简介
聚酯(PET)纤维是由大分子链中的各链节通过酯基连成成纤聚合物纺制的合成纤维,聚酯英文缩写为PET。我国将聚对苯二甲酸乙二酯含量大于85%以上的纤维简称为涤纶,国外的商品名称很多,如美国的达克纶(Dacron)、日本的特托纶(Tetoron)、英国的特恩卡(Terlenka)、前苏联的拉乌珊(Lavsan)等。
性能
①物理性质。聚酯纤维一般为乳白色并带有丝光;无光产品需要加入消光剂TiO2,而生产纯白产品需要加入增白剂;无定形聚酯纤维密度为1.333g/cm3,完全结晶为1.455g/cm3。通常聚酯纤维具有较高的结晶度,密度与羊毛相近。
②热性能。聚酯纤维的玻璃化温度为68~81 ℃,在玻璃化温度以下,大分子链段活动能力小,受外力不易变形,有利于正常使用;聚酯纤维的软化点温度为230~240 ℃,超过此温度,聚酯纤维开始解取向,分子链段发生运动产生形变,且形变不能回复。
在染整加工中,温度要控制在玻璃化温度以上,软化点温度以下。印染厂的热定型温度一般为180~220 ℃,染色、整理及成衣熨烫的温度均应低于热定型温度,否则会因分子链段活动加剧而破坏定形效果。
在几种主要合成纤维中,聚酯纤维的耐热性最好。170 ℃以下短时间受热引起的强度损失,温度降低后可恢复。聚酯纤维具有很好的热稳定性,温度升高时,聚酯纤维的强度损失小,且不易收缩变形。聚酯纤维150 ℃受热168h,强力损失<3%。
③机械性能。聚酯纤维的强度和断裂伸长率不仅与分子结构有关,还与纤维纺丝过程中的拉伸和热处理工艺密切相关。经拉伸后,大分子链按一定方向排列,取向度提高,能均匀承受外力,故强度提高。在适当的热处理条件下,聚酯纤维在纺丝过程中拉伸程度越高,则纤维的取向度越高,纤维的断裂强度也越高,而断裂伸长率却较低;反之,则可能获得低强高伸的纤维。即改变拉伸和热处理条件,可制成高强低伸或低强高伸等不同品种的纤维。
聚酯纤维具有优良的弹性,在较小的外力作用下不易变形,当受到较大外力作用而产生形变时,取消外力后,其回复原状的能力较强,形变回复能力与羊毛相近。聚酯纤维弹性好的原因有两方面:一方面聚酯纤维具有较大的弹性模量,这表明纤维的刚性强,受外力时不易产生形变;一旦产生形变,由于回弹率较高,又易回复。另一方面,从聚酯纤维的微结构来看,存在无定形区、结晶区和取向度高的部位,分子间有比较牢固的联结点,分子间作用力较大,受外力时不易产生形变。聚酯纤维在一定外力作用下产生的形变是可回复形变,但在高度拉伸时,回复性能显著变差,具有“洗可穿”性能。
④耐磨性。聚酯纤维的耐磨性不及锦纶,但比其他合成纤维高出几倍,与天然纤维或粘胶纤维混纺,可显著提高耐磨性。聚酯纤维有起球的缺点,因聚酯纤维丝截面为圆形,表面光滑,抱合力差,故纤维末端容易浮出织物表面,形成绒毛,经摩擦,纤维纠缠在一起结成小球。此外由于聚酯纤维强度高,弹性好,小球难以脱落,所以产生起球现象。抗起球整理是聚酯纤维改性的重要方向。
⑤化学性能。聚酯纤维的耐酸性较好,在弱酸中煮沸也无显著损伤,在强酸中低温下稳定,高温下有损伤,纤维强度迅速降低。聚酯纤维耐酸的意义在于,染整加工尽量在酸性条件下进行;可用硫酸或盐酸测定涤棉织物混纺比。
聚酯纤维的耐碱性较差,碱使聚酯发生水解,水解程度因碱种类、浓度、温度及时间不同而不同。碱处理聚酯纤维会出现“剥皮现象”,即热稀碱能使表面的大分子水解。在碱中表面的分子水解到一定程度,可使纤维表面一层层地剥落下来,造成纤维的失重和强度降低,而对纤维的芯层则无多大影响,分子量也没有什么变化,这种现象称为“剥皮现象”。这使纤维变细、变轻,在纤维表面出现刻蚀——变得凹凸不平,增加了纤维在纱中的活动性。碱减量处理会提高纤维细度和纤维吸湿性,获得仿真丝绸整理效果。
聚酯纤维对氧化剂和还原剂均具有良好的稳定性,因此,染整加工中漂白剂(次氯酸钠、亚氯酸钠、过氧化氢)、还原剂(保险粉、二氧化硫脲)都可使用。
聚酯纤维的耐溶剂性较好。聚酯纤维可溶解在一些有机溶剂中,如丙酮、苯、苯酚-四氯乙烷(6∶4),聚酯纤维可在一些有机物的水溶液中溶胀,如酚类,故酚类化合物常用作聚酯纤维染色的载体。
聚酯纤维的染色较困难,易染性较差,因聚酯纤维分子链紧密,染料难以进入纤维内部。无特定染色基团,缺乏亲水性,在水中膨化程度低,不易与水溶性染料结合。极性小,染料无法与纤维发生共价键结合。
⑥电性能。聚酯纤维具有静电现象,由于聚酯纤维吸湿性低,表面具有较高的比电阻,当两物体接触、摩擦又立即分开后,聚酯纤维表面易积聚大量电荷而不易逸散,产生静电。静电的危害主要是使染整加工困难,设备要加静电消除器;穿着不舒服,易产生电击、火灾等。克服静电的方法有生产抗静电纤维和进行抗静电整理等。
⑦燃烧性能。聚酯纤维靠近火焰时会收缩熔化为黏流状,接触火焰即燃烧,并形成熔珠而滴落,熔珠为硬的黑色小球。燃烧时有芳香气味并产生黑烟,离开火焰后能继续燃烧,但易熄灭。紧密的聚酯纤维织物较易燃烧,尤其是聚酯纤维与其他易燃纤维混纺的织物更是如此。
分类
聚酯纤维一般以纺丝速度的高低来划分纺丝技术路线的类型,如常规纺丝技术、高速纺丝技术和超高速纺丝技术等。
(1)常规纺丝:纺丝速度1000~1500m/min。其卷绕丝为未拉伸丝,通称UDY(Undraw yarn)。
(2)中速纺丝:纺丝速度为1500~3000m/min。其卷绕丝具有中等取向度,为中取向丝,通称MOY(Medium oriented yarn)。
(3)高速纺丝:纺丝速度为3000~6000m/min。纺丝速度为4000m/min以下的卷绕丝具有较高的取向度,为预取向丝POY(Pre-oriented yarn)。若在纺丝过程中引入拉伸作用,可获得具有高取向度和中等结晶度的卷绕丝,为全拉伸丝FDY(Full draw yarn)。
(4)超高速纺丝:纺丝速度为6000~8000m/min。卷绕丝具有高取向和中等结晶结构,为全取向丝,通称FOY(Fully oriented yarn)。
聚酯纤维纺丝技术在近年来得到迅速发展。今后仍将沿着高速、高效、大容量、短流程、高速自动化的方向发展,并将加强差别化、功能化纤维纺制技术的开发。
应用
聚酯纤维具有许多优良的纺织性能和服用性能,用途广泛,可以纯纺织,也可与棉、毛、丝、麻等天然纤维和其他化学纤维混纺交织,制成花色繁多、坚牢挺括、易洗易干、免烫和洗可穿性能良好的仿毛、仿棉、仿丝、仿麻织物。聚酯纤维织物适用于男女衬衫、外衣、儿童衣着、室内装饰织物和地毯等。由于聚酯纤维具有良好的弹性和蓬松性,也可用作絮棉。在工业上高强度聚酯纤维可用作轮胎帘子线、运输带、消防水管、缆绳、渔网等,也可用作电绝缘材料、耐酸过滤布和造纸毛毯等。用聚酯纤维制作无纺织布可用于室内装饰物、地毯底布、医药工业用布、絮绒、衬里等。
改性
聚酯纤维的改性可在聚酯合成、纺丝加工、纺纱、织造及染整加工的各个阶段中进行,改性方法大致可分为两类:
(1)化学改性,包括共聚和表面处理等方法,用以改变原有聚酯大分子的化学结构,以达到改善纤维的性能如染色性、吸湿性、防污性、高收缩性等的目的,化学改性具有持久性的效果。
(2)物理改性,在不改变原有聚酯大分子的化学结构的情况下,通过改变纤维的形态结构达到改善纤维性能的目的,包括通过复合纺丝、共混纺丝、改变纤维加工条件、改变纤维形态以及混纤、交织等方法,可制得易染色、阻燃、高吸湿、抗静电、导电及仿天然纤维等改性聚酯纤维。
此外,还可利用功能性微粒子改性开发功能性聚酯,如远红外聚酯纤维、抗菌聚酯纤维、抗紫外线聚酯纤维、超悬垂聚酯纤维,但应注意聚酯纤维的改性和功能化必须是在改进、赋予某种性能和功能的同时,又不显著降低其固有的优良性能。
易染色聚酯纤维
所谓纤维的“易染色”是指可用不同类型的染料染色,且在采用同种染料染色时染色条件温和,色谱齐全,色泽鲜艳、均匀及坚牢度好。由于聚酯分子链紧密敛集,结晶度和取向度较高,极性较小,亲水性差,因此染料不易浸入纤维。除采用分散染料载体染色、高温染色及热熔染色等方法外,纺制易染色纤维是解决其染色困难的一个重要途径。
抗静电、导电聚酯纤维
由于聚酯纤维的疏水性,具有1014~1015Ω·cm以上的体积比电阻,纤维相互间的摩擦系数较大,静电摩擦系数μs=0.44~0.57,动摩擦系数μd=0.33~0.45,易在纤维上积聚静电荷,使纤维之间彼此排斥或被吸附在机械部件上,且易沾尘埃,造成加工困难。
阻燃聚酯纤维
聚酯纤维纺织品作为装饰品如地毯、沙发布或窗帘等以及用于特殊用途时,对其阻燃性的要求很高,故改进聚酯纤维(尤其是混纺制品)的阻燃性应予以高度的重视。
一般可采用加入磷—卤素化合物类阻燃剂,或使用2,5-二氟代对苯二甲酸作为合成聚酯的单体来改进阻燃性,所加入的添加剂应在280~290℃下不发生升华和热分解。
聚酯仿天然纤维
聚酯仿天然纤维是在保持聚酯优良性能的前提下,采用物理和化学的方法,制造出接近于天然纤维的PET纤维。
目前,聚酯纤维仿真丝产品已有四代产品,第一代为异形丝、碱减量等产品,可使聚酯纤维产生真丝般的光泽;第二代为阳离子染料可染型,具有抗静电性、防污性等性能的产品,使其染色性、防尘性更接近于真丝;第三代产品为高复丝、超复丝、交络丝等产品,其织物如乔其纱、塔夫绸等,具有轻、软、挺、耐洗等优点;第四代仿真丝可分为两大类,一类由聚酯纤维改性而来,另一类是通过与天然或再生纤维混用而制造的。
吸湿排汗聚酯纤维
吸湿排汗是一种具有良好吸湿、排汗功能的新型聚酯纤维,其原理是利用纤维表面的细微沟槽和孔洞,将肌肤表面排出的湿气与汗水经过芯吸、扩散、传输的作用,瞬间排出体外,使肌肤保持干爽。日本Komatsu Serien公司通过蚕丝化合物接枝聚合改性得到吸水排汗聚酯纤维。
日本的帝人公司将高吸湿的丝蛋白通过独特的化学方法涂在吸水性纤维上,制得了比吸水性纤维具有更好的吸汗快干效果的“Wellkey.MA”纤维,其织物的吸湿快干性比普通聚酯纤维强10倍。
远红外聚酯纤维
天津工业大学于20世纪90年代在远红外纤维的研究和制备上取得明显的成果。目前远红外织物及制品的制备趋向成熟已批量投入市场,近年的研究中采用以TiO2、SiO2、Cr2O3为主的远红外添加剂,磷酸盐阴离子表面活性剂作为分散剂,以及自制效果极佳的合成分散剂,用PTA法合成了PET切片并制成纤维,当远红外剂的质量分数含量为2%和3%时,产品的法向光谱比辐射率分别为90%和92%,而纯PET仅为65%,具有85%法向光谱比辐射率的远红外PET纤维,其切片在37℃时的温升为212℃。远红外无机粉的添加量对切片的可纺性影响较大,当远红外剂的质量分数大于5%时,纺丝就无法进行。如果PET中远红外添加量适当,且分布均匀,并调整好纺丝,可纺制涤纶高弹丝及中空三卷曲涤纶短纤维。
负离子聚酯纤维
将电气石超细粉末均匀地加入聚酯切片中,通过共混熔融纺丝方法制得具有多功能的聚酯纤维,该多功能纤维具有四大附加特性功能:一是具有负氧离子发射功能,能在室温条件下产生负氧离子;二是具有远红外线保暖功能;三是具有明显的除臭效果;四是具有一定的抗菌效果。
蓄光聚酯纤维
用共混熔融纺丝方法将有蓄光超细粉末制成的母粒添加到聚酯切片中,可以制得蓄光聚酯纤维,这是一种具有储能功能的纤维。该产品的突出特点是晶体结构特殊,具有极强的吸光、蓄光、发光能力。通过吸收各种可见光后,在暗处可持续12h以上散发余光。其发光强度和持续时间是硫化锌荧光材料的数十倍,而且材料本身无害无毒,不含任何放射性元素,稳定性和耐久性优良,吸光和发光过程可重复,低度照明和指示作用良好,既可应用于交通、工业领域各种发光标牌、仪器以及各种夜用制品和室内外装饰等,还可应用于采矿坑道、海上夜航等各种特殊场合设施的低度照明和应急照明。
聚酯复合纤维
复合纤维是由两种或两种以上组分纺制而成的纤维,每一根纤维中的两组分有明显的界面。复合纺是采用物理改性方法使化学纤维模拟和超过天然纤维的重要手段之一,由于其品种繁多,产品性能独特,附加价值高,深受市场的青睐。聚酯复合纤维是将聚酯与其他种类的成纤高聚物熔体利用其组分、配比、黏度不同,分别通过各自的熔体管道,输送到由多块分配板组合而成的复合纺丝组件,在组件的适当部位汇合,从同一喷丝孔喷出成为一根纤维。聚酯复合纤维纺丝工艺流程基本上与常规熔融纺丝流程相似。
后加工
聚酯纤维后加工是指对纺丝成形的初生纤维(卷绕丝)进行加工,以改善纤维的结构,使其具有优良的使用性能。后加工包括拉伸、热定型、加捻、变形加工和成品包装等工序。
纤维后加工有如下作用:
(1)将纤维进行拉伸(或补充拉伸),使纤维中大分子取向,并规整排列,提高纤维强度,降低伸长率。
(2)将纤维进行热处理,使大分子在热作用下,消除拉伸时产生的内应力,降低纤维的收缩率,并提高纤维的结晶度。
(3)对纤维进行特殊加工,如将纤维卷曲或变形、加捻等,以提高纤维的摩擦系数、弹性、柔软性、蓬松性,或使纤维具有特殊的用途及纺织加工性能。
发展史
早在1894年沃尔兰德(Vorlander)用丁二酰氯和乙二醇制得低相对分子质量的聚酯;1898年恩克恩(Einkorn)合成聚碳酸酯;卡洛泽斯(Carothers)合成脂肪族聚酯。早年合成的聚酯大多为脂肪族化合物,其相对分子质量和熔点都较低,易溶于水,故不具有纺织纤维的使用价值。1941年英国的温菲尔德(Whinfield)和迪克松(Dickson)用对苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG)合成了聚对苯二甲酸乙二酯(PET),这种聚合物可通过熔体纺丝制得性能优良的纤维。1953年美国首先建厂生产PET纤维,可以说PET纤维是大品种合成纤维中发展较晚的一种纤维。
随着有机合成、高分子科学和工业的发展,近年研制开发出多种具有不同特性的实用性PET纤维。如具有高伸缩弹性的聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)纤维及聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)纤维,具有超高强度、高模量的全芳香族聚酯纤维等。目前所谓的“聚酯纤维”通常是指聚对苯二甲酸乙二酯纤维。
聚酯纤维具有一系列优良性能,如断裂强度和弹性模量高,回弹性适中,热定型效果优异,耐热和耐光性好。聚酯纤维的熔点为255℃左右,玻璃化温度约70℃,在广泛的最终用途条件下形状稳定,织物具有洗可穿性,另外,还具有优秀的阻抗性(诸如,抗有机溶剂、肥皂、洗涤剂、漂白液、氧化剂)以及较好的耐腐蚀性,对弱酸、碱等稳定,故有着广泛的服用和产业用途。石油工业的飞速发展,也为聚酯纤维的生产提供了更加丰富而廉价的原料,加之近年化工、机械、电子自控等技术的发展,使其原料生产、纤维成形和加工等过程逐步实现短程化、连续化、自动化和高速化。目前,聚酯纤维已成为发展速度最快、产量最高的合成纤维品种。2010年,全球聚酯纤维的产量达到3730万吨,占到世界合成纤维总量的74%。
作为纺织材料,聚酯短纤维可以纯纺,也适于与其他纤维混纺;既可与天然纤维如棉、麻、羊毛混纺,也可与粘胶、醋酯、聚丙烯腈等化学短纤维混纺。
聚酯纤维在工业、农业及高科技领域的应用日益广泛。
聚酯纤维是我国合成纤维中的第一大品种,我国先后在金山、辽阳、天津、仪征、佛山、厦门等地建成了大中型聚酯纤维生产基地。聚酯纤维生产的主要原料已转向石油芳烃路线。随着我国石油化纤工业的迅速发展和大型化、连续化、高速化、自动化工艺技术的采用,我国聚酯纤维工业必将获得更大的发展。