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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]
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.
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。
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:
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:
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。
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。
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:
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