙烯 180000-300000 聚丙烯腈 50000-80000
§9-1 纤维的分类与特征 二、成纤高聚物的特征 高聚物的品种很多，但并不是所有高聚物都能用于纺丝，而是具有如下特征 的高聚物都能进行纺丝。 成纤高聚物均为线型高分子 用这类高分子纺制的纤维能沿纤维纵轴方向拉 伸而有序排列。当纤维受到拉力时，大分子能同时承受作用力，使纤维具有较高 的拉伸强度和适宜的延伸度及其他物理-力学性能。 成纤维高聚物具有适宜的相对分子质量 线型高聚物分子链的长度对纤维的 物理-力学性能影响很大，尤其是对纤维的机械强度、耐热性和溶解性的影响更 大。相对分子质量的高低均不好，高者不易加工，低者性能不好。常见的主要成 纤高聚物的相对分子质量如下表所示。 主要成纤高聚物的相对分子质量 高聚物 相对分子质量 高聚物 相对分子质量 聚酰胺-6或-66 聚酯 聚丙烯腈 16000-22000 16000-20000 50000-80000 聚乙烯醇 全同聚丙烯 60000-80000 180000-300000
891纤维的分类与特征 成纤高聚物的分子链间必须有足够的次价力高聚物的物理力学性能与次 价力有密切关系。分子间次价力越大,纤维的强度越高,次价力大于20.92kJmo 的高聚物适宜作纤维材料 成纤高聚物应具有可溶性和融性只有这样才能将高聚物溶解或熔融成溶 液或熔体,再经纺丝、凝固或冷却形成纤维,否则就不能进行纺丝
§9-1 纤维的分类与特征 成纤高聚物的分子链间必须有足够的次价力 高聚物的物理-力学性能与次 价力有密切关系。分子间次价力越大，纤维的强度越高，次价力大于20.92kJ/mol 的高聚物适宜作纤维材料。 成纤高聚物应具有可溶性和熔融性 只有这样才能将高聚物溶解或熔融成溶 液或熔体，再经纺丝、凝固或冷却形成纤维，否则就不能进行纺丝
§92聚酯纤维 聚酯是制造聚酯纤维、涂料、薄膜及工程塑料的原料,是由饱和的二元酸与 二元醇通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物。这类缩聚物的品种因随使用 原料或中间体而异,故品种繁多数不胜数。但所有品种均有一个共同特点,就是 其大分子的各个链节间都是以酯基“-C00-”相联,所以把这类缩聚物通称为 聚 酯。以聚酯为基础制得的纤维称为涤纶,是三大合成纤维(涤纶、锦纶、腈纶) 之一,是最主要的合成纤维。下面主要介绍对苯二甲酸乙二醇酯(简称PET)生 主要原料 1.对苯二甲酸(TPA) 对苯二甲酸是芳香族二元羧酸的一种,它在常温下,外观为白色晶体,无毒, 易燃。稍溶于热乙醇,微溶于水,不溶于氯仿、ξ醚、醋酸,能溶于碱。物性常 数如下: 相对分子质量 166.13 相对密度 熔点 384~421℃升华点 402℃ 自燃点 680℃ 升华热 98.4kI/mol
§9-2 聚酯纤维 聚酯是制造聚酯纤维、涂料、薄膜及工程塑料的原料，是由饱和的二元酸与 二元醇通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物。这类缩聚物的品种因随使用 原料或中间体而异，故品种繁多数不胜数。但所有品种均有一个共同特点，就是 其大分子的各个链节间都是以酯基“－COO－”相联，所以把这类缩聚物通称为 聚 酯。以聚酯为基础制得的纤维称为涤纶，是三大合成纤维（涤纶、锦纶、腈纶） 之一，是最主要的合成纤维。下面主要介绍对苯二甲酸乙二醇酯（简称PET）生 产工艺。 一、主要原料 1．对苯二甲酸（TPA） 对苯二甲酸是芳香族二元羧酸的一种，它在常温下，外观为白色晶体，无毒， 易燃。稍溶于热乙醇，微溶于水，不溶于氯仿、乙醚、醋酸，能溶于碱。物性常 数如下： 相对分子质量 166.13 相对密度 1.55 熔点 384～421℃ 升华点 402℃ 自燃点 680℃ 升华热 98.4kJ/mol 燃烧热 3227.8kJ/mol
§92聚酯纤维 对苯二甲酸由对二甲苯、苯酐或甲苯制得,主要用于制造聚酯纤维和塑料 2.对苯二甲酸二甲酯(DMT) 对苯二甲酸二甲酯是芳香族二元酯的一种,在常温下,外观为白色结晶粉末, 无毒、易燃,其蒸气或粉尘与空气混合至一定比例,遇为能发生爆炸。物性常数 如下: 相对分子质量 194.18 相对密度 1.065 熔点 140.65℃ 沸点 288℃ 纯度 99.9% 对苯二甲酸二甲酯由对苯二甲酸与甲醇酯化,然后经重结晶或真空蒸馏制得。 3.乙二醇 乙二醇为无色微粘稠液体。具有较强的吸湿性,有醇味但不能饮用。可以和 水、醇、醛、吡啶等混溶,微溶于乙醚。其物性常数如下 相对分子质量 62.07 熔点 13C 沸点 197.6℃ 闪点(开口) 116℃ 相对密度 1.1154 粘度(20℃) 20.93cp 折射率 1.4316 膨胀系数 0.00062
§9-2 聚酯纤维 对苯二甲酸由对二甲苯、苯酐或甲苯制得，主要用于制造聚酯纤维和塑料。 2．对苯二甲酸二甲酯（DMT） 对苯二甲酸二甲酯是芳香族二元酯的一种，在常温下，外观为白色结晶粉末， 无毒、易燃，其蒸气或粉尘与空气混合至一定比例，遇为能发生爆炸。物性常数 如下： 相对分子质量 194.18 相对密度 1.065 熔点 140.65℃ 沸点 288℃ 纯度 99.9% 对苯二甲酸二甲酯由对苯二甲酸与甲醇酯化，然后经重结晶或真空蒸馏制得。 3．乙二醇 乙二醇为无色微粘稠液体。具有较强的吸湿性，有醇味但不能饮用。可以和 水、醇、醛、吡啶等混溶，微溶于乙醚。其物性常数如下： 相对分子质量 62.07 熔点 －13℃ 沸点 197.6℃ 闪点（开口） 116℃ 相对密度 1.1154 粘度（20℃） 20.93cp 折射率 1.4316 膨胀系数 0.00062
§92聚酯纤维 介电常数 38.66 乙二醇主要由环氧乙烷水合制取,其用途广泛,在合成工业上主要用于生产 合成纤维、不饱和聚酯和增塑剂等。 其中直接化聚酯法对苯二甲酸和乙二醇的质量要求实例如下表所示。 直接酯化法聚醚对对苯二甲酸和乙二醇的质量指标 对苯二甲酸 乙二醇 纯度 >999% 纯度 998% 光学密度(NH4OH,380)<0.006 相对密度 1.113-1.1136 铂钴比色值(NaOH溶液) <10 沸点 (1400.7) 含水量 <0.1% 铂钴比色 10 灰分 <0001% 缩三缩乙二醇 <0.05% 钾铁醛 <0.003% 水分 <0.0001% 酸度 0.001% 灰分 <0.0005% 0.00001% 外观 无色透明 4、环氧乙烷
§9-2 聚酯纤维 介电常数 38.66 乙二醇主要由环氧乙烷水合制取，其用途广泛，在合成工业上主要用于生产 合成纤维、不饱和聚酯和增塑剂等。 其中直接化聚酯法对苯二甲酸和乙二醇的质量要求实例如下表所示。 直接酯化法聚醚对对苯二甲酸和乙二醇的质量指标 4、环氧乙烷 对苯二甲酸 乙二醇 纯度 光学密度（NH4OH，380μ） 铂钴比色值（NaOH溶液） 含水量 灰分 钾 铁 醛 ＞99.9% ＜0.006 ＜10 ＜0.1% ＜0.001% ＜0.003% ＜0.0001% 0 纯度 相对密度 沸点 铂钴比色 二缩三缩乙二醇 水分 酸度 灰分 铁 外观 99.8% 1.113-1.1136 （1400.7） ＜10 ＜0.05% ＜0.1% ＜0.001% ＜0.0005% ＜0.00001% 无色透明
§92聚酯纤维 环氧乙烷又称氧化乙烯。就最简单的环醚。在常温下是无色气体,在低温下 是无色易流动液体。有乙醚气味,有毒。溶于水、乙醇和乙醚等,化学性质非常 活泼,能与许多化合物起加成反应。能与空气形成爆炸性混合物,爆炸极限为 36%~78%(体积)。其物性常数如下 相对分子质量 44.050 相对密度 0.8711 熔点 111.3℃ 沸点 13~14C 临界温度(气体)195.8℃ 临界压力(气体)7.33MPa 闪点 17.8℃ 环氧乙烷由乙烯直接或间接氧化制得。主要用于制乙二醇、非离子型表面活 性剂,食品及纺织工业的熏蒸剂等。 、聚酯纤维的生产原理与工艺 1.聚酯合成的工艺路线 酯交换聚酯路线 聚酯合成的工艺路线对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线 环氧乙烷酯化聚酯路线
§9-2 聚酯纤维 环氧乙烷又称氧化乙烯。就最简单的环醚。在常温下是无色气体，在低温下 是无色易流动液体。有乙醚气味，有毒。溶于水、乙醇和乙醚等，化学性质非常 活泼，能与许多化合物起加成反应。能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限为 3.6%～78%（体积）。其物性常数如下： 相对分子质量 44.050 相对密度 0.8711 熔点 －111.3℃ 沸点 13～14℃ 临界温度（气体） 195.8℃ 临界压力（气体） 7.33MPa 闪点 ＜－17.8℃ 环氧乙烷由乙烯直接或间接氧化制得。主要用于制乙二醇、非离子型表面活 性剂，食品及纺织工业的熏蒸剂等。 二、聚酯纤维的生产原理与工艺 1．聚酯合成的工艺路线 聚酯合成的工艺路线 酯交换聚酯路线 对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线 环氧乙烷酯化聚酯路线
892聚酯纤维 (1)酯交换聚酯路线(酯交换聚酯法) 是最早(1953年)实现工业的聚酯路线。是将对苯二甲酸二甲酯与乙二醇按 1:2.5(摩尔比)比例混合,在醋酸锌、醋酸锰和醋酸钴催化剂的作用下,发生 酯交换反应,生成对苯二甲酸双羟乙酯。 Zn(CH COO) H COOC COOCH3 t 2 HOCH, CH,OH HOCH,CH, COOC+ O)-COOCH,CH,OH 对苯二甲酸双羟乙酯 (2)对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线(直接酯化聚酯法) HOOC COOH+ 2 HOCH, CH2OH HOCHCHCOOC COOCH2 CH2OH 对苯二甲酸双羟乙酯 该路线对原料对苯二甲酸和乙二醇的纯度要求较高
§9-2 聚酯纤维 （1）酯交换聚酯路线（酯交换聚酯法） 是最早（1953年）实现工业的聚酯路线。是将对苯二甲酸二甲酯与乙二醇按 1∶2.5（摩尔比）比例混合，在醋酸锌、醋酸锰和醋酸钴催化剂的作用下，发生 酯交换反应，生成对苯二甲酸双羟乙酯。 （2）对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线（直接酯化聚酯法） 该路线对原料对苯二甲酸和乙二醇的纯度要求较高。 H3COOC－ －COOCH3 ＋ 2 HOCH2CH2OH Zn（CH2COO）2 HOCH2CH2COOC－ －COOCH2CH2OH 对苯二甲酸双羟乙酯 HOOC－ －COOH ＋ 2 HOCH2CH2OH HOCH2CH2COOC－ －COOCH2CH2OH 对苯二甲酸双羟乙酯
§92聚酯纤维 (3)环氧乙烷酯化聚酯路线(环氧乙烷法) 该路线是1973年开始工业化生产的。其反应如下 HOOC COOH 2 CH2-CH2 HOCH CH COOC COOCH,,OH 对苯二甲酸双羟乙酯 该反应在饱和低分子脂肪胺或季胺盐存在下,进行极为顺利,该路线具有成 本低;产物低聚物少,容易精制;设备利用率高,辅助设备少等优点。如果采用 高纯度的对苯二甲酸和环氧乙烷进行反应,其产物可不经过精制就可以直接用于 缩聚成聚酯 (4)聚酯合成原理 用精制后的对苯二甲酸双羟乙酯或它与苯甲酸混合的反应物进行缩聚反应, 分离出乙二醇后即得聚对苯二甲酸乙二醇酯,其反应如下
§9-2 聚酯纤维 （3）环氧乙烷酯化聚酯路线（环氧乙烷法） 该路线是1973年开始工业化生产的。其反应如下： 该反应在饱和低分子脂肪胺或季胺盐存在下，进行极为顺利，该路线具有成 本低；产物低聚物少，容易精制；设备利用率高，辅助设备少等优点。如果采用 高纯度的对苯二甲酸和环氧乙烷进行反应，其产物可不经过精制就可以直接用于 缩聚成聚酯。 （4）聚酯合成原理 用精制后的对苯二甲酸双羟乙酯或它与苯甲酸混合的反应物进行缩聚反应， 分离出乙二醇后即得聚对苯二甲酸乙二醇酯，其反应如下： HOOC－ －COOH ＋ 2 CH2－CH2 HOCH2CH2COOC－ －COOCH2CH2OH 对苯二甲酸双羟乙酯 O