几种化学纤维的各种性能及新型应用要点.docx
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几种化学纤维的各种性能及新型应用要点
谈化学纤维的各种性能及新型应用
聚酰亚胺纤维是20世纪90年代兴起的一种
高分子有机合成纤维,纤维分子结构中含有稳定的
酰亚胺基团。
聚酰亚胺纤维具有耐腐蚀、耐辐射、
耐高温和电绝缘等特性,同时还有很好的机械性
能,其强度和模量全面超过了Kevlar-49纤维,在
航空航天、原子能、电子、核工业等领域得到了广泛
的应用[1]。
由于聚酰亚胺纤维良好的力学性能和
电绝缘性能,欧美及日本等一些发达国家已经将其
应用扩展到了造纸领域[2,3],并且做了初步的研究。
由于聚酰亚胺纤维性质稳定,表面钝化,没有
活性基团,且经过打浆处理也不会产生分丝帚化,
经过湿法成形得到的原纸强度较低。
为了提高其强
度,需要用树脂对原纸进行浸渍处理,但是浸渍量
过小纸页强度性能改善不明显,浸渍量过大则对纸
页撕裂强度和伸缩率有较大影响。
聚酯纤维具有较
好的介电性能和耐高温性能,其熔点在255~260℃
之间,在205℃时开始产生黏结,初始分解温度在
350℃以上,且纤维伸长率可达7.5%~12.5%;同时
还有优良的耐皱性、弹性和尺寸稳定性,有良好的
电绝缘性能,耐日光,耐摩擦,不霉不蛀,有较好的
耐化学试剂性能,能耐弱酸及弱碱,能够与其他具
有耐高温性能和电绝缘性能的合成纤维混合抄造
耐高温绝缘纸[4]。
在聚酰亚胺纤维原纸的抄造过程
中添加一定比例的聚酯纤维,不但能够提高纸张的
强度,还能在热压过程中发生熔融从而提高纤维间
结合力,改善纸张的电气性能。
本文主要研究聚酯纤维对聚酰亚胺纤维纸基
材料的强度性能、电气性能、耐高温性能和纸张表
面结构的影响,旨在为开发高性能聚酰亚胺纤维纸
基材料打下一定理论基础。
随着聚酯纤维添加量的增加,纤维间结合力
增强,成纸的抗张指数和伸长率逐渐增大,而撕裂
指数逐渐减小。
纸张的耐压强度和介电常数随着聚酯纤维添
加量的增大而上升,但介电损耗正切值受其影响不
大。
添加聚酯纤维后纤维间结合更加紧密,纸张
孔隙率降低,当聚酯纤维添加量为9%时纸张有较
好的强度性能和电气性能,但是对纸张的热稳定性
有一定影响。
聚乙烯醇纤维,即聚乙烯醇羧甲醛纤维,其英文缩写
为PVA,也简称维纶、维尼纶。
1924年,德国化学
家HermannWO和HannelW首先在实验室制得
水溶性聚乙烯醇纤维;1939年,日本的樱田一郎等人将这种水
溶性纤维用甲醛处理,制得耐热水的聚乙烯醇羧甲醛纤维,并
于1950年由可乐丽公司和尤尼契卡公司实现工业化生产,商品
名为维尼纶[1~3]。
聚乙烯醇纤维被认为是一种与棉花状态相
近的合成纤维,该纤维强度、耐磨性、吸湿性较好,耐腐蚀、耐
日晒,尤其是具有高强度、高模量的聚乙烯醇纤维发展迅速,
作为工业原料,其应用范围日趋广泛[4]。
造纸用聚乙烯醇纤维目前主要分为易溶、难溶两种,根
据其类型不同可用来生产增强纤维纸、水溶性纤维纸,也可
作为合成纤维纸的黏胶纤维等使用[5~7]。
聚乙烯醇纤维既可单
独抄纸,也可与植物纤维或其他合成纤维配抄,聚乙烯醇纤维
的存在可以明显改善纸页的强度性能[4]。
在合成纤维中,聚乙烯醇纤维占据了十分重要的位置,在造纸行业中广泛应用。
涉及聚乙烯醇纤维纸的原创专利大多为日本公司所有,如可乐丽股份有限公司,而国内申请大多是在日本原创专利的基础上对制备工艺进行改进。
但近年来国内申请人的专利申请量明显提升,表明国内申请人的研发热情、专利布局意愿和知识产权保护意识都在增强,但是真正获得应用,并在市场中产生良好经济、社会效益的专利技术从绝对数量上来说
仍很少。
此外,没有形成具有较强研发、生产能力的大公司和企业,国内申请人呈现分散、小型企业化、高校研究和个人申请多等特点。
笔者结合上述对造纸用聚乙烯醇纤维专利技术现状的分析,就如何发展高性能聚乙烯醇纤维纸给出如下建
议:
目前,日本的可乐丽、东丽等主要生产聚乙烯醇纤维的企业无论是在专利拥有量,还是企业销售量方面都占据主导地位,其中维纶纸水溶性材料专利技术已达到一个相当成熟的地步。
而最近几年国内的企业如中国印钞造币总公司在造纸
用聚乙烯醇纤维的研发方面有所突破,其通过共混改性、表面改性等方式提高了聚乙烯醇纤维的强度、防伪性能。
目前国内对导电维纶纸、核壳结构的聚乙烯醇维纶纸等并没有行研究、开发,国内申请人可尝试从造纸用聚乙烯醇纤维的制备过程出发,通过工艺过程的改进,或是通过物理共混、化学交联等改性方式制备得到性能优越的造纸用聚乙烯醇纤维。
同时,需要国家在这方面做好产业布局和规划,出台相应的政策鼓励和扶持企业进行研发和生产,做大做强一批龙头企业,鼓励优势企业之间进行强强联合,使产业链逐步完善,有利于优势互补和技术融合和促进;对具有重大开发利用价值的环保技术与装备组织攻关、试验鉴定和成果转化,建立范工程后进行推广应用。
聚乙烯醇(PVA)纤维是合成纤维主要品种之
一,早在1924年德国Hermann和Haehnel就将聚醋
酸乙烯醇解制得聚乙烯醇,随后又以其水溶液干法
纺丝制得纤维。
目前聚乙烯醇纤维主要有湿法、干
法、凝胶法3种纺丝方法,干法纺丝以其工艺流程
短、环保等优异特点而被用来生产聚乙烯醇水溶长
丝和其他多功能性或差别化聚乙烯醇纤维[1]。
干
法纺丝过程较复杂,纺丝原液经喷丝孔挤出后在纺
丝甬道中有拉伸流动,丝条在干燥凝固成形的过程
中伴随着传热和传质。
Ohzawa等[2-3]曾对聚乙烯
醇等几种干纺体系进行模拟,SanoY[4]基于纺丝工
艺对聚乙烯醇干纺体系进行了较准确的数学模拟,
并对丝条径向浓度分布进行了研究。
但已报道的干
法纺丝文献都采用逆流式进行模拟,而顺流式干法
纺丝纤维成形较缓和,更有利于生产聚乙烯醇水溶
长丝[1]。
本文通过建立一维顺流式干法纺丝模型,
从理论上研究了丝条凝固成形过程中速度、浓度、温
度、张力的分布规律。
在聚乙烯醇顺流式干法成形过程中,温度的
降低使丝条凝固,在纺丝速度较低的情况下,喷丝头
处的张力最大。
泵供量的增加使甬道风对丝条的干燥时间增长,使丝条在纺程更远处凝固,丝条内溶剂含量是控制丝条温度变化的关键因素。
提高甬道风风速不利于纺丝速度的提高,而提高甬道风温度对纺丝速度的提高影响很小。
在相同泵供量和纺丝速度下,增加溶剂溶度会使溶剂的蒸发速率减慢,丝条不易干燥固化。
增加卷绕速度可以加强传热传质过程,使溶剂更快地从丝条中挥发出来,但在较高的纺丝速度范围内,丝条溶剂含量变化不大。
采用化纤产业技术创新战略联盟研究开发的系
列新一代仿棉聚酯纤维,商品名称为“逸绵”。
其主
要通过聚合改性克服常规聚酯纤维的缺点,赋予了
聚酯纤维新的特性,使其服用舒适性大幅提高。
易染型聚酯纤维熔融温度约为236℃,介于锦
纶6和常规聚酯纤维之间,比常规聚酯纤维低20℃
左右,其DSC测试结果如图1所示[1]。
易染型聚酯纤维的玻璃化温度比常规聚酯纤维
低10℃左右,聚酰胺基团的引入破坏了聚酯纤维大
分子的规整性,使纤维的无定形区增加,染料分子更
容易进入纤维内部,所以,易染型聚酯纤维可以实现
分散染料无载体常压沸染。
易染型聚酯纤维目前主推品种为棉型短纤,单
丝线密度为1.2~1.6dtex,断裂强度为2.2~
2.8cN/dtex,初始模量≤50cN/dtex,断裂伸长率为20%~35%,回潮率为0.8%左右。
与常规聚酯纤维相比,易染型聚酯纤维的断裂强度和初始模量均大幅降低,只有常规聚酯纤维的50%左右,这个强
度可以满足服用要求,同时又使织物是有良好的抗
起球性能。
易染型聚酯纤维的初始模量低于长绒棉
纤维,低的初始模量使织物触感更加柔软[2-3],而且回潮率是常规聚酯纤维的2倍,有助于改善其亲水
性能和抗静电性能。
易染型聚酯纤维是常规聚酯纤维的升级换代产品,其强度适中,手感柔软,光泽柔和,抗起球性好,在强度、外观、手感、亲水性等多个方面都有优良的仿棉特性。
易染型聚酯纤维可常压无载体染色,摆脱了常规聚酯纤维需要高温高压染色的限制,对染色设备的适应性更广,其和棉混纺织物易于一浴一步染色,符合节能减排理念。
易染型聚酯纤维有良好的吸湿速干性能,其织物芯吸高度、液态水扩散速率、干燥速率等指标均优于纯棉和常规聚酯纤维织物,适合于各种纯纺或混纺产品,是开发各种休闲、运动面料的优良原料,应用前景非常广阔。
上世纪80年代悄然掀起的高端智能纺织材料,
在生物医学、航空航天、环境卫生、军事技术、建筑行
业、日常生活诸多领域得到了广泛的应用,引起了大
家的高度重视。
随着时代的发展,高端智能纺织材料
还将给人们带来更加惊喜的应用研究成果
在生物医学领域的应用
智能材料的特点,使其在医用领域已有了一定
的应用,如作为药物释放载体已有了实质性的进展,
原理是利用智能材料来感知病变部位各种环境信息
的变化,使药物在预定的时间或地点释放出所需要
的剂量,实现药物的定点、定时、定量释放。
目前利用
外界刺激的智能材料主要有物理、化学刺激敏感型
材料如pH敏感材料、温度敏感材料;生物化学敏感
型材料如葡萄糖敏感型材料、酶敏感型材料、基于抗
体识别功能设计的材料等。
纺织纤维材料及纺织品以其自身优势如良好的
柔韧性、机械性在未来智能材料及其组元材料开发
中具有重要的地位。
首先,从纤维加工制备的角度考
虑,可以通过纤维的功能化如内部包埋药物、纤维表
面接枝改性引入特定功能基团等,来构筑智能材料
应用于生物医用领域。
当这些具有特定功能的纤维
材料或纺织品与病人病变部位接触时,智能材料能
够迅速检测出病变部位释放出的物质,并作出响应
如释放药物等,当病变部位好转到一定程度或治愈
后,与其接触的智能纺织品停止释放药物。
如将药物
置于聚(N-异丙基酰)接枝的聚乙烯醇凝胶纤维
中,该纤维能够通过外界温度的变化(变化范围
20~30℃)自动开启和闭合,从而实现自动控制药
物的释放;pH敏感型水凝胶纤维载药后在人体肠道
内部可以通过内部环境中酸碱性的改变,来实现选
择性地释放所载的药物。
今后,基于智能材料对外界
刺激反馈的不同作用原理,可以着重研究温敏、光
敏、磁敏等智能材料及组元,来开发具有多用途、特
殊功能的智能纺织品。
由具有形状记忆功能的纤维织制的纺织品并包
含药物,可以在医疗领域用作智能绷带。
如经聚乙二
醇处理过的棉、聚酯或尼龙/聚氯酯共聚纤维,含有
交联的多元醇,这种编织或机织的纺织品遇到血液
或酒精/水混合物等极性消毒溶液时会收缩。
用这
种纺织品做绷带,它在血液中收缩时使伤口上所产
生的压力可以止血,而绷带干燥时可回复至原始尺
寸,压力去除。
因此,它可以用于身体某些部位出血
时的包扎。
2在航空航天领域的应用
航空航天领域使用的材料需要经受住恶劣环境
的影响,它需要对自身状况进行诊断,并能自动加固
或自动修复材料中的伤痕或裂纹,从而避免大灾难
事故的发生。
航空航天飞行器的结构要求轻质、高可
靠性、高维护性、高生存能力,为此,必须增加材料的
智能性。
目前智能材料结构在航空飞行器上的应用
有智能蒙皮、自适应机翼、振动噪声控制和结构健康
监测等。
3在环境卫生领域的应用
环保用智能纺织材料在未来环境领域将会有重
要的应用前景,比如具有清洁功能的智能纺织品,它
的开发可以沿着两条思路进行,一是利用纺织品表
面特有的几何尺寸的形状界面结构,经过材料界面
技术处理后,由于织物表面尺寸低凹的表面可使吸
附气体原子稳定存在,所以在宏观表面上相当于有
一层稳定的气体薄膜,使油和水无法与材料的表面
直接接触,从而显示出卓越的拒水和拒油性能,而对
纤维
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