合成纤维的相继诞生有什么作用?
尼龙的合成与生产
尼龙是第一种合成纤维,是由美国和英国的科学家制成的。我们也称之为尼龙。它是一种聚酰胺化合物,它们的分子结构都含有相同的酰胺键,所以也叫聚酰胺纤维。
传统上,为了区分聚酰胺纤维的品种,常常在聚酰胺或尼龙的后面加上一些阿拉伯数字,如聚酰胺6、聚酰胺66或尼龙66,以表示生产这种纤维的单体分子中所含的碳原子数。例如,聚酰胺6或尼龙6由具有6个碳原子的己内酰胺单体聚合而成,聚酰胺66或尼龙66由具有6个碳原子的六亚甲基二胺H2N(CH2)6NH2和具有6个碳原子的己二酸HOOC(CH2)4COOH聚合而成。
尼龙66是以美国化学家卡洛斯为首的美国和英国科学家在杜邦公司的实验室中于1935合成的。
他们并不是从制造合成纤维开始的。1928 Carrozes受雇于杜邦公司。当时德国对有机化学家陶丁格提出的高分子化合物理论进行了激烈的争论。卡罗泽斯支持施陶丁格的观点,决心通过实验证明这一理论的正确性,于是他进行了各种物质的聚合。在1930中,Carothers使用乙二醇HO(CH2)2OH和癸二酸HOOC(CH2)8COOH进行缩聚以获得聚酯。当Karozes的同事Hill用搅拌棒将熔融的聚酯从反应器中取出时,他发现它像丝一样拉伸,并且这种纤维状细丝在冷却后可以继续拉伸,拉伸长度可以达到原来的几倍。经过冷拉伸后,纤维的强度和弹性大大增加。这一现象让他们意识到这一特性可能具有实用价值,这种熔融聚合物可能被用来纺制纤维。他们还研究了一系列聚酯化合物。因为当时研究的聚酯都是脂肪酸和脂肪醇缩聚形成的聚合物,容易水解,熔点低于100℃,易溶于有机溶剂,所以不适合用于纺织纤维。所以他们转向了聚酰胺化合物的研究。
在几年的时间里,Karozes和他的同事从二胺和二酸的不同缩聚反应中制备了多种聚酰胺,它们的性能并不理想。1935他们用戊二胺和癸二酸合成了聚酰胺。结果表明,用这种聚酰胺制成的纤维的强度和弹性都超过了蚕丝,且不易吸水和溶解,但熔点仍然较低,所用原料价格昂贵,仍不适合商业化生产。六亚甲基二胺和己二酸缩合聚合成聚酰胺后,也放在了储藏柜里,冷拉伸试验后才被选中。它不溶于普通溶剂,熔点高达263℃。
确定这种聚酰胺作为制造合成纤维的材料后,因为原料问题,无法投入工业化生产。因为制作这种聚合物的原料是己二胺和己二酸,所以当时只是在实验室里制作。1936年,杜邦公司的化学家R·威廉姆斯创造了一种新的催化剂,将苯酚转化为己二酸,由己二酸制得己二胺。这样,原料只有苯酚,苯酚可以来自煤焦油。
1938 10 10月27日,杜邦公司董事长贾斯汀(Justin)宣布在特拉华州锡福德(Seaford)建立大型生产工厂。工厂于6月开始运营1939+0。
生产时,聚酰胺熔体由计量泵均匀定量地挤出喷丝孔,形成粘液细流,在空气中冷却凝固成长丝。这为合成纤维创造了一种新的熔融纺丝方法,不同于人造纤维中使用的溶液纺丝方法。溶液纺丝法是将成纤聚合物溶解在适当的溶剂中制成粘稠的纺丝溶液,然后将粘稠溶液定量均匀地挤出喷丝孔,在另一种溶液或空气中凝固成丝。熔融纺丝法比较简单,当然需要合成纤维聚合物在高温下不会分解,有足够的稳定性。
尼龙66的产品最初是刷子。1939年2月,由其织成的丝袜在美国金门国际博览会展出。1939 4月纽约世界商品博览会展出;1939 10于10月24日在美国特拉华州杜邦公司总部开始公开发售,引起轰动。当时混乱的局面迫使公安机关出动警力维持秩序。1940年5月,在美国各地出售,被视为稀世珍品,争相购买。
直到1945,尼龙66才转向编织降落伞、飞机轮胎帘线、军服等军品。第二次世界大战后,发展非常迅速,产品以无数种方式出现,从丝袜、衣服到地毯、渔网。
尼龙的突出性能是强度高、弹性好、耐磨性好。其强度是棉的2~3倍,耐磨性是棉的10倍,羊毛的20倍。还耐腐蚀,虫蛀,重量轻,但保形性差,容易变形;耐热性也差,耐光性也不够好。
杜邦公司开始了高分子化合物的基础研究,历时数年,耗资2200万美元,230名科技人员参与了这项工作。最终获得了造福人类的产品,获得了丰硕的回报。可惜尼龙66的发明者Carlo Zeiss没有看到它的实际应用。患有精神抑郁症,于1937年4月29日在美国费城一家酒店房间内喝下混有氰化钾的柠檬汁自杀,享年41岁。
尼龙66出现在美国的同时,1937年,以施拉克为首的德国化学家合成了尼龙6,这是己内酰胺的聚合物。1939投入工业化生产,1941投入量产。
与此同时,俄罗斯生产了尼龙7,这是一种比己内酰胺多一个碳原子的七内酰胺聚合物。法国生产尼龙1010,由10碳原子的癸胺H2n (CH2) 10nh2和10碳原子的癸二酸HOOC(CH2)8COOH聚合而成。中国科技人员根据中国国情,还以蓖麻油为原料制成了尼龙1010。目前,我国生产的聚酰胺纤维主要品种有尼龙66和尼龙6。
聚酯纤维的合成与生产
聚酰胺纤维合成后,开辟了合成纤维之路,并推广了聚酯等一系列合成纤维。
酯是有机羧酸和醇的化合物,聚酯是分子结构中带有酯基的酯的聚合物。
在制造聚酰胺纤维之前,卡罗泽斯用癸二酸和乙二醇进行缩聚反应,得到聚酯。发现它具有纺丝纤维的性能,但因其易水解、熔点低、易溶于有机溶剂而被放弃,转而发展聚酰胺。
英国化学家温费尔德(Winfeld)参与了卡罗兹对合成纤维的开发,他意识到,要想成为产业用纺织纤维的聚合物,必须具有高熔点,能够抵抗化学物质和溶剂的影响,并具有高度的线性结构。他回到英国后,和化学家狄克逊选择乙二醇(CH2OHCH2OH)和对苯二甲酸(HOOCC6H4COOH)进行缩聚反应,1939成功。对苯二甲酸比邻苯二甲酸具有更线性对称的结构,聚合物分子中苯环的存在可以提高产品的熔点。
1943年,英国帝国化学工业公司在雅克威尔顿设厂,商品名“涤纶”。1953年,美国杜邦公司获得专利,建厂生产。商品名“Dacron”音译为“Dacron”,开始流行。
我国从50年代开始研究聚酯单体的生产,70年代初开始生产,商品名为聚酯。
聚酯的热稳定性比尼龙好。涤纶作为服装纤维,特点是抗皱性和保形性好。涤纶做的衣服挺括不起皱,外形美观,强度好,冲击强度比尼龙高4倍。但缺点是吸湿性小,用它织的衣服感觉闷热,容易带静电,容易被污染。
腈纶的合成与生产
聚酯之后,出现了腈纶。腈纶是杜邦公司在20世纪40年代初研制成功的。1942年,实验样品被送到美国政府用于军事用途;1945,腈纶投入试生产;并于1948正式以商品名(Olun)生产。
它是丙烯腈(CH2CHCN)的聚合物。
这种纤维具有特殊而优越的耐晒性。最初用于制作遮阳篷、汽车遮阳篷等。后来发现其性能与羊毛非常相似,将其作为羊毛替代品与羊毛混纺,故命名为合成羊毛或人造羊毛。
市面上看到的腈纶不是丙烯腈聚合的,通常是三种单体聚合的。它们是氯乙烯(CH2CCl)、氯乙烯(CH2 ccl 2)和氰乙烯CH2CC(CN)2。向组合物中加入氯可以防火。
中国的腈纶生产始于60年代中期。目前,腈纶的产量和质量都有了很大的提高。
维尼纶的合成与生产
另一种合成纤维是维尼纶或简称维尼纶,音译。这个词是日本化学家提出来的,因为维纶是他们研制成功的。
维尼纶是聚乙烯醇缩醛的商品名,是聚乙烯醇缩醛的产物。
聚乙烯醇不与乙烯醇(CH2CHOH)单体聚合。因为乙烯醇这种化学物质非常不稳定,会自己重排变成乙醛。
为了获得聚乙烯醇,将聚乙酸乙烯酯溶解在甲醇中,并加入氢氧化钠进行醇解。
聚醋酸乙烯酯是醋酸乙烯酯的聚合物。醋酸乙烯是由乙炔制成的。
1924年,德国化学家赫尔曼和海勒首先制造出聚乙烯醇,1931年,他们掌握了用聚乙烯纺制纤维的技术。但是用这种纤维纺出来的衣服,脏了是不能用水洗的,但是水洗之后会消失,因为它是溶于水的。这是因为聚乙烯醇的长链上有很多亲水的羟基(-OH),所以只能用于特殊场合,比如外科医生的手术缝合线。
直到1939,京都大学化学系教授樱田一郎、京都大学应用化学研究所韩裔研究生李昇基和中原纺织所矢野蒋英博士共同研究,提出了缩醛化方法,使其成为耐水性良好的纤维。
缩醛化用甲醛处理,使甲醛与聚乙烯醇长链分子上的羟基缩合。
缩醛化处理不能“吃光”所有的羟基。同时发现,当缩醛化度很高时,纤维的性能并不理想,其缩醛化度一般为30% ~ 35%,所以纤维的长链上保留了一定量的亲水性羟基,使得维纶具有比其他合成纤维更高的吸湿性。
1941~1942年,日本中原纺织公司和仓富丝绸公司分别建设了年产150吨和60吨的中试厂,二战后搁置,直到战后才工业化。
我国于1957年开始研究、设计、制造、安装第一家维尼纶厂,并于1964年正式建成投产。
维尼纶具有良好的耐海水腐蚀性能,适用于海上作业的渔网和绳索。因为维纶的吸湿性与棉相似,外观与棉纤维相似,所以也叫人造棉。它与棉混纺,用来缝制内衣、床单、被子、桌布和窗帘。
聚丙烯和聚氯乙烯都是塑料和合成纤维,也称为聚丙烯纤维和氯纤维。