长丝、短纤、复合、异形、超细纤维...你分的清吗？
在合成纤维的制造过程中,纺丝流体(熔体或溶液)经纺丝成形和后加工工序后,得到的长度以千米计的纤维称为长丝。长丝包括单丝、复丝和帘线丝。
(1)单丝
原指用单孔喷丝头纺制而成的一根连续单纤维,但在实际应用中往往也包括由3～6孔喷丝头纺成的 3～6 根单纤维组成的少孔丝。较粗的合成纤维单丝 (直径为 0 .08～2mm)称为鬃丝,用于制作绳索、毛刷、日用网袋、渔网或工业滤布;较细的聚酰胺单丝用于制作透明女袜或其他高级针织品。
(2)复丝
由数十根单纤维组成的丝条。化学纤维的复丝一般由 8～100 根单纤维组成。绝大多数服用织物都是采用复丝织造的,这是因为由多根单纤维组成的复丝比同样直径的单丝柔顺性好。
(3)帘线丝
由一百多根至几百根单纤维组成的用于制造轮胎帘子布的丝条,俗称帘线丝。
化学纤维的产品被切成几厘米至十几厘米的长度,这种长度的纤维称为短纤维。根据切断长度的不同,短纤维可分为棉型短纤维、毛型短纤维、中长型短纤维。
(1)棉型短纤维
长度为 25～38mm,纤维较细(线密度为 1 .3～1 .7dtex),类似棉纤维,主要用于与棉纤维混纺,如用棉型聚酯短纤维与棉纤维混纺,得到的织物称“涤棉”织物。
(2)毛型短纤维
长度为 70～150mm,纤维较粗(线密度 3 .3～7 .7dtex),类似羊毛,主要用于与羊毛混纺,如用毛型聚酯短纤维与羊毛混纺,得到的织物称“毛涤”织物。
(3)中长纤维
长度为 51～76mm, 纤维的粗细介于棉型和毛型之间 (线密度为 2 .2～3 .3dtex),主要用于织造中长纤维织物。
短纤维除可与天然纤维混纺外,还可与其他化学纤维的短纤维混纺,由此得到的混纺织物具有良好的综合性能。另外,短纤维也可进行纯纺。在目前全世界化学纤维的生产中,短纤维的产量高于长丝的产量。根据纤维特点,有些品种(如锦纶)以生产长丝为主;有些品种(如腈纶)则以生产短纤维为主;而有些品种(如涤纶)则两者比例比较接近。
粗细节丝简称T&T丝,从其外形上能看到交替出现的粗节和细节部分,而丝条染色后又能看到交替出现的深浅色变化。粗细节丝是采用纺丝成形后不均匀牵伸技术制造而成,所产生的两部分丝在性质上的差异可以在生产中控制,其分布无规律,呈自然状态。
粗细节丝粗节部分的强力低,断裂伸长大,热收缩性强,染色性好,而且易于碱减量加工,可以充分利用这些特性开发性能独特的纺织品。粗细节丝的物理性能与粗细节的直径比等因素有关。一般的粗细节丝具有较高的断裂伸长率和沸水收缩率及较低的断裂强度和屈服度。其较强的收缩性能可以使粗细节丝与其他丝混合成为异收缩混纤丝。此外,粗细节丝粗节部分易于变形、强力低等问题应在织造、染整过程中加以注意。最初的粗细节丝为圆形丝,随着粗细节丝生产技术的发展,一些特殊的粗细节丝相继出现,如异形粗细节丝、混纤粗细丝、微多孔粗细节丝以及细旦化粗细节丝等,它们或具有特殊的手感和风格,或具有特殊的吸性,多用于开发高档织物。
变形纱包括所有经过变形加工的丝和纱,如弹力丝和膨体纱都属于变形纱。
(1)弹力丝
即变形长丝,可分为高弹丝和低弹丝两种。弹力丝的伸缩性、蓬松性良好,其织物在厚度、重量、不透明性、覆盖性和外观特征等方面接近毛织品、丝织品或棉织品。涤纶弹力丝多数用于衣着,锦纶弹力丝宜于生产袜子,丙纶弹力丝则多数用于家用织物及地毯。其变形方法主要有假捻法、空气喷射法、热气流喷射法、填塞箱法和赋型法等。
(2)膨体纱
即利用高分子化合物的热可塑性,将两种收缩性能不同的合成纤维毛条按比例混合,经热处理后,高收缩性毛条迫使低收缩性毛条卷曲,使混合毛条具有伸缩性和蓬松性,成为类似毛线的变形纱。目前腈纶膨体纱产量最大,用于制作针织外衣、内衣、毛线、毛毯等。
差别化纤维系外来语,来源于日本,一般泛指在原有化学纤维基础上经物理变形或化学改性而得到的纤维材料,它在外观性状或内在品质上与普通化学纤维有明显不同。差别化纤维在改善和提高化学纤维性能与风格的同时, 还赋予化学纤维新的功能及特性,如高吸水性、导电性、高收缩性和染色性等。由于差别化纤维以改善仿真效果、提高舒适性和防护性为主,因此主要用于开发仿毛、仿麻、仿蚕丝的服用纺织品,也有一部分用于开发铺饰纺织品和产业用纺织品。
在合成纤维纺丝成形加工中,采用异形喷丝孔纺制的具有非圆形横截面的纤维或中空纤维称为异形截面纤维,简称异形纤维。目前,异形纤维的种类已有数十种,市场上出售的聚酯纤维、聚酰胺纤维及聚丙烯腈纤维,大约 50%为异形纤维。
上图为几种制造异形纤维所用喷丝孔的形状(上)和相应纤维横截面的形状(下)。
需要说明的是,采用圆形喷丝孔湿纺所得纤维(如粘胶纤维和聚丙烯腈纤维)的横截面也并非正圆形,而可能呈锯齿形、腰子形或哑铃形等。尽管如此,它们并不能称为异形纤维。不同截面的异形纤维性能各异,在纺织品开发中的作用也不一样。与普通圆形纤维相比,异形纤维有如下特性:
(1)光泽性和手感:纤维的光泽与纤维的截面形状有关。三角形截面丝和三叶形截面丝具有闪耀的光泽,改善了圆形纤维的“极光”现象。例如:三角形横截面的聚酯纤维或聚酰胺纤维与其他纤维的混纺织物具有闪光效应,适于开发仿丝绸织物、仿毛织物及多种绒类织物。扁平、带状、哑铃形横截面的合成纤维具有麻、羚羊毛和兔毛等纤维的手感和光泽。五叶形横截面的聚酯长丝有类似真丝的光泽,同时抗起球、手感和覆盖性良好。多角形截面丝除具有闪光性外,覆盖力强,手感柔软,多用于制成变形丝制作针织物和袜子,其短纤维用于混纺,制成多种仿毛织物和毯类产品。矩形截面丝光泽柔和,与蚕丝和兽毛的光泽接近,其短纤维与棉纤维的混纺品具有毛料风格,与毛混纺则可得到光泽别致的织物。
(2)机械性能、吸水性和染色性:异形纤维的刚性较强,回弹性与覆盖性也可得到改善,强度略有降低。另外,异形纤维具有较大的表面积,对水和蒸汽的传递能力增强,而且干燥速度快,染色性好。
(3)抗起球性、蓬松性和透气性:具有扁平截面形状的纤维能够显著改善起毛起球现象,而且扁平度越大,效果越好,如聚酯和聚酰胺扁平截面纤维与毛混纺后,其织物一般不易起球。异形纤维通常都具有良好的蓬松性,织物手感丰满,保暖性强,又因孔隙增加,故透气性好,随截面不规则性的增加,其蓬松性和透气性也有所提高。
(4)中空纤维的特异性:中空纤维的保暖性和蓬松性优良,某些中空纤维还具有特殊用途,如制作反渗透膜,用于人工肾脏、海水淡化、污水处理、硬水软化、溶液浓缩等。
在纤维横截面上存在两种或两种以上不相混合的聚合物,这种化学纤维称为复合纤维,或称双组分纤维。由于这种纤维中所含的两种或两种以上组分相互补充,因此复合纤维的性能通常优于常规合成纤维,具有多方面的用途。
复合纤维的品种很多,按形态可分为两大类,即双层型和多层型。双层型又包括并列型和皮芯型,多层型包括并列多层型、放射型、多芯型、木纹型、嵌入型、海岛型和裂离型等。
几种复合纤维横截面形状如图所示。
并列型复合纤维的主要特性是高卷曲性,可以使织物具有蓬松、柔软、保暖的性能和仿毛风格,主要应用于膨体毛线、针织物、袜类和毯类制品。皮芯型复合纤维又分为偏皮芯型和同心皮芯型两种,前一种具有立体卷曲性,但卷曲性不如并列型复合纤维。
根据不同聚合物的性能及其在纤维横截面上分配的位置,可以得到许多不同性质和用途的复合纤维。例如:采用并列型复合和偏皮芯型复合[见图 (1)、(2)、(4)],由于两种聚合物热塑性不同或在纤维横截面上不对称分布,在后处理过程中产生收缩差,从而使纤维产生螺旋状卷曲,可制成具有类似羊毛弹性和蓬松性的复合纤维。皮芯型复合纤维是兼有两种聚合物特性或突出一种聚合物特性的纤维,如将锦纶作皮层,涤纶作芯层,可制得染色性好、手感柔中有刚的纤维;利用高折射率的芯层和低折射率的皮层可制成光导纤维。若利用岛组分连续分散于海组分中形成海岛型复合纤维,再用溶剂溶去海组分,剩下连续的岛组分,就制得非常细的极细纤维。裂离型复合纤维在纺丝成形和后加工过程中均以较粗的长丝形态出现,而在织造加工中,特别是整理和磨毛过程中,由于两组分的相容性和界面粘结性差,每一根较粗的长丝分裂成许多根丝,复合形式不同,裂离后纤维的截面形状和粗细也不同,如图 (5)为橘瓣型复合纤维,裂离后纤维横截面为三角形,图 (6)为裂片型复合纤维,裂离后成为扁丝,裂离型复合纤维生产技术在超细纤维的制造中已被广泛采用。
由于单纤维的粗细对于织物的性能影响很大,所以化学纤维也可按单纤维的粗细(线密度)分类,一般分为常规纤维、细旦纤维、超细纤维和极细纤维。
(1)常规纤维
线密度为 1 .5～4dtex。
(2)细旦纤维
线密度为 0 .55～1 .4dtex,主要用于仿真丝类的轻薄型或中厚型织物。
(3)超细纤维
线密度为 0 .11～0 .55dtex,可采用双组分复合裂离法、海岛法、熔喷法等生产。
(4)极细纤维
线密度在 0 .11dtex以下,可通过海岛纺丝法生产,主要用于人造皮革和医学滤材等特殊领域。
与常规合成纤维相比,超细纤维具有手感柔软滑糯、光泽柔和、织物覆盖力强、服用舒适性好等优点,也有抗皱性差、染色时染料消耗较大的缺点。其主要性能详见下表。超细纤维主要用于制造高密度防水透气织物、人造皮革、仿麂皮、仿桃皮绒、仿丝绸织物、高性能擦布等。
20 世纪 80 年代末期,新合纤在日本出现,它以新颖独特的超自然风格和质感,如桃皮面手感和超细粉末手感而风靡全球。新合纤从聚合、纺丝、织造、染整及缝制等各个步骤都采用全新的改性和复合化技术,是一种以往天然纤维和合成纤维无法比拟的新型纤维材料。按其商品形式,新合纤主要包括超蓬松型、超悬垂型和超细型,按其手感可分为蚕丝手感、桃皮手感、超微细粉末手感和新羊毛手感。
(1)超蓬松型
在所有的服用合纤产品中, 以超蓬松高质感类纤维最多,几乎都采用异收缩混合纤维或多相混合技术制成。为使纤维产品的蓬松性提高,相继开发了高热收缩性聚合物和低收缩潜在自发伸长丝,使织物获得更佳的蓬松效果。
(2) 超细型
作为新合纤的超细纤维其线密度很低, 一些品种的线密度达到 0.001dtex 以
下,主要采用复合纺极细化技术纺制而成。由此开发的桃皮绒织物具有超柔软和细致的手感,是天然纤维产品难以比拟的。
(3)超悬垂型
超悬垂型纤维是在纺丝液中添加无机微粒子,纺丝成形后进行减量加工以消除无机微粒子,使纤维表面形成无数微细凹蚀。由于降低了单丝间的摩擦性,超悬垂型纤维制品具有超悬垂性和天然纤维不及的独特手感。
合成纤维,尤其是聚酯纤维的可染性差,而且难染深色,通过化学改性使其可染性与染深性得以改善和提高,这种改性的合成纤维就称为易染性合成纤维,主要包括阳离子可染聚酯纤维、阳离子深染聚酰胺纤维以及酸性可染的聚丙烯腈纤维与聚丙烯纤维等。易染性合成纤维不仅扩大了纤维的可染范围,降低了染色难度,而且增加了纺织品的花色品种。
高性能纤维具有特殊的物理化学结构,某一项或多项性能指标明显高于普通纤维,而且这些性能的获得和应用往往与宇航、飞机、海洋、医学、军事、光纤通讯、生物工程、机器人和大规模集成电路等高新技术领域有关,因此高性能纤维又称为高技术纤维。
高性能纤维通常按其具有的特殊性能加以区分,如高强高模量、高吸附性、高弹性、耐高温阻燃、导光、导电、高效分离、防辐射、反渗透、耐腐蚀、医用和药物纤维等多种纤维材料。高性能纤维主要用于产业用纺织品的制造,但其中一些品种也可以用于开发铺饰用纺织品和服用纺织品,而且对这两类纺织品的性能可以有明显的改善和提高。
通常把直径小于 100nm 的纤维称为纳米纤维(1nm 等于 10 m,即 10 μm,仅是 10 个氢原子排起来的长度),目前也有人将添加了纳米级(即粒径小于 100nm)粉末填充物的纤维称为纳米纤维。
目前,最细的纳米纤维为单碳原子链,这种纳米碳管被誉为纳米材料之王,其原因是这种细到一般仪器都难以观察到的材料有着神奇的本领:超高强、超柔韧、怪磁性。因碳纳米管中碳原子间距短,管径小,使纤维结构不易存在缺陷,其强度为钢的 100 倍,是一般纤维强度的 200 倍,而密度只有钢的 1/ 6。用它制作的绳索可以从地球拉到月球而不被自重拉断。它具有奇异的导电性,既有金属的导电性也有半导体性,甚至 1 根碳纳米管的不同部位由于结构变化也可显示不同的导电性。用它作成整流管可替代硅芯片,因而将引起电子学中的重大变化,可将计算机做得极小。用碳纳米管做的纳米器件可组装纳米机器人,即蚊子飞机、蚂蚁坦克等,可用于军事及医疗。碳纳米管可用来制作储氢材料, 把氢开发成为人类服务的清洁能源。此外,碳纳米管还可用作隐形材料、催化剂载体及电极材料等。纳米纤维可以支持“纳米机”的排列,把集成排列的“纳米机”连接成大规模系统。
多数材料细度达到纳米级时,其物理和化学性能表现出非常规性,如:
(1)表面效应
粒子尺寸越小,表面积越大,由于表面粒子缺少相邻原子的配位,因而表面能增大极不稳定,它易与其他原子结合,显出较强的活性。纤维的细度达到纳米级后其直径与比长度、比表面积的关系见下表。
由上表可看出,当纤维直径为 100nm 时,比表面积是直径为 10μm 的 30 多倍,而直径1μm 时的比表面积仅是直径 10μm 的 10 倍。
(2)小尺寸效应
当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相干长度或透射深度近似或比之更小时,其周期性的边界条件将被破坏,粒子的声、光、电磁、热力学等性质将会改变,如熔点降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等。
(3)量子尺寸效应
当粒子的尺寸小到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级,此时,原为导体的物质有可能变为绝缘体,原为绝缘体有可能变为超导体。
(4)宏观量子的隧道效应
隧道效应是指微小粒子在一定情况下能穿过物体,就像里面有了隧道一样。
纳米纤维的制造大体可分为 3大类:分子技术制备法、纺丝制备法、生物制备法。
