张弢-高分子材料学课件 24 comerical polymers 纤维胶粘剂与涂料.ppt
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1、通用高分子材料II,纤维、胶粘剂与涂料 Fiber, Adhesive and Coating,纤维,长度比其直径大很多的柔软纤细的物质(长径比1000)。典型的纺织纤维的直径约几到几十微米,短纤长度20mm左右,长纤可长至几到几千米。 纤维可分作天然纤维、人造纤维(再生纤维)和合成纤维三类。,纤维的主要性能指标,纤度:表示纤维的粗细指标 支数:单位质量纤维所具有的长度,1克纤维长100米称100支; 细度:1000米长纤维的质量(克),单位为特克斯(Tex),简称特; 旦(Denier,D或d):9000米长纤维的质量。 断裂强度:拉伸至断裂时纤维的拉伸强度,N/tex; 断裂伸长率:纤维试
2、样在拉伸至断裂时其长度比原来增加的百分数; 弹性模量:单位截面积的纤维试样在伸长1%时所需的负荷,N/tex 回弹率:纤维试样拉伸到一定伸长,除去负荷,松弛一定时间后纤维可回复的弹性伸长与总伸长之比; 吸湿性:在标准温度和湿度(203C,相对湿度653%)下纤维的吸水率,回潮率和含湿率 耐磨性、耐热性、燃烧性、耐候性、染色性、电绝缘性、耐腐蚀性等。,纤维的结构特征,化学结构上,成纤高聚物应该: 为线型的大分子链,没有庞大的侧基(有利于取向) 分子中有极性基团(增加分子间作用力) 应具有一定的结晶能力,合适的结晶度(晶区提供强度、耐温性等,非晶区决定染色性、弹性、对其他物质的吸收性等) 具有相当
3、的分子量和较窄的分子量分布 形态结构上: 多重原纤结构(若干平行的分子链形成链束构成原纤,原纤堆砌形成纤维)和表面形态(天然纤维表面粗糙而合成纤维表面光滑,决定了纤维的手感、粘着性和加工性能) 横截面形状(天然纤维截面往往不圆,因而手感、染色、光泽、吸湿、透气性等较好)和皮芯结构(皮层含有较小的微晶,取向程度高;芯层结构疏松,微晶尺寸较大。皮芯结构决定了纤维的吸附性能、染色性能、强度及断裂伸长率等) 纤维中的孔洞结构(缺陷):孔洞造成纤维不均匀、强度降低,但可改善吸湿性、染色性能等。,天然纤维,棉纤维:纤维素(多糖类聚合物,聚合度1000-15000)占90-94%,另外含有少量的水分、脂肪、
4、蜡质、蛋白质、果胶及灰分等。截面由同心层组成,强度、延伸率较低,吸湿性较高; 麻纤维:以苎麻和亚麻纤维为主,化学组成与棉纤维类似,截面呈扁圆形、椭圆形、多角形等,强度较高,延伸率低,模量高,耐腐蚀性好; 毛纤维:以羊毛纤维为主,主要是蛋白质。弹性好,吸湿率高,耐酸性好,但强度低,耐热性和耐碱性差; 蚕丝:生丝由丝纤朊(75-82%)和丝胶朊(18-25%)组成,热水或弱碱溶液中除去丝胶朊后得到熟丝,白色,柔软有光泽,强度高,热和电的不良导体; 蜘蛛丝:主要成分为蛋白质,无丝胶朊,结晶度约10-15%(蚕丝结晶度约50-60%),截面呈圆形,韧性、模量、伸长与一般天然纤维相当,但强度超过任何一种
5、纤维(包括Kevlar)。加拿大Nexia公司的BioSteel(人造蜘蛛丝)。,粘胶纤维,高纤维素含量(40-45%)的木材、棉短绒、芦苇等脱去木质素、果胶等有害杂质得到浆粕(纤维素含量90-95%),溶于浓碱液中老化并与CS2反应得到纤维素黄原酸酯,溶于稀碱液中得到粘胶纺丝液,过滤、脱泡、熟化后喷入硫酸和硫酸盐组成的凝固浴中凝固、牵伸并使黄原酸酯分解重新得到纤维素,脱硫、漂白、干燥得到成品粘胶纤维。 短切后得到短纤(25mm),不切断得到长丝;提高湿态模量得到“富强纤维”:提高了取向度,使结构均匀 化学组成与棉纤维相同,但聚合度较低(300-500),取向度较小,分子间排列较棉纤维疏松。,
6、粘胶纤维的性能,溶剂法人造纤维,浆粕溶解在有机溶剂体系中,避免大量使用浓酸、强碱,降低环境污染,简化工艺。 DMAc-LiCl溶剂体系: N,N-二甲基乙酰胺 + LiCl溶剂体系,水作纺丝凝固浴 N-甲基氧化吗啉溶剂体系: N-甲基氧化吗啉 + DMSO溶剂体系,水DMSO为凝固浴 PF/DMSO溶剂体系: 多聚甲醛 DMSO溶剂体系,水 + DMSO为凝固浴,合成纤维,1935年,W. Carothers,尼龙66纤维,1938年中试,1939年工业化生产。熔体纺丝。 19381950年代:尼龙,探索新的成纤聚合物; 19501956:尼龙以外的主要合成纤维(聚酯)问世并实现工业化生产;
7、1956至今:发展第二代合成纤维,改性纤维,差别化纤维; 1960至今:发展特种纤维(高技术、高性能纤维),碳纤维、聚芳酰胺纤维(Kevlar)、高弹性纤维(氨纶)、超高分子量的高强高模聚乙烯纤维。 纺丝方法:湿法纺丝、干法纺丝、熔体纺丝、液晶纺丝、静电纺丝等。,主要合成纤维品种,聚酰胺纤维: 脂肪族聚酰胺酰胺(尼龙6,尼龙66,尼龙1010等)、芳香族聚酰胺纤维(芳纶1313、Kevlar、芳纶14等)、脂环族聚酰胺(奎安纳等) 聚酯纤维: PET(涤纶、特丽纶、达克纶、帝特纶、拉芙桑等), 聚对苯二甲酸环己基-1,4-二甲酯(Kodel), 聚对羟基苯甲酸乙二酯(A-Tell); 聚丙烯腈
8、纤维: 与少量(15%)第二单体(氯乙烯、偏二氯乙烯等)的共聚物纤维 聚烯烃纤维:聚丙烯(丙纶、梅拉克纶、帕纶等) 聚乙烯醇纤维: 聚醋酸乙烯酯水解、缩醛化产物的纤维,维尼纶、库拉纶; 聚氯乙烯-聚乙烯醇共聚共混物纤维,维氯纶; 聚氯乙烯纤维: 聚氯乙烯纤维,氯纶、罗维尔等, 氯化聚乙烯纤维,过氯纶、合氯林等, 氯乙烯与偏二氯乙烯共聚纤维,偏氯纶、沙纶等; 聚氟烃纤维:聚四氟乙烯纤维,氟纶、泰氟纶等; 碳纤维或石墨纤维:以PAN或粘胶纤维高温氧化、碳化制得;或以沥青为原料经提纯、成纤、高温氧化、碳化制得。,聚酯纤维(涤纶),Polyethylene terephthalate,PET 1953
9、年实现工业化,目前占合成纤维总产量的约50%(我国超过60%),产量第一。 金山石化、辽阳石化、仪征化纤,PET生产流程,TPA与EG合成,TPA,高温氧化法:,EG,环氧乙烷水解法:,对苯二甲酸双羟乙酯BHET,酯交换法,直接酯化法,直接加成法,PET的聚合,成纤PET分子量1500022000,d2.02; 熔点267C,密度1.335-1.445g/cm3,折光指数1.574(25 C ),吸水率0.5%,能燃,自熄; 玻璃化温度:无定型态67C,晶态81C,取向态结晶125C。,PET的性能与应用,弹性好:与羊毛接近,起始模量高,抗皱性和保型性好(不皱、挺括); 强度好:4-6g/D,
10、比棉高1倍,羊毛3倍,湿态强度不变;耐冲击强度高,胶尼龙高4倍,粘胶高20倍; 耐热性好:熔点255-265C ,允许使用温度范围-70170C; 吸水性小,回潮率0.4-0.5%,绝缘性好,但易产生静电; 耐腐蚀性好,不霉、不蛀 染色性差,吸水性低易起球 服用纤维以外还用作鱼网、绳索、帘子线、录影录相带基及包装容器等,聚酰胺纤维,最早工业化的合成纤维,产量居第二位。 主链上含有酰胺键(CONH),由二元酸和二元胺缩聚得到,命名中第一个数字代表二元胺的碳原子数,第二个数字代表二元酸的碳原子数。 有很多品种,主要是聚酰胺6(日本、意大利、原苏联地区及东欧)和聚酰胺66(美国、英国、法国等西欧国家
11、) 锦纶:聚酰胺6 美国称尼龙(Nylon),前苏联称“卡谱隆”(Kapron),德国称“贝纶”(Perlon),日本称“阿米纶”(Amilan),聚酰胺纤维的主要品种,尼龙6和尼龙66的单体合成路线,聚酰胺纤维的性能与应用,品种繁多,性能差异巨大 尼龙6和尼龙66: 密度1.12-1.16g/cm3;熔点210-240C;玻璃化温度50C; 吸湿率较大,与棉接近(25C,RH65%)吸湿率约5%; 耐碱性溶液而不耐酸性溶液(水解)。 纺织用、高强高模量应用等。,聚丙烯腈(腈纶),1950年实现工业化生产,目前产量占第三位。 丙烯腈中的腈基极性极大,分子间作用力大,加热时只分解不熔融,因而不能
12、熔纺也难以染色。纯丙烯腈纤维只用于工业纤维。 引入第二单体(4-10%)共聚改善硬脆的手感,如丙烯酸甲酯(MA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)醋酸乙烯(VAc)等;引入第三单体(0.3-2%)改善染色性,能丁二酸、丙磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠等;只有丙烯腈含量大于85%才能称作丙烯腈纤维;,丙烯腈的聚合与纺丝,丙烯腈沸点77.3C,无色透明液体,可本体、乳液、溶液聚合。 纺丝液用浓硫氰酸钠(NaSCN)水溶液、浓氯化锌水溶液、HNO3、DMSO、DMF、DMAc等为溶剂进行均相溶液聚合,引发剂过氧化辛酰、AIBN、过硫酸钠等,反应温度40-50C,时间1.5-2小时,分子量约8万。 纺丝可湿纺(离开喷
13、丝头后进入液体凝固浴固化、拉伸,纺制短纤维,主要的纺丝方式)和干纺(离开喷丝头后在热空气中凝固、拉伸、定型,以DMF为溶剂纺制长丝)。 后处理包括集束、拉伸、水洗、上油、干燥、热定型、卷曲、切断、打包等工序。,聚丙烯腈的性能与应用,性能近似羊毛,卷曲蓬松而且柔软,有较好的弹性,比羊毛质轻,强度是羊毛的1-2.5倍; 耐光性和耐候性好,仅次于PTFE纤维;耐热性(软化温度190-230C)仅次于PET;耐酸、氧化剂和有机溶剂,耐碱性稍差(遇碱或氨水时变黄); 不霉、不蛀、不腐; 耐磨性、吸湿性、染色性差; 用于与羊毛混纺制成毛织物;用于窗帘、室外覆盖物等,是碳纤维的主要原料。,合成纤维的发展方向
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