书城科普读物探究式科普丛书-无处不在的纤维
7721300000006

第6章 人类智慧的结晶——化学纤维(3)

木质纤维尺寸稳定性和热稳定性在保温材料中起到了很好的抗温抗裂作用。这是由于纤维结构的毛细管作用,将系统内部的水分迅速地传输到浆料表面和界面,使得浆料内部的水分均匀分布,明显减少结皮现象,并使得黏结强度和表面强度明显提高。这个机理也由于干燥过程中张力的减少而明显起到抗裂的作用。

木质纤维素特性

木质纤维素不溶于水、弱酸和碱性溶液;酸碱度呈中性,可提高系统抗腐蚀性。

木质纤维素比重小、比表面积大,具有优良的保温、隔热、隔声、绝缘和透气性能,热膨胀均匀,不起壳不开裂,有更高的湿膜强度及覆盖效果。

木质纤维素具有优良的柔韧性及分散性,混合后形成三维网状结构,增强了系统的支撑力和耐久力,能提高系统的稳定性、强度、密实度和均匀度。

木质纤维的结构黏性,使加工好的预制浆料(干湿料)的均匀性保持原状稳定并减少系统的收缩和膨胀,使施工或预制件的精度大大提高。

木质纤维具有很强的防冻和防热能力,当温度达到150℃能隔热数天;当温度高达200℃能隔热数十小时;当温度超过220℃也能隔热数小时。

木质纤维素的主要用途

目前,木质纤维素主要用于制作耐水腻子粉、外墙保温浆、矿物砂浆、瓷砖黏结剂、墙面砂浆、浮雕涂料、内外墙涂料、外保温砂浆。

由于木质纤维是有机纤维,所以不可避免的添加在水泥材料中会受到环境的影响,如腐蚀,造成效果的降低,改变水泥的水硬性等。

在现代的工程中,木质纤维的升级产品——“易分散纤维”得到广泛的使用。易分散纤维是针对砂浆研发的专用抗裂添加成分。

本品为灰白色无机絮状纤维,可完全代替木质纤维。可使砂浆制品的湿浆稠度及保水率提高,增加其由干燥收缩产生开裂的抵抗能力,延长开放时间。改善施工性能,降低对工具的黏着性,干燥过程中可抵抗开裂。易分散纤维为无机材质,具有耐腐蚀的特性,主要应用于水泥制品中。

6.第一种合成纤维——尼龙纤维

尼龙纤维的由来

尼龙纤维学名为聚酰胺纤维,尼龙是杜邦公司生产的聚己二酰己二胺的商品名,即一般通称为尼龙六六。尼龙纤维是第一种合成高分子聚合物商业化纤维制品。

1937年美国杜邦公司卡罗瑟斯研究发明聚六甲基己二酰胺(即尼龙六六酰),从此开启了合成纤维的第一页,至今聚六甲基己二酰胺仍是聚酰胺纤维的代表。

早在1928年,卡罗瑟斯就完成了脂肪族二元酸及二元醇之聚酯聚合体的基础研究,但因为它的熔点过低而无法采用。不过,这一研究却奠定了今日PET聚酯纤维的辉煌。卡罗瑟斯自1928年起进行链状的高分子合成研究,由聚缩合反应合成了聚酰胺类、聚醇缩醛类、聚醚类等链状高分子化合物。历经无数次基础研究后,于1937年由己二胺和己二酸经聚缩合反应而成的聚六甲基己二酰胺即尼龙六六问世。它是最早商业化之高分子合成纤维,并于同年做成了第一双尼龙丝袜。

杜邦公司旋即在1938年9月取得该专利权并以“Nylon”(尼龙)为商品名,在1939年建立第一个生产工厂,当时的年产量为4×106千克,1944年达2.5×107吨,1948年达3.5×107吨,1951年增加到6.5×107吨。

与此同时,英国、法国、意大利、德国、日本也相继建厂生产。在尼龙六六开始商业化的同时,德国法本公司的施拉克于1938年研制出己内酰胺(Caprolactum,缩称CPL)合成聚己酰胺纤维即尼龙六,并申请专利,取商品名为perlon,之后随着聚酰胺纤维工业发展,各国纤维材料研究者陆续进行多种聚酰胺纤维的研究。

卡罗瑟斯(1896~1937年),美国有机化学家。1896年4月27日生于爱荷华州伯灵顿。1924年获伊利诺伊大学博士学位后,先后在该大学和哈佛大学担任有机化学的教学和研究工作。1928年应聘在美国杜邦公司设于威尔明顿的实验室中进行有机化学研究。他主持了一系列用聚合方法获得高分子量物质的研究。1935年以己二酸与己二胺为原料制得聚合物。由于这两个组分中均含有6个碳原子,当时称为聚合物六六。1939年实现工业化后定名为耐纶,又称尼龙,是最早实现工业化的合成纤维品种。

他是第一种聚酰胺纤维──尼龙六六的发明者,奠定了合成纤维工业的基础。

聚酰胺纤维的优缺点

聚酰胺纤维与其他纤维相比最突出的优点为耐磨性强,其次为它的弹性较好——其弹性回复率可与羊毛相媲美,聚酰胺纤维可加工成细匀柔软且平滑的丝,供织造成美观耐用的织物。此外,聚酰胺纤维还同聚酯纤维一样具有耐腐性、不怕虫蛀、不怕发霉之优点。

聚酰胺纤维的缺点主要就是耐旋光性稍差,如果在室外长时间受日照,就容易发黄,聚合后的物质在光照条件下发生分解,强度也会下降。与聚酯丝相比它的保形性较差,因此织物不够挺拔。它的纤维表面光滑,较有蜡状感。针对这些缺点近年来已经研究出各种改善措施,如加入耐光剂以改善耐旋光性,或制成异型断面以改善外观及光泽,与其他纤维混纺或交织,以改善其手感等。

聚酰胺纤维的性能

较强的耐磨性——聚酰胺纤维的耐磨性在所有纺织纤维中是最好的。相同条件下,它的耐磨性为棉花的10倍、羊毛的20倍、嫘萦的50倍。

较高的断裂强度——断裂强度是指材料发生断裂的应力,强度越大越不容易断裂。聚酰胺纤维湿润状态的断裂强度为干燥状态的85%~90%。

断裂伸度——聚酰胺纤维的断裂伸度依品种的不同而有所差异,强力丝的伸度较低,在10%~25%,一般衣料用丝25%~40%,其湿润状态的断裂伸度约为较干燥状态高的3%~5%。

弹性回复率——聚酰胺纤维的回弹性极佳,长纤的伸度10%时,其弹性回复率为99%,而聚酯在相同状况下为67%,嫘萦则仅32%。

耐疲劳性——由于聚酰胺纤维的弹性回复率好,故其耐疲劳性也很好。

其耐疲劳性与聚酯丝接近,而高于其他化学纤维及天然纤维。在相同的试验条件下,聚酯酰胺纤维的耐疲劳性比棉纤维高7~8倍,比嫘萦高几十倍。

吸湿性——聚酰胺纤维的吸湿性比天然纤维和嫘萦低,但合成纤维仅次于聚氯乙烯醇(PVA,维纶)而高于其他合成纤维,尼龙六六在温度为20℃、相对湿度为65%时的含水率为3.4~3.8,尼龙六则为3.4~5.0,故聚酰胺六的吸湿性略高于聚酰胺六六。

染色性——聚酰胺纤维的染色性较天然纤维及嫘萦差,但仍较其他合成纤维易染色,一般以酸性染料染色。

光学性质——聚酰胺纤维具双折射,双折射随延伸比变化很大,聚酰胺纤维表面光泽度较高,通常于聚合添加二氧化钛消光。

耐旋光性——聚酰胺纤维的耐旋光性能较差,于聚合时添加耐光剂制成纤维后可改善耐旋光性能。

耐热性——聚酰胺纤维的耐热性不佳,在150℃时历经5小时即变黄,170℃开始软化,到215℃开始熔化,尼龙六六耐热性要较尼龙六好,其安全温度分别为130℃及90℃,热定型温度最高不能超过150℃,最好在120℃以下。但聚酰胺纤维耐低温性佳,即使在零下70℃的低温使用,其弹性回复率也变化不大。

耐化学品性——聚酰胺纤维耐碱性佳,但耐酸性则较差,在一般室温条件下,一般可耐强酸强碱溶液的浸泡,不受腐蚀,因此聚酰胺纤维适用于防腐蚀工作服。另外其可用作渔网,不怕海水浸蚀,尼龙渔网要比一般渔网寿命长3~4倍。

聚酰胺纤维的用途

聚酰胺纤维可制成长纤或短纤,其用途如下:

长纤

聚酰胺长纤可单独使用,也可与其他纤维交织,也可假捻器加工成加工丝供针织或平织用途,在内衣用途可用于男女儿童服装、被套面料、袜子、雨衣等。另聚酰胺纤维用于航天员外衣的外层及内里,利用其高强度来保护航天员不受外层空间陨石的袭击,在产业用途可用于渔网、滤布、缆绳、轮胎帘布、轮送带衬布及降落伞布等。由于其强力高、耐冲击、耐磨性佳,用于轮胎帘布制成轮胎后其行驶里程较以往的嫘萦轮胎帘布轮胎行驶的里程高,据实验证明聚酰胺轮胎帘布轮胎可行驶约30万千米,而嫘萦轮胎帘布轮胎仅能行驶约12万千米。

短纤

聚酰胺短纤与长纤相比在美国其使用量约占21%,在地毯用纤维中,短纤维占90%以上,而聚酰胺纤维占地毯纤维用量的53%。

另外其可与其他纤维混纺用于袜子、华达呢布料、凡立丁布料、毛毯、滤布等。

聚酰胺尼龙新纤维的发展趋势及应用

尼龙纤维其柔韧性、弹性回复率、耐磨性、耐碱性、吸湿性及轻量性方面均较聚酯纤维性能佳,但因其成本较聚酯纤维约高1倍,而尼龙六六又较尼龙六高20%~40%,因此尼龙纤维未来的发展及能否超越聚酯纤维,关键是降低原料成本。由尼龙六六龙头美国杜邦公司与尼龙六龙头德国巴斯夫公司联袂合作,成功开发了2种尼龙原料的免开环技术,此原料新制程可省成本约1/3,因而降低了尼龙纤维的售价,提高了与聚酯纤维的竞争力。但因新制程投资的研发成本甚高,估计也要9~10年方能达到损益平衡,届时方能降低售价,因此近期尼龙纤维制品必朝高附加值及性能上改进,如此才能与聚酯纤维相抗衡。

以下就尼龙新纤维的发展及应用趋势作一概述:

导电性

在衣料及地毯上的用途,抗静电为主要的性能。早期是添加聚醚,在低温下效果不理想,近来以碳黑等导电性微粒,可涂布或内加以消除静电,此在地毯上的用途已迅速扩大。

高强度高模数纤维

用于轮胎帘布的帘线具有高强度、高模数及耐疲劳的特性,由于聚酰胺分子键成折叠状结构,目前尼龙六六及尼龙六的聚酰胺纤维,其实际强度及模数仅达到理论值的10%。

衣料服饰用绢绸仿蚕丝素材

衣料服饰用纤维要求穿着舒适及外观鲜美,除了抗静电外,对光泽、柔软性、吸湿性都需改善,由于尼龙纤维的弹性回复率较聚酯纤维佳,且其模数(杨氐系数)较低,因此具有较柔软及丰厚的手感。以不同收缩率的尼龙混纤,在染整加工后,织物表面浮出细丹,因此织物具柔和的光泽及柔软的手感,细丹尼龙使织物的柔软性得到改善,而易收缩混织使织物的丰厚感及鲜明性得到改善,因此今后尼龙纤维的纤维加工趋势必定朝着这个方向发展。

轻盈感新尼龙素材

尼龙纤维的比重要较聚酯轻,因此织物具有轻盈的特性,如以中空断面纺制则纤维更具轻盈感,加工后的蓬松感亦较佳,且具有保温性,因此如何研制高中空率的尼龙纤维为尼龙纤维厂的重要研发课题。

弹性新复合素材

复合纺丝是以PU弹性纤维为蕊心,以尼龙为鞘的双组分复合纤维,兼具了PU的高弹性和尼龙轻盈的优点,其在热处理后会呈现自然卷曲的效果,因此其织物具有很好的弹性及舒适,具有自然的透明肤色效果,适合于女性内衣、超弹裤袜。

防水透气新素材

以尼龙六或尼龙六六与聚酯进行复合纺丝,其断面为橘瓣形(segmentpie),即所谓的分割形,增加分割数,其织物的防水透气性会增加,目前的生产技术已可达64分割。

抗菌防臭素材

在尼龙纺丝制程中混纺一种特殊陶瓷材料,其会释放出微量的银离子而达到良好的抗菌效果,以混纺法可提高抗菌的持久性,纤维经加工、织造、染整后,抗菌性不会遭破坏,且经50次以上的洗涤仍能维持抗菌的效果。

保健性素材

尼龙纤维混纺一种能释放远红外线的陶瓷微粒,能提高织物的保暖性及舒适性,远红外线是一种具有波长4~50毫米长的电磁波,能有促进血液循环,保暖的效果。

氯纶衣料:氯纶衣料很难燃烧,接近火焰时会收缩,离火即灭;气味如氯气;灰烬呈不规则的黑色硬块。

7.一种保健纤维——甲壳素纤维

甲壳素的由来

1811年,法国一位研究自然科学史的布拉克诺教授,用温热的稀碱溶液反复处理蘑菇,最后得到一些纤维状的白色残渣,他以为从蘑菇中得到了纤维,并把这种来源于蘑菇的纤维称之为Fungine,意为真菌纤维素。

1823年,又一位法国科学家欧吉尔从甲壳类昆虫的翅膀中分离出同样的物质,他认为这种物质是一种新型的纤维素,给它命名为Chitin,意为甲壳纤维。后经一系列科学家研究发现Chitin中含氮元素,因此它不是纤维素。而证明这一结论几乎用了将近100年的时间。

Chitin这个词是由希腊文衍变而来的,意即“被膜、铠甲”。

Chitin译成中文,叫甲壳素。

甲壳素的存在

你知道吗?在地球上存在的天然有机化合物中,数量最大的是纤维素,其次就是甲壳素。前者主要由植物生成,后者则主要由动物生成。估计自然界每年生物合成的甲壳素将近1×1013千克。甲壳素亦是地球上除蛋白质外,数量最大的含氮天然有机化合物。由此可见,甲壳素的地位是多么重要。