聚丙烯腈纤维.docx
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聚丙烯腈纤维
聚丙烯腈纤维之物理化学性质及其应用与发展
一、前言
聚丙烯腈纤维，学名Polyacrylonitril，商品名为Acrylic，大陆称为腈纶。
聚丙烯腈
纤维为今日已工业化之合成纤维中，最多采多姿的纤维。
聚丙烯腈纤维的定义为“属一种人造纤维形成这种纤维的物质是任何长练的聚合体所组成的，此聚合体至少含有85%
以上之聚丙烯腈成分”。
而经改质过的聚丙烯腈纤维称为改质聚丙烯腈纤维（modacrylic
fiber），其中聚丙烯腈成分占85%以下但至少须含有35%以上（TextileFiberProduct
IdentificationAct1960）。
聚丙烯腈纤维之分类
学术上分科
聚丙烯腈纤维
（AcrylicFiber）
改质聚丙烯腈纤维
（modacrylicfiber）
商业上分类
I
n
出
丙烯腈含量
95%~100%
85%~95%
35%~85%
商品名
奥隆
司米隆
都拉隆（Dral'on）丽隆（Redon）
毛丽绒
爱司隆
压克力隆
克丽丝（Creslan）
嘉尼嘉隆（kanekalon）丹尼（Dynel）维丽尔（Verel）
聚丙烯腈纤维为高熔点之聚合物，例如奥隆（Orlon）之熔点为238C〜249C，聚丙烯腈纤
维之熔点约在240C左右，故加热至融点时容易变质，不能融熔纺丝，一班均采用融液纺
丝法。
早期因为无适当的溶剂，对于溶剂的选择上，为最大的问题点。
直到1948年，美
国杜邦公司（Dupont）发现DMF（dimethylformamide二甲基甲酰胺）为聚丙烯腈纤维之最佳的溶剂，而在1950年大量生产，命名为奥隆（Orlon）。
因为聚丙烯腈单独聚合时染色较不易，故除了奥隆及极少数商品之外，现在市场上出售
的聚丙烯腈纤维皆为其共聚合物（copolymer）。
例如维尼龙N为丙烯腈与醋酸乙烯酯，压
克力隆为丙烯腈与苯乙烯之共聚合物。
而共聚合之意义在于强化物理性质与改善染色性（导入染色座席使盐基性染料可染
或酸性染料可染），但各个制造厂商对于所使用之共聚合原料均极端的保守秘密，不做任
何明确的说明。
纯粹聚丙烯腈纤维具有甚高的强度，而改质的聚丙烯腈纤维则强度较低，与黏液嫘
萦差不多。
各种聚丙烯腈纤维的纵侧面都很类似，唯有截面的形状有异。
特有特有性质
（1）短纤维柔软、蓬松，有像羊毛般给人温暖的感觉。
（2）抗候性特强，一般棉纤维经一年之风吹日晒，强度降低95%nylon和蚕丝损失约99%
而聚丙烯腈织品的强度仅损失约20%
（3）耐热性优良：
于150C温度下，经过两日，强度仍不改变，200C变黄，温度继续
升高，色由黄而黑，但强度损失并不是很严重。
（4）耐旋光性特优良：
于室外暴露一年半，强度仍然保有77%
（5）水分率：
1.5%。
（6）比重：
1.17。
（7）具有防霉、抗虫和抗霉菌性。
一般用途：
帐棚、遮日棚、雨棚、防水布、阳伞、窗帘、沙袋、衬衣、领带、运动服、工作服等等。
、聚丙烯腈之化学构造及化性
1、聚丙烯腈（PAN的加成聚合反应
由氰化氢分别与环氧乙烷、乙炔、乙醛作用，皆可生成丙烯腈单体。
氰化氢与环氧乙烷可经由两阶段反应生成丙烯腈。
聚丙烯腈（Polyacrylonitrile宀P.A.N.）由原料丙烯腈（A.N.）加成聚合而成。
丙烯腈为具不饱和键的单体，可藉游离基引发剂的作用，促使它发生游离基聚合反
应，其加成聚合反应（AdditionPolymerization）步骤为：
（1）初始反应（initiation）
首先若干单元体被起始剂（initiator）活化而开始聚合反应，活化单体的方式
以游离基效应与离子催化效应为例。
I、游离基效应：
反应系统内添加初始剂，（R-R）吸收能量而分解成游离基
R（freeradical），再以游离基R为活化中心，诱导单元体进行成长反应。
作用，将单元体在极低的温度下进行聚合反应。
反应期间
催化剂吸收电子，单元体含双键的碳原子释放电子成为
C离子（carboniumiron）。
（2）成长反应（propagation）
headtotail）较为安定
a、同位立体结构（isotacticstructure）
b、对位立体结构（syndiotacticstructure）
c、错位立体结构（atacticstructure）
（3）终止反应（termination）
Mr十
：
*HitPolymer
札-
―»s
SX-
”M,X+S
:
AnfLPolyiner
已止^Potynier
Mr+亂
.'■Z-tiiLPolyner
反应过程中，分枝最多的地方在终止反应，不是初始或成长反应，因此要减少聚合反应的分枝的方法，就是降低并控制聚合反应温度。
2、聚丙烯腈纤维的分类
根据美国联邦贸易委员会资料表示：
（1）丙烯腈（acrylonitrile）含量占聚合体的85%以上，称为聚丙烯腈纤维
（AcrylicFibers）。
（2）丙烯腈含量占聚合体的35〜85%，称为改质聚丙烯腈纤维（Modacrylic
Fibers）。
⑶含100%丙烯腈含量者，一般称为工业级聚丙烯腈纤维（Technicalgrade,
T-Acrylics）。
学术上分类
聚丙烯腈纤维（AcrylicFibers）
改质聚丙烯腈纤维（ModacrylicFibers）
商业上分类
AcrylicFiberI
AcrylicFiber
n
AcrylicFiber川
丙烯腈含量
95〜100%
85〜95%
35〜85%
商品名称
美Orlon?
日Cashmilon?
—?
日Exlan
日Vonnel?
?
日Kanekalon
结晶性
较大（H-bond较多）
较小
吸湿性
较小
较大
染色性
较难（结构致密）
较易（结构松弛，第二成份多）
强力
较大
较小
回潮率
1〜2.5%
0.4〜4%
比重
较轻
较重
横断面
近乎圆形
近乎椭圆形
聚丙烯腈纤维加入其它共聚合体（copolymer），其作用有
monomer
般丙烯腈与其它单体共聚合，其单元体有下列几种类别:
monomer
H2C=CH
COOH
monomer
H極性兄力的曲r]
Hbond多
極性基製I
人造]仝或」臧他
殲權蛛構褻弛（养）
在妨絲工程•蝉罐忡作闲
银殲樂結描蛟嫩密
（蛛品區多）
存在非緖晶區珂的毡性塞穀梦
大部分極性基旳存程
結晶區海
"吸温性11）
7染色*性（t）
有效極t）
険漁性（*）
・渠邑性（・）
有政極性島就（1}
4、聚丙烯腈纤维制造流程
］聚肖烯睛製進逾程
聚丙烯腈共聚合物可用溶液、悬浮、乳化聚合方式制得，首先制得象牙色的聚合物，再用高极性的溶剂溶解DMF二甲基甲酰胺（dimethylformamide）、DMSO二甲亚腈
（dimethylsulfoxide）等使之溶解过滤之后，最后以湿式或干式纺丝法抽丝。
然后经过抽
长及卷取处理，但须注意奥隆丝的处理和特多隆一样是在较高的温度下施行（称为热抽），
通常抽长至三到八倍，可使分子排列成长条的并行炼而增加强度。
经过抽长及卷取处理的奥隆丝并成丝束，在经切短成奥隆棉（Orlonstaple），也就是现在市面上所供应的货
0
H3C-S-CHj
品。
HC—N
XCHa
DMF-二甲廉*al凰
湿式纺丝：
利用水溶液交换法。
干式纺丝：
以蒸气使DMF蒸发。
5、聚丙烯腈纤维对热的性质
聚丙烯腈纤维（含85%以上丙烯腈），比重（g/cm3）：
1.16〜1.20，其玻璃转位点（Tg）:
87C,公定回潮率1.3〜2.5%。
聚丙烯腈质轻、保温，弹性回复率佳。
抗化学药品性强（除强酸、强碱，及某些溶剂外），抗微生物性优，故保存容易。
使用盐基性邙日离子性）染料染色，色泽鲜艳，坚牢度佳。
易带静电，易生毛羽。
（1）PAN受热变色的发色团
azomethinegroup）
polyene）
polyiminechain
h2
h2
（2）PAN受热变色机构
G途擾（主）
汁
■IHCIC
tHC4:
因於含比更紀悶•
舉合豪耘3盼心B-Ketonrtriie
舛巾加糧質子说刪［極性试刑）
A,:
A帥味1*业CoHionom日『爭话二吨忖和耐成
A途径
因添加亲质子试剂（极性试剂）或添加端基或Comonome等第二成份而形成。
即Comonome所引起的变色机构。
宀貯
A/"
H?
H2出H；
、廿％/、#、/%/
TillI
CN,心
B途径
因聚合反应期间，聚合体长链形成3-酮腈（3-Ketonitrile）,3-酮腈受
热生成聚亚胺链而变色。
C途径
PAN受热氧化作用，使PAN内形成酮腈结构而变色。
□OH**七悔
HC，ICN
-N
HCIC
h?
-cn
*Asfcffe
H2O
CNOHCNCNCN
6、聚丙烯腈纤维的应用
（1）蓬松纱（Bulkyyarn）的制造
聚丙烯腈纤维加热到Tg点以上呈现橡胶状态，延伸20〜30%后冷却，则在常温下可保持此应变。
当聚丙烯腈纤维与其它纤维混纺后，于蒸气高温下，聚丙烯腈纤维会产生收缩，而其它纤维不收缩，因此使纱具有温暖、弹性的蓬松感。
（2）用途聚丙烯腈纤维受日光及化学药品之抵抗力强，适于制造室外用织物，如：
窗帘、帐篷、防雨布等。
在工业用途上，可作为化学工厂之滤布及电镀工业之阳极袋。
可以与羊毛、棉、嫘萦混纺，作西装衣料、地毯、针织品等。
三、各种市售PAN系纤维之特性
奥隆（Orlon）的特性
（1）会燃烧而无确定的熔点，燃烧时有光亮的火焰，但易熄灭，有臭味，残渣为黑色的硬圆颗粒。
（2）在235C变黏，耐热性优良，超越100C的温度下一个月，仍保有原来之强力。
（3）可融于DMF（dimethylformamide二甲基甲酰胺），其余之溶剂皆无影响。
（4）比重1.14。
相对湿度65%时约为1.5%。
（5）对于酸和碱均有良好的抵抗能力。
（6）湿润时强力减弱很微小，干洗次数对其稳定无影响。
（7）熨斗太热时，会使织物成油光或变黄。
（8）会聚集静电，通常用静电防止剂加以控制。
（9）当纯奥龙织物与其它纤维混纺时，都有柔软和暖的感觉，也都易洗快干。
Acrilin的特性是美国孟山都公司（MonsantoCompany）的纺织部门出品，亦为丙烯腈的聚合物，其纺丝的方法是用湿式纺丝法在凝固液中使其凝固，故与奥隆稍异，其后又在高温下予以抽长卷取处理后切成小断。
（1）无确定的熔点，有臭味，残渣为黑色的硬圆颗粒。
（2）在沸水中，收缩2.5%。
（3）对于酸和碱均有良好的抵抗能力。
（4）对于氯酸盐及其它漂白剂，都有良好的抵抗能力。
（5）对于一般溶剂及太阳光，性能均很良好，可融于DMF（dimethylformamide二甲基甲酰胺）。
（6）比重1.17。
（7）易洗快干，不缩水。
（8）质地蓬松，有温暖感，卷取性能良好。
（9）强度和耐摩性中等，伸展性良好，吸水性甚低。
Creslan的特性
美国氰胺公司出品（AmericanCyanamidCompany）性质和Acrilan相似。
以上三种属于聚丙烯腈纤维，所含之主要成份均以丙烯腈为主，主要的用途为地毯、衣着、窗帘、滑雪装、短袜、婴儿衣物、运动装、工作服、帐幔、沙袋、室内饰物。
此类型之织物运用机器洗涤时，需用温水，及在最后冲洗时加入织物软化剂。
若需熨烫，宜用中温，不可用高温。
Dynel的特性
（1）与火焰接触时会燃烧，但一离开火焰即会自行熄灭，燃烧时不溶化，留下坚硬的黑色颗粒。
（2）对酸、碱、蛀虫、霉菌、细菌、都有抵抗力。
（3）浸在浓硫酸（浓度高达95%）中，毫无影响。
（4）太阳光可使其稍稍变白，长时间接触高温度，则强度减弱、变黑。
（5）具有良好的弹力、暖和感、稳定性。
（6）可洗、快干、保持折痕、不缩水、不变形、不走样。
（7）比重1.3。
（8）吸水量和聚酯相当仅约0.4%。
（9）在100C以下不会毡合（Felting），亦不收缩。
（10）在沸水中部受影响。
Verel的特性
（1）这类人纤棉具有热塑性（Thermoplastic），不会燃烧。
⑵以130C以上温度处理，则会变黏及变黑。
（3）就算浸在盐酸、硝酸、苯酚、王水处理影响甚小。
（4）运用强碱处理例如高浓度的氢氧化钠，稍稍变黄。
（5）Verel之原色是白色，所以不需漂白，过氧化氢等氧化季对它无作用。
（6）干洗用的一般有机溶剂，对他无影响，但可融于热丙酮。
（7）对霉菌及微生物有高抵抗能力，且不受日光影响。
（8）比重1.37。
（9）吸水量为3.5%~4%。
（10）耐洗且能保持式样及折痕。
Kanekalon的特性
日本Kanegafuchi公司研发，和Dynel、Verel性能与用途类似。
以上三种属于改质聚丙烯腈纤维，其中含有相当成份的共单体和聚丙烯腈共聚合，一般主要的用途为仿制兽毛、填充玩具、假发、不织布、防火窗帘及帐幔、针织起毛织物的底布、地毯、地毡。
此类型的长毛织物应以干洗或洗兽毛的方法为宜。
若运用机器洗涤,应用温水洗涤且在最后清水中加入软化剂，烘干或整烫，宜用低温，不可用高温。
四、从聚丙烯腈制造碳纤维
1碳素纤维的分类
（1）依制造原料区分
Rayon）系碳纤维
PAN系碳纤维
Pitch）系碳纤维
依热处理温度区分
500C以下。
500〜1500C，供电气传导性材料。
2000C以上，耐热与电气传导性增加。
2、碳素纤维加热期间之结构变化
3、碳素纤维制造流程
聚丙烯腈（PAN系
制造原料：
高纯度PAW
原料形状：
丝、布、毡毯、非织物等。
N2中加热。
68wt%，碳化率48%。
PAN系的化学反应如下：
4、碳素纤维之特性
（1）密度小、重量轻。
（2）弹性率高、比弹性系数（Specificmodulus）亦高。
（3）抗张强力大、比强度（Specificstrength）亦大。
（4）传导性佳。
（5）耐热性高，无氧状态下可耐3000C高温。
（6）耐化学药品腐蚀性强。
（7）尺寸安定性良好。
（8）热膨胀系数小，热冲击性强。
（9）石墨质碳素纤维具有润滑性
（10）具有电气传导性（因处理温度而异）。
（11）所含不纯物极少，不污染与其接触之液态气体，也不沾污熔融金属。
（12）碳素纤维能吸收电波，石墨质则会反射电波。
（13）弹性率随着处理温度的升高而渐增，在160C附近达到最高峰，其后又逐渐下降。
（14）具有高度静疲劳强度。
在许许多多的新型纤维中，碳纤维是最具竞争力的一种。
新式的复合材料结构上，大部分都需用到碳纤维与改质的环氧树脂配合制成，藉以增加强度，而取代较重的金属材料，军事上不论是飞机或船舶也都大量运用各种类的含碳复合材料，以减轻重量且增加韧性等性能。
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