纖維改性
纖維改性（fiber modification），指通過一定的化學或物理方法對某些纖維的性能進行改造，從而獲得一種新性能的纖維。這類似於通常的橡膠改性，塑料改性等。通常，人們所穿的衣物是由纖維紡織而成，其原料可能是天然材料也可能來自人工合成，但是原料狀態不一定完美，例如可能不太好染色，因此需要通過一系列方法對其進行改造，從而使纖維更加適合使用，此即為纖維改性在生活中最普遍的應用。傳統改性方法有化學法（如共聚或接枝共聚等方法）及物理法（如共混），近年來亦發展出生物法。經過物理變性的纖維有異形纖維、變形纖維和複合纖維，使用化學方法改性的纖維則有接枝纖維、共聚纖維和經化學後處理變性的纖維等。纖維改性與纖維改形不同，改形只是改變纖維的形態，例如將蠶絲纖維改形成膜體和粉體等。[1]
歷史
[編輯]纖維材料的應用可追溯到公元前兩三千年，當時的人們就知道通過動物的皮毛來進行紡絲，是人類文明發展的一個不可或缺的部分。後來隨着科技的發展，纖維材料在製造、加工、應用方面都得到了革命性的發展，同時新纖維材料也不斷被成功開發，各種新型纖維不斷出現，給人類的生活帶來了翻天覆地的變化。可是天然纖維的使用開始於古代，而人工合成的化學纖維只是在最近50年才被開發出來。雖然化學纖維的歷史很短，但其發展速度卻非常之快，用途也越來越廣泛。相比之下，天然纖維的發展則相對比較緩慢。實際上，現在應用於天然纖維上的許多新工藝和新技術首先是在化學纖維領域被開發出來，而後才逐漸被應用到天然纖維上。天然纖維的使用開始於史前時期。史前的人類就開始利用亞麻植物上的麻纖維捻成紗線，然後織成面料。目前，主要有四種天然纖維：棉、蠶絲、亞麻和羊毛。[2] 利用再生纖維（人造纖維）或合成纖維來提高生活質量，開始於粘膠纖維的產生。粘膠纖維作為第一個化學纖維，於1910年投人生產。從那時起，就開始有很多種化學纖維被廣泛應用於服裝、室內裝飾和工業用紡織品化學纖維具有很多天然纖維不具有的特性。每年人們都會在服裝、室內裝飾、醫藥衛生、工業用紡織品等領域發現化學纖維的一些新用途。以前，有很多服裝設計師不喜歡使用化學纖維面料，但現在已有一些設計師成了化學纖維的狂熱支持者，如：卡爾·拉格費.
改性思路
[編輯]纖維材料改性的基本思路大都以最終目標性能為指導，充分利用或開發與之相適應的加工、改性方法，再進行設計和製備。[3]
例如，對於天然纖維及生物質纖維材料，出於其本身的良好服用性能及特性，改性目標大都針對其某些弱點或拓展其功能化應用。原則上是要在保持其原有優異性能的前提下，賦予新的性能。而對於合成纖維改性的主要目標是賦予其天然纖維的性能，或滿足特殊性能的需要，如高強、高模、高彈、耐熱及各種特殊功能等。為此，必須對天然纖維及合成纖維的結構與性能的關係有系統而深刻的了解。然而，模仿天然纖維並不是簡單再現其組織結構，更重要的是通過對纖維的改性，模擬天然纖維的功能。然而，出於纖維結構與性能錯綜複雜的關係，當採用某種方法改善某一種性能時，不可避免地會引起其他性能的變化。如用共聚合改進疏水性合成纖維的吸濕性或染色性時，往往伴隨熔點降低或強度下降。因此，在改性中必須防止纖維有價值的性質受到過多的影響．應在相互矛盾的效應中求得綜合平衡或「加合效應」，使纖維材料獲得更高的使用價值和更廣泛的用途。
改性方法
[編輯]化學法
[編輯]聚合物的化學改性是通過聚合物的化學反應，改變大分子鏈亡的原子或原於團的種類及其結合方式的一類改性方法。經化學改性，改變了已有大分子的化學結構，從而改善纖維的性能或賦予其新的性能。化學改性的效果具有耐久性，但化學結構的改變，在一定程度上也會引起結構的某些變化，從而引發纖維一系列性能的變化。包括有：
- 接枝和嵌段共聚改性：接枝和嵌段共聚物都是多織分聚合物，並可能是多相。通過接枝和嵌段共聚，可以將親水的和親油的、酸性的和鹼性的、塑性的、高彈性的以及互不相容的兩種鏈段鍵接在一起，賦予其特殊的性能。因此，聚合物的接枝和嵌段改性，已成為擴大聚合物應用領域、改善聚合物材料性能的一種簡單而又行之有效的方法。
- 共聚改性：通過在聚合物主鏈上引入第三、第四組分，從而部分或全部破壞聚合物的結晶性能，改變大分子鏈的剛性．提高分子鏈間的相互作用力，或是在大分子結構引入一定的極性基團，改善聚合物對染料的親和力。由於這種改性是在大分子結構中進行的，因此相對於其他的纖維改性而言其效果具有明顯的持久性。
- 化學反應改性：化學反應改件是利用聚合物大分子上的反應性基團按分子設計進行化學反應，從而改善聚合物的性能或提供特殊功能。例如，聚丙烯脂(PAN)大分子的側基是氰基(一CN)，其極性強，較活潑，可進行各種化學反應。PAN纖維在受熱時相鄰氰基間發生縮合反應，脫氫形成由萘啶環構成的梯形大分子。此時PAN纖維具有優良的阻燃件和耐熱性，稱為預氧化纖維。經進一步熱處理脫去雜原子，形成碳纖維。[4]
- 交聯改性：纖維交聯的目的主要是為了改善纖維的水溶性和力學性能。例如利用酸酐及醛與殼聚糖纖維表面的一NH2反應可對殼聚糖纖維交聯，酸酐交聯的殼聚糖纖維不溶於水且強度也可提高．而醛交聯的纖維在提高纖維強度的同時，往往易使纖維變脆。
- 表面化學處理改性：表面處理改性是通過化學方法，改變已有成纖高聚物大分子的表面化學結構及粗糙程度，以達到改善纖維的表面性能的目的。例如表面氧化處理、表面塗層處理改性等。可參見表面改性技術
物理法
[編輯]物理改性通常是利用各種物理方法及手段，在不改變成纖高聚物大分子主體結構的情況下，通過改變纖維的聚集態結構、形態結構、表面成分等達到改善纖維性能的目的。陶瓷纖維、金屬纖維的成型及晶相結構的轉變，通常與熔法紡絲及燒結方式的調控有關，而這都是物理改性及加工方法的結果。包括有：
- 等離子體改性：早在20世紀60年代木，等離子體技術就被用在有機材料的改性上，如今，作為一種表面改性技術，其應用也越來越廣。等離子體技術具有以下優點：(1)較之傳統的化學處理，等離子表面改性是一種乾式工藝，不需要水和化學試劑，因此只有節能、無公害的優點，是一種更經濟更環保的處理技術；(2)與同為於式工藝的放射線處理、電子束處理、電暈處理等相比，其獨特之處在於等離子體表面處理的作用深度僅為表面極薄的一層，一般在離表面50—100m的表層發生物理或化學變化，因而能使界面物性顯著改善而纖維的本體性能不受影響。[5]
- 射線照射改性：通過射線的照射來改變分子結構從而引發性能轉變的改性方法。
- 電暈處理：是一種電擊處理，它使材料表面具有更高的附着性。
- 共混改性：通過與其它材料共混或者在製備過程中添加助劑而使各自性能互補從而最終材料性能變化的一種方法。
- 超聲波改性：與電磁波不同的是，超聲波傳遞時會使彈性介質中的粒子發生振盪，並通過介質按超聲波的傳播方向來傳送能量。超聲波對纖維結構的影響不是來自聲波與纖維分子的直接作用，而是聚集聲能的超聲空化作用。利用超聲波技術，通過增加纖維表面極性基團的含量和纖維表面的粗糙度來提高界面性能．是一種對纖維無損害、能夠提高材料機械性能的有效方法。
- 成型後處理改性：改變紡絲和後處理條件，可製備乾熱收縮率小的纖維，這也算是一種改性方法。如在紡制滌綸短纖維時，前紡提高噴絲頭拉伸，增加吹風風速，後面降低拉伸溫皮和拉伸倍數。低收縮纖維的製備原則和製備高收縮纖維的相反，要求纖維的結晶度比常規纖維高、非晶比例小，可採用共縮聚改件，也可改變紡絲和後處理工藝。
生物法
[編輯]這是近年來才出現的一種新的改性方法，它運用生物技術，如基因工程和生物合成技術等，這樣不僅能增加纖維產品改性的途徑和提高現有纖維的性能，而且能創造一些全新的「生物纖維」。這就是化學學科與生物學科的綜合。
常見改性實例
[編輯]- (1)聚乙烯醇纖維的改性，將聚乙烯醇纖維加至順丁烯二酸酐的有機溶劑中，混合加熱，聚乙烯醇上的羥基和酸酐上的羧基發生縮合反應，聚乙烯醇分子的側鏈部分酯化，引入了羧基，提高了纖維的親水性，同時使分子間形成了交聯結構，製得了高吸水性聚乙烯醇纖維。
- (2)人造絲纖維的改性，將人造絲短纖維加至氫氧化鈉、丙烯酰胺、雙丙烯酰胺、乙酸組成的混合溶液中，在室溫中浸漬5min，過濾後，加熱至120℃，乾燥後再用鹽酸中和，過濾，用甲醇洗淨，乾燥得吸水性纖維狀物。
- (3)聚丙烯腈絲的改性，將聚丙烯腈絲在10％的氫氧化鈉溶液中加熱至沸騰，這時吸水性較弱的腈基與氫氧化鈉反應生成吸水性較強羧基鈉，用鹽酸中和、甲醛處理，形成了交聯結構，迸一步提高吸水性，得到高吸水性纖維。
拉伸是提高化學纖維強度的一個重要方法。常規的熔體紡絲及溶液紡絲法紡出的初生纖維結晶度和取向度都較低，拉伸工序首先破壞初生纖維的自然結晶，在拉伸應力和熱效應的作用下，大分子鏈段的活動性增加，各種結構單元沿着纖維軸向取向聚集，重新排列，增加新的結合點，使纖維中更多的分子鏈處於最佳的應力承受狀態，提高了纖維的結晶度和取向度，從而提高纖維強度。例如聚丙烯腈(PAN)纖維沿分子軸無序而分子鏈側向卻因極性很強的氰基的相互作用而形成有序結構，整個大分子璉形成螺旋狀立體構象，高倍拉伸可使PAN纖維分子鏈沿纖維軸取向，強度提高。在工業生產中，因一次牽伸的倍數有限，常採用兩次或多次牽伸來達到要求。[3]
難染色的關鍵是由纖維本身的結構與性能所定。從這個角度來看，要解決這一問題大致有兩種途徑，一是對纖維表面進行改性，另一種方法是加入其他組分，進行共混改 性或在聚合時加入其他單體進行共聚改性，通過纖維結構的疏鬆化(但要保持原有的力學性能)或使纖維內部具有染色性，例如改進聚丙烯染色性的常用方法是在聚丙烯中加入可染性組分，使聚丙烯纖維中產生染料的接受體，給予一定的染色位置。
相關專利
[編輯]據SOOPAT專利搜尋引擎結果，目前已經審核完成的中國地區的有關纖維改性的專利沒有審核通過的有85項，而正在審核中的有75項，而已經審核完成的有93項，具體情況如下：