涤纶的结构与主要性能解析

（一）涤纶的结构

涤纶的结构包括外观形态结构、分子链的化学结构和大分子链排列的超分子结构。

1.涤纶的形态结构

涤纶的纵向是光滑、均匀而无条痕的圆柱形，横截面基本上是圆形实体。

2.涤纶的化学结构及其特点

涤纶大分子的化学组成是聚对苯二甲酸酯类，常见的有聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚对苯二甲酸丙二酯（PTT）等，平时所说的涤纶一般指聚对苯二甲酸乙二酯，即PET。PET分子结构式表示如下：

从以上结构式可以看出：

（1）涤纶的大分子上不含有亲水基团，只具有极性很小的酯基—COO—，属疏水性纤维，吸湿性、染色性差。

（2）酯基的存在使分子具有一定的化学反应能力，但由于苯基和亚甲基的稳定性较好，所以涤纶的化学稳定性也较好。涤纶大分子中含有刚性基团—OC—Ar—CO—（Ar代表苯环），它只能作为一个整体振动，使分子具有一定刚性。涤纶的分子中尚存在一定的柔性链一OCH2CH2O—，其内旋转能力较强，故与纤维素分子相比，涤纶分子的柔性要大，所以它的分子链不像纤维素分子链那样挺直。

（3）涤纶大分子为线型分子链，分子上没有大的侧基和支链，因此分子间容易紧密堆砌在一起形成结晶，使纤维具有较高的机械强度和形态稳定性。

（4）大分子中苯核与羰基几乎在同一个平面上，具有较高的几何规整性，因而分子间易借范德瓦尔斯力紧密敛集，具有良好的结晶倾向。

3.涤纶的超分子结构

涤纶熔体喷丝成型后的初生纤维是完全无定形的，没有实用价值，只有经过拉伸和热处理，才出现结晶结构。成品涤纶属于半结晶高聚物，结晶度在40%～60%，并且有很高的取向性。涤纶的超分子结构可用棉纤维超分子结构的缨状原纤理论来说明。原纤是涤纶的基本组成单位，原纤之间有较大的微隙，由一些排列不规整的分子联系着。原纤又是由侧序度高的分子所组成的微原纤堆砌而成，微原纤间可能存在着较小的微隙，并被一些排列较不规则的分子联系起来。但由于涤纶分子结构与纤维素不同，所以这两类纤维在超分子结构上也存在差异。在棉纤维中，微原纤基本上是由伸直的分子链所组成，而在涤纶中由于涤纶分子链的柔顺性较纤维素大，所以还可能存在着由分子链折叠所形成的微原纤，形成折叠链结晶，涤纶是伸直链和折叠链晶体共存的体系，可用“折叠链缨状微原纤”模型来解释，如图1-10所示。

图1-10　折叠链缨状微原纤模型

（二）涤纶的性能

1.热性能

涤纶的耐热性和热稳定性在几种主要合成纤维中是最高的。这不仅表现在有较高的熔点和分解点，而且在较高温度下，强度损失较少。涤纶的玻璃化温度Tg随其聚集态结构而变化，完全无定形的Tg为67℃，部分结晶的Tg为81℃，取向且结晶的Tg为125℃。Tg对纤维、纱线、织物的使用性能，如硬挺性、弹性、可伸长性有很大影响。涤纶的软化点温度也较高，在230～240℃，在此温度下涤纶开始解取向，但晶格尚未破坏，还没有熔化。在255～265℃时，晶格被破坏而熔融。由于软化点较高，使染整加工中的定形温度提高，这对提高定形效果十分有利。在150℃的空气中，将涤纶加热168h仍不变色，其强度下降仅为15%～30%，即使在150℃下加热1000h，也只是稍有变色，其强度下降也不超过50%，而其他纤维在此温度下，一般200～300h即行分解。如棉纤维在150℃下仅加热1h，强度几乎下降一半，所以对涤棉混纺织物进行热加工时，应着重考虑棉纤维的耐热稳定性。

2.吸湿性和染色性

涤纶在标准状态下的吸湿率很低，为0.4%～0.5%，原因在于涤纶大分子链上缺少亲水基团，这也使涤纶在干湿强度上几乎无差别，在服用方面有易洗快干的优点。但另一方面也带来导电性差、易产生静电和沾污、染色比较困难、服用时因为不吸湿而发闷等缺点。

涤纶染色困难，主要是因为纤维结构紧密，分子链间空隙小，纤维吸湿性又小，在水中溶胀度小。另外，纤维的化学结构中缺少极性基团，难于同染料结合，所以涤纶染色常采用分子量不太大、水溶性很小的分散染料。染色条件要求更高，如在130℃左右高温染色，以增加分子链段的热运动，使纤维微隙增大。此外，还可使用涤纶增塑剂，如有机酚，使纤维分子链间作用力降低并发生溶胀，达到染色的目的。

3.化学性能

在涤纶大分子中，苯环和两个亚甲基是比较稳定的，唯有酯基较活泼，具有反应性能。酯键在酸和碱的作用下，容易水解而使分子链断裂。然而，涤纶大分子因物理结构紧密，大分子有较高的取向度和结晶度，因此化学试剂不易扩散到纤维内部，所以涤纶抵御酸、碱、氧化剂、还原剂等的能力在常用的合成纤维中是非常突出的。(www.xing528.com)

（1）与酸的作用。涤纶无论对无机酸还是有机酸都有很好的稳定性。例如40℃时，30%以下浓度的盐酸和硫酸对涤纶没有损伤，用70%硫酸处理28天，强度下降不超过1%。以20%硫酸于100℃浸渍72h，强度仅下降7%。涤纶大分子在酸中的水解反应如下：

由于酯键的酸性水解是可逆的，故水解不易进一步发生，再加上涤纶的物理结构紧密，所以耐酸性比较好。

（2）与碱的作用。酯键在碱中比在酸中易水解，反应是不可逆的：

水解生成的酸与碱作用生成钠盐，水解反应能一直进行下去，故涤纶耐碱性较差。一般在温和条件下，稀的纯碱和烧碱对纤维的损伤微不足道，但浓碱液或高温稀碱液会侵蚀涤纶。如在10%以上的烧碱液中长时间沸煮，纤维会逐渐水解，分子量降低，纤维在碱液中的溶解度提高，强度降低。但必须注意涤纶具有较大的疏水性，结晶度和取向度高，所以涤纶与氢氧化钠的作用是在纤维表面产生水解反应，并由表及里进行。当表面的分子水解到一定程度后，溶解在碱液中，纤维基本上保持圆形，只是纤维逐渐变细（这种现象称为剥皮现象）。利用这一方法，可将涤纶进行“碱剥皮”，使纤维变得细而柔软，制成有真丝绸效果的织物。

（3）与其他化学试剂的作用。还原剂对涤纶基本无损伤。涤纶对在染整加工中遇到的硫代硫酸钠、保险粉等还原剂有很高的稳定性。如将涤纶放入保险粉的饱和溶液中，80℃下处理72h，强度无损伤。涤纶对各种氧化剂也有较高的抵抗能力，即使用高浓度的氧化剂在高温下长时间处理，也不会使纤维发生显著的损伤。

（三）PTT纤维的结构和主要性能

1.PIT纤维的结构

PTT纤维的全称为聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维，是由1，3-丙二醇与对苯二甲酸通过缩聚制成的芳香族聚合物经熔融纺丝而成，与聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维（PET纤维）同属聚酯纤维，分子结构式表示如下：

PTT纤维的分子结构单元中含有奇数个亚甲基单元。研究表明，奇数个亚甲基单元会在大分子链间产生“奇碳效应”，使苯环不能与三个亚甲基处在同一平面上，邻近两个羰基不能呈180°平面排列，只能以空间120°错开排列，由此使PTT纤维的大分子链呈螺旋状排列，呈现明显的“Z”字形构象，如图1-11所示。这种构象使得PTT纤维的大分子链具有如同线圈弹簧一样的弹性形变，从而使得PTT纤维具有较高的拉伸及回复性能。

2.PTT纤维的主要性能

（1）物理性能。由于“奇碳效应”，PTT纤维的熔点和玻璃化温度明显低于PET纤维，这两种涤纶的基本物理性能如表1—10所示。

图1-11　PT纤维的分子链构象

表1-10　涤纶的基本物理性能

（2）力学性能。PTT纤维的初始模量明显低于PET纤维。PTT纤维大分子链呈螺旋状排列，这种弹簧般的排列赋予了PTT纤维良好的弹性回复性，其弹性回复率明显高于PET纤维，呈现优良的拉伸可逆性。而且由于纤维的模量较低，使得PTT纤维具有柔软的手感。

（3）染色性能。PTT纤维的染色性能优于普通涤纶，即使在无载体常压沸染的条件下用低温型分散染料也能染成深浓色，而且具有较好的染色牢度。