超纤维材料是什么，超纤结构

文| 枯树明月

编辑| 枯树明月

引言高性能聚合物纤维具有优异的强度、耐热性、阻燃性和耐化学性，比普通纤维具有更大的潜力。聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺和聚酰亚胺是常见的高性能纤维。这些纤维可以显着提高材料性能和安全性，以满足特定需求。因此广泛应用于个人防护用品、绳索、轮胎、热气球、复合材料等。以及其他领域。

湿化学加工湿化学加工包括多种改性纺织纤维表面的方法，涵盖多种选择，例如溶胀、蚀刻、溶解和形成粘合促进层。工艺化学品多种多样，工艺高度依赖于基材和所需效果。用于表面活化和功能改性的湿化学处理可细分为水解、氧化、卤化络合物形成和粘合促进层的形成。

传统上，碱或酶处理已用于改善聚合物纤维的表面性能。特别是含有酯键的高分子材料可以通过碱处理来溶胀和溶解，通过调节碱浓度和添加剂来控制反应速率和表面性能非常有效。

值得注意的是，恶劣的条件或使用大量的醇和某些胺会导致聚合物降解，从而削弱基材的性能。氢氧化钠是一种常用的化学物质，可改善PET纤维的表面性能，并能在PET分子内引起亲核取代和水解反应。

这些反应主要是通过氢氧根离子攻击PET分子上缺电子的羰基碳原子来进行，被攻击的羰基碳原子形成中间阴离子，导致分子断链，最终形成两个端基，羟基和羟基。羧基。简单地说，氢氧化钠可以改善PET纤维的性能，使其更适合各种应用。

据观察，由于水解反应，PET纤维表面形成了新的官能团，并且实验证明，随着氢氧化钠浓度的增加，表面羧基的数量也增加。例如，PET织物用1M氢氧化钠溶液处理2小时后，每平方毫米表面有0.21nmol的羧基。

此外，水解会因聚合物断链而导致底物重量损失，这取决于氢氧化钠的浓度、反应温度以及样品在碱性溶液中保留的时间。例如，在7的66%氢氧化钠溶液中处理20分钟时，样品的失重率达到90.38%，并且水解反应生成的产物在表面形成了新的结构，这可以进一步侵蚀纤维并逐渐减小其直径。

除了使用氢氧化钠之外，另一种水解方法是利用酶。酶是一种生物催化剂，可用于改性聚合纤维材料并通过水解将其完全降解。酶可以控制底物的水解速率，还可以增加纤维粗糙度并形成功能性端基，类似于碱性水解反应，引领研究人员探索水解酶在纤维改性中的应用。我特别感兴趣的是

酯酶、脂肪酶和角质酶等水解酶作用于PET 的能力已得到证实，聚酰胺的酶处理主要通过酰胺键的断裂产生氨基和羧基。

反应机理基于亲核加成反应，将酰胺官能团的羰基质子化，形成碳正离子，然后将醇加到酰胺碳上，酰胺氮质子化，酰胺氮裂解。可以通过调整温度和pH 值、浓度和处理时间等参数来优化酶活性。在这项研究中，我们发现较弱的酶处理使C-C脂肪族表面基团的可水解基团增加了约5.2%，N-C=O和HO-C=O增加了约10.1%。

将聚合物纤维暴露于硝酸、铬酸或高锰酸钾被认为是合适的湿化学表面改性方法，这些氧化剂通过电子转移增加纤维的电子水平。它们作用于非常弱的键，例如烷烃和炔烃中的键，取代芳环中的弱C-H键，以及醇和醛中的弱C-H键，包括特别弱的碳-碳键化合物都可以被取代。靠近自由基环的二醇或C-C 键，例如在芳香族化合物中。

这种处理通常会导致纤维表面形成新的官能团，例如羟基、羰基和羧酸基团。高锰酸钾在高性能纤维的活化方面显示出巨大的潜力。在聚酰胺链的氧化反应中，通常报道三个主要反应过程，包括链中的C-C形成N-酰胺。该键断裂形成N-。甲酰胺，以及聚酰胺链氧化脱烷基成羰基结构。

聚合物酸性表面处理的另一种方法是使用磷酸水溶液，通过亲电取代反应氧化芳香族聚酰胺纤维，形成新的官能团，如羟基和羧基。除了氧化之外，当表面暴露于含硫酸的反应物时也会发生磺化。例如，使用浓度为2 至25 gL 的硫酸水溶液将S=O 基团引入PET。环的芳族磺化。

卤化是用氟、氯、溴、碘等卤素取代聚合物中的氢原子的方法，可以通过加成反应、取代反应和自由基反应来实现。在湿化学工艺中，氯化通常用于对高性能纤维进行改性，并且各个研究小组使用含氯反应物或活性氯进行处理。

对于聚酰胺，反应的第一步是次氯酸根离子攻击酰胺内的氢原子，形成O-氯化中间体。随后发生快速重排反应，生成稳定的N-氯化产物，用稀次氯酸盐溶液处理芳香族聚酰胺，形成含氯基团，提高润湿性。

该反应高度依赖于温度和pH 值，pH 值越低，由于次氯酸盐稳定性降低，氯化条件越好。另一项关于用二氯异氰尿酸钠溶液处理芳香族PA 纤维的研究导致了含氯基团的形成，例如O=C-N-Cl 和C6H5Cl，这些基团与N-氯化反应有关。

表面活性剂的使用与聚合物内路易斯酸和碱的相互作用有关，该方法适用于含有某些官能团的聚合物。这些官能团可以充当路易斯碱位，一般来说，含有氧、硫、氮和磷等原子且具有非键合电子对的聚合物适合于形成络合物的反应。

然而，只有当这些基团能够参与内部和分子间相互作用（例如氢键和分散力）时，络合才会影响表面性质。例如，在聚酰胺中，羰基的络合可以抑制氢键的形成，中度至强酸性的路易斯酸已用于改性脂肪族和芳香族聚酰胺。

通过抑制酰胺聚合物内和相邻分子之间的氢键，其结晶度降低，从而导致空隙和孔的形成。刚性链和梯形聚合物可以使用金属卤化物和适当的溶剂，通过可逆且不可降解的方法溶解。该过程影响酰胺纤维的形态和结晶度。

这项研究发现，当使用含有不同成分的水、乙醇和氯化钙的溶液对聚酰胺纤维进行改性时，聚酰胺纤维会膨胀或溶解。研究表明，在用溶胀溶液处理的纤维中，多孔壳包围着未受影响的纤维芯，但纤维的整体化学结构保持不变。

等离子处理纺织材料的等离子处理作为一种处理工艺变得越来越重要，并且被认为是快速、无溶剂且环保的。该过程的简单性是由于等离子体的产生依赖于将惰性或反应性气体暴露于高能源，并且当激发的成分与基材发生反应时纤维的表面特性发生变化。

根据温度的不同，等离子体可分为两类：局部热力学平衡等离子体和非热力学平衡等离子体。 LTE等离子体是指电子和光子在等离子体中达到平衡状态，其特点是电子和重粒子的温度非常高，不适合处理温度敏感的表面。

相比之下，非LTE等离子体或冷等离子体是指自由电子的温度仅比气体温度高10到100倍，并且处于非平衡状态。由于此类等离子体的热容低、电子密度低，最终温度通常不超过50。这减少了对接触表面的热损伤，并使这些等离子体源更适合加工温度敏感材料。

根据操作压力的不同，等离子体分为低压等离子体和常压等离子体，但从技术上来说，在减压下产生等离子体比在常压下更方便。临界气体气氛的体积和成分。

尽管该过程是可控的，但使用反应室产生和维持低压需要批量生产，这限制了产量，并且是纺织品加工的不良副作用。另一方面，大气压等离子体支持连续过程，但对激发态物质的控制较少。

其中，一种特殊类型的常压等离子体是介质阻挡放电，其工作在非常高的脉冲电压幅度下，DBD等离子体的特点是放电路径中存在介质绝缘体，可以实现均匀稳定的放电。可能会发生。发射脉冲气体并抑制火花的产生。

除了工作压力之外，等离子体效率还取决于产生等离子体的气体类型、基板以及其他处理条件，例如激发频率、功率和处理时间。虽然气体的性质决定是否发生等离子体消融或等离子体聚合反应，但其他参数决定治疗的强度。

在产业用纺织品领域，等离子体改性广泛用于聚合物纤维和纺织品的活化、功能化和涂层。改性工艺通常旨在增强纤维-金属层、纤维基体和纤维涂层等界面。纤维、长丝、纱线、针织物、机织物和无纺布等各种纺织材料可通过以下方式加工：等离子进行更改。

低压和大气压等离子体技术可用于加工高性能纤维，以及大气压技术，例如介质阻挡放电和大气压等离子体射流。气体混合物也可用于通过等离子体源将自由基引入到惰性表面，其基本原理是激发材料形成官能团以进一步官能化，例如通过接枝反应。也可以。工艺气体的选择取决于对纤维表面的期望效果，即功能化或表面烧蚀。

通过层沉积进行表面活化改性纤维表面的常用方法是形成粘合促进层。与其他活化技术类似，功能化纤维表面可改善润湿性并提高涂覆多层结构的能力。对于纤维增强复合材料，提高了对基体的粘附力。使用定义的化学官能团，可以控制聚合物纤维和其他基材之间的化学界面反应，从而改善聚合物链在界面处的扩散并增加界面层厚度。

结论提高高性能聚合物纤维的表面活力是赋予材料附加功能的重要途径，不仅赋予纤维新的性能，而且还可用于个人防护装备、轮胎、过滤等领域。这扩大了应用的可能性。尽管还存在一些挑战，但表面活化必将为高性能聚合物纤维的发展提供进一步的机遇。

参考文献1. Sabir, T. 2 - 用于高性能服装的纤维。In High-Performance Apparel: Woodhead Publishing Series in Textiles；由McLoughlin, J.Sabir, T. 编辑；Woodhead Publishing: Duxford, UK, 2018；第7 页32. [交叉引用]，[谷歌学术] 2. Dai, X.-Q. 10 - 纺织品。纺织品和服装的生物力学工程： Woodhead 纺织品出版系列；Li, Y. Dai, X. -Q，编辑；Woodhead Publishing: Duxford，英国，2006；第163177 页。[交叉引用]，[Google 学术] 3. Griffin, B. A. 用于工作船、拖船和商业船舶应用的高性能绞车和合成绳索系统。海洋'04 MTS/IEEE Techno-Ocean '04（IEEE Cat. No.04CH37600）；2004，IEEE；第4 卷，第19001903 页。[交叉引用]，[谷歌学术] 4. van der Werff, H.Heisserer, U . 高性能防弹纤维。用于防弹的先进纤维复合材料；Woodhead Publishing: Duxford, UK, 2016；第71107 页[Crossref], [Google Scholar]5. Wangxi, Z.Jie, L.Gang， W. PAN 前驱体在转化为碳纤维过程中结构和性能的演变。Carbon N. Y 2003, 41, 28052812. DOI: 10.1016/S0008-6223(03)00391-9. [Crossref], [Web Science] ， [谷歌学术]