聚酯纤维是主链含有酯基的一类聚合物经纺丝而制成的纤维,目前多指以聚对苯二甲酸乙二酯为原料生产的纤维,按其原料的英文名polyethylene terephthalate缩写简称为PET纤维,在中国俗称为涤纶,其分子结构式如下:H(OCH2CCOCO)NOCH2CH2OH。
从形成聚酯纤维的分子结构来划分,可以将聚酯纤维分为:PET(聚对苯二甲酸乙二酯,涤纶)、PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)、PTT(聚对苯二甲酸丙二酯),在没有特别申明的情况下,一般所指的聚酯纤维是PET纤维。
图片
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。
结构
聚酯纤维的结构为高度对称芳环的线型聚合物,易于取向和结晶,具有较高的强度和良好的成纤性及成膜性,结晶度为40%~60%,结晶速度慢。聚酯纤维聚集态结构的模型理论是折叠链-缨状原纤模型。
聚酯纤维的结构与性能的关系
①除两端含羟基外,聚酯纤维的大分子上不含亲水性基团,且缺乏与染料分子结合的官能团,故吸湿性、染色性差,属于疏水性纤维。
②酯键的存在使分子具有一定的化学反应能力,但由于苯环和亚甲基的稳定性较好,所以聚酯纤维的化学稳定性较好。
③聚酯纤维大分子的基本链节中含有苯环,阻碍了大分子的内旋转,使主链刚性增加;但聚酯纤维大分子的基本链节中还含有一定数量的亚甲基,所以又有一定的柔性;刚柔相济的大分子结构使聚酯纤维具有弹性优良、挺括、尺寸稳定性好等优异性质。
④聚酯纤维大分子为线型分子,没有大的侧基和支链,分子链易于沿着纤维拉伸方向平行排列,因此分子间容易紧密地堆砌在一起,形成结晶,这使纤维具有较高的机械强度和形状稳定性。
⑤聚酯纤维的超分子结构与纤维生产过程中的拉伸和热处理有关。聚酯纤维喷丝成型后的初生纤维是无定形的,取向度很差,需要进一步牵伸取向后方能纺织加工。经过拉伸和热定型处理后的纤维,结晶度约为60%,并有较高的取向度。
生产
聚酯合成的工艺路线包括三种:酯交换聚酯路线(酯交换聚酯法)、对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线(直接酯化聚酯法)、环氧乙烷酯化聚酯路线(环氧乙烷法)。
(1)酯交换聚酯路线
酯交换聚酯路线主要包括两步:首先是对苯二甲酸二甲酯(DMT)与乙二醇或1,4-丁二醇在催化剂存在下进行酯交换反应,生成对苯二甲酸双羟乙酯(BHET)或双羟丁酯,常用的催化剂为锌、钴、锰的醋酸盐,或它们与三氧化二锑的混合物,其用量为DMT质量的0.01%~0.05%。反应过程中不断排出副产物甲醇。其次为生成的BHET或双羟丁酯,在前缩聚釜及后缩聚釜中进行缩聚反应,前缩聚釜中的反应温度为270 ℃,后缩聚釜中反应温度为270~280 ℃,加入少量稳定剂以提高熔体的热稳定性。缩聚反应在高真空(余压不大于266 Pa)及强烈搅拌下进行,才能获得高分子量的聚酯。
(2)对苯二甲酸用乙二醇直接酯化聚酯路线
该路线用高纯度对苯二甲酸(PTA)与乙二醇或1,4-丁二醇直接酯化生成对苯二甲酸双羟乙酯或丁酯,然后进行缩聚反应。该路线的关键是解决PTA与乙二醇或1,4-丁二醇的均匀混合,提高反应速度和制止醚化反应。与酯交换缩聚法相比,该法可省掉对苯二甲酸二甲酯的制造、精制和甲醇回收等步骤,更易制得分子量大、热稳定性好的聚合物,可用于生产轮胎帘子线等较高质量的制品。但该法对原料PTA的纯度要求较高,PTA提纯精制费用大。
(3)环氧乙烷酯化聚酯路线
该路线是1973年开始工业化生产的。该反应在饱和低分子脂肪胺或季铵盐存在下,直接用环氧乙烷与PTA反应生成对苯二甲酸双羟乙酯,再进行缩聚反应。其优点是可省掉环氧乙烷合成乙二醇的生产工序,设备利用率高,辅助设备少,产品也易于精制。缺点是环氧乙烷与PTA的加成反应需在2~3 MPa压力下进行,对设备要求苛刻,因而影响该法的广泛使用。
改性
聚酯纤维的改性可以在聚合、纺丝和纤维加工各个过程中实现。改性方法大致可以归纳为两大类:一是物理改性,主要有在聚合物制造过程中加入改性添加剂的共混改性,或在纤维的加工条件上做一系列的改变,如混纺、复合以及通过变化的形态等方法来达到改性的目的。混纺和复合只局限于特殊领域的改性,而改变形态的方式,目前还不能获得像天然纤维那样比较理想的效果。二是化学改性,此种改性的工艺过程比较简单,当然也比较容易达到改性的目的。但是它的缺陷是,耐久性比较差。如表面处理,或在聚酯链中引入第三组分的共聚等。
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。
后加工
聚酯在纺制长丝时,凝固成形的丝条经给湿上油后,即以3500m/min左右的速度卷绕在筒管上得到预取向丝(POY)。POY无法直接用于织布,POY经过拉伸定型、加弹或者加捻得到拉伸丝(DT)、拉伸变形丝(DTY)或加捻丝,可直接用于织造或经变形加工而成变形丝。丝条凝固后经过上油直接进行拉伸以4500~5000m/min进行卷绕即得到全拉伸丝(FDY),可以用于织布。
聚酯纤维的后加工是指对纺丝成型的初生纤维(卷绕丝)进行加工,改善纤维结构,其包括拉伸、热定形、加捻、变形加工和成品包装等工序。纤维后加工作用如下:
①将纤维进行补充拉伸,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,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。
发展史
1941年,英国的温菲尔德(Whinfield)和迪克森(Dickson)以对苯二甲酸和乙二醇为原料在实验室内成功合成出PET,并纺丝得到聚酯纤维,命名为特丽纶(Terylene)。1946年,杜邦公司购买了特丽纶在美国的专利,开始了聚酯纤维的工业化试验。1951年,DuPont公司在美国北卡罗来纳州的Kingston建第一家聚酯纤维厂,1953年建成投产,年产量为16000t,实现了聚酯纤维的工业化。1947年ICI(英国卜内门化学工业有限公司)买断了聚酯纤维除美国以外的专利权,并开始筹划建立生产厂。1955年,ICI公司开始在英国建成了其第一家年产5000t的聚酯纤维生产厂。随后,一些世界级的大型化工公司在高额利润的驱使下,纷纷把目光投向这一性能优异、价格低廉的合成纤维生产上,从此开始了聚酯纤维的高速发展时期。