氨纶

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氨纶是一种轻质的合成纤维，用于制作可拉伸的服装，如运动服。它由一种叫做聚氨酯的长链聚合物组成，它是通过聚酯与二异氰酸酯反应生产的。使用干纺技术将聚合物转化为纤维。氨纶于 1950 年代初首次生产，最初是作为橡胶的替代品而开发的。尽管与棉或尼龙等其他纤维相比，氨纶的市场仍然相对较小，但氨纶的新应用不断被发现。

背景

氨纶是一种合成聚合物。从化学上讲，它由长链聚乙二醇和短二异氰酸酯组成，并含有至少 85% 的聚氨酯。它是一种弹性体，这意味着它可以被拉伸到一定程度，并且在释放时会反弹。这些纤维优于橡胶，因为它们更坚固、更轻且用途更广。事实上，氨纶纤维几乎可以拉伸到其长度的 500%。

氨纶纤维的这种独特弹性是材料化学成分的直接结果。纤维由许多聚合物线组成。这些链由两种类型的片段组成：长的无定形片段和短的刚性片段。在自然状态下，无定形链段具有随机分子结构。它们混合在一起，使纤维变软。聚合物的一些刚性部分相互结合并形成纤维结构。当施加力来拉伸纤维时，刚性部分之间的结合被破坏，无定形部分变直。这使得无定形链段更长，从而增加了纤维的长度。当纤维被拉伸到最大长度时，刚性段再次相互结合。无定形片段保持伸长状态。这使纤维更硬、更结实。去除外力后，无定形链段回弹，纤维恢复到松弛状态。通过使用氨纶纤维的弹性特性，科学家可以制造出具有理想拉伸和强度特性的织物。

氨纶纤维的主要用途是织物。出于多种原因，它们很有用。首先，它们可以反复拉伸，并且几乎可以完全恢复到原始大小和形状。其次，它们重量轻、柔软且光滑。此外，它们很容易染色。它们还具有弹性，因为它们能够抵抗磨损以及身体油脂、汗水和清洁剂的有害影响。它们与其他材料兼容，并且可以与其他类型的纤维一起纺成具有两种纤维特性的独特织物。

氨纶用于各种不同的服装类型。由于它重量轻且不限制运动，因此最常用于运动装。这包括泳装、自行车裤和运动服等服装。氨纶的贴身特性使其非常适合用于内衣。因此，它用于腰带、支撑软管、胸罩和三角裤。

历史

氨纶的开发始于二战时期。此时，化学家接受了开发橡胶合成替代品的挑战。两个主要的激励因素促使他们进行研究。首先，战争需要大部分可用的橡胶来制造设备。二是橡胶价格不稳定，波动频繁。开发橡胶的替代品可以解决这两个问题。

起初，他们的目标是开发一种基于合成聚合物的耐用弹性线。 1940 年，生产出第一批聚氨酯弹性体。这些聚合物生产出可混炼的树胶，是橡胶的充分替代品。大约在同一时间，杜邦的科学家们生产出了第一批尼龙聚合物。这些早期的尼龙聚合物既坚硬又坚硬，因此开始努力使它们更具弹性。当科学家发现其他聚氨酯可以制成细线时，他们决定这些材料可能用于制造更具拉伸性的尼龙或制造轻便的服装。

第一批氨纶纤维是由聚合物化学领域的早期先驱之一 Farbenfabriken Bayer 在实验水平上生产的。 1952 年，他的合成获得了德国专利。这种纤维的最终开发是由杜邦和美国橡胶公司的科学家独立完成的。杜邦公司使用品牌名称 Lycra 并于 1962 年开始全面生产。他们目前是氨纶纤维生产的世界领先者。

原材料

多种原材料用于生产可拉伸的氨纶纤维。这包括产生纤维主链的预聚物、保护聚合物完整性的稳定剂和着色剂。

两种类型的预聚物反应生成氨纶纤维聚合物骨架。一种是柔性大乙二醇，而另一种是刚性二异氰酸酯。大分子二醇可以是聚酯、聚醚、聚碳酸酯、聚己内酯或这些的一些组合。这些是长链聚合物，两端都有羟基 (-OH)。这些分子的重要特征是它们又长又灵活。氨纶纤维的这部分负责其拉伸特性。用于生产氨纶的另一种预聚物是聚合二异氰酸酯。这是一种较短链的聚合物，两端都有异氰酸酯 (-NCO) 基团。这种分子的主要特征是它的刚性。在纤维中，这种分子提供强度。

纽约市的 Jacob Kindliman 于 1890 年设计的紧身胸衣。 （来自密歇根州迪尔伯恩亨利福特博物馆和格林菲尔德村的藏品。）

这件紧身胸衣的躯干是由纽约市的 Jacob Kindliman 于 1890 年制作的。 Kindliman 是紧身胸衣，几乎不需要做广告。那个时候，女性认为有必要穿紧身胸衣，直到 20 世纪初才认为自己穿着不雅。紧身胸衣是一件多合一服装中的胸罩-腰带-腰身的组合，形成了时装的基础造型。

在氨纶之前的日子里，紧身胸衣如何有效地塑造身体轮廓？在 18 世纪，当紧身衣系紧时，紧身胸衣上厚厚的绗缝和结实的接缝塑造了身体的形状。在 19 世纪早期，鲸须，一种来自须鲸口中的多骨但可弯曲的物质，被缝在紧身胸衣的接缝处（因此称为鲸骨紧身胸衣），但是像这样的 1800 年代后期紧身胸衣被用细小的细条加固用织物覆盖的钢。这种钢包紧身胸衣不允许运动或舒适。到第一次世界大战时，美国女性开始将紧身胸衣的一部分分成两件衣服——腰带（腰部和臀部整形器）和抹胸（用于支撑和塑造乳房的柔软带子）。

南希 EV Bryk

当两种类型的预聚物混合在一起时，它们相互作用形成氨纶纤维。在该反应中，羟基 干纺工艺。 大分子二醇上的基团 (-OH) 与异氰酸酯反应。每个分子都添加到另一个分子的末端，形成长链聚合物。这被称为逐步增长或加成聚合。要引发该反应，必须使用催化剂，例如重氮双环 [2.2.2] 辛烷。添加其他低分子量胺以控制纤维的分子量。

氨纶纤维很容易受到各种来源的损坏，包括热量、轻微的大气污染物和氯。为此，添加稳定剂以保护纤维。抗氧化剂是一种稳定剂。

各种抗氧化剂被添加到纤维中，包括单体和聚合受阻酚。为了防止光降解，添加了紫外线 (UV) 屏蔽剂，例如羟基苯并三唑。抑制由大气污染物引起的纤维变色的化合物是另一种添加的稳定剂。这些通常是具有叔胺官能团的化合物，可与空气污染中的氮氧化物相互作用。由于氨纶常用于泳装，防霉 湿纺工艺。还必须添加添加剂。添加到氨纶纤维中的所有稳定剂都设计为耐溶剂暴露，因为这可能会对纤维产生破坏作用。

首次生产时，氨纶纤维是白色的。因此，添加着色剂以改善它们的美学外观。通常使用分散染料和酸性染料。如果氨纶纤维与尼龙或涤纶等其他纤维交织，则需要特殊的染色方法。

制造
过程

氨纶纤维以四种不同的方式生产，包括熔体挤出、反应纺丝、溶液干纺和溶液湿纺。这些方法中的每一种都涉及使单体反应以产生预聚物的初始步骤。然后预聚物以各种方式进一步反应，并被拉出以产生长纤维。由于溶液干纺用于生产世界上 90% 以上的氨纶纤维，因此对其进行了描述。

聚合物反应

• 1 生产氨纶的第一步是生产预聚物。这是通过将大乙二醇与二异氰酸酯单体混合来完成的。这些化合物在反应容器中混合，并在合适的条件下反应形成预聚物。由于成分材料的比例产生具有不同特性的纤维，因此受到严格控制。二醇与二异氰酸酯的典型比例可为1:2。
• 2 在干纺纤维生产中，预聚物进一步与等量的二胺反应。这被称为扩链反应。所得溶液用溶剂稀释以制备纺丝溶液。溶剂有助于使溶液更稀，更容易处理。然后可以将其泵入纤维生产单元。

生产纤维

• 3 纺丝溶液被泵入圆柱形纺丝单元，在那里固化并转化为纤维。在这个单元中，聚合物溶液被迫通过一个金属板，称为喷丝板，上面有小孔。这导致溶液以液态聚合物线排列。当股线通过电解槽时，它们在氮气和溶剂气体存在下被加热。这些条件导致液体聚合物发生化学反应并形成固体线。
• 4 当纤维离开单元时，特定数量的实心线束被捆绑在一起以产生所需的厚度。这是通过将纤维捻在一起的压缩空气装置来完成的。实际上，氨纶的每一根纤维都由许多较小的单根纤维组成，由于其表面的天然粘性，这些纤维相互粘附。

最终处理

• 5 然后用整理剂处理纤维。这可以是硬脂酸镁或另一种聚合物，例如聚（二甲基-硅氧烷）。这些整理材料可防止纤维粘在一起并有助于纺织品制造。在此处理之后，纤维通过一系列辊被转移到线轴上。整个过程的卷绕速度可以在每分钟 300-500 英里（482.7-804.5 公里）之间，具体取决于纤维的粗细。
• 6 线轴装满纤维后，将进行最终包装并运送给纺织品制造商和其他客户。在这里，纤维可以与其他纤维（例如棉或尼龙）一起编织以生产用于服装制造的织物。这种织物也可以染色以产生所需的颜色。

质量控制

为确保氨纶纤维的质量，制造商在每个生产阶段对产品进行监控。检查从对进货原材料的评估开始。测试了各种化学和物理特性。例如，可以检查二异氰酸酯的 pH 值、比重和粘度。此外，还可以评估外观、颜色和气味。只有对原材料进行严格的质量控制检查，制造商才能确保他们生产出一致的最终产品。生产后，对氨纶纤维也进行了测试。这些测试可能包括评估纤维弹性、回弹性和吸收性的测试。

未来

自首次开发以来，氨纶纤维的质量不断提高。各个研究领域将有助于继续改进。例如，科学家们发现，通过改变起始预聚物，他们可以开发出具有更好拉伸特性的纤维。其他特性可以通过使用不同的预聚物比例、更好的催化剂和各种填料来改善。除了氨纶纤维的改进外，很可能会生产出将氨纶纤维与传统纤维结合在一起的高级织物。目前，可以使用尼龙/氨纶纤维混合物。最后，还将发现制造方面的改进。这些将专注于更快、更有效地生产纤维。