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化學纖維的種類
人造纖維
合成纖維
普通合成纖維
特種纖維
改性纖維
無機纖維
化學纖維的結構
大分子結構
織態結構
序態
結晶形態
側序分佈
取向
表征化學纖維性質的參數 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
用天然的或人工合成的高分子物質為原料制成的纖維。常見的紡織品，如粘膠佈、滌綸卡其、錦綸絲襪、腈綸毛線以及丙綸地毯等，都是用化學纖維制成的。根據原料來源的不同,化學纖維可以分為：①人造纖維,以天然高分子物質（如纖維素等）為原料，有粘膠纖維等；②合成纖維，以合成高分子物為原料，有滌綸等；③無機纖維，以無機物為原料，有玻璃纖維等。自從18世紀抽出第一根人工絲以來，化學纖維品種、成纖方法和紡絲工藝技術都有瞭很大的進展。
化學纖維的制備，通常是先把天然的或合成的高分子物或無機物制成紡絲熔體或溶液，然後經過過濾、計量，由噴絲頭(板)擠出成為液態細流，接著凝固而成纖維。此時的纖維稱為初生纖維。它的力學性能很差，不能直接應用，必須通過一系列後加工工序才能符合紡織加工和使用的要求。後加工主要是對纖維進行拉伸和熱定形，以提高纖維的力學性質和尺寸穩定性。拉伸是使初生纖維中大分子或結構單元沿著纖維軸取向；熱定形主要是使纖維中內應力松弛。濕紡纖維的後加工還包括水洗、上油、幹燥等工序。紡制長絲時，經過上述工序即可卷繞成筒；紡制短纖維時還須增加卷曲、切斷和打包工序。
化學纖維的種類
人造纖維 中國不僅是飼蠶制絲的發源地，從歷史記載看也是人工制造纖維最早的國傢（參見中國化學纖維生產史）。人造纖維的主要品種有:①粘膠纖維,1848年J.默塞發現棉纖維素被濃堿液浸漬後，化學反應靈敏性增加。此後英國人C.克羅斯和E.貝文用二硫化碳與堿纖維作用獲得溶解性纖維素黃酸酯，從而制得粘膠纖維。後來出現瞭離心罐式繞絲器，使粘膠纖維有瞭工業化生產的條件。②硝酸酯纖維，又稱硝酸人造絲。1855年，英國人將纖維素硝化後溶解成膠液並擠壓成絲。1884年，脫硝方法研究成功，硝酸法制造人造絲正式投產。③醋酯纖維，將棉短絨在以冰醋酸為主的試劑中醋化形成纖維素醋酸酯,溶解在三氯甲烷的漿液中,經過紡絲獲得三醋酯纖維。如將纖維素醋酸酯局部皂化，則獲得溶於丙酮的纖維素醋酸酯，紡絲後所得纖維稱二醋酯纖維。④銅銨纖維，采用氫氧化四氨銅溶液作溶劑，將棉短絨溶解成漿液紡絲制得的人造絲。絲質精細優美，但成本較高。⑤人造蛋白質纖維，英國人最早研究從動物膠中提取蛋白制造人造蛋白纖維。1935年意大利有人試驗從牛乳中提取乳酪素，制成人造羊毛。此後，一些國傢相繼以大豆蛋白、花生蛋白制取人造纖維獲得成功。由於這類纖維的實用性能和制造成本存在問題，產量極少。
自從粘膠纖維工業化生產以來，隨著科學技術的發展，人造纖維的產量不斷增加、質量不斷提高。到瞭40年代末,各種人造纖維的世界總年產量已超過60萬噸,其中粘膠纖維占84％。此後，又發展出幾種有突出性能的新型粘膠纖維。其中有：
①高濕模量纖維：結構接近於棉纖維，截面形狀接近於羊毛,濕態與幹態的強度比達70％，吸水量小,堿溶性低。50年代初，日本石川正之改進粘膠纖維制備工藝條件，並將初生的濕絲條進行高倍拉伸，獲得高強度的粘膠纖維，取名為“虎木棉”。此後，比利時、瑞士和法國等相繼生產，制得一系列高強度、低延伸度和高濕模量的粘膠纖維，統稱波裡諾西克。這種纖維兼具棉和粘膠纖維的優點。
②超強粘膠纖維：是一系列具有高強度、高韌性和抗疲勞等性能的粘膠纖維。這種纖維晶粒小、橫截面上皮層結構占60％以上,有的甚至達100％。因此，纖維的強度和抗疲勞性能都很高，可用於制造汽車輪胎簾子線。
③永久卷曲粘膠纖維：利用粘膠纖維具有皮芯結構的特點，采用適當的工藝條件，使纖維橫截面形狀不對稱和皮層厚度分佈不均勻，在橫截面上產生不同的內應力，從而使纖維形成卷曲形態。
合成纖維 普通合成纖維 20世紀30年代中期合成纖維開始興起。聚氯乙烯纖維是最早的合成纖維（見含氯纖維）。以乙炔和鹽酸合成氯乙烯，然後經過聚合、紡絲制成纖維。德國最早的產品稱配采烏(PCU)。纖維的斷裂強度和延伸度近似於棉，幹態和濕態的強度幾乎相等，耐水，抗腐蝕而且不易黴爛，對各種化學藥品的反應很穩定。耐燃燒是聚氯乙烯纖維的一個突出性質，但在75～80℃時易變形。聚氯乙烯纖維可以用作工業濾佈、薄膜、包裝佈、航海服以及遊泳衣等。將聚氯乙烯繼續氯化，可使含氯量升至64％，這類高氯纖維商品名叫配采(PC)，中國稱過氯乙烯纖維。其軟化點高於純聚氯乙烯纖維，短纖維適用於制做飛行員和消防員的防火服裝。普通合成纖維的品種很多，重要的有：
①聚酰胺纖維：中國稱錦綸，又稱尼龍。1939年美國人首先研制成功。由己二酸和己二胺縮水成鹽，再經縮聚、熔紡而成纖維。根據單體分子上碳原子的數目，這種纖維稱為聚酰胺66。由氨基己酸縮水生成己內酰胺，進一步開環聚合獲得的纖維,稱聚酰胺6。這兩種纖維都具有優異的耐磨性,回彈性和耐多次變形性能,廣泛用於制做襪子、內衣、運動衣、輪胎簾子線、工業帶材、漁網、軍用織物等。
②聚丙烯腈纖維：中國稱腈綸。50年代初出現以來發展很快。1950年工業化生產的產品為純聚丙烯腈長絲，因吸濕性差而染色困難，後經改進與烯基衍生物形成2元或3元共聚物，其中90％左右為丙烯腈，染色性能大為改善。腈綸廣泛用於制做絨線、針織物和毛毯。腈綸紡織物輕、松、柔軟、美觀，能長期經受較強紫外線集中照射和煙氣污染，是目前最耐氣候老化的一種合成纖維織物，適用於作船篷、賬篷、船艙和露天堆置物的蓋佈等。
③聚酯纖維：中國稱滌綸。1940年由英國人J.溫菲爾德和J.迪克遜用對苯二甲酸和乙二醇為原料，在實驗室內研制成功，1941年正式生產。滌綸的拉伸性、回彈性和化學穩定性都很好。滌綸織物具有挺刮和易洗快幹的優點。滌綸的耐曬強度比錦綸好，能抗微生物和黴爛，耐蟲蛀,但吸濕性不及錦綸,且染色困難。滌綸采用熔體紡絲,紡絲速度在1300米/分以下。後來有一種高速紡滌綸長絲,紡速在3500米/分以上，不僅產量增加，而且由於纖維中大分子部分取向而使結構比較穩定，纖維便於運輸和貯藏。
④聚烯烴纖維:是50年代發展的纖維,其中重要品種聚乙烯纖維是用石油裂解所得的乙烯副氣為原料制成的，中國商品名乙綸。乙綸織物可用作汽車裝飾佈、傢具佈、工廠濾佈、船篷、繩索和漁網等。等規聚丙烯纖維是聚烯烴纖維中一個出色的品種,簡稱聚丙烯纖維,中國商品名丙綸。意大利人G.納塔以三乙基鋁及四氯化鈦溶於四氫化萘中作為催化劑將丙烯進行聚合，使大分子具有立體規整性，由此獲得固體高結晶性的聚丙烯，可以制成性能優越的纖維。聚丙烯纖維吸濕率低，不能用常規方法染色,常在聚合物裡摻入顏料,熔態時捏和紡制成有色纖維。丙綸耐老化性能很差，必須添加防老化劑以改善其耐日光性能。丙綸可用作地毯、大面積的人工草坪、工業用濾佈、工作服以及傢用織物如蚊帳等，還可與其他纖維混紡制成各種針織物和機織物。
⑤聚乙烯醇纖維：中國稱維綸。是以醋酸乙烯為原料進行聚合、醇解、紡絲，然後經縮甲醛而制得。維綸性質接近於棉，吸濕性比其他合成纖維高。主要產品為短纖維，用於制做漁網、濾佈、帆佈、輪胎簾子線、軟管織物、傳動帶以及工作服等。生產維綸的主要國傢有日本、朝鮮和中國。維綸與聚氯乙烯纖維混紡的產品稱為維氯綸。
特種纖維 指具有耐腐蝕、耐高溫、難燃、高強度、高模量等一些特殊性能的新型合成纖維。特種纖維除作為紡織材料外，廣泛用於國防工業、航空航天、交通運輸、醫療衛生、海洋水產和通信等部門。主要品種有：
①耐腐蝕纖維：是用四氟乙烯聚合制成的含氟纖維,1954年在美國試制成功，商品名特氟綸(Teflon),中國稱氟綸。聚四氟乙烯熔點327℃,極難溶解，化學穩定性極好，在王水、酸液和濃堿液中沸煮而不分解，除在高溫下經過高度氟化過的試劑外，幾乎不溶於任何溶劑。氟綸織物主要用作工業填料和濾佈。
②耐高溫纖維：有聚間苯二甲酰間苯二胺纖維、聚酰亞胺纖維等種類，其熔點和軟化點高，長期使用溫度在200℃以上能保持良好的性能。
③高強度高模量纖維:指強度大於10克/旦、模量大於200克/旦的合成纖維。如1968年美國研制的凱夫拉爾，是將聚對苯二甲酰對苯二胺制成液晶溶液，通過幹－濕法紡絲制成的纖維,中國稱芳綸1414，可用作飛機輪胎簾子線和航天、航空器材的增強材料。以粘膠纖維、腈綸纖維、瀝青為原料經高溫碳化、石墨化可以得到高強度、高模量碳纖維。用碳纖維制成的復合材料，是制造宇宙飛船、火箭、導彈、飛機的結構材料，在原子能、冶金、化工等工業部門和體育運動器材方面也有廣泛的應用。
④難燃纖維：如酚醛纖維、PTO纖維等,在火焰中難燃，可用作防火耐熱簾子佈、絕熱材料和濾材等。
⑤彈性體纖維：斷裂伸長率在400％以上,拉伸外力除去後能快速恢復原來長度。彈性纖維的代表品種是聚氨酯纖維，中國稱氨綸。彈性纖維是由硬鏈段和軟鏈段嵌段共聚物制成的。軟鏈段賦予纖維高的伸長率，硬鏈段不發生形變，阻止分子間的相對滑移，因而賦予纖維較高的回彈性。彈性纖維可制緊身衣、遊泳衣、松緊帶、襪子羅口、外科手術用襪等。
⑥ 功能纖維：改變纖維形狀和結構使其具有某種特殊功能，例如將銅銨纖維或聚丙烯腈纖維制成中空形式，在醫療上可用作人工腎透析血液病毒的材料。聚酰胺66中空纖維用作海水淡化透析器，聚酯中空纖維用作濃縮、純化和分離各種氣體的反滲透器材等。
改性纖維 合成纖維雖然有良好的物理機械性質，但是由於表面光滑，吸水性、染色性差，織物的服用性能不及天然纖維織物。為使合成纖維具有天然纖維特色，50年代開展合成纖維改性研究，主要是用物理方法或化學方法改善合成纖維的吸濕、染色、抗靜電、抗燃、抗污、抗起球等性質，同時還增加瞭化學纖維的品種。
①化學改性：主要有接枝變性、共聚變性以及將原纖維經過化學處理變性等三種方法。
②物理改性：主要有通過改變噴絲孔形狀紡制的異形纖維；利用合成纖維的熱塑性，將伸直的纖維變為卷曲的變形纖維（如膨體紗和彈力絲）；將兩類性質不同的高聚物流體從同一噴絲孔擠出而制成的復合纖維。
無機纖維 近代工業的發展需要耐高溫、高強度、電絕緣、耐腐蝕的特種材料，為此人們試制出一系列無機物纖維，如玻璃纖維、矽酸鋁纖維、硼纖維、鈦酸鉀纖維、陶瓷纖維、石英纖維、矽氧纖維等。玻璃纖維可用作防火焰、防腐蝕、防輻射以及塑料增強材料，也是優良的電絕緣材料。鈦酸鉀、矽酸鋁纖維是1200℃高溫下的絕緣材料。
化學纖維的結構
大分子結構 化學纖維大多由分子量很高的高聚物制成，許多分子量不大、化學結構相同或不同的小分子稱為單體，經過縮聚或聚合反應串連成線形高聚物，就象一根有許多環節的鏈條，即為高分子：
A′-A-A……-A-A-A-A……-A-A-A″鏈中A為單體，A′及A″為末端基團。由A、B兩種或A、B、C三種化學組成不同的單體構成的高聚物,稱作二元或三元共聚物。用二元或三元共聚物制成的纖維又稱做二元或三元共聚纖維。高分子的特征是分子量很高，但其分子量W是一系列不同分子量的平均值。大分子中重復單元稱為鏈節，可以由一個或一個以上單體組成。構成分子鏈的鏈節的重復數目稱聚合度DP。纖維的平均分子量是鏈節的分子量A與聚合度的乘積，即W=A×DP。
由化學結構不同的高聚物制備的化學纖維，其分子量也不相同。如聚酰胺 6分子量為16000～22000，是由130～180多個己內酰胺單體組成的,DP=130～180。丙綸的分子量為180000～300000，是由4000個以上丙烯單體組成的,DP=4000～7000。化學纖維中大分子伸展的平均長度為200～400毫微米。分子量越高，纖維的強度也越高。
制造化學纖維的大分子的一般要求是：線形能伸直，支鏈盡可能少,沒有龐大的側基，大分子間無化學鍵,具有一定規律的化學結構和空間結構。大分子的化學結構對纖維性能有一定的影響。例如：大分子中含有共軛體系的纖維，其熔點高；含有鹵素的纖維難燃；含有親水基團的纖維吸濕性好。
織態結構 纖維是高分子物質，在空間構型上常是一個方向的長度大於其他兩向長度好多倍。集合幾個這樣的大分子構成一個組織單元，既可能成為晶體，也可能是無定形區。大分子長度可以貫穿一個或數個晶體組織和無定形區。連接多個分子的單元組織的集合體，稱做超分子，又名織態結構。纖維的各種性質和特征，既和大分子的化學結構有聯系，也在較大程度上和它的超分子結構有關。表征纖維織態結構的因素有多種，重要的有：序態、結晶形態、側序分佈和取向。
序態 纖維中相鄰大分子的聚集狀態稱為序態。這種序態可以由紊亂的無定形態直到三維有序的結晶態，兩者在纖維中常同時存在。晶區由許多更小的微晶體構成，微晶體中最小的重復單位為晶胞。晶體的存在和它的特征可以從 X射線的衍射圖譜中得到證實和說明。纖維中結晶與無定形的分佈形態及其對纖維宏觀性質的影響，是一個復雜而且尚不能十分肯定的問題，較有重要影響的學說有：
①兩相結構：它的基本概念是一些大分子的長度可以遠超過晶區或無定形區各自的長度，足夠把若幹個晶區和無定形區串連起來形成網絡結構。粘膠人造纖維在溶液中的溶脹行為支持瞭這種論點，它是屬於分散的晶相和連續的無定形相所組成的例子。其他纖維如棉及苧麻等則屬於連續晶相和分散的無定形相的兩相結構。圖1表示兩相結構的兩種模型，纓狀微胞模型中大分子可以穿過若幹晶區和無定形區，而折疊鏈纓狀微胞模型中大分子可以折疊在一個晶區內，也可以穿過無定形區進入另一晶區折疊。連結二個晶區的分子稱為縛結分子，它們的數量和形態對纖維的物理機械性質有重要的影響。
② 單相結構：認為實際上有一些纖維的結晶不夠規整，不能視作真正的結晶，屬於過渡態的蘊晶(準晶)，它們與以島嶼形式分散在無定形基質中的兩相結構不同，兩相不能截然分開，故稱單相結構。它們的實際結晶度和密度都低於理想結晶性纖維的結晶度和密度。染料和水的吸附作用都發生在無定形區內。
結晶形態 晶區在整個纖維中的百分含量為結晶度，結晶度的大小與纖維性質有直接關系，對纖維的物理機械和熱學性質影響尤大。纖維中結晶有多種不同形態(見圖2)。例如在聚酰胺、聚烯烴纖維的初生纖維中常出現球狀晶。這種初生纖維經過拉伸以後,球狀晶常被破壞,變成其他晶型。纖維中晶型可能是單晶，例如在聚乙烯中以折疊鏈狀組成的單晶型；也可能是由條帶狀折疊鏈盤旋成的串晶；還可能是柱狀晶。
纖維中的晶區大小並不均衡一致，常呈一定的分佈。長度可由數十至一、二百埃，寬度則甚小。檢測晶體的X射線衍射譜上的衍射點的寬度直接與晶區的寬度相關。
側序分佈 分子聚集成序垂直於大分子軸向的形狀稱為側序。側序最高的部分是微晶體，最低的部分是無定形。各種纖維的側序分佈都不相同。有些纖維的晶相和無定形相不能截然分離，應看作是由無定形到結晶同時存在的連續相。用這樣的側序分佈圖譜闡述它們的性質很容易理解。
通常測定側序分佈的方法是將試樣置於逐漸增加濃度或溫度的溶劑內，依次測定各物理量，如溶脹、溶解、收縮、吸附或吸收等性質的變化。凡側序較低的部分首先受到溶劑的影響而發生相應的變化。圖3 是纖維側序分佈的例子。
取向 以特定方向（如纖維軸向）為基準的纖維大分子作有序的排列狀態，稱為取向。纖維在成形拉伸過程中所形成的平行於軸向的取向稱單軸取向，纖維的性質在平行和垂直於軸向的兩個方向呈各向異性，例如偏振光在纖維上的折射率、用直接染料染色的纖維的光吸收率和聲波傳播速度都呈各向異性。根據光折射原理所測定的平行於纖維軸的折射率與垂直於纖維軸的折射率之差（即雙折射），是表示纖維取向度的一個重要指標。薄膜則可以兼有平行和垂直於軸的雙取向。
表征化學纖維性質的參數 屬於形態方面的有：纖度(見支數)、截面形狀、長度、卷曲和折皺、光澤；屬於機械性質方面的有：斷裂強度和繼裂伸長度、彈性模量、耐疲勞性、耐磨性；屬於物理方面的有:耐熱性、耐光性、導電性、難燃或抗燃性、比重；屬於化學方面的有：纖維和水、酸、堿、有機溶劑以及微生物等的作用性能。各種化學纖維分子結構和織態結構不同，反映化學纖維各方面性質的參數也不相同。