第一章 引言
第一节 涤纶简介
涤纶是合成纤维中的一个重要品种，是当前世界上也是我国产量最大、应用最为广泛的合成纤维，在我国有着非常广泛的应用和产业基础。涤纶是聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚酯纤维）的商品名称，英文名为Polyethylene Terephthalate，简称PET。涤纶于1953年开始工业化生产，因其性能好、用途广而发展迅速，是世界上产量最大的化学纤维品种。我国将含聚对苯二甲酸乙二酯组分大于85%的合成纤维称为聚酯纤维，商品名为涤纶［1-3］。涤纶具有以下四个方面的优点：一是断裂强度和弹性模量高，回弹性适中，热定型效果优异，耐热和耐光性好；二是熔点高，形状稳定性好，具有洗可穿的特性；三是对有机溶剂、氧化剂等具有较好的耐腐蚀性，对弱酸、弱碱等稳定；四是原料丰富、廉价、生产过程简单。然而，其阻燃性能差限制了其使用范围，因此，对涤纶进行阻燃整理和改性一直是人们关注的热点［4-6］。
一、涤纶的结构及特点
1.涤纶的分子结构
涤纶的化学组成是聚对苯二甲酸乙二酯，其分子结构如下：
分子结构特点包括以下四个方面［7-9］：
（1）是含有苯环的线型大分子，分子链的两端各有一个羟基，中间每个单元链节都由苯环通过酯基的支链相连，所有苯环几乎处于同一平面，因此大分子易于平行排列，有较好的结晶倾向。
（2）由于分子链上的碳—碳键容易发生内旋转，分子链易折叠故分子存在若干种空间构象，常见的两种典型构象如下。
无定形PET为顺式（无色透明固体，能量高）：
结晶PET为反式（乳白色固体，能量低）：
（3）分子链中的
基团呈刚性，—CH2—CH2—呈柔性，故大分子为刚柔相济的分子。
（4）PET纤维的相对分子质量分布呈多分散性，相对分子质量为15000～22000。
2.涤纶的聚集态结构
PET分子链的结构具有高度的立体规整性，具有紧密敛集能力与结晶倾向；PET相邻分子的原子间距，均是正常的范德华距离，其单元晶格属三斜晶系，大分子几乎呈平面构型。
应用电子衍射测得的涤纶折叠链片晶的厚度约为10nm，而涤纶单基的长度为1.075nm，可认为片晶厚度相当于9个涤纶分子的单基长度。但涤纶大分子链长约为1.075×130（平均聚合度）≈140nm，由此可见涤纶片晶大分子链必须取折叠链结构。折叠有可能发生在—CH2—CH2—链段处，原因是该处链的柔性较好，易于折曲。此外，由于涤纶大分子也能形成伸直链结晶（原纤化结晶）。因此，涤纶大分子的聚集状态为折叠链结晶和原纤结晶共存体系，这两种结晶比例随拉伸倍数、热定型条件而异。
涤纶的聚集态结构特点包括以下四个方面：
（1）涤纶由原纤组成，原纤是由高侧序度的分子组成的微原纤堆砌而成，微原纤和微原纤中存在微隙。
（2）伸直链和折叠链晶体共存体系：苯环部分——不易内旋转，硬挺；亚甲基部分——容易内旋转，柔顺，在该处发生折叠，形成折叠链结晶。
（3）涤纶的初生纤维是无定形的，拉伸和热处理后具有一定的结晶度和取向度，结晶度40%～60%，取向度的双折射值可达0.188。
（4）涤纶存在皮芯结构，但不如黏胶纤维明显，对染色有一定影响，但一旦上染后，皮层中的染料不易脱落。
二、涤纶的燃烧特性
常见纤维的燃烧特性见表1-1。
表1-1 常见纤维的燃烧状态
续表
三、涤纶的热性能
1.玻璃化温度
无定形PET的玻璃化温度（Tg）为67℃，部分结晶PET的Tg为81℃，取向并结晶的Tg为125℃。
当结晶度由0升高到30%时，Tg向较高温度移动，当结晶度进一步升高时，Tg反而向较低温度移动。
在低结晶度的情况下，可能产生了众多的小晶体，类似于交链，有阻碍无定形区链段运动的作用；在高结晶度的条件下，可能形成了少而大的结晶，能允许无定形区的链段比较自由一些。
2.熔点
纯PET的熔点（Tm）267℃，工业PET熔点略低，一般在255～264℃。
3.热收缩
在生产过程中没有经过热定型的涤纶，在沸水中或在其他加热的条件下，将会发生剧烈收缩，经过热定型后将比较稳定。
涤纶丝在热空气中，开始时长度发生迅速收缩，30min后收缩率不再继续增加，平衡收缩率约为8%。若在热水中进行热处理，只需5min便达到了稳定的长度，同时由于水的溶胀作用，使平衡收缩率增大到14%。
四、涤纶的力学性能
1.强度及延伸度
涤纶是纤维中强度较高的品种，其短纤维强度为2.6～5.7cN/dtex，高强力纤维为5.6～8.0cN/dtex。由于吸湿性差，故其湿态与干态强度基本相同。
涤纶的初生丝为无定形结构，在纺丝过程中，拉伸程度越高，同时给以合适的热定型，涤纶的结晶度和取向度提高，因此纤维的断裂强度提高，但断裂延伸度降低。
图1-1 涤纶和几种纤维的负荷延伸曲线
涤纶的拉伸负荷曲线如图1-1所示。
2.弹性
涤纶具有良好的弹性，表现在两个方面：一是具有较大的弹性模量；二是当纤维受外力作用发生形变放松后，回复原状的能力也强。当伸长5%～6%时，其形变几乎可以完全回复。涤纶的尺寸稳定性好，弹性模量为22～141cN/dtex。
3.耐磨性
涤纶的耐磨性好，仅次于耐磨性最好的锦纶，比其他天然纤维和合成纤维都好。
五、涤纶的吸湿性和染色性
涤纶结构紧密，结晶度高，大分子上无亲水性基团，故吸湿性差，染色困难。它在一般大气条件下回潮率只有0.4%，具有易洗快干的优点，但其吸汗性和透气性差。
由于涤纶的染色性差，一般采用高温高压染色。
六、涤纶的化学稳定性
1.与酸作用
涤纶的耐酸性较好，对无机酸和有机酸均有很好的稳定性。是由于涤纶中的酯键在酸中水解后，生成的酸和醇可发生酯化反应，使水解不易继续进行，且涤纶的物理结构紧密，故耐酸性较好。在弱酸中即使是煮沸的条件下，涤纶也不致发生严重损伤；在室温条件下的强酸（氢氟酸或30%盐酸）中，涤纶也很稳定。
2.与碱作用
因涤纶大分子中含有酯键，所以对碱的稳定性稍差，在浓碱的作用下容易发生水解。由于水解生成的酸和碱进一步反应成为钠盐，使涤纶在碱中的水解反应能一直进行下去，故其耐碱性较差。但其结构紧密，在室温条件下，涤纶对稀的纯碱和烧碱的稳定性还是较好的。
涤纶在碱中发生的化学反应如下所示：
七、涤纶的其他性能
涤纶的导电性差、易产生静电，织物易吸尘沾污；不易发霉和虫蛀；且耐光性好，仅次于腈纶；耐腐蚀性好，可耐漂白剂、氧化剂、烃类及酮类。