第四节 有机合成纤维
合成纤维是由低分子物质经化学合成高分子聚合物，再经纺丝加工而成的纤维。
按合成纤维的纵向形态，可分为长丝和短纤维两大类；按照化学纤维的截面形态和结构，可分为异形纤维和复合纤维。按照化学纤维的加工及性能特点又可分为普通纤维、差别化纤维及功能性纤维。按照聚合物的官能团，又可分为聚酯、聚酰胺、聚烯烃类等纤维。
一、聚酯纤维
聚酯纤维通常是指以二元酸和二元醇缩聚得到的高分子化合物。聚酯纤维的品种主要有聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）。
1.聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维（PET）我国将聚对苯二甲酸乙二醇酯含量大于85%的纤维称为聚酯纤维，又称涤纶，熔点267℃，相对分子质量为18000～25000。涤纶具有圆形实心的横截面，纵向均匀无条痕。
涤纶具有较高的结晶度，为40%～60%。此外，吸湿性差，标准状态下的回潮率只有0.4%，因而导电性差，易产生静电，且染色困难。高密涤纶织物穿着时易感觉气闷，但有易洗快干的特性。
（1）化学稳定性。涤纶的耐酸性较好，对无机酸或有机酸都有良好的稳定性。将涤纶在60℃以下用70%硫酸处理72h，其强度基本上没有变化；处理温度提高后，纤维强度迅速降低，利用这一特点用酸侵蚀涤棉包芯纱织物可制成烂花产品。
涤纶在碱的作用下发生水解。水解作用由表面逐渐深入，当表面的分子水解到一定程度，便溶解在碱液中，使纤维表面一层层地剥落下来，造成纤维的失重和强度的下降，而对纤维的芯层则无太大影响，其相对分子质量也没有什么变化，这种现象称为“剥皮现象”或“碱减量处理”工艺。此工艺可使纤维变细，从而增加纤维在纱中的活动性，这就是涤纶织物用碱处理后可获得仿真丝绸效果的原因。
（2）染色性能。涤纶染色比较困难，须采用载体染色法、高温高压染色法和热熔染色法进行染色。目前还开展了涤纶分散染料超临界CO2染色研究。
（3）起毛起球现象。涤纶织物表面容易起毛起球。这是因为其纤维截面呈圆形，表面光滑，纤维之间抱合力差，纤维末端容易浮出织物表面形成绒毛，经摩擦后，纤维纠缠在一起形成小球，且纤维强度高、弹性好、小球难于脱落，因而涤纶织物起球现象比较显著。
（4）静电现象。涤纶吸湿性低，所以摩擦时易产生静电，给纺织染整加工带来困难，而且穿着不舒服。
2.聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维（PTT）PTT纤维兼具涤纶和锦纶的特点。它像涤纶一样易洗快干，具有较好的弹性回复性、抗皱性、耐污性、抗日光性和手感。PTT比涤纶的染色性好，可进行常压染色。在相同条件下，染料对PTT纤维的渗透力高于PET，且染色均匀，色牢度好。与锦纶一样，PTT纤维具有较好的耐磨性和拉伸回复性，弹性大、蓬松性好，更适合制作地毯等材料。
3.聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维（PBT）与涤纶一样，PBT纤维也具有强度好、易洗快干、尺寸稳定、保形性好等特点，最主要的是其大分子链上柔性部分较长，因而断裂伸长大、弹性好，受热后弹性变化不大，手感柔软。此外，PBT纤维的染色性比涤纶好。PBT织物在常压沸染条件下用分散染料染色便可得到满意的染色效果。此外，PBT纤维还具有较好的抗老化性、耐化学反应性和耐热性。
PBT纤维在工程塑料、家用电器外壳、机器零件上有广泛的用途。
4.聚萘二甲酸乙二醇酯纤维（PEN）PEN纤维是半结晶状的热塑性聚酯材料。与常规涤纶相比，PEN纤维具有较好的力学性能和热性能，比强度高，比模量大，抗拉伸性能好，刚性大；耐热性好，尺寸稳定，不易变形，有较好的阻燃性；耐化学性和抗水解性好；抗紫外线，耐老化。
二、聚酰胺纤维（PA）
聚酰胺纤维是指其分子主链由酰胺键（—CO—NH—）连接的一类合成纤维，我国称聚酰胺纤维为锦纶。聚酰胺纤维是世界上最早实现工业化生产的合成纤维。脂肪族聚酰胺纤维有锦纶6、锦纶66、锦纶610等；芳香族聚酰胺包括聚对苯二甲酰对苯二胺（芳纶1414，Kevlar）和聚间苯二甲酰间苯二胺（芳纶1313，Nomex）；混合型的聚酰胺包括聚己二酰间苯二胺（MXD6）和聚对苯二甲酰己二胺（聚酰胺6T）等。
1.分子结构 聚酰胺的分子是由许多重复结构单元通过酰胺键连接起来的线型长链分子，在晶体中为完全伸展的平面曲折形结构。成纤聚几内酰胺的相对分子质量为14000～20000，成纤聚己二酰己二胺的相对分子质量为20000～30000。
2.形态结构和聚集态结构 锦纶通过熔体纺丝制成，纤维截面近似圆形，纵向无特殊结构。
锦纶的聚集态结构是折叠链和伸直链晶体共存的体系。聚酰胺分子链间相邻酰胺基可以定向形成氢键，这导致聚酰胺倾向于形成结晶。纺丝冷却成形时由于内外温度不一致，一般纤维的皮层取向度较高，结晶度较低，而芯层则结晶度较高，取向度较低。锦纶的结晶度为50%～60%，甚至高达70%。
3.化学性质 锦纶因含有酰胺键，易发生水解。在温度100℃以下水解不明显，100℃以上水解反应逐渐剧烈。
锦纶对酸不稳定，对浓的强无机酸特别敏感。在常温下，浓硝酸、盐酸、硫酸都能使锦纶迅速水解，如在10%的硝酸中浸渍24h，锦纶强度下降30%。
锦纶对碱的稳定性较高，在温度为100℃、浓度为10%的氢氧化钠溶液中浸渍100h，纤维强度下降不多，对其他碱及氨水的作用也很稳定。
锦纶对氧化剂的稳定性较差。次氯酸钠、双氧水能使聚酰胺大分子降解，亚氯酸钠、过氧乙酸能使锦纶获得良好的漂白效果。
4.应用 聚酰胺纤维具有优异的力学性能及染色性能，在服装产业和装饰地毯等领域应用广泛。在服用方面，可制成袜子、内衣、衬衣、运动衫等，并可和棉、毛、黏胶纤维等混纺，使混纺织物具有很好的耐磨性，还可用作寝具、室外饰物及家具用布等。在产业方面，可用作轮胎帘子线、传送带、运输带、渔网、绳缆等。
三、聚丙烯纤维（PP）
聚丙烯纤维又称丙纶，是以丙烯聚合得到的等规聚丙稀为原料纺制而成的合成纤维，主要的产品有普通长丝、短纤维、膜裂纤维、膨体长丝、工业用丝、纺粘和熔喷非织造布等。丙纶由熔体纺丝法制得，纤维截面呈圆形，纵向光滑无条纹。
丙纶含有85%～97%等规聚丙稀、3%～15%无规聚丙烯。等规聚丙稀具有较高的立体规整性，较易结晶。晶体呈规则的螺旋链状结构。
丙纶的密度只有0.90～0.92g/cm3，是所有化学纤维中最轻的。
丙纶大分子中不含有极性基团，对酸、碱及氧化剂的稳定性很高，耐化学稳定性优于一般化学纤维。此外，丙纶还具有良好的电绝缘性和保暖性，抗微生物，不霉不蛀。
“芯吸效应”是细线密度丙纶织物所特有的性能，其单丝线密度愈小，芯吸透湿效应愈明显，且手感愈柔软。因此，细线密度丙纶织物导汗透气，穿着时可保持皮肤干爽，出汗后无棉织物的凉感，也没有其他合成纤维的闷热感，从而提高了织物的舒适性和卫生性。在纺丝过程中添加陶瓷粉、防紫外线物质或抗菌物质，可开发出各种功能性丙纶产品。
四、聚丙烯腈纤维（PAN）
聚丙烯腈纤维又称腈纶，指含丙烯腈85%以上的聚丙烯腈共聚物或均聚物。丙烯腈含量在35%～85%以上的共聚物纤维，称为改性聚丙烯腈纤维或改性腈纶。腈纶柔软，保暖性好，密度比羊毛小，有“合成羊毛”之称，可代替羊毛制成膨体绒线、腈纶毛毯、腈纶地毯。
聚丙烯腈均聚物结晶度极高，不易染色，手感及弹性都较差，呈现脆性，不能满足纺织加工和服用的要求。
1.形态结构 腈纶采用湿法纺丝制备。以硫氰酸钠为溶剂的腈纶，其截面是圆形；以二甲基甲酰胺为溶剂的腈纶，截面是花生果形。腈纶的纵向一般较为粗糙，似树皮状。
湿纺腈纶的结构中存在微孔，微孔的大小与共聚物的组成、纺丝成形条件有关，并影响纤维的力学及染色性能。
2.聚集态结构 聚丙烯腈大分子呈螺旋状空间立体构象。在聚丙烯腈均聚物中引入第二单体、第三单体后，大分子侧基有很大变化，增加了其结构和构象的不规则性。腈纶大分子沿着纤维轴向排列有序，而在垂直于纤维轴的方向上无序排列。
3.化学稳定性 聚丙烯腈大分子主链对酸碱比较稳定，然而侧基氰基在酸碱的催化下会发生水解生成酰胺基，进一步水解成羧基，从而使聚丙烯腈转化为可溶性的聚丙烯酸而溶解，造成纤维失重，比强度降低，甚至完全溶解。
腈纶在具有氧化性漂白剂如亚氯酸钠、过氧化氢和还原剂如亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、保险粉存在下，呈现良好的稳定性。
腈纶不被虫蛀，这是优于羊毛的一个重要性能，对醇、有机酸（甲酸除外）、碳氢化合物、油、酮、酯及其他物质都比较稳定，但可溶于浓硫酸、酰胺和亚砜类溶剂中。
五、聚乙烯醇缩甲醛纤维（PVA）
聚乙烯醇缩甲醛纤维，又称维纶、维尼纶，其基本组成是聚乙烯醇。由于乙烯醇很不稳定，所以聚乙烯醇不能由乙烯醇直接聚合形成。它是先由醋酯乙烯聚合成聚醋酸乙烯，然后在甲醇溶液中以烧碱催化醋酸乙烯进行醇解，脱去醋酸根，制得聚乙烯醇。聚乙烯醇无明显熔点，不能被加热成熔融状态，但它的分子上有许多羟基，易溶于水，故纺丝成形后还要再用甲醛作缩醛化处理。缩醛反应只在纤维的无定形区进行，由甲醛与纤维中的羟基作用生成聚乙烯醇缩甲醛，即维纶。
维纶常用湿法纺丝制备，相对分子质量为60000～80000。缩醛化的程度以缩醛度表示，是指聚乙烯醇中羟基参与缩醛化反应的克分子百分数，一般缩醛度为30%。缩醛度太小，纤维的耐热性和耐水性变差；缩醛度过高，纤维的染色性变差，强度下降。正常缩醛化后的维纶应耐115℃的热水处理。
湿法纺丝得到的维纶截面呈圆腰形，有明显的皮芯结构，皮层结构紧密，芯层有很多空隙。热处理后，维纶的结晶度为60%～70%。
维纶的耐酸性良好，能经受浓度为20%的20℃硫酸或浓度为5%的60℃硫酸作用。在浓度为50%的烧碱和浓氨水中，维纶仅发黄，强度变化不明显。
维纶不溶于一般的有机溶剂，如乙醇、醚、苯、丙酮、汽油、四氯乙烯等。在热的吡啶、酚、甲酸中溶胀或溶解。
水溶性聚乙烯醇纤维属无缩醛化的聚乙烯醇纤维，可溶于温水，又称为可溶性维纶，是天然纤维纺制超细线密度纱线的重要原料。目前，我国的聚乙烯醇纺丝厂主要生产可溶性维纶。将水溶性维纶与棉、麻、毛等天然纤维混纺可改变纱线内部结构，增大纱线内部纤维间缝隙和毛细孔隙，从而改变织物的透气性，降低捻度，使纱线松软、蓬松，织物手感更柔和，悬垂性进一步提高，面料更轻薄，吸湿排汗，衣着更舒适。采用这种方式纺细特纱，改变了传统精梳纺纱工艺，缩短了工艺流程。
此外，水溶性维纶还可用于生产超细纤维、绣花基布、非织造布、无捻织物和无纬毛毯，加工花透织物、假缝纫线。
六、聚氯乙烯纤维（PVC）
聚氯乙烯是最早的合成纤维，又称氯纶。氯纶耐热性差，对有机溶剂的稳定性和染色性差，特别是游离氯离子和含氯分子会析出形成致癌物质，这一缺点限制并影响其生产发展。
氯纶产品主要有长丝、短纤维及鬃丝等，以短纤维和鬃丝为主。氯纶主要用于民用，可制作成各种针织内衣、毛线、毯子和家用装饰织物等。由氯纶制成的针织服装，保暖性好，同时具有阻燃作用；另外，由于静电作用，对关节炎有一定的辅助疗效。在工业上，氯纶可制成常温下使用的滤布、工作服、绝缘布、覆盖材料等。鬃丝主要用于编织窗纱、筛网、绳索等。
一般方法生产的氯纶属无规立构体，很少有结晶性，但有时在某些很小的区段上能形成结晶区。聚合温度降低，所获得的聚氯乙烯立体规整性提高，纤维的结晶度也随之提高。
氯纶的独特性质是具有阻燃性，极限氧指数LOI为37.1，在明火中发生收缩并炭化，离开火源便自行熄灭，其产品特别适用于易燃场所。
氯纶和腈纶混纺的纤维，又称腈氯纶，兼具二者的性质，在阻燃产品中使用。
氯纶对各种无机试剂的稳定性很好，对酸、碱、还原剂或氧化剂都具有良好的稳定性。
氯纶的耐有机溶剂性差，它与有机溶剂间不发生化学反应而发生溶胀。
七、聚四氟乙烯纤维
聚四氟乙烯纤维又称氟纶，是迄今为止最耐腐蚀的纤维，它的摩擦系数低，不吸水，不粘连。
在所有的天然纤维和合成纤维中，氟纶的化学稳定性最强，耐强酸和强氧化剂。氟纶的极限氧指数为95，是目前化学纤维中最难燃的纤维。
氟纶本身没有毒性，但在200℃以上使用时，有少量有毒气体氟化氢释出，因此在高温条件下使用时应采取相应措施。
八、聚氨酯纤维（PU）
聚氨酯纤维是以聚氨基甲酸酯为主要成分的前端共聚物制成的纤维，又称氨纶，国外的商品名如美国的“莱卡（Lycra）”。
聚氨酯弹性纤维链结构中软链段是由具有结晶性的低分子量聚酯（1000～5000）或聚醚（1500～3500）链组成，其玻璃化温度只有-50～-70℃，且在常温下处于高弹态，在应力作用下很容易发生形变，从而赋予纤维容易拉长变形的特征。硬链锻是由具有结晶性并能形成横向交联、刚性较大的链段（如芳香族二异氰酸酯链段）组成，这种链段在应力作用下基本不产生变形，从而防止分子间滑移，并赋予纤维足够的回弹性。在外力作用下，软链段为纤维提供大形变，使纤维容易被拉伸，而硬链段则用于防止长链分子在外力作用下发生相对滑移，并在外力去除后迅速回弹，起到物理交联的作用。
用化学反应纺丝法制造的氨纶只有一种软链段，但交错的软链段之间有由化学交联形成的结合点，它与软链段配合，共同赋予纤维高伸长、高回弹的特点。
氨纶对次氯酸钠漂白剂的稳定性较差，推荐使用过硼酸钠、过硫酸钠等含氧型漂白剂。根据软链段部分是聚酯还是聚醚，聚氨酯分为聚酯型和聚醚型两种。聚酯或聚醚与芳香二异氰酸酯反应，生成异氰酸酯端基的预聚物，这种预聚物再和扩链剂——低相对分子量的含有活泼氢原子的双官能团化合物（如二元胺或二元醇）反应获得嵌段共聚物。合成的嵌段共聚物可通过溶液纺丝或熔融纺丝制成氨纶。
聚醚型氨纶的耐水解性好；聚酯型氨纶的耐碱、耐水解性稍差。
九、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）
超高分子量聚乙烯，又称乙纶，是目前世界上强度最高的纤维之一。成纤的超高分子量聚乙烯粉料要求相对分子质量分布窄、颗粒粒度小且分布均匀。采用凝胶纺丝工艺生产的长丝纤维，其断裂比强度达2.7～3.8cN/dtex。这种纤维的密度低，只有0.96g/cm3，用它加工的缆绳及制品轻，可漂在水面上。其能量吸收性强，可制作防弹、防切割和耐冲击品的材料。
超高分子量聚乙烯具有良好的疏水性、耐化学腐蚀、抗老化性、耐磨性、耐疲劳性、柔性和弯曲性，同时又耐水、耐湿、耐海水、抗震。超高分子量聚乙烯在极低温度下的电绝缘性和耐磨性均优良，是理想的低温材料。这种纤维的主要缺点是耐热性差，使用温度为100～110℃，在125℃左右即可熔化，其断裂比强度和比模量随温度的升高而降低，因此要避免在高温下使用。