合成纤维的分类、生产和用途

合成纤维是将人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶（或可熔）性的线型聚合物，经纺丝成形和后处理而制得的化学纤维。通常将这类具有成纤性能的聚合物称为成纤聚合物。与天然纤维和人造纤维相比，合成纤维生产的基本原料源于石油，其生产不受自然条件的限制。

合成纤维近几十年来在全世界得到了迅速的发展，已成为纺织工业的主要原料。它广泛用于服装、装饰和产业三大领域，它的使用性能有的已经超过了天然纤维。

一、生产合成纤维的原料

生产合成纤维的基本原料源于石油。以石油为原料制取合成纤维的途径为：炼油厂的重整装置和烃类裂解制乙烯时副产的苯、二甲苯、丙烯，经过加工后制成合成纤维所需原料（通称为单体）。还有一些特种合成纤维不使用石化产品作原料，但它们产量少，不在日常生活中使用。

二、合成纤维的分类

合成纤维工业是20世纪40年代初开始发展起来的，最早实现工业化生产是聚酰胺纤维（锦纶），随后腈纶、涤纶等陆续投入工业生产。合成纤维性能优异，原料来源丰富，随着工业技术的不断发展，短短几十年间，世界合成纤维的产量已接近天然纤维，成为纺织纤维的重要原料。

合成纤维的主要品种如下：

⑴ 按主链结构：

碳链合成纤维，如聚丙烯纤维(丙纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚乙烯醇缩甲醛纤维(维尼纶)；

杂链合成纤维，如聚酰胺纤维(锦纶)、聚对苯二甲酸乙二酯(涤纶)等。

⑵ 按性能功用：

耐高温纤维：如聚苯咪唑纤维；

耐高温腐蚀纤维：如聚四氟乙烯；

高强度纤维：如聚对苯二甲酰对苯二胺；

耐辐射纤维：如聚酰亚胺纤维；

还有阻燃纤维、高分子光导纤维等。

⑶ 根据化学组成：

合成纤维可分为聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维澄。它们习惯被称为锦纶（或尼龙）、涤纶、腈纶、丙纶、维纶。此外聚丙烯纤维、聚氯乙烯纤维也有一定的产量。

除上述几种之外，常见的合成纤维还有氨纶。作为民用纤维，人们力求使合成纤维制品能保持天然纤维制品能保持天然纤维制品的优点，克服性能和产量的不足。

三、合成纤维的生产方法

合成纤维的生产有三大工序：合成聚合物制备、纺丝成型、后处理。

以石油为原料制取合成纤维经过多次加工，裂化、聚合、添加剂等一系列复杂过程。合成纤维的生产首先是将单体经聚合反应制成成纤高聚物，经过纺丝及后加工成为合格的纺织纤维。熔融纺丝是将高聚物加热熔融成熔体，然后由喷丝头喷出熔体细流，再冷凝而成纤维的方法。高聚物的纺丝方法主要决定于高聚物的性能。熔融纺丝速度高，高速纺丝时每分钟可达几千米。这种方法适用于那些能熔化、易流动而不易分解的高聚物，如涤纶、丙纶、锦纶等。

⒈ 溶液纺丝又分为湿法纺丝和干法纺丝两种。

⑴ 湿法纺丝是将高聚物在溶剂中配成纺丝溶液，经喷丝头喷出细流，在液态凝固介质中凝固形成纤维。

⑵ 干法纺丝中，凝固介质为气相介质，经喷丝形成的细流因溶剂受热蒸发，而使高聚物凝结成纤维。

溶液纺丝速度低，一般每分钟几十米。溶液纺丝适用于不耐热、不易熔化但能溶于专门配制的溶剂中的高聚物，如腈纶、维纶。

熔融纺丝和溶液纺丝得到的初生纤维，强度低，硬脆，结构性能不稳定，不能使用。只有通过一系列的后加工处理，才能使纤维符合纺织加工的要求。

⒉ 不同的合成纤维，其后加工方法不尽相同。

按纺织工业要求，合成纤维分长丝和短纤维两种型式。所谓长丝，是长度为千米以上的丝，长丝卷绕成团。短纤维是几厘米至十几厘米的短纤维。

⑴ 短纤维后处理过程主要为：初生纤维--集束--拉伸--热定型--卷曲--切断--打包--成品短纤维。

⑵ 长丝后处理过程主要为：初生纤维--拉伸--加捻--复捻--水洗干燥--热型--络丝--分级--包装--成品长丝。

从上述可以看出，初生纤维的后处理主要有拉伸、热定型、卷曲和假捻。

① 拉伸可改变初生纤维的内部结构，提高断裂强度和耐磨性，减少产品的伸长率。

② 热定型可调节纺丝过程带来的高聚物内部分子间作用力，提高纤维的稳定性和其他物理－机械性能、染色性能。

③ 卷曲是改善合成纤维的加工性（羊毛和棉花纤维都是卷曲的），克服合成纤维表面光滑平直的不足。

④ 假捻是改进纺织品的风格，使其膨松并增加弹性。

四、合成纤维的用途

合成纤维因具有强度高，耐磨、耐酸、耐碱、耐高温、质轻、保暖、电绝缘性好及不怕霉蛀等特点，在国民经济的各个领域得到了广泛的应用。

⒈ 合成纤维在民用上，既可以纯纺，也可以与天然纤维或人造纤维混纺、交织。用它做衣料比棉、毛和人造纤维都结实耐穿；用它做被服，冬装又轻又暖。锦纶的耐磨性优异，有某些天然纤维的特色，如腈纶与羊毛相似，俗称人造羊毛；维纶的吸水性能与棉花相似；锦纶经特种加工，制品与蚕丝相似等。

⒉ 在工业上，合成纤维常用做轮胎帘子线、渔网、绳索、运输带、工业用织物（帆布、滤布等）、隔音、隔热、电气绝缘材料等。

⒊ 在医学上，合成纤维常用作医疗用布、外科缝合线、止血棉、人造器官等。

⒋ 在国防建设上，合成纤维可用于降落伞、军服、军被，一些特种合成纤维还用于原子能工业的特殊防护材料、飞机、火箭等的结构材料。

五、复合纤维材料

⒈ 发展

复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。

20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。

50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。

70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。

这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

⒉ 分类

⑴ 复合材料以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。

① 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

② 增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。

⑵ 按其结构特点又分为：

① 纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

② 夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

③ 细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。

④ 混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。

⒊ 先进复合材料

60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料。

为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。

按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。

性能复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。

以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。

碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃） 高得多。

碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。不但能满足苛刻的环境要求，还大大减轻部件的重量，满足宇航、导弹、航空等部门的要求。

⒋ 应用

复合材料的主要应用领域有：

⑴ 航空航天领域

由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。

⑵ 汽车工业

由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。

⑶ 化工、纺织和机械制造领域

有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。

⑷ 医学领域

碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。

此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。

六、纤维改性和特种纤维

随着合成纤维产量的迅速增加，科学技术的不断进步和人民生活水平的提高，人们对纺织纤维的性能要求越来越多样化。为了满足这些需求，得到更高附加价值的纤维，研究开发有更新性能的纤维，而其重点，则是对常规化学纤维的改性，也叫差别化。

差别化纤维，是指在现有合成纤维的基础上进行化学改性或物理改性的合成纤维。化学改性是通过分子设计，改变已有成纤高聚物的结构，达到改善纤维性能的目的。物理改性则是在不改变成纤高聚物基本结构的情况下，通过改变纤维的形态结构而改善纤维的性能。目前差别化纤维的主要发展方向为：

⒈ 仿天然纤维

通过异型纺丝/开发细丝/复合纺丝,生产具有仿真效果的合成纤维.如具有丝的光泽/良好的手感和悬垂性的仿丝型纤维；具有羊毛的自然卷曲及弹性/柔软的光泽和良好的缩绒性的仿毛纤维；具有麻的爽滑透凉性的仿麻纤维等。

⒉ 赋予纤维新的性能

合成纤维受其本身的影响，在一些性能上还不尽人意，如染色性、吸湿性、阻燃性等，需要不断地加以研究、改进。主要方法有：通过原液着色法、共混法、共聚法、复合法等改善合成纤维的染色性能。

通过对纤维大分子的亲水性单体的接枝改性、与亲水性组分共混及组成复合纤维，使纤维具有多孔结构、表面粗糙化及纤维截面异形化等处理，改善合成纤维的亲水性能。

通过共混、共聚引入阻燃剂，提高成纤高聚物的热稳定性；通过后处理改性织物阻燃整理等赋予合成纤维阻燃性。

通过表面活性剂的表面加工处理，把具有抗静电性能的亲水性聚合体与成纤高聚物共混的方法，改善纤维的抗静电性能。

也可通过开发金属纤维、金属镀层纤维、导电性树脂涂层纤维、导电性树脂复合纤维等，改善纤维的导电性能。

采用特殊的纺丝和拉伸工艺，共聚改性，异形截面等生产高收缩合成纤维，改善纤维的蓬松性、染色性等。

⒊ 赋予纤维优良的物理机械性能

除了在现有合成纤维的基础上进行改性，以开发人们所希望的性能外，人们也研究制备具有特殊功能的新型纤维，如高强度、高模量纤维、耐高温纤维、耐腐蚀纤维、弹性体纤维、医用功能纤维等。

⑴ 高强度、高模量纤维

主要为芳香族聚酰胺系列，如聚对苯二甲酰对苯二胺、聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰胺；高取向的聚烯烃纤维系列，如聚乙烯、聚丙烯。

高强度、高模量纤维主要用于防弹背心、防弹帽，制成各种复合材料用于飞机、宇航器材代替铝合金；用于体育器材方面，如网球拍线、赛车服等。

⑵ 弹性纤维

如聚氨酯弹性纤维，具有相对密度小、染色性好、伸长率大、回弹性好、耐磨、耐挠曲、耐化学试剂等优点，主要用于袜子口、胸罩、腰带、茄克衫、医用内衣等。

⑶ 耐高温纤维

主要有聚四氟乙烯纤维、聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚酰胺酰亚胺纤维等。

⑷ 塑料光导纤维

按光纤芯的组成可分为聚甲基丙烯酸甲酯类、聚苯乙烯类、重氢化聚甲基丙烯酸甲酯类等。其特点是不受静电、电磁感应的影响，重量轻，柔韧性好，数值孔径大，线径粗，易于光器件耦合连接，用于可见光的传输，可靠性容易确定，价格便宜。可用于光学仪器、汽车、家用电器、计算机、广告显示装置、日用品、玩具等方面。