聚氨酯纤维

摘要聚氨酯纤维(Polyurethane Fiber)简称PU纤维,是指以聚氨基甲酸酯为主要成分的一种嵌段共聚物制成的纤维,我国简称氨纶。商品名称有莱卡(Lycra)、尼奥纶(Neolon)、多拉斯坦(Dorlastan)等。聚氨酯纤维是由至少85%(重量)聚氨酯链段组成的线型大分子...

聚氨酯纤维

聚氨酯纤维(Polyurethane Fiber)简称PU纤维,是指以聚氨基甲酸酯为主要成分的一种嵌段共聚物制成的纤维,我国简称氨纶。商品名称有莱卡(Lycra)、尼奥纶(Neolon)、多拉斯坦(Dorlastan)等。聚氨酯纤维是由至少85%(重量)聚氨酯链段组成的线型大分子,拉长至3倍后能快速回复到原来长度的纤维,故又称为聚氨酯弹性纤维。

聚氨酯纤维结构

一般的聚氨基甲酸酯均聚物并不具有弹性。聚氨酯纤维实际上是一种以聚氨基甲酸酯为主要成分的嵌段共聚物纤维。其结构式如下:(-CO-O-)n。

在聚氨酯嵌段共聚物中有两种链段,即软链段和硬链段。软链段由非结晶性的聚酯或聚醚组成,玻璃化温度很低(-50~-70 ℃),常温下处于高弹态,它的相对分子量为1500~3500,链段长度15~30nm。硬链段多采用具有结晶性且能发生横向交联的二异氰酸酯,它的分子量较小(M=500~700),链段短。软链段长度为硬链段的10倍左右。软链段赋予纤维高弹性。硬链段含有多种极性基团(如脲基、氨基甲酸酯基等),分子间的氢键和结晶性起着大分子链间的交联作用,一方面可为软链段的大幅度伸长和回弹提供必要的结点条件(阻止分子间的相对滑移),另一方面可赋予纤维一定的强度。正是这种软硬链段镶嵌共存的结构才赋予聚氨酯纤维的高弹性和强度的统一,所以聚氨酯纤维是一种性能优良的弹性纤维。

软链段可为聚醚或聚酯,又有聚醚型聚氨酯弹性纤维和聚酯型聚氨酯弹性纤维之分。如DuPont公司的Lycra、我国烟台和连云港氨纶厂的产品均属聚醚型,而德国的Dorlastan和美国橡胶公司的Vyrene则属聚酯型。

聚氨酯纤维性能

由于聚氨酯纤维具有特殊的软硬镶嵌的链段结构,其纤维特点如下:

线密度低:聚氨酯纤维的线密度范围为22~4778dtex,最细的可达11dtex;而最细的橡胶丝约180号(约合156dtex)。

强度高:聚氨酯纤维的断裂强度,湿态为0.35~0.88dN/tex,干态为0.5~0.9dN/tex,是橡胶丝的2~4倍。

弹性好:聚氨酯纤维的伸长率达500%~800%,瞬时弹性回复率为90%以上,与橡胶丝相差无几。

耐热性较好:聚氨酯纤维的软化温度约200 ℃,熔点或分解温度约270 ℃,优于橡胶丝,在化学纤维中属耐热性较好的品种。由于氨纶多以包芯纱或包覆纱的状态存在于织物中,因此在热定型过程中可采用较高温度(180~190 ℃),但处理时间不得超过40s。

吸湿性较强:橡胶丝几乎不吸湿,而在20 ℃、65%的相对湿度下,聚氨酯纤维的回潮率为1.1%,虽较棉、羊毛及锦纶等小,但优于涤纶和丙纶。

密度较低:聚氨酯纤维的密度为1.1~1.2g/cm3,虽略高于橡胶丝,但在合成纤维中仍属较轻的纤维。

染色性优良:由于聚氨酯纤维具有类似海绵的性质,因此可以使用所有类型的染料染色。在使用裸丝的场合,其优越性更加明显。

聚氨酯纤维还具有良好的耐气候性、耐挠曲、耐磨、耐一般化学药品性等。对次氯酸钠型漂白剂的稳定性较差,含氯漂白剂能使纤维泛黄、强度下降,推荐使用过硼酸钠、过硫酸钠等含氧型漂白剂。聚醚型的聚氨酯纤维耐水解性好,而聚酯型的聚氨酯纤维的耐碱、耐水解性稍差。

聚氨酯纤维纺丝

用于纺丝的聚氨酯嵌段共聚物都为线型结构,其合成过程一般分两步完成:第一步为预聚合,即用1mol的聚醚或聚酯与2mol的芳香二异氰酸酯反应,生成分子两端含有异氰酸酪基(—NCO)的预聚物;第二步是用低分子量的含有活泼氢原子的双官能团化合物做链增长剂,如二胺、肼或二醇等,与预聚物继续反应,生成相对分子量为20000~50000的线型聚氨酯嵌段共聚物。聚氨酯纤维的工业化纺丝方法有干法纺丝、湿法纺丝、熔融纺丝、反应纺丝四种。

(1)干法纺丝

相对分子量为1000~3000且含二个羟基的脂肪族聚醚与二异氰酸酯按1∶2的物质的量比进行反应生成预聚物。通常,聚酯二醇不能用于干法纺丝,因为纺丝时脱溶剂困难。硬链段多采用二苯基甲烷-4,4′-二异氰酸酯(MDI);软链段选用聚四亚甲基醚二醇(PTMG)(也称聚四氢呋喃PTHF)。溶剂采用二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)。

(2)湿法纺丝

湿法纺丝采用DMF为溶剂,预聚体的制备和纺丝原液的准备与干法纺丝类似。纺丝原液(浓度5%~35%)经混合、过滤、脱泡后送至纺丝机,再经过滤、分配、稳压后,通过计量泵打入喷丝头,从喷丝孔挤出的原液细流进入由水和15%~30%溶剂组成的凝固浴中。当纺丝聚合物从喷丝孔挤出时,由于纺丝聚合物中的溶剂浓度大于凝固浴中的浓度,纺丝聚合物溶液中的溶剂便向凝固浴中扩散,细流中聚氨酯浓度不断提高,纺丝聚合物溶液细流的表面开始凝固,逐步从凝固浴中析出形成初生纤维,但是初生态纤维的抗拉强度很低,不能承受过大倍数的喷丝板拉伸,故采用负拉伸、零拉伸和拉伸倍数不大的正拉伸。纤维在凝固浴出口按所需线密度集束,并假捻成圆形截面的多股丝,合股后的丝条经与丝条逆向的多级萃取液洗涤,洗去纤维中残存的溶剂,并在加热辊上进行干燥、控制收缩热定型、上油等工序,最后卷绕在单独的筒管上。一条湿法纺丝生产线往往可以同时生产100~300根多股丝。湿法纺丝速度一般为5~50m/min,加工纤度为0.55~44tex。

(3)熔融纺丝

熔纺氨纶丝质柔软;耐气候佳、保存时间长;单根纤维均一性良好;热定型性良好;产品品种变换快;熔融纺丝工艺流程简单,设备投资低,生产效率高,不使用溶剂、凝固剂,无废水废液处理问题,生产成本低。熔纺氨纶的生产方法大致分为三种:一步法、二步法与封端法。

(4)反应纺丝

反应纺丝法亦称化学纺丝法或化学反应法溶液纺丝,是高聚物制成的溶液经扩链剂使其发生化学反应而固化成丝的方法。它是将两端含有二异氰酸酯的聚酯或聚醚预聚体经计量泵喷丝头压出而进入纺丝浴,与纺丝浴中的链扩展剂(如乙二胺)组分产生化学反应,预聚物链增长的同时生成不溶于二甲基甲酰胺的共价交链结构初生纤维。从反应浴中析出的丝条经喷淋水管洗去夹带的乙二胺后送入干燥定型机进行干燥定型。初生纤维经卷绕后,在加压的水中进行硬化以使其内部尚未反应的部分交联,从而转变成三维结构的聚氨酯嵌段共聚物。反应纺丝法的纺丝速度一般为50~150m/min,加工纤度为0.56~38tex,以生产粗旦丝为主,一般为44~6000dtex。由纺丝液转化成固态纤维时,必须经过化学反应或用化学反应控制成纤速度,反应纺丝法由单体或预聚体形成高聚物的过程与成纤过程同时进行。反应纺丝法工艺过程可分为预聚体的制备、预聚体溶液的配制、扩链固化反应、后处理。这种纺丝方法因工艺复杂、纺丝速度慢、生产成本高、设备投资大,且存在二胺环境污染等问题,逐渐被淘汰。

聚氨酯纤维应用

聚氨酯纤维具有优异弹性和弹性回复力,在针织或机织的弹力织物中得到广泛应用。通常其使用形式主要有以下四种:裸丝、包芯纱、包覆纱、合捻纱。

(1)裸丝

裸丝是最早开发的聚氨酯弹性纤维品种。它分为低特的长丝单纤纱和高特的复合丝。这种丝拉伸与回复性能好,不用纺纱后加工便能使用,具有成本低的优点。因此,目前仍使用在一些弹力织物上。裸丝氨纶长丝滑动性能差,当时织造要求很高的技术,直接用来做织品的情况不多,一般适用于在针织机上与其他长丝交织。主要纺织产品有紧身衣、运动衣、护腿袜、外科用绷带和袜口、袖口等。

(2)包芯纱

氨纶包芯混纺纱是以聚氨酯长丝为芯丝,外面包一种或几种非弹性的短纤维(棉、毛、涤/棉、腈纶、涤纶等)纺成的纱线。芯层提供优良的弹性,外围纤维提供所需要的表面特征。例如棉包芯纱,除了弹性好以外,还保持了一般棉纱的手感和外观,其织物具有棉布的风格手感和性能,可以制出多种棉型织物;毛包芯纱的服装面料不仅要有一般毛织物的外观和良好的保暖性,而且织物的回弹性好,穿着时伸缩自如,增强了舒适感,并能显现出优美的体型。真丝包芯纱织物,同样可以体现天然丝的特性。包芯纱具有纺纱成本低、纱支范围大、外包纤维广及弹性可选择等优点。包芯纱弹性伸长为150%~200%,氨纶用量为7%~12%,一般以22~235dtex为主,如40D氨纶外包缠40S棉纱的包芯纱,可织造弹力牛仔布、灯芯绒及针织品的三口(领口、袖口、下摆)等服装辅料。

(3)包覆纱

包覆纱又称为包缠纱。它是以聚氨酯纤维为芯,无弹性的长丝或短纤维纱线按螺旋形的方式对伸长状态的氨纶丝予以包覆而形成的弹力纱。根据包覆层数和外包层的每厘米圈数不同,可分为单包覆纱(SCY)和双包覆纱(DCY)两种;还可按工艺不同分成空包、机包两种。

包覆纱是经预拉伸的氨纶弹力丝经空心锭子的中心而成为芯线,锭子上的纱线或长丝作为外包覆纱均匀螺旋状地缠绕于氨纶上,然后同步卷取而成。该纱具有弹性伸长大(300%~400%),手感硬挺、纱支粗及强力高的特点,多用于针织高弹织物,如袜子、纬编内衣、护腿弹力带等。包覆纱是氨纶加工纱中最常使用的品种,约占整个加工纱类型的65%,其外包纱多为涤纶、锦纶或棉纱,亦有采用丙纶作为外包纱的。由于包覆纱对氨纶的质量要求不太苛刻,在袜业和服装等方面有广泛的应用。

(4)合捻纱

合捻纱又称合股纱,就是将有伸缩弹性的氨纶丝边牵伸边和其他无弹性的一根纱线或两根纱线合并加捻而成。一般在加装了特殊喂纱装置的环锭捻线机上进行,可以制取双股线、三股线。合捻纱能与其他纱配合织造。合捻纱是在捻线机上生产的,通常将氨纶在拉伸2.5~4倍下与其他纤维进行加捻。合捻纱多用于织造粗厚织物,如弹力劳动布、弹力单面华达呢等。优点是条干均匀,产品洁净;缺点是手感稍硬,弹性纤维有的露在外面,使染色时容易造成色差,一般不用于深色织物。

目前,由于产业用纺织品行业的不断发展,氨纶在产业用纺织品行业的应用也在不断增加。普遍使用的非织造布的最大优点是成本低廉,适用于一次或几次性产品使用,全球需求一直持续大幅增长,但现有的非织造布不具有伸缩特性,生产过程中必须使用昂贵的弹性原料。含氨纶的弹性非织造布的问世使这一难题迎刃而解。该面料具有免松紧带、贴身舒适等特点,市场前景被普遍看好。利用氨纶丝的高弹性和耐磨性的特点,可加工各种松紧带、腰带;在工业上可用它制成小型或轻型皮带或传动带;在医疗用品方面,它可制成弹性绷带及烫伤病人的护带或护罩。利用氨纶耐油、耐有机溶剂、耐化学药品性能制成各种劳动保护手套,它的使用寿命远远超过普通的工作手套,很受工人的欢迎。此外还可制作家具装饰布、汽车内装饰、假发帽等,为服装、医疗用品、酒店用品和工业用布衬里等领域提供了极具开发潜力和经济效益的升级换代产品。

聚氨酯纤维发展史

美国杜邦公司于20世纪50年代后期最先采用干法纺丝路线进行了氨纶的产业化生产,最初称为“T-80”,1962年以商标“LYCRA”进行全设计规模的聚氨基甲酸酯黏结丝、复丝的生产。与此同时,美国橡胶有限公司推出由聚酯-聚氨基甲酸酯制成的粗支圆形单丝,商品名为“Vyrene”。1963年日本东洋纺公司开始了商品名为“Espa”的氨纶生产。1964年,Bayer公司和日本富士纺公司分别开始了“Dorlastan”和“Fujibo Spandex”品牌氨纶的出产,DuPont公司与日本东丽公司合资的“Toray-DuPont”公司也于1966年开始“LYCRA”的生产。到1967年,世界氨纶的年产量已达6800t,生产工厂发展至28家。但氨纶制造技术上的障碍和后道加工技术的不成熟,加上当时猜测需求过大,使得氨纶产品滞销积存,欧美很多厂家纷纷停、减产。在70年代除了DuPont公司之外,其他氨纶生产厂几乎没有新增设备,氨纶业发展缓慢。进入80年代后,氨纶生产开始复苏,扩建和新建企业活跃起来,世界氨纶产量由1980年的2万t/年缓增到1985年的2.5万t/年。进入90年代,美国、德国、日本等国家纷纷扩大氨纶生产能力,加速氨纶弹力织物的开发,氨纶产量由1990年的4万t/年迅速增加到1994年的9.2万t/年。

聚氨酯纤维是什么面料

聚氨酯纤维是一种令人惊叹的面料,正逐渐在时尚界崭露头角。它的独特性能和广泛应用使其成为纺织业的一颗新星。聚氨酯纤维是其独特的弹性和柔软性让聚氨酯纤维在服装设计中大放异彩。无论是舒适的运动装还是时尚的休闲装,都可以利用这一面料的特性创造出更加贴合身体曲线的时尚造型。同时,它的透气性也使其成为夏季服装的理想选择,让穿着者在炎热的天气中依然保持清爽。

除了时尚领域,聚氨酯纤维在户外用品制造中也大显身手。由于其耐候性和耐用性,它常被用于制作登山背包、帐篷和防水外套等产品。这些产品不仅轻便易携,而且能够经受住各种恶劣天气的考验,为户外爱好者提供了可靠的装备选择。

聚氨酯纤维对人体有害吗

一般而言,正常使用情况下,聚氨酯纤维制品不会对人体造成明显危害。在生产过程中,合规的生产商通常会采取环保技术,以减少有害物质的产生。因此,选择来自可靠制造商的产品是确保聚氨酯纤维制品质量的一种重要途径。消费者在购买时应关注产品的生产商和相关认证,以确保所选购的商品符合安全标准。

然而,一些人可能对聚氨酯纤维中可能存在的挥发性有机化合物(VOCs)表示关注。这些物质在一些特殊条件下可能释放出来,因此在购买后应及时进行通风。此外,对于对某些化学物质过敏的个体,建议在购买前先了解产品成分,以避免潜在的过敏反应。

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