氨纶的成分、结构及性能简析

氨纶的学名是聚氨基甲酸酯弹性纤维，在美国称为Spandex纤维，在欧洲普遍称为Elastane纤维，杜邦公司生产的聚氨基甲酸酯弹性纤维的商品名为Lycra（莱卡）。

（一）氨纶的化学组成和结构

生产氨纶的聚氨基甲酸酯是由软链段和硬链段组成的嵌段共聚物，氨纶的优异弹性正是由这种特殊的化学组成和结构决定的。

图1-12　氨纶的合成过程和化学结构示意图

长链二羟基化合物（大分子二醇）的相对分子质量为1500～3000，熔点低于50℃，长度15～30nm，具有很低的玻璃化温度（Tg为-50～—70℃），组成分子链的“软段”。

长链二羟基化合物有两类，一类为聚醚二醇，另一类为聚酯二醇。根据分子链中软链段是聚酯型二醇还是聚醚型二醇，聚氨酯纤维分为聚酯型聚氨酯纤维和聚醚型聚氨酯纤维两大类。

分子结构中的“脲基结构”（—NH—CO—NH—）熔点高，可以形成较强的氢键，易结晶，组成分子链的“硬段”，使聚合物具有较高的强度、模量和耐磨性。

因此，最后形成的聚合物是由“脲基结构”的“硬链段”通过氨基甲酸酯基（—NHCO—O—）与“软链段”交替相接的大分子，氨基甲酸酯基自身仅起辅助性的连接作用。

在氨纶弹性体中，硬链段较短，起结点作用，防止大分子链受力时产生滑移；软链段较长，约为硬链段长度的10倍，分子间作用力小，弯曲不规整，易伸长。正是这种软、硬链段嵌段的结构，使氨纶产生弹性。

（二）氨纶的弹性结构模型

氨纶是软、硬链段的嵌段共聚物。聚醚型氨纶中的软链段是聚氧乙烯、聚氧丙烯或聚四氢呋喃的聚醚链段，它们之间的作用力主要为范德瓦尔斯力，不能形成氢键，作用力很弱。

聚酯型氨纶中的软链段主要是混合二元醇的聚己二酸酯聚酯链段，和聚醚相比，分子链中存在较多的酯基，作用力比聚醚大一些，但也不存在可以相互形成氢键的基团，作用力还是不强。

因此，软链段分子链间的作用力很弱，类似于液体分子的相互作用，在常温下受力后可以自由移动。

氨纶中的硬链段是易于结晶的氨基甲酸酯基和脲基，分子链间的亚氨基和碳基可以形成较强的氢键，亚氨基之间也能形成较强的氢键。

图1-13　氨纶的弹性结构模型（伸长200%）

硬链段中还存在易于结晶的异氰酸的芳环，也使分子链的柔性降低。因此硬链段易于形成小的晶区，起结点作用，这些结晶结点属于物理性交联，相当于橡胶中的化学交联。

氨纶的弹性可以用图1-13的结构模型描述。氨纶大分子链中的硬链段相互整齐排列，形成晶区。结晶状态的硬链段一般不发生滑动，起结点作用；软链段分子链未受到外力作用时，呈松弛状态（弯曲或卷曲），在受到外力作用时，由于软链段分子链间的作用力很小，产生伸长。当纤维伸长至200%时，部分软链段分子链被拉直，也整齐排列，甚至发生结晶。但由于分子链间的作用力很弱，当外力去除后，被拉伸的软链段分子链又会自由回缩到松弛状态，直至内应力最小，表现出高弹性。但硬段中物理交联结点的作用力有一定限度，当温度较高或作用时间较长时，部分结点破坏，弹性回复性会明显降低。(www.xing528.com)

（三）氨纶的主要性能

1.氨纶的力学性能

氨纶具有很高的弹性，断裂伸长率大于400%，高者可达800%。氨纶的弹性回复率很高，聚醚型氨纶在伸长500%时回复率达到95%，聚酯型氨纶在伸长600%时回复率达到98%。氨纶的弹性模量较低，但模量会随着温度的变化而变化。温度降到0℃时，模量显著增加，永久形变也随之增加。随着温度的升高，模量下降。氨纶有很好的耐疲劳性能，在50%～300%的伸长范围内，可耐100万次拉伸收缩疲劳，而橡胶丝仅能耐2.4万次。氨纶的耐磨性很好，远高于锦纶。

氨纶湿态的断裂强度为0.35～0.88cN/dtex，干态的断裂强度为0.44～0.88cN/dtex，是橡胶的3～5倍，达到聚酰胺类纤维强度的数量级。氨纶在最大伸长时线密度变小，在该线密度下测出的强度称为有效强度。氨纶的有效强度可达5.28cN/dtex。

2.氨纶的热性能

聚醚型氨纶的Tg为—20～—65℃，聚酯型氨纶的Tg为25～45℃，聚酯型氨纶较硬，聚醚型氨纶柔软。由于生产方法的不同，氨纶的耐热性能有较大差异，一般在95～150℃，短时间内不会有损伤。但聚醚型氨纶在150℃以上会泛黄，175（以上会发黏；聚酯型氨纶在150℃以上热塑性显著增加，弹性减小。当温度超过190～195℃，纤维的强度会明显下降，最终断裂。这是由于氨纶中的硬链段被拆散，交联结点被完全破坏所致。因此，纯氨纶的处理温度不能超过195℃，加工时间长时，150℃也会引起氨纶变形和弹性丧失。包覆丝在180～190℃热定形的时间不能超过40s。

3.氨纶的耐光性能

氨纶在光照下会逐渐脆化，强度下降。氨纶的耐光稳定性比常规合成纤维差，但比橡胶丝好。引起氨纶光降解的主要是波长为190～350nm的紫外线。紫外线会引起含芳环氨纶的氧化降解，也能使氨纶产生交联、变脆和不溶解，使纤维泛黄，甚至变为棕色。

4.氨纶的吸湿性

聚酯型氨纶的吸湿率为0.5%～1.2%，聚醚型氨纶的吸湿率为1.2%～1.5%。水对氨纶有增塑作用，使纤维的拉伸强度下降，聚酯型氨纶下降10%，聚醚型氨纶下降20%。

5.化学稳定性

氨纶的化学稳定性一般较好，对氧化剂和还原剂较稳定，可以在稀的过氧化氢溶液中漂白，或进行还原漂白。但氨纶不耐含氯氧化剂，在次氯酸盐溶液中会形成氮—氯结合而使纤维损伤，聚醚型氨纶的损伤更严重。氨纶的耐酸性较好，但两种氨纶的耐碱性差异很大，聚酯型氨纶不耐强碱，在热碱溶液中快速水解，因此在染整加工中应特别注意。聚酯型氨纶的防霉性较差，霉变不但影响外观，而且会降低纤维的力学性能，缩短纤维的使用寿命。

6.氨纶的染色性能

氨纶可以用分散染料、酸性染料和金属络合染料染色。