第九章拉伸工藝原理

1、第九章 拉伸工藝原理第一節(jié) 概 述一、拉伸的目的和作用前幾章討論了成纖高聚物的紡絲成形工藝原理。通過紡絲成形的初生纖維，不論是由熔紡成形的卷繞絲，還是濕紡成形的凝固絲，它們的強力都很低，伸長大，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，遠不符合紡織加工的要求。初生纖維必須通過一系列后加工（或稱后紡）工序之后，才能具有一定的物理-機械性能和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能符合紡織加工的要求，并具有優(yōu)良的使用性能。在初生纖維后加工過程中，最主要的并對纖維的結(jié)構(gòu)與性能影響最大的是拉伸和熱定型兩道工序。拉伸常稱為合成纖維的二次成形，它是提高纖維物理-機械性能必不可少的手段，同時也是檢驗其前面各道工序進行得好壞的關(guān)口。在拉伸過程，纖維的大分子鏈或聚

2、集態(tài)結(jié)構(gòu)單元發(fā)生舒展，并沿纖維軸向排列取向。在取向的同時，通常伴隨著相態(tài)的變化，以及其他結(jié)構(gòu)特征的變化。各種初生纖維在拉伸過程中所發(fā)生的結(jié)構(gòu)和性能的變化并不相同，但有一個共同點，即纖維的低序區(qū)（對結(jié)晶高聚物來說即為非晶區(qū)）的大分子沿纖維軸向的取向度大大提高，同時伴有密度、結(jié)晶度等其它結(jié)構(gòu)方面的變化。由于纖維內(nèi)大分子沿纖維軸取向，形成并增加了氫鍵、偶極鍵以及其他類型的分子間力，纖維承受外加張力的分子量數(shù)目增加了，從而使纖維的斷裂強度顯著提高，延伸度下降，耐磨性和對各種不同類型形變的疲勞強度亦明顯提高。二、拉伸過程的進行方式 在化學(xué)纖維生產(chǎn)中，拉伸是緊接著紡絲工序而連續(xù)地進行的，或者與紡絲工序分開

3、，以預(yù)先卷裝在筒子上或盛絲桶中的卷繞絲或初生纖維來進行拉伸。初生纖維的拉伸可一次完成，也有的必須進行分段拉伸。纖維的總拉伸倍數(shù)是各段拉伸倍數(shù)的乘積。一般熔紡纖維的總拉伸倍數(shù)約為3.07.0；濕紡纖維拉伸倍數(shù)可達812倍；某些高強高模纖維，采用凍膠紡絲法，拉伸倍數(shù)達幾十到上百倍。纖維的品種和紡絲方法不同，初生纖維的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不一樣，拉伸的條件和方式就不相同。纖維拉伸的方式，若按拉伸時纖維所處的介質(zhì)來分，一般有干拉伸、蒸汽浴拉伸和濕拉伸三種。干拉伸是指拉伸時初生纖維處于空氣包圍之中，纖維與空氣介質(zhì)及加熱之間有熱量傳遞。干拉伸又可分為室溫拉伸和熱拉伸。室溫拉伸一般適應(yīng)于玻璃化溫度（）在室溫附近的初生

4、纖維；熱拉伸是用熱盤、熱板或熱箱加熱，適用于較高、拉伸應(yīng)力較大或纖度較粗的纖維，通過加熱使纖維的溫度生高到以上，促使分子鏈段運動，降低拉伸應(yīng)力，有利于拉伸順利進行。蒸汽浴拉伸是指拉伸時纖維被包圍在飽和蒸汽或過熱蒸汽之中，由于加熱和水分子的增塑作用，使纖維的拉伸應(yīng)力有較大的下降。濕拉伸是指拉伸時纖維被液體介質(zhì)所包圍，有熱量傳遞，在成形過程中的拉伸還可能有傳質(zhì)過程甚至有化學(xué)反應(yīng)。由于拉伸時纖維完全浸在浴液之中，纖維與介質(zhì)之間的傳熱、傳質(zhì)過程進行得較快且較均勻。此外，還有將熱水或熱油劑噴淋到纖維上，邊加熱邊拉伸的噴絲法，亦是濕拉伸的一種。近年來，采用熔法高速紡絲，卷繞絲速度在3500m/min以上，

5、有的高達6000m/min以上，所得的卷繞絲稱為部分取向絲(poy)或接近于完全取向絲(foy)，這些可省去后拉伸后拉伸工序，直接用于變形紗加工。還有高速紡絲拉伸聯(lián)合制得的全拉伸絲（fdy），可使紡絲與拉伸一步進行。實質(zhì)上，高速紡絲過程中，在克服氣流對絲條很大摩擦力的同時，絲條已經(jīng)受了部分或充分拉伸。為了取得最佳拉伸工藝條件，必須對初生纖維在拉伸線上的形變行為、纖維拉伸的運動學(xué)、動力學(xué)和拉伸機理，以及纖維在拉伸過程中結(jié)構(gòu)與性能的變化等進行系統(tǒng)了解。對此將在以下各節(jié)中討論。第二節(jié) 拉伸過程中應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)的變化拉伸曲線一、拉伸曲線的基本類型初生纖維在拉伸過程中的力學(xué)行為強烈依賴于纖維的結(jié)構(gòu)和拉伸條

6、件。在拉伸過程中，應(yīng)力和應(yīng)變不斷地發(fā)生變化。反映初生纖維拉伸時應(yīng)力-應(yīng)變變化的曲線又稱拉伸曲線。初生纖維的拉伸，實際上是一種單軸拉伸形變。原則上，可用材料的負荷-拉伸試驗測定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來預(yù)示拉伸線上的力學(xué)行為。在材料的負荷拉伸試驗中，試樣所受的拉伸應(yīng)力為，對于小的伸長，通常將應(yīng)變（或伸長率）定義為；，即拉伸后的長度與原長之差。稱為工程應(yīng)變或cachy應(yīng)變。但對于大的伸長，則采用由瞬時伸長定義的應(yīng)變，稱為真應(yīng)變或henky應(yīng)變，記為： （9-1）式中為拉伸比（或拉伸倍數(shù)）。初生纖維的拉伸比可用連續(xù)拉伸時的拉伸速度與喂絲速度之比來表示，即。拉伸時，試樣截面積的變化將影響式樣所受的實際應(yīng)力，因

7、此應(yīng)力有真實應(yīng)力與許用應(yīng)力之分：真實應(yīng)力拉伸時的真實應(yīng)力為： （9-2）許用應(yīng)力a許用應(yīng)力a則為： （9-3）式中：表示所施加的張力；為拉伸過程中試樣的真實截面積；為式樣的原始截面積。如試樣體積保持不變，則和之間有下列換算關(guān)系：（根據(jù)cachy定義得出） （9-4） （根據(jù)hencky定義得出） （9-5）如在恒定張力下進行拉伸，由于試樣截面積逐漸減小，故真實應(yīng)力隨伸長的增大而增大，而許用應(yīng)力則與或無關(guān)。各種初生纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（簡稱s-s曲線）可歸納為如圖9-1所示的三種基本類型。（一）a型圖9-1中，a型曲線呈凸型（convex），模量隨著形變的發(fā)展而減小。其數(shù)學(xué)表達式為： （9-6）

8、圖9-1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的基本類型表明模量對應(yīng)變的變化率是負值。由圖中型的曲線可見。隨著的增大，許用應(yīng)力到達臨界點，即到達最大值（稱為屈服應(yīng)力），隨后急速下降，出現(xiàn)應(yīng)力集中和細化點。因為模量下降，纖維經(jīng)不起拉伸，很快就被拉斷，也就是當纖維克服了屈服應(yīng)力而開始朔性形變，就立刻斷裂。朔料和金屬材料的拉伸屬于這種類型。應(yīng)力-應(yīng)變行為呈這種類型的初生纖維是不可拉伸的（拉伸時出現(xiàn)脆性斷裂），應(yīng)設(shè)法避免初生纖維出現(xiàn)這種應(yīng)力-應(yīng)變行為。（二）型圖9-1中，型曲線呈凸型（concave）。0 （9-7）表明初生纖維在拉伸時，模量不斷增加，即模量隨著應(yīng)變的增大而增大，纖維在拉伸過程中發(fā)生自增強作用。正因為纖維自

9、增強，所以不出現(xiàn)細化點，能承受更大的拉伸應(yīng)力，拉伸可順利進行。這種拉伸不會出現(xiàn)應(yīng)力集中，是屬于均勻拉伸。硫化橡膠的s-s曲線就是典型的曲線，由于橡膠交聯(lián)鍵之間的大分子鏈，在拉伸時取向并導(dǎo)致結(jié)晶，因而模量增加。拉伸曲線呈這種類型的初生纖維，其可拉伸性是好的，應(yīng)創(chuàng)造條件使初生纖維具備這種應(yīng)力-應(yīng)變曲線。濕法紡絲成形的凝固絲，是一種高度溶脹的凍膠體，由大分子間的物理交聯(lián)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿著液體（溶劑或沉淀劑），這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與硫化橡膠由某些相似之處，所以，濕紡凝固絲的s-s曲線基本上屬于型曲線，拉伸時一般不會出現(xiàn)細頸現(xiàn)象。圖9-2是典型的凍膠體初生纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖9-2 凍膠體初生纖維的拉

10、伸曲線（三）形（先凸后凹形）從圖9-1（）看出，在曲線上有屈服點，還有幾乎不變的平臺區(qū)。在小形變區(qū)內(nèi)，即時，形變時均勻且可逆的，相當于彈性形變。在區(qū)內(nèi)，形變先是集中在一個或多個細頸處，繼而細頸逐步發(fā)展，在此區(qū)域內(nèi)，拉伸屬于不均勻拉伸，形變主要是不可逆的塑性形變。當時，形變又是均勻的，拉伸應(yīng)力逐漸增大，形變也隨之增大直至斷裂。具有型應(yīng)力-應(yīng)變曲線的拉伸過程又稱冷拉過程。 本體高聚物初生纖維，如滌綸、錦綸和丙綸的熔紡卷繞絲，在附近拉伸時，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本屬于c型曲線，如圖9-3所示。分析圖9-3所示的拉伸曲線，可以了解熔紡卷繞絲拉伸時的力學(xué)行為。圖9-3 熔紡圈繞絲的拉伸曲線（1）形變的初始階

11、段，為一很陡的直線段，此時發(fā)生單位形變的應(yīng)力很大，即楊氏模量很大，而總的形變量很小，這時纖維的形變符合彈性定律，屬于普彈形變。（2）段，開始偏離直線，但仍基本上是可復(fù)的。此時曲線的斜率隨拉伸倍數(shù)的提高而下降，即此時使纖維發(fā)生單位形變的應(yīng)力雖仍在增加，但增加的速率有所減小。到點時，應(yīng)力達到極大值。點稱為屈服點，與之對應(yīng)的應(yīng)力即為屈服應(yīng)力。（3）段，應(yīng)力稍有下降，與此同時，在纖維的一處或幾處出現(xiàn)細頸。在這一段中，應(yīng)力下降的原因可能是由于纖維在拉伸時放熱，使纖維發(fā)生軟化所致。應(yīng)該指出，在曲線上，真應(yīng)力不一定下降，只是應(yīng)力增加的速率有所減少，稱之為應(yīng)變軟化現(xiàn)象。段是細頸發(fā)生階段，在生產(chǎn)上通常所說的“拉

12、伸點”或“拉伸區(qū)”，就是指細頸產(chǎn)生的具體位置?？刂坪美禳c或拉伸區(qū)的位置，使其固定，是拉伸工藝中重要的條件之一。（4）段是細頸的發(fā)展階段。此時，未拉細的部分逐漸被拉細而消失，在到達點時，細頸發(fā)展到整根纖維。此段中形變有很大變化，但應(yīng)力卻保持不變。這時的應(yīng)力記為拉伸應(yīng)力。在此階段，尚未轉(zhuǎn)變?yōu)榧氼i的未拉伸部分的纖維繼續(xù)變?yōu)榧氼i，所以這時需要的應(yīng)力和最初生成的應(yīng)力大致相等，因此，在段，應(yīng)力不隨拉伸倍數(shù)而變化，成為平臺區(qū)。與點相對應(yīng)的拉伸倍數(shù)稱為自然拉伸比，記為。自然拉伸比可定義為原纖維的截面積和細頸截面積之比。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，顯然有： （9-8）式中：分別為拉伸前后纖維的密度；、分別為纖維的原始長

13、度與完全變?yōu)榧氼i時的長度。由于拉伸前后纖維的密度變化不大，所以有：。自然拉伸比是材料可拉伸性的一個重要指標。（5）段，過了點，要使已全部變?yōu)榧氼i的樣品再繼續(xù)被拉細，需要施以更大的應(yīng)力，所以應(yīng)力又上升，纖維形態(tài)變化表現(xiàn)為直徑均勻地同時變細，直至點，拉伸應(yīng)力增加到纖維的強度極限，于是纖維發(fā)生斷裂。與點相對應(yīng)的拉伸倍數(shù)稱為最大拉伸倍數(shù)。點的應(yīng)力稱為斷裂應(yīng)力（亦稱斷裂強度），相應(yīng)的應(yīng)變稱為斷裂伸長。由于在段需要加大應(yīng)力才能使纖維繼續(xù)發(fā)生變形，所以這一段又稱為應(yīng)變硬化區(qū)。觀察拉伸過程中纖維粗細（纖度）的變化，發(fā)現(xiàn)和段纖維是均勻的，越過點以后，在段，因細頸的產(chǎn)生和開始發(fā)展，纖維粗細極不均勻，在拉伸的纖維中

14、，已成為細頸的部分和未成為細頸的部分交替出現(xiàn)。在段，越向右端，也就是拉伸倍數(shù)越高，纖維的粗細愈趨于均勻，超過點后，就成為粗細均勻的纖維。所以，在生產(chǎn)工藝上，一定要控制纖維的實際拉伸倍數(shù)，使之大于自然拉伸比而小于最大拉伸比。以上是初生纖維拉伸曲線的三種基本類型。在某些條件下，初生纖維拉伸時，可能伴隨有張力或應(yīng)力的周期性波動，可把這種變形稱為型變形（參閱圖9-63）。原則上，對于任何給定的試料，應(yīng)能借選擇不同的拉伸條件以使應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈a型、b型或c型。很明顯，如拉伸過程在出現(xiàn)a型或b型形變特征的條件下進行，則不可能得到均勻的纖維。因此應(yīng)適當選擇并控制紡絲條件，以使所得的初生纖維有良好的拉伸性能

15、，從而獲得質(zhì)量良好的纖維。二、初生纖維結(jié)構(gòu)對拉伸性能的影響初生纖維的結(jié)構(gòu)包括分子鏈結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)。對一種給定的纖維來說，大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本上是固定的，分子鏈結(jié)構(gòu)指的是高聚物的分子量極其分布，而超分子結(jié)構(gòu)主要是指結(jié)晶和取向，也就是指大分子在空間的位置和排列的規(guī)整性。（一）熔紡成形的本體高聚物卷繞絲1.結(jié)晶度和結(jié)晶變體的影響 初生纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)對其應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)影響很大。隨著初生纖維結(jié)晶度的增大，使應(yīng)力-應(yīng)變曲線沿著型的方向轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致提高屈服應(yīng)力并增大自然拉伸比?，F(xiàn)已知道，聚乙烯纖維的屈服應(yīng)力與結(jié)晶度（用密度表征）呈線形關(guān)系（見圖9-4）。聚偏二氯乙烯初生纖維一旦發(fā)生結(jié)晶就根本不可能拉伸，即拉

16、伸時呈a型脆性破裂。圖9-5、圖9-6分別為滌綸未拉伸絲的結(jié)晶度對屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變的影響?？梢姡?50結(jié)晶度范圍內(nèi)，屈服應(yīng)力隨結(jié)晶度的提高而有所增大，結(jié)晶度對屈服應(yīng)變的影響更為明顯。對于有不同結(jié)晶變體的高聚物，其拉伸行為與各種結(jié)晶變體的相對含量有關(guān)。丙綸初生纖維結(jié)晶由六方晶系的變體向單斜晶系的變體轉(zhuǎn)變時，拉伸曲線向著增大應(yīng)力的方向轉(zhuǎn)化，結(jié)晶變體的相對含量不同，其最大拉伸比亦有很大的不同。圖9-4 高密度聚乙烯的屈服應(yīng)力與密度的關(guān)系圖9-5 結(jié)晶度對滌綸未拉伸絲屈服應(yīng)力的影響圖9-6 結(jié)晶度對滌綸未拉伸絲屈服應(yīng)力的影響錦綸6的各種結(jié)晶變體的拉伸行為是不同的。圖9-7表明不同結(jié)晶變體的錦綸6拉

17、伸溫度的關(guān)系。由圖可見， 型結(jié)晶變體的拉伸應(yīng)力遠較型變體為大。因為變體是扭曲圓柱狀，只有二維有序的向列晶，而且大分子間氫鍵形成甚少，即大分子間作用力相對較低，所以拉伸應(yīng)力也比較低。在一般紡絲成形條件下，得到的是變體。為了保持良好的可拉伸性，在拉伸前要防止初生纖維從變體轉(zhuǎn)化為 型變體。圖9-7 不同結(jié)晶變體的錦綸6的拉伸應(yīng)力圖9-8 屈服應(yīng)力和初始模量與滌綸未拉伸絲預(yù)取向度的依賴關(guān)系2預(yù)取向度的影響 一般熔紡初生纖維的預(yù)取向度都較低，但它對后拉伸的影響卻不應(yīng)忽視。隨著初生纖維預(yù)向度的增大，形變特性沿著型的方向轉(zhuǎn)化，即自然拉伸比有所減少，并轉(zhuǎn)化為均勻拉伸，屈服應(yīng)力和初始模量都有所增大。圖9-8表明

18、滌綸未拉伸絲預(yù)取向度對屈服應(yīng)力和初始模量的影響。圖9-9為錦綸66的屈服應(yīng)力與預(yù)取向雙折射的關(guān)系曲線。由圖可見，錦綸66初生纖維的預(yù)取向度增大時，其屈服應(yīng)力大為提高，這種情況下，易于出現(xiàn)毛絲斷頭，給后拉伸帶來困難。圖9-9 錦綸66的屈服應(yīng)力與預(yù)取向雙折射的關(guān)系圖9-10為不同預(yù)取向的錦綸6初生纖維的拉伸曲線。有圖可見，在紡絲過程中產(chǎn)生的預(yù)取向?qū)﹀\綸6的拉伸行為有顯著的影響。低預(yù)取向試樣拉伸時，有細頸現(xiàn)象，并有表征塑性流動的標平臺區(qū)（曲線2）；高預(yù)取向纖維拉伸時，則顯示均勻拉伸形變，初始模量明顯加大，而最大拉伸倍數(shù)則較小。圖9-10 錦綸6初生長纖維的拉伸特性1=3800m/min，=3321

19、0-42=800m/min，=161-4初生纖維的預(yù)取向度對自然拉伸比的影響很大。圖9-11表明滌綸初生纖維的自然拉伸比對預(yù)取向度非常敏感。圖9-11 滌綸初生纖維的預(yù)取向度對自然拉伸比的影響如果研究初生纖維的拉伸與收縮，將發(fā)現(xiàn)一個有意義的結(jié)果：設(shè)初生纖維是試樣的長度為，如果允許纖維收縮到各向同性狀態(tài)，這時初生纖維是試樣的長度為，則纖維的收縮率為： （9-9）當初生纖維拉伸至自然拉伸比所對應(yīng)的長度時，則自然拉伸比，二式合并后得： （9-10）表9-1列出了一系列具有不同預(yù)取向度的滌綸未拉伸絲的的值。表91具有不同預(yù)取向度的滌綸卷繞絲的拉伸性能預(yù)取向雙折射值（）自然拉伸比（n）收縮率（s）1s0

20、.6540250.0420.95840441.63.700.0940.9064.083.853.320.1600.8403.964.23.050.2020.7883.837.22.720.3200.6804.019.22.580.3780.6224.14由表可見，隨著未拉伸絲預(yù)取向度的增大，收縮率亦增大，而自然拉伸比則下降。值得注意的是，自然拉伸比從4.25見減小至2.58，收縮率s從0.042增大至0.378，而比值基本上為一常數(shù)。這說明冷拉伸相當于紡絲時所形成網(wǎng)絡(luò)的被拉伸，冷拉的極限決定于網(wǎng)絡(luò)全部被“拉直”，只要把網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起的連結(jié)點不裂開，大分子鏈中的鍵也不斷裂，網(wǎng)絡(luò)全部伸直后的長度與

21、未伸直度之比就基本上是一常數(shù)，而不論這種伸直是由紡絲過程、熱拉伸過程或冷拉伸過程所造成。但冷拉時能拉伸的程度則與原始樣品中網(wǎng)絡(luò)是否伸展（預(yù)取向）有關(guān)。總之，為了提高初生纖維的可拉伸性，使拉伸倍率增大，拉伸順利，并使成品纖維強度較大，斷裂伸長較小，應(yīng)適當控制紡絲條件，不要使初生纖維預(yù)取向度太高。當然，這是指一般紡絲工藝而言，如前已指出，采用告訴紡絲新工藝（紡絲速度達6000 m/min以上）時，則初生纖維已接近完全取向纖維（foy）的水平，不需要進行后拉伸。 3.初生纖維分子量的影響 關(guān)于分子量和分子量分布對纖維拉伸性能的影響所知不多。可能平均分子量和分子量分布因與微brown運動和松弛特性有關(guān)

22、，故應(yīng)對拉伸應(yīng)力和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀有影響，特別是對于型形變。一般說，隨著初生纖維分子量的增大，拉伸時的屈服應(yīng)力有所提高。初生纖維要避免型的不可拉伸的情況，就必須具備一定的初始模量和較高的斷裂強度，才能經(jīng)得起一定應(yīng)力下的拉伸作用而不致一拉就斷。表9-2列出可不同分子量滌綸卷繞絲的最大拉伸倍數(shù)和斷裂強度與拉伸加熱器溫度的關(guān)系。由表可見，在相同拉伸溫度下，卷繞絲分子量提高，最大拉伸倍數(shù)有所下降，斷裂強度則反而有所增大。對于分子量較高的卷繞絲，要以相同的拉伸倍數(shù)進行拉伸，必須相應(yīng)提高拉伸溫度。表9-2還表明，分子量較低的滌綸卷繞絲拉伸時，開始粘附在加熱器上的溫度也較低，妨礙它到達適宜的拉伸溫度，不

23、利于高強力纖維的制備。表9-2 滌綸卷繞絲分子量和拉伸加熱器溫度對最大拉伸倍數(shù)和纖維強度的影響拉伸加熱溫度（）最大拉伸倍數(shù)纖維斷裂強度（cn/dtex）m=17500m=22000m=17500m=220005070901101304.804.85 4.855.004.504.504.504.95 5.00*3.343.533.924.224.034.324.625.005.20 絲粘附在加熱器上圖9-12顯示兩種組成相近但分子量不同的乙烯-乙烯醇共聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖中試樣的，試樣的，即試樣的數(shù)均分子量只有到2/3。這在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上就表現(xiàn)出很大的差別：試樣強而韌，可拉伸性好；而試樣則

24、硬而脆，一拉就斷。這說明分子量不達到一定值，是承受不起拉伸應(yīng)力的。換句話說，要使初生纖維具有可拉伸性，分子量應(yīng)達到某一數(shù)值。圖9-12 乙烯-乙烯醇共聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線但也不是說，初生纖維的分子量越大越好。事實上，隨著分子量的增加，大分子間的作用力加強，大分子鏈相互纏結(jié)程度加強，使分子間的相對滑移困難，即難以實現(xiàn)塑性形變。所以，分子量如超過一定限度，反而會使纖維的可拉伸性降低。初生纖維的結(jié)構(gòu)對其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響可用圖9-13加以概括。即隨著結(jié)晶度或取向度的增大，初始模量增大，屈服應(yīng)力增大而斷裂伸長則減小，斷裂點的軌跡沿箭頭所示的方向變化。分子量增大時，斷裂功增大（韌性增大），應(yīng)力-應(yīng)

25、變曲線向更高斷裂強度和斷裂伸長的方向移動。圖9-13 高聚物結(jié)構(gòu)對應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響應(yīng)該指出，除初生纖維的結(jié)晶、取向和分子量對其拉伸性能有很大影響外，當初生纖維內(nèi)包含與纖維直徑大小相當?shù)臍馀莺凸腆w粒子（包含凝聚粒子、消光劑tio2等）時，這種初生纖維就經(jīng)不起拉伸作用，在較小的拉伸作用下就會發(fā)生斷裂。由于紡絲成形時工藝控制不當，在初生纖維內(nèi)出現(xiàn)的裂縫或纖度波動，產(chǎn)生過分細的橫截面等也是拉伸的薄弱環(huán)節(jié)，亦會使纖維的拉伸性能變壞。（二）濕紡成形的凍膠體凝固絲濕紡時，紡絲原液凝固浴中由于脫溶劑化而凝固形成的初生纖維，是一種高度溶脹的立體網(wǎng)絡(luò)狀的凍膠體（見圖9-14）。圖9 -14 凍膠結(jié)構(gòu)示意圖a-

26、交聯(lián)點 b-溶劑化層 c-溶劑與沉淀劑立體網(wǎng)絡(luò)的骨架由大分子或大分子鏈束結(jié)構(gòu)，大分子間的纏結(jié)（由分子脫溶劑化后相互作用而形成）的這個骨架的物理交聯(lián)點。在沒有交聯(lián)的地方，鏈段仍保持一定的溶劑化層，在網(wǎng)絡(luò)骨架的空隙中充滿著溶劑與沉淀劑的混合物。前已指出，濕紡初生纖維的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性屬于均勻拉伸，一般沒有明顯的屈服應(yīng)力，也不產(chǎn)生細頸現(xiàn)象，而凝固絲是形成條件對凍膠體的可拉伸性影響很大。圖9-15表明紡絲條件圖9-15 紡絲條件對腈綸最大拉伸比影響（浴中溶劑含量、浸浴長、浴溫）對腈綸初生纖維可拉伸性的影響。一般認為，浴溫越低，雙擴散速度越慢，聚丙稀腈從溶液中沉淀出來的速度也越慢，網(wǎng)絡(luò)骨架也就越細密，

27、凍膠中的內(nèi)力也越小，拉伸性能就越好。在紡絲條件中，以浴中溶劑含量對可拉伸性的影響最顯著，這一點可從圖9-16中更清楚地看出。顯然，隨著紡絲浴中溶劑含量的增加，初生纖維中的溶劑含量也就增加，拉伸應(yīng)力就減小，最大拉伸比則增大。纖維中溶劑含量的增大起了增塑作用，使凍膠更具有彈性和塑性。但是凍膠中溶劑含量也不是越多越好，因為溶劑太多，立體網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點數(shù)目就較少，網(wǎng)絡(luò)較弱，強度必然較低，就經(jīng)不起高倍拉伸。所以在拉伸前，必須調(diào)節(jié)凝固絲的溶脹度，使結(jié)構(gòu)交聯(lián)點具有適宜的強度，也就是工廠里所稱凝固絲的預(yù)熱（離漿）處理。有文獻報道，濕紡的腈綸凝固絲拉伸時，在一定條件下，也能產(chǎn)生細頸而成為不均勻拉伸（詳見下節(jié)）。圖

28、9-16 凝固浴中溶劑含量對腈綸初生纖維應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響（溶劑：dmso，圖中數(shù)字為浴中溶劑濃度%）近年來，有利于凍膠紡絲制取高強高模纖維是報導(dǎo)。例如，超高分子量的聚乙烯（分子量約為）采用凍膠紡絲-熱拉伸工藝制取高強高模聚乙烯纖維。凍膠纖維的拉伸倍數(shù)均在20倍以上，遠遠超過熔紡或濕紡纖維的拉伸倍數(shù)，故稱超拉伸。在凍膠纖維拉伸過程中，影響拉伸倍數(shù)的主要因素之一是纖維內(nèi)大分子鏈的纏結(jié)點的數(shù)目。表9-3是超高分子量聚乙烯紡絲時成形纖維的最大拉伸倍數(shù)沒有差別，而稀溶液擠出成形纖維的最大拉伸倍數(shù)則要高出5倍多。如果設(shè)法除去凍膠絲中的溶劑，然后再在120下進行熱拉伸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)去溶劑的凍膠絲可拉伸2

29、2倍。由此可以推斷，影響纖維拉伸倍數(shù)的關(guān)鍵在于凍膠絲的結(jié)構(gòu)特征。由于溶劑存在，使凍膠纖維中鏈纏結(jié)交聯(lián)點的數(shù)目減少，從而提高了纖維的最大拉伸倍數(shù)。這與采用濃溶液濕紡凝固絲的情況有所不同。9-3 紡絲溶液濃度對最大拉伸倍數(shù)的影響紡絲方法紡絲溶液濃度（%）拉 伸最大拉伸倍數(shù)初生纖維中溶劑含量（%）溫度（）熔紡濕紡凍膠紡10050-902201015980120120120120553232三、拉伸條件的影響影響初生纖維應(yīng)力-應(yīng)變行為的重要的條件是拉伸溫度和拉伸速率。1.拉伸溫度 初生纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對溫度非常敏感。圖9-17是一種未取向的結(jié)晶高聚物在不同溫度范圍內(nèi)的典型拉伸曲線。在以下拉伸時，高

30、聚物的行為象一種脆性固體，形變曲線呈a型，這由圖9-17中曲線1、2和3明顯可見。這些曲線顯示了包括彈性伸長、短程塑性流動和細化段裂等三個階段。在拉伸時，發(fā)生脆性斷裂而沒有塑性流動。例如滌綸在20以下拉伸時，會發(fā)生脆性斷裂，而其則較此溫度高出5060；與此相似，聚偏二乙烯纖維在（80）纖維在20以下拉伸時，也會發(fā)生脆性斷裂。而錦綸（）則在-20以下拉伸才發(fā)生脆性斷裂。隨著溫度的升高，塑性形變越來越顯著，致使曲線呈型形變。在此區(qū)域內(nèi)，隨著溫度的上升，屈服應(yīng)力有所減小，且顯示塑性形變的水平段（即自然拉伸比）有所縮短（見圖9-17中曲線）。進一步提高溫度時，曲線的極大值和水平段就漸漸消失（曲線），此

31、區(qū)內(nèi)的形變性質(zhì)（型）是類似橡膠物質(zhì)或類橡膠體系的均勻拉伸行為。發(fā)生型型轉(zhuǎn)化的溫度范圍取決材料的本性和形變速率。一般認為在以上拉伸就不出現(xiàn)細頸。應(yīng)該指出，具有速度依賴性，例如，滌綸卷繞絲的約為6769，但在拉力機上以較高速度拉伸時，上升到80左右，而在高溫拉伸的工藝條件下，可達100以上。這就是滌綸卷繞絲在80以上拉伸乃出現(xiàn)細頸的原因。冷拉時，產(chǎn)生細頸的形態(tài)與拉伸溫度有很大關(guān)系。細頸的形態(tài)用細頸角表示（見圖9-18）。顯然，細頸角越小，細頸角越平坦。反之，細頸角越大，細頸越尖銳。 圖9-17 一種高聚物材料在不同溫度下的形變特性圖9-18 細頸的形態(tài)細頸角 肩頸長度圖9-19表明滌綸卷繞絲在不同

32、溫度下拉伸時，細頸角隨細頸點（拉伸點）生長速度見式（9-14）變化的情況。有圖可見，在試驗范圍內(nèi)，在附近細頸角的速度依賴性最大，而且提高溫和降低細頸生長速度對細頸角的變化是等效的。因此，可利用wlf方程將這些數(shù)據(jù)處理為一條總曲線。拉伸時屈服應(yīng)力隨溫度和拉伸速率的變化，也可用wlf方程處理。由此可見，原來針對非晶體高聚物小形變而提出的時-溫等效原理，對于非晶態(tài)甚至晶體高聚物的變形過程，在許多事例中證實也同樣適用。前面提及濕紡凝固絲的拉伸，一般屬于b型的均勻拉伸，但也不是絕對的，往往會受拉伸條件的影響而改變。圖9-20表明以二甲基甲酰胺（dmf）為溶劑的濕紡腈綸在不同溫度下的拉伸曲線。由圖可見，此

33、中纖維在80以下不能很好拉伸，易發(fā)生脆性斷裂；在80120拉伸時，有細頸產(chǎn)生，屬于不均勻拉伸，在120以上才能為均勻拉伸。圖9-19 滌綸卷繞絲在不同溫度下拉伸時，細頸角與細頸生成速率的關(guān)系圖9-20 腈綸初生纖維在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表9-4 幾種主要合成纖維的拉伸溫度纖 維拉伸溫度玻璃化溫度（）溶點（）（或流動溫度）錦綸6錦綸66滌綸腈綸氯綸偏氯綸乙綸20150室溫80以上80120165（在甘油忠）水中809823115；水中90354947；65非晶態(tài)：69；水中：4954部分結(jié)晶：7981高度取向結(jié)晶：12012790105；1409218-21-242232652602643

34、20170220137表9-4為幾種主要合成纖維的拉伸溫度。綜上所述可知，初生纖維拉伸時，適當?shù)靥岣呃鞙囟鹊揭陨鲜潜匾模以诙嗉壚鞎r，隨著拉伸過程中發(fā)生取向和結(jié)晶等結(jié)構(gòu)變化，拉伸溫度要逐級提高。顯然，拉伸溫度應(yīng)低于非結(jié)晶高聚物的粘流溫度或結(jié)晶高聚物的熔點，否則，不可能進行有效的拉伸取向。2拉伸速度 實踐證明，拉伸速度增大時，對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的曲線影響與降低溫度的影響相類似，不難理解，這是符號時-溫等效原理的。在c型形變范圍內(nèi)，隨著拉伸速度的提高，屈服應(yīng)力和自然拉伸比有所增大。有人導(dǎo)出了屈服應(yīng)力與形變速率之間的經(jīng)驗關(guān)系式： （9-11） 此式表示屈服應(yīng)力與成直線關(guān)系（a、b為常數(shù)），適用

35、于許多高聚物體系的c型形變區(qū)域。 如果原來屬于b型形變，則隨著拉伸速度的增大逐漸由b型向c型轉(zhuǎn)變。 拉伸速度對細頸形態(tài)也有影響，圖9-21表明錦綸6單絲拉伸試驗中，細頸角隨的增大而加大，肩頸長度（見圖9-18）隨的增大而減小，亦既細頸現(xiàn)象更為明顯。 圖9-21 錦綸6單絲的細頸尺寸隨拉伸速度的變化1-細頸角 2-細頸長度 滌綸卷繞絲的屈服應(yīng)力和拉伸應(yīng)力隨拉伸速度的變化關(guān)系見圖9-22。屈服應(yīng)力和拉伸應(yīng)力隨拉伸速度增大而不斷增大，這是粘彈過程松弛特征的反映。然而拉伸速度達到1cm/min以上時，拉伸應(yīng)力出現(xiàn)明顯下降，這正是絕熱過程特點的反映，證明此時拉伸放熱所引起的溫升已超過與拉伸速度增大所相當

36、的溫度下降。由于形變產(chǎn)生熱而使溫度升高，拉伸速度越快，則過程更加接近于絕熱條件，此時溫升也越高。當熱量由細頸部分傳遞到未拉伸部分時，后者溫度升高，使發(fā)展細頸所需的拉伸應(yīng)力下降?？梢栽O(shè)想，若沒有絕熱放熱的影響，則拉伸應(yīng)力隨拉伸應(yīng)變速率而增大的后一段曲線應(yīng)如圖9-22中的虛線所示。圖9-22 拉伸速度對滌綸卷繞絲屈服應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的影響1-拉伸應(yīng)力 2-屈服應(yīng)力對于部分結(jié)晶的初生纖維（包括非晶區(qū)和不穩(wěn)定的或不完善的晶體），拉伸速度不宜太快或太慢。拉伸速度太快則產(chǎn)生很大應(yīng)力并使細頸區(qū)局部過熱，產(chǎn)生不均勻流動，可能使纖維形成空洞甚至產(chǎn)生毛絲斷頭；拉伸速度太慢，產(chǎn)生緩慢流動，纖維的拉伸應(yīng)力不足以破壞不穩(wěn)

37、定的結(jié)構(gòu)并隨后使它改建，結(jié)果盡管拉伸倍數(shù)可能很高，但取向效果并不大；拉伸速度適中，則塑性流動時，應(yīng)力足以使不穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，并隨后得到重建，在細頸區(qū)建立了最佳熱平衡，沒有顯著的張力過度，所以得到的纖維缺陷較少。除了拉伸溫度與拉伸速度以外，初生纖維中存在水、溶劑、單體等低分子物質(zhì)亦可影響初生纖維的拉伸，因為這些物質(zhì)的存在，可使大分子間距離增大，減少大分子間的相互作用力，降低松弛活化能，使鏈段和大分子鏈的運動變得容易，從而使高聚物的降低，這種現(xiàn)象稱為增塑作用。增塑對纖維拉伸行為的影響與提高溫度相似。圖9-23是含不同量水分和低聚物的錦綸6初生纖維的拉伸曲線。由圖可見，由于水或低聚物的增塑作用而

38、使屈服力下降，并使應(yīng)力-應(yīng)變曲線水平段縮短，即促使由c 型形變向b型形變轉(zhuǎn)化。 圖9-23 含有不同量水分和低聚物的錦綸未拉伸纖維的形變特性（拉伸溫度20，拉伸速度500mm/mim）1-干纖維，低聚物含量0.5% 2-風(fēng)干纖維，低聚物含量0.5%3-干纖維，低聚物含量7.8% 4-風(fēng)干纖維，低聚物含量7.8%濕紡所得的初生纖維拉伸時，其所含水或溶劑亦有類似的影響。圖9-24是以dmf為溶劑的濕紡晴綸的負菏-伸長曲線與溶脹度d.s.的關(guān)系。當d.s.為1.421.72時，拉伸出現(xiàn)細頸；溶脹度在1.72以上就呈均勻拉伸。對再生纖維素纖維拉伸的研究表明，在相對濕度r.h.65%的空氣中平衡吸濕狀態(tài)

39、下，拉伸時有明顯的屈服現(xiàn)象，產(chǎn)生細頸，隨著纖維中水分增加，屈服應(yīng)力下降，在r.h.90%時，就不發(fā)生細頸而成均勻拉伸。圖9-24 腈綸凝固絲的負荷-伸長曲線與溶脹度的關(guān)系在某些情況下，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)與被拉伸試樣的粗細（纖度）有關(guān)。纖度減小時，拉伸應(yīng)力和自然拉伸比有所增大，即相當于降低溫度的影響，纖維增大時，對拉伸曲線的影響相當于提高溫度。以上討論了初生纖維的結(jié)構(gòu)和拉伸條件對拉伸曲線的影響。概括地說，在滿足下列條件的情況下，初生纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀會發(fā)生如下的變化：b型c型a型或d型。而在c型形變范圍內(nèi)，則變化方向為曲服應(yīng)力和自然拉伸比n增大。這些條件是：（1）降低溫度；（2）增大拉伸

40、速度（形變速率）；（3）初生纖維中大分子活動性減小（溶劑含量減小除去增塑作用的小分子物質(zhì)）；（4）初生纖維的結(jié)晶度增大；（5）初生纖維的預(yù)取向度加大；（6）初生纖維的纖度減小。這些一般規(guī)則在拉伸工藝中起著重要的作用。利用這些規(guī)則，某一因素的不利影響，在某中程度上能被一些其他因素所補償，同時可根據(jù)未拉伸纖維的結(jié)構(gòu)來調(diào)整拉伸條件以抵消不利因素的影響。第三節(jié) 連續(xù)拉伸的運動學(xué)、動力學(xué)和拉伸熱效應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)條件下，拉伸是一個連續(xù)過程。未拉伸絲或絲束以恒定的喂入速度引入拉伸結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)經(jīng)一組具有恒定拉伸速度的拉伸盤（輥）而獲得拉伸， 此處為名義拉伸比。實際拉伸比（不可逆形變）較小，因為張力除去時拉伸線要發(fā)

41、生收縮。在拉伸行程中，可通過一恒溫的氣體或液體介質(zhì)，或通過某些加熱區(qū)（熱浴、接觸式熱板等）。也常采用摩擦元件（摩擦輥，制動輥等）來固定變形區(qū)并穩(wěn)定拉伸過程。這些工藝條件和固態(tài)高聚物的形變行為，使纖維拉伸過程的動力學(xué)和運動學(xué)很復(fù)雜。因此，不能用簡單近似的方法來描述學(xué)位的拉伸動力學(xué)。然而，從實驗室的實驗結(jié)果對連續(xù)拉伸行為作理論預(yù)測，對生產(chǎn)工藝是非常重要的。如前所述，溫度是影響初生纖維應(yīng)力-應(yīng)變行為的重要因素之一。在實際拉伸條件下，無論是對周圍介質(zhì)的熱散失或是形變能量的損耗都不能忽略。因此，許多學(xué)者研究過高聚物的拉伸熱效應(yīng)。一、拉伸過程的連續(xù)性方程對于初生纖維在拉伸機上的冷拉行為，可以進行如下的分析

42、。若令拉伸前后纖維的橫截面積分別為和，絲條運動的速度為和，而拉伸點（即出現(xiàn)細頸處）絲條的速度為（圖9-25），假定沒有二次拉伸發(fā)生，對流入此點和流出此點的質(zhì)量進行物料平衡，則可得出絲條運動的連續(xù)性方程：圖9-25 拉伸機上細條運動示意圖 （9-12）式中和分別表示拉伸點前后纖維的密度。由此式可得：由于自然拉伸比 名義拉伸比 故表達式可化為： （9-13）由于，故式（9-13）可簡寫為： （9-14）由此可知，當時，=0，此時拉伸點固定不動。二、拉伸線上的速度和速度梯度發(fā)布初生纖維連續(xù)拉伸時，其直徑和橫截面積發(fā)生改變，導(dǎo)致沿拉伸線上速度和速度梯度有所改變。對連續(xù)拉伸時速度分布的研究表明，纖維在拉

43、伸箱或拉伸浴中拉伸時，沿拉伸線所發(fā)生的形變或拉伸本身是不均勻的。速度分布曲線呈形（見圖9-26）。圖9-26 連續(xù)熱拉伸和塑化拉伸時速度（1）和速度梯度（2）的典型分布準備區(qū)（塑化區(qū)） 變形區(qū)（拉伸區(qū)） 松弛區(qū)連續(xù)拉伸取向過程可分成三個區(qū)，每個區(qū)中絲條或絲束的運動速度和張力不同： 區(qū)準備拉伸區(qū)。在此區(qū)內(nèi)，由于塑化拉伸或熱拉伸時的潤脹和加熱，纖維發(fā)生塑化。在準備區(qū)中，速度恒定并等于絲條的喂入速度，而速度梯度則等于零。當纖維溫度超過玻璃化溫度而開始劇烈形變的瞬間，準備區(qū)就告結(jié)束。絲條在準備區(qū)內(nèi)停留的時間及與此相應(yīng)塑化區(qū)的行程長度，決定與塑化時傳質(zhì)或傳熱的速度。將絲條加熱至拉伸溫度所需的時間與熱交換

44、條件有很大關(guān)系，可能是1秒或幾秒。熱拉伸時，加熱時間亦取決與絲條直徑，例如對于直徑為180220的單絲，加熱時間為0.15s。但復(fù)絲的加熱較慢，看來這是由于組成復(fù)絲的單纖維之間熱接觸不良的緣故。濕紡成形的初生纖維、預(yù)先經(jīng)塑化的或加熱了的纖維在拉伸時，準備區(qū)可能很短，或根本沒有準備區(qū)。在某些文獻中，建議將纖維在專門的機構(gòu)上（例如熱盤）預(yù)先作長時間的加熱。但是這樣做可能對拉伸過程有不利的影響，因為這會使纖維預(yù)先發(fā)生結(jié)晶，從而減小拉伸倍數(shù)。區(qū)形變區(qū)或真正拉伸區(qū)。在此區(qū)內(nèi)由于機械力的作用，纖維發(fā)生取向，伴隨著發(fā)生結(jié)晶結(jié)構(gòu)改組。在此區(qū)內(nèi)，與絲條形變性質(zhì)的改變相適應(yīng)，速度發(fā)生增大，而速度梯度為正值：。但此

45、段中速度梯度的變化規(guī)律不同，在速度曲線的拐點之前，可稱為區(qū)，此區(qū)內(nèi)速度梯度有所增加，即 ；在達到最大值以后，速度梯度又開始下降，即。 隨著纖維的結(jié)構(gòu)變得規(guī)整和大分子動力學(xué)柔性的減小，纖維的形變性劇烈下降，拉伸作用就停止。 纖維拉伸時，其運動速度從每分鐘幾米至幾百米，拉伸時間從0.1s至20s，拉伸箱或拉伸浴長度從幾十厘米至1015m，此時形變區(qū)（拉伸區(qū)）長度為幾厘米至幾十厘米或更長些。 區(qū)拉伸纖維松弛區(qū)。在此區(qū)內(nèi)纖維不再發(fā)生形變，但內(nèi)應(yīng)力逐步發(fā)生松弛。在松弛區(qū)內(nèi)，絲條的速度速度大致恒定，與此相應(yīng)，速度梯度。 根據(jù)拉伸過程的設(shè)備形式，在松弛區(qū)以后，或是作進一步熱松弛處理，或開始將纖維冷卻。 有人

46、測定了聚丙烯、聚乙烯醇和其他濕紡纖維拉伸線上的速度分布以及聚酯鬃絲在熱水浴中拉伸的速度分布。研究表明，在所有的情況下，測得的速度分布曲線都與熔紡的運動學(xué)特性曲線相似。典型的速度分布曲線呈s型，有一拐點，在拉伸行程的末端有水平的漸近線（速度為常數(shù)）。圖9-27為聚乙烯醇纖維拉伸的典型數(shù)據(jù)（拉伸溫度240，絲條喂入速度為6.5m/min）。由圖可知，隨著拉伸比或區(qū)速度的增大，拐點移向拉伸線起點一方。這與熔紡的運動學(xué)行為有所不同，熔紡線上拐點基本不動。這是因為在拉伸過程中，由于自身發(fā)熱以及與加熱介質(zhì)的熱交換，使絲條溫度上升。有人研究了溫度分布對拉伸運動學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著拉伸浴溫度的上升，速度曲線拐點

47、移向喂入輥的一方。實際生產(chǎn)中應(yīng)注意選擇適合的拉伸條件，以使形變區(qū)大致位于拉伸設(shè)備中絲條行程的中部。圖9-27 聚乙烯醇纖維在空氣中熱拉伸時，絲條運 動速度（a）和速度梯度（b）的分布曲線（曲線旁數(shù)字表示不同的拉伸倍數(shù)）三、拉伸線上的張力分布拉伸張力關(guān)系到拉伸過程穩(wěn)定性和所得纖維的結(jié)構(gòu)。一般說來，拉伸張力是拉伸條件以及未拉伸試料的組成和結(jié)構(gòu)的一個函數(shù)。絲條或絲束通過一圓柱形拉伸輥后，張力的增大主要決定于絲條與輥面之間的摩擦系數(shù)和絲條在輥上的包角（見圖9-28）。根據(jù)amonton定律，張力增大可寫成： (9-15a)圖9-28 絲條通過拉伸輥面張力的變化若絲條通過一系列的拉伸輥，則自最后一輥導(dǎo)出

48、后的張力為： （9-15b）式中：是進入第一輥前的預(yù)張力；是每個輥包角之和，。在輥上多繞一圈，相當與包角增大2，同樣也可由以上公式計算。 表9-5給出幾組數(shù)值，可見張力隨著和迅速增大。表9-5 張力增大與和的關(guān)系摩擦系數(shù)=/2=2=40.20.51.01.41.26.01.96.022.93.522.952.512.3525270000但是amonton公式只是很粗略的近似，此式對于拉伸輥半徑這類重要參數(shù)沒有加以考慮。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，最好采用howell公式： （9-16）式中為常數(shù)，其值為0.651.00，亦為常數(shù)。 根據(jù)上述分析，可將七輥拉伸機上的張力分布示于圖9-29。由進入第一輥至最后一

49、輥導(dǎo)出處，將形成一逐漸增大的張力場。對于長絲在拉伸-加捻機上的拉伸，絲條在拉伸過程中也承受類似的張力梯度的作用。用張力除以絲束截面積，可得到拉伸應(yīng)力，其分布如圖9-30所示。有圖可見，在兩臺七輥牽伸機之間，張力雖然基本恒定，但由于纖維基本截面變小，其應(yīng)力總是上升的，且在細頸點發(fā)生突變。當張力達到屈服應(yīng)力所對應(yīng)的負荷時，發(fā)生屈服而產(chǎn)生細頸(或稱拉伸點)。由圖9-29和圖9-30可見，細頸一般發(fā)生在緊靠第一臺牽伸機不遠的油(水)浴槽中。如果拉伸點發(fā)生在第一臺拉伸機的最后一輥或倒數(shù)第二輥上，則拉伸機不穩(wěn)定。圖9-29 七輥拉伸機的給絲輥上的張力梯度圖9-30 拉伸線上應(yīng)力、屈服應(yīng)力和溫度變化示意圖

50、使拉伸點后移的簡便方法，是降低最后一輥或數(shù)輥的輥面溫度，其目的是在于降低絲條的溫度，使相應(yīng)的屈服應(yīng)力增大。要使移出機臺的拉伸點穩(wěn)定，可將兩臺拉伸機之間的被拉絲加熱，對短纖維通常用熱水浴、過熱蒸汽或其它介質(zhì)；對長絲一般用熱板、熱盤等方式加熱。絲條進入加熱區(qū)后，其溫度逐漸上升，屈服應(yīng)力逐漸減小，當減至拉身機施加的張力相等時，即產(chǎn)生細頸。由于細頸的熱效應(yīng)使局部溫度又有升高，因而在溫度曲線上出現(xiàn)峰值（見圖9-30）。 圖9-31表明，在拉神速度不變時，棉綸6和滌綸的拉伸張力隨拉伸比的增大(或拉伸溫度的下降)而單調(diào)增大。拉伸速度對拉伸張力的影響較為復(fù)雜。根據(jù)粘彈機理，拉伸速度的提高，應(yīng)引起拉伸張力和拉伸

51、應(yīng)力的增大，某些實驗的結(jié)果確實說明了這一點（見圖9-32曲線1和2）。但是，較高的形變速率伴隨發(fā)熱較大，并使有效松弛時間和粘度降低。在某些絕熱條件下，這會抵消粘彈性的影響，甚至使伸張力減小。圖9-32中的滌綸在80下的拉伸行為就是一例。對于棉綸鬃絲，傳熱比發(fā)熱來得小，亦觀察到拉伸張力隨拉伸速度的增大而減小的現(xiàn)象。對于含有若干剩余溶劑（dmf）的干紡聚丙烯腈纖維，拉伸張力隨高聚物的分子量而增大，并隨溶劑濃度而減小。圖9-31 錦綸6和滌綸的拉伸張力/始有纖度對拉伸比的關(guān)系（拉伸速度不變）圖9-32 錦綸6和滌綸的拉伸張力/始有纖度對拉伸速度的關(guān)系（拉伸倍數(shù) =3.6） 1錦綸，拉伸輥溫度80 2錦綸，拉伸輥溫度203滌綸，拉伸輥溫度80四、拉伸熱效應(yīng)和熱交換 在實際生活中，初生纖維的不可逆形變伴隨著消耗相當大的能量，如果拉伸形變速率足夠高，相當一部分能量為纖維本身吸收而使溫度上升。由于這種拉伸熱效應(yīng)，使過程的熱交換關(guān)系顯得非常重要。如前所述，拉伸點的穩(wěn)定，在很大程度上受拉伸溫度條件的控制。 纖維作為一種非線性粘彈體，其拉伸過程的熱平衡方程式難于得到真正的解。現(xiàn)將其簡化成一個簡單的