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    廣州明旺廣州市南沙明旺合成纖維廠19年專注于尼龍及PBT材料刷絲的生產和研發

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    尼龍是怎么誕生的?尼龍纖維的應用

    文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2020-04-06 20:10:00

      化學,通過其研究主題——分子和材料,顯示了創造力,即產生新的、前所未有的分子和材料的能力。這些原創 物質及其無限的變異形態,通過原子組合和結構的重新排列而被創造出來。而化學家用構成物質的元素創造了原創分子、新材料和未知物質。

      在化學家創造的衣著中,有個赫赫有名的合成纖維。它是將人工合成的、具有適宜分子量并具有可溶(或可熔)性的線型聚合物,經紡絲成形和后處理而制得的化學纖維。通常將這類具有成纖性能的聚合物稱為成纖聚合物。與天然纖維和人造纖維相比,合成纖維的原料是由人工合成方法制成,生產不受自然條件的限制。合成纖維除了具有化學纖維的一般優越性能,如強度高、質輕、易洗快干、彈性好、不怕霉蛀等外,不同品種的合成纖維還具有某些獨特性能。合成纖維是由小分子有機單體通過聚合反應合成的纖維,它有七“姊妹”:尼龍(錦綸)、滌綸、丙綸、氯綸、維綸(聚乙烯醇縮醛纖維)、腈綸、氨綸等。其中首屈一指的是“大姐”——尼龍。

      那么,尼龍是怎么誕生的?它給人類衣著帶來了什么影響?合成材料的發明又怎樣徹底改變了人類的生活方式?

      時髦“尼龍” 誘惑無窮

      1939年10目24日,作為二次世界大戰的大后方,美國的杜邦(化學)公司,用300尺高的宣傳尼龍絲襪玉足模型廣告,吸引了無數眼球,人們不斷駐足“欣賞”絲襪的迷人風采,性感十足配上嫵媚無比的絲襪,看得人們心癢癢的要跑上去“親吻”。據說,一天的銷售量就達400萬雙之多。不僅備受女士們的青睞,而且男士們也發揮渾身“解數”去搶購,簡直刮起尼龍襪的“龍卷風”。更有甚者,連許多士兵 在返鄉途中,也千方百計弄到尼龍絲襪“抗”在口袋里,準備送給“女朋友”,當做甜蜜的信物。人們曾用“像蛛絲一樣細,像鋼絲一樣強,像絹絲一樣美”的詞句來贊譽這種纖維.到1940年5月尼龍纖維織品的銷售遍及美國各地。

     

    300尺高的尼龍絲襪玉足模型廣告

     

      尼龍是世界上最先研制出的一種合成纖維。它的發明還同杜邦公司對基礎科學的興趣,而成立了基礎化學研究所有關。

      更令人慶幸的是,該研究所聘任了一位年僅32歲的華萊士·卡羅瑟斯博士擔任有機化學部的主任。

      卡羅瑟斯“走馬上任”杜邦公司的時候,正值當時德國人剛剛發明生產出人造橡膠。而國際上對人造橡膠發明人提出的高分子理論展開了激烈的爭論,卡羅瑟斯贊揚并支持這個觀點,決心通過實驗來 證實這一理論的正確性,并完成第一個目標,使美國 也有比德國價廉質優的人造橡膠后,就把對高分子的探索作為有機化學部的主要研究方向。他帶領的研究小組選擇各種具有活性基團的分子,在一定條 件下相互作用,看看能否成為合成纖維。結果,幾十次、幾百次的試驗都失敗了。但在他的堅持不懈努力下,在進行二元醇與二元羧酸縮聚反應的實驗中,得到了分子量約為5000的聚酯分子。為了進一步提高聚合度,卡羅瑟斯改進了高真空蒸餾器并嚴格控制反應的配比,使反應進行得很完全,在不到兩年的時間里使聚合物的分子量達到10000~20000。

      故事發生在1930年夏天,這位才華出眾的青年化學家在用乙二醇和癸二酸縮合制取聚酯在實驗中,他的同事朱利安·希爾出于一種本能的好奇,將一支玻璃棒放入燒瓶中,輕輕攪拌瓶底的熔化物。當他在從反應器中慢慢提起玻璃棒時,驚奇地發現了 一種有趣的現象:這種熔融的聚合物能像棉花糖那樣抽出絲來,而且更重要的是,這種纖維狀的細絲即使冷卻后還能繼續拉伸,拉伸長度可以達到原來長度的好幾倍,經過冷拉伸后纖維的強度和彈性也大大增加。這種從未有過的現象使卡羅瑟斯預感到這 種特性可能具有重大的應用價值,有可能用熔融的聚合物來紡制纖維。

      為了合成出高熔點、高性能的聚合物,經過3年的艱苦奮斗,卡羅瑟斯和他的同事們將注意力轉到己二胺和己二酸進行縮聚反應,終于在1935年2月28日合成出聚酰胺高分子化合物。由于這兩個組分中均含有6個碳原子,當時稱為聚合物66。他又將這 一聚合物熔融后經注射針壓出,在張力下拉伸稱為纖維。1938年10月27日,杜邦公司正式宣布世界上第一種合成纖維正式誕生,并將聚酰胺66這種合成纖維命名為“尼龍-66”,即錦綸。

      錦綸是一種有廣闊發展前途的合成纖維,由于結實耐磨,可用于生產彈力錦綸絲襪、手套、帽子等,還可與棉花和羊毛混紡或交織成質地柔軟的各種產品,如市場上常見的錦緞被面、錦格綢等。

      除了錦綸(尼龍),在合成纖維大家族中還有六個“姊妹”,即滌綸、氯綸、丙綸、腈綸、維綸和芳綸等,它們廣泛應用于各個行業。如我們稱作“的確良”的滌綸,大量用于衣料、床上用品;有“人造羊毛”之稱的腈綸,廣泛應用于服裝、裝飾領域;強度是鋼 絲的5~6倍,而質量僅為鋼絲1/5的芳綸,被用于制作防彈外衣和消防外衣等。

      目前,合成纖維已經廣泛應用于航空航天、機電、建筑、汽車、家居、服裝和體育用品等國民經濟的各個方面。隨著科技的發展,許多具有特殊功能的新型合成纖維正不斷被研制出來,如抗紫外線纖維、負離子纖維以及智能纖維等,其應用領域也在不斷擴 展,世界因為合成纖維將變得更美麗。

      纖纖“秀才”“武功”顯赫

      在尼龍“姊妹”中排行老小的是芳綸,它是一種芳香族聚酰胺有機纖維??蓜e小看它“芊芊弱柳”之姿,卻有著男兒般的外號,叫“合成的鋼絲”。原來,芳綸在同樣重量材料下得到的強度是鋼絲的五倍,用手指粗的芳綸繩就可以吊起兩輛大卡車!它有“真金不怕火煉”的本領,有的品種可以在260℃高溫下連續使用上百小時。芳綸真是“能文能武”,它既可制成千姿百態的女兒衫,又可與陶瓷塔配做成戰斗中的裝甲,普遍應用于坦克、裝甲車和直升機,可作為主防護裝甲和輔助防護裝甲。在航天飛機上,芳綸氈毯用于再返大氣層時的熱防護等。

      芳綸在軍事上的一舉盛名是在2004年9月份。那時,英國駐伊拉克部隊的12名士兵在伊遭到反美武裝襲擊,在以少敵多的情況下,英軍士兵以一人死亡的微小代價奇跡般地沖出了包圍。死里逃生的英軍士兵身上的防彈衣被密集的子彈打得像蜂窩,中 彈最多的一名士兵身上中了12槍,但沒有一件防彈衣被子彈擊穿,死亡的那名士兵是因為被流彈擊中了無防護的腦部。后來,“中國的防彈衣救下11名英國士兵性命!”的新聞就這樣傳開了,包括美、英在內的30多個國家都來購買中國的防彈衣。

     

    美將軍和士兵穿凱芙拉防彈衣

     

      其實,這種制作防彈衣的材料就是芳綸,它最先就是美國杜邦公司研制成功的,他們給它取的名字叫“凱芙拉”。而美國的“凱芙拉”防彈衣也是世 界上的“名牌”。

      1996年的一天,初出茅廬的中國“護神”牌防 彈衣與來自美國的某型最先進防彈衣進行現場比試。試驗開始前,來自大洋彼岸的專家,悠然自得地坐在靠背椅上閉目養神,對掛在靶場正前方的那兩件防彈衣看也不看一眼。因為在他們眼里,這兩件防彈衣本來就不在一個檔次上:左邊掛著的是大名鼎鼎的“凱芙拉”防彈衣,產自素有“防彈衣王國”之稱的美國;右邊掛著的是當時人們聽都沒有聽說過的“護神”牌防彈衣,產自中國軍隊的總后軍需裝備研究所。一陣急促的槍聲過后,在場的賓客一起跑向這兩件設臺打擂的防彈衣,結果卻大出意料:“凱芙拉”被5發子彈打了兩個洞;而“護神”卻只留下幾個彈頭親吻過的痕跡,一切完好無損。

      時隔半年后,在擂臺上輸了的對手不服氣,尤其是聽說美國一家公司要從中國大量進口“護神”牌防彈衣,他們更咽不下這口氣:“在中國打一兩次靶不能說明什么問題,應當按國際慣例和通行的標準進行檢測。”然而,幾天之后,由國際權威機構組織的檢測結果再一次表明:中國的“護神”牌防彈衣無論是防彈性能,還是重量,都明顯優于美國“凱芙拉”,而且防護面積還比“凱芙拉”大70%。于是,曾經被美國列為防彈衣禁運對象的中國,卻生產出更優異的“護神”牌防彈衣反銷美國。“護神”牌防彈衣一躍成為新“寵兒”。

      還有一個有趣的故事。“護神”牌防彈衣在擂臺上打出國威之后,某位客人無意中說了這么一句話:“子彈的力量那么大,就是打不穿,人也震得差不多了吧?”是不是震得差不多了?“護神”的主要研制者周國泰又帶著“護神”上了試驗場。

      一只訓練有素的狗穿上了“護神”牌防彈衣:20米,狗挨了一槍,沒事;10米,那狗再挨一槍,停頓了一下回頭看了看,沒事,便接著往前走;兩米,那狗又挨了一槍,只是本能地蹦了一下,仍然無事地往前走。專家們對狗進行了嚴格的檢查,結果發現,狗在兩米處挨的一槍,只導致表皮略為紅腫。過了幾天,狗身上的紅腫自然地消失了。這一下,“護神”牌 防彈衣真的更神了起來。

      中國的“護神”牌防彈衣之所以如此“神”,是因為設計者瞄準了世界頂尖技術,不斷改進材料、改進工藝,先后進行了上百次試驗,研制成功的。其中,軟體防彈衣采用芳綸及超高分子量聚乙烯纖維材料為主要材料制成,衣重2至5公斤不等,防護面積以及防護級別根據客戶需要而定;硬體防彈衣在需要時,在軟體防彈衣上插入高等級復合陶瓷防彈板。防彈規格有防手槍、防沖鋒槍的等,其中最強的防彈衣可以擋住機槍的7米距離射擊,而這個距離的機槍殺傷力可以擊穿兩厘米厚的鋼板。據統計,芳綸防彈衣和鋼盔最少能防護人的60%~70%關鍵部位,使傷亡人數至少降低三分之一。

      合成纖維 來自煤石

      尼龍的誕生,改變了人們過去靠植物生長、蠶吐絲等得到的天然纖維制衣的習慣,而采用以煤、石油、天然氣、水、空氣、食鹽、石灰石等為原料,經化學處理制成的,所以也叫合成纖維。在合成纖維中,尼龍和腈綸、滌綸前兩種產量最大,占整個合成纖維產量的90%。它們都具有強度高、耐磨、比重小、彈性大、防蛀、防霉等優點。除做衣服以外,在工業或其他方面也很有用處。

      尼龍的化學名稱是聚酰胺纖維。尼龍66和尼龍6等耐磨性比棉制品高10倍,比羊毛高20倍,彈性好,大多用于制造絲襪、襯衣、漁網、纜繩、降落傘、宇航服、輪胎簾布等。

      腈綸又稱人造羊毛,它的學名為聚丙烯腈纖維,比重低于羊毛,強度是羊毛的三倍,手感柔軟膨松,耐洗耐曬,可以純紡或同羊毛混紡,制作衣料、毛毯和工業毛毯。腈綸毛線是市場上最暢銷的產品之一。近年來,復合材料需用的碳纖維數量日增,常常 采用腈綸纖維作為原絲。

      滌綸俗稱“的確良”,它的學名叫聚對苯二甲酸乙二酯纖維,簡稱聚酯纖維。它兼有綿綸和腈綸的特點,強度高、耐磨,混紡后的棉滌綸和毛滌綸為最常用的衣著用料。在工業上,滌綸還可制作輪胎簾布、固定帶及運輸帶等。

      以上各種合成纖維產量大、用途廣泛,與人們日常生活關系密切,已為大家所熟悉,被稱為通用合成纖維。在制造服裝方面,合成纖維除了可制成各種織物和針織品外,還可充當棉絮,具有重量輕、彈性好、不板結、不變形的特點,制成的被褥、座墊、睡袋、沙發和防寒服等可以整洗,并且不怕霉菌和蟲蛀,因此在20世紀80年代合成棉絮的用量已和天然棉絮平分秋色了。

      合成纖維棉絮的進一步發展是人造羽絨,人造羽絨呈立體結構,富有彈性,膨松保暖。特別是近年來出現的一種薄型合成絮片,在1983年以后的奧林匹克冬季滑雪運動會上,一些運動員身穿緊身型滑雪裝,人體的曲線美充分顯露,騰飛的動作更加瀟灑利落,滑跑的速度加快,這就要歸功于這種合成纖維絮片。原來這類絮片是由超細纖維或發泡纖維制成的,增加了靜止空氣的儲量,減少了熱量的對流和傳導,只需原羽絨服的一半厚度就足以保暖了。在宇航服的啟發下,一些合成纖維絮片還采用了表面金屬蒸發沉積鍍層,形成防濕保暖效果極好的輻射屏蔽層。

      那么這些“軟硬兼施”的合成纖維來自哪里?

      當時國外已經實現工業化生產的合成纖維品種除錦綸、腈綸、滌綸外,還有維綸、丙綸等。這些合成纖維大都是以石油為原料,走石油化工的技術路線。只有日本、朝鮮等少數國家采用煤化工技術路線,以石灰石和煤為起始原料生產維綸。

      說到石油,如今已成了衣、食、住、行不可或缺的元素。據上海世博會數據,全球70億人均一生“穿”掉0.8噸石油,“吃”掉0.6噸石油,“住”掉3.8噸石油,“行”掉3.8噸石油,合計9噸。在歐美發達國家和我們中國這樣新興工業化的發展中國家,這個數據更是成倍、成幾十倍增加。其實,這些數據還是明顯偏低的。根據《BP世界能源統計年鑒》,2012年全球石油產量41.2億噸,全球70億人人均消費石油589公斤,若按全球人均壽命67歲計算,地球人每人一生消費39.43噸。2012年中國人口13.54億,消費石油4.84億噸,人均消耗357.5公斤。中國人2012年人均壽命73.5歲,如此算來中國人的一生也要消 耗26.3噸。

      再拿穿衣來說,我們從衣服的標簽上就能看到它的材質,滌綸、腈綸、錦綸,包括現在大名鼎鼎的萊卡、莫代爾等面料都是由石油生產的合成纖維?;瘜W纖維占紡織纖維的比重已接近3/4,天然纖維僅占1/4,而90%以上的化學纖維產品是從石油提煉而來??梢哉f,全球每10件衣服,就有7件是由石化工業原料生產的,而大部分植物纖維生產的服裝中或加入部分化纖材料,或是石化產品制造的物質進行了表面處理。五彩繽紛的各色染料和清洗衣服用的洗衣粉、洗滌液、衣領凈、柔軟劑等也都是石化工業品配制而成。由于石化工業以低成本,高效率大量合成纖維,源源不斷供應市場,才有今天各種多彩多姿,價廉物美的衣著。一座合成纖維廠占地約為一個足球場(5000平方米),可年產合成纖維9萬噸;如若種植棉花滿足同樣規模的市場需求,則需土地1600平方公里,比臺灣面積還大。

      據統計,目前世界合成纖維年產量大約為1500萬噸,已超過天然纖維產量。形象地說,這相當于30萬畝棉田或250萬頭綿羊的產量。由此足見合成纖維的發展對于人類社會進步多么重要。

      生物擬態前程無量

      石油是人類生存與發展不可缺少的主要能源,若用來做衣著所需,豈不可惜。有什么辦法能使魚與熊掌兼得嗎?

      科學家通過研究動植物纖維的形成得到啟迪,利用天然材料經生物自然加工而獲得纖維。這就是悄無聲息地走近我們生活的生物擬態纖維。

      拿植物纖維來說,它是通過光合作用產生碳水化合物而形成合成植物纖維,同時也吸收了空氣中0.3%的二氧化碳。植物是利用少量二氧化碳在水與光合作用下生成纖維素。其纖維橫截面由復雜的多種結構組成,這種纖維素具有相似性。纖維科學家將 其定義為“二氧化碳纖維”。這就是說,我們一旦了解更多自然知識,我們就可以避免使用化石能源制造人造纖維,而創造一種環境友好型的生物纖維已成為一種可能。

      許多世紀前,家養蠶絲就已出現。這種化學纖維擬態絲有人類培養許多年后,其價值仍然不可磨滅;隨后,人們發現木質漿具有可溶性,還可濕紡加工。而人造絲與木質纖維具有纖維素同樣的結構。隨之,尼龍又出現了。尼龍是人類模仿天然纖維的杰作,它本身具有類似的氨基酸化合物的性質。50年后,混紡加工技術出現,合成纖維漸漸成為我們的時尚,也形成一種開發方式。此后,聚酯纖維以標新立異的固有特征使其他人造纖維刮目相看,也與人造絲形成鮮明的對比。然而,卻不是所有的絲織特征可以替代天然的再樹結構。例如,光澤特征、吸濕特征、可染特征并沒有完全盡人意地模仿出來。另外又發現,菊花的所有有機要素,如醣類、蛋白質、脂肪、纖維素等均含碳元素;光合作用使碳元素生成新的植物碳元素。

      據稱,每年全世界約有2000億噸碳元素因光合作用被植物從空氣中吸收。其中植物就包含了空氣和植物中水分子中的二氧化碳,將其轉化為植物醣類。光合作用使植物需要更多能量。植物糖類含高于其他簡單化合物,其能量主要來源于光的吸收,即葉綠素和類胡蘿卜素的生成,而植物不僅能生成糖類,而且其化合物可以轉化為結構性材料,如纖維素和蛋白質。這種轉換要求更多能量,這一趨勢又使其分解具有高能量的醣類。在氧化作用下,它再次生成二氧化碳和水。這種能量釋出和轉換過程被看作植物呼吸與生長的過程,類似于動物的呼吸。而光合作用使植物獲得能量后以糖類的形式儲存下來。日本農業生物科學研究所的馬越博士認為,蠶絲的形成經歷了這個機械過程,而這個過程在所有動植物體內都會產生。也就是說,所有動植物都可以成為“擬態 生物纖維的工廠”。

      其實,家蠶不是真正的吐絲,而是從口中拉出絲,靠移動編織蠶繭。也就是說,家蠶可以將蠶絲蛋 白固定在平面上。因此,我們如果能給家蠶下“命令”,它們或許能按照人類的指令,直接給人“紡織”衣服,而省掉了織布這一過程。這就與我們傳統的人 造纖維紡織大相徑庭了。事實上,天然絲纖維要比人造纖維更有伸縮性,絲纖維的隔熱性能、手感、吸濕 性都要好于合成纖維。此外,絲纖維具有很好的功能性,甚至可以設計更多的人造功能。

      科學家還發現,家蠶是怎樣通過食用桑葉而制造蠶絲的。那是因為桑葉被消化后形成氨基酸,然后形成絲腺。就這樣,分層的絲蛋白就在蠶的肚子里形成,然后又通過絲腺鈣離子形成膠質蛋白絲,而凝膠體又通過吸收空氣中的二氧化碳轉化為溶膠,最終變為液態水晶體,蠶兒通過邊移動邊拉出口中的液 態水晶體而形成蠶絲。這個過程與人類合成纖維的生產大同小異。

      在提到動物纖維時,有必要了解人類自己的毛發的生長過程。事實上,人類毛發和羊毛的生長都是一個氨基酸的聚合過程。如果毛發在形成過程中,聚合體相互纏繞,形成新的合成纖維,那么聚合體就會形成一種熔體并儲存下來,然后從皮膚里冒出來。這個過程可以讓我們明白,其實這也是一個人造絲的過程。若能真正模仿這種生物動態,那么人類就可以不斷創造無數種擬態纖維。目前,世界上已有許多纖維公司把角觸伸向人類毛發生成原理?,F代生物技術可以讓頭發按照人類預期的形狀在活體內生長。倘若人發能夠復制,那么羊毛也可以用未來的生物擬態技術合成出來。

      蜘蛛絲是另一有趣的纖維材料。這種動物性纖維具有很強的韌性,它可以任意伸長。為了使自身產絲更能有效的捕捉到昆蟲,蜘蛛往往會自動的將絲中的養分加以調整,使其絲的強度能讓纖維絲以蜘蛛網的軸心看齊。當蛛絲一邊被拉伸時,其韌度卻在 由中心到邊緣加大。蜘蛛絲的韌度相當于凱夫拉爾纖維,其延伸性或抗斷斷裂性高于凱夫拉爾35%。因此,其經緯黏度足以捕捉到比蜘蛛自身大得多的昆蟲。但是,當蜘蛛移動時,蜘蛛網上的黏度卻不會粘住它。這就是大自然的奇妙。世界頂尖級纖維科學家因此對蜘蛛絲的結構十分感興趣。他們希望能解釋蜘蛛絲結構的物理屬性,從而開發像蜘蛛絲一樣的擬態非均勻性智能化纖維材料。這或許成為未來開發新纖維材料的關鍵所在。

      因此,合成纖維通過自然合成高分子聚合物并制造高自旋為導向的纖維產品將會逐步取代現行的纖維生產方式。這樣看來,人類要模擬家蠶制造纖維材料的發展已不再是天方夜譚,人類利用高新技術手段即可精準的到達這一目的。合成纖維而非均 質結構材料似乎將成為開發智能化纖維的關鍵性所在。目前,世界上一些發達國家已開始利用高科技手段開發生物紡紗“工廠”。他們將按商業化規模生產出生物纖維品,纖維材料的發展以取代石油化纖。

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