化學(xué)纖維拉伸與熱定型原理

1、第一節(jié)第一節(jié) 化學(xué)纖維拉伸化學(xué)纖維拉伸 7輥牽伸機(jī)輥牽伸機(jī) 牽伸機(jī)設(shè)備牽伸機(jī)設(shè)備 塑化拉伸塑化拉伸 一、拉伸的目的和作用一、拉伸的目的和作用 拉伸大分子沿纖維軸向的取向度分子間距離大分子間作用力結(jié)構(gòu)緊密 纖維斷裂強(qiáng)度、延伸度二、拉伸實(shí)施方法二、拉伸實(shí)施方法1 1、干拉伸（空氣浴）、干拉伸（空氣浴）l室溫拉伸：不對(duì)纖維進(jìn)行加熱，拉伸產(chǎn)生的熱量傳遞給空氣介質(zhì)，空氣起冷卻作用 適用：玻璃化溫度Tg在室溫附近的初生纖維l熱拉伸：用熱盤、熱板或熱箱加熱，促進(jìn)分子鏈段運(yùn)動(dòng)，降低拉伸應(yīng)力，有利拉伸。 適用：Tg較高，或者是拉伸應(yīng)力較大或纖維較粗的纖維2 2、蒸汽浴拉伸（、蒸汽浴拉伸（飽和蒸汽或過熱蒸汽飽和蒸

2、汽或過熱蒸汽） 加熱和水分的增塑作用，使纖維的拉伸應(yīng)力下降l飽和蒸汽浴拉伸l過熱蒸汽浴拉伸3 3、濕拉伸（液體介質(zhì)）、濕拉伸（液體介質(zhì)）液浴法：拉伸時(shí)纖維浸在浴液中，纖維與介質(zhì)之間的傳熱、傳質(zhì)過程進(jìn)行得較快且較均勻。噴淋法：拉伸時(shí)將熱水或熱油劑噴淋到纖維上，邊加熱邊拉伸。三、拉伸曲線三、拉伸曲線1 1、拉伸曲線的基本類型、拉伸曲線的基本類型應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本類型應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本類型 la型：塑料和金屬材料的拉伸屬于這種類型lb型：濕紡凝固絲的SS曲線基本上屬于b型曲線，拉伸時(shí)不會(huì)出現(xiàn)細(xì)頸現(xiàn)象lc型：大多數(shù)具有c型應(yīng)力應(yīng)變曲線 c型應(yīng)力應(yīng)變曲線分析：loa段：形變初始階段，陡的直線段，普彈形變

3、，a點(diǎn)稱為線性極限。lab段：偏離直線，但仍基本上是可復(fù)的。因此曲線的斜率隨拉伸倍數(shù)的提高而下降。此段的變形相當(dāng)于強(qiáng)迫高彈變形，到b點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力達(dá)到極大值。b點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。lbc段：變形大而應(yīng)力稍有下降，纖維的一處或幾處出現(xiàn)“細(xì)頸”不均勻的變形。在這一段中，應(yīng)力下降的原因是由于纖維在拉伸時(shí)放熱，使纖維發(fā)生軟化所致。bc段是細(xì)頸發(fā)生階段，在生產(chǎn)上通常所說的“拉伸點(diǎn)”或“拉伸區(qū)”，就是指細(xì)頸產(chǎn)生的具體位置?？刂坪美禳c(diǎn)或拉伸區(qū)的位置，使其固定，是拉伸工藝中重要條件之一。lcd段：細(xì)頸發(fā)展階段。此段將出現(xiàn)的“細(xì)頸”又進(jìn)一步拉伸，到達(dá)d點(diǎn)“細(xì)頸”消失，此時(shí)細(xì)頸發(fā)展到整根纖維。此段中形變特別大，取向度不斷

4、增加，但應(yīng)力卻保持不變。這時(shí)的應(yīng)力為拉伸應(yīng)力。應(yīng)力不隨拉伸倍數(shù)而變化，而成為平臺(tái)區(qū)。與d點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的拉伸倍數(shù)稱為自然拉伸比。lde段：過了d點(diǎn)，纖維被拉伸變形不大，而應(yīng)力增長(zhǎng)很快，這時(shí)纖維受到均勻的拉伸和取向，纖維形態(tài)變化表現(xiàn)為直徑均勻地同時(shí)變細(xì)，直至e點(diǎn)，拉伸應(yīng)力增加到了纖維的強(qiáng)度極限，于是纖維發(fā)生斷裂。與e點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的拉伸倍數(shù)稱為最大拉伸倍數(shù)。e點(diǎn)的應(yīng)力稱為斷裂應(yīng)力（亦稱斷裂強(qiáng)度），相應(yīng)的應(yīng)變稱為斷裂伸長(zhǎng)。由于在de段需要加大應(yīng)力才能使纖維繼續(xù)發(fā)生形變，所以這一段又稱為應(yīng)變硬化區(qū)。在生產(chǎn)工藝上，一定要控制纖維的實(shí)際拉伸倍數(shù)，使之大于自然拉伸比而小于最大拉伸比。2、初生纖維結(jié)構(gòu)對(duì)拉伸性能的影響、

5、初生纖維結(jié)構(gòu)對(duì)拉伸性能的影響（1）熔紡成型的本體聚合物卷繞絲：l初生纖維結(jié)晶度和結(jié)晶變體：初生纖維結(jié)晶度應(yīng)力應(yīng)變曲線沿著（bca）型的方向轉(zhuǎn)化屈服應(yīng)力自然拉伸比l初生纖維預(yù)取向：初生纖維預(yù)取向度形變特性沿著（cb）型的方向轉(zhuǎn)化l初生纖維平均分子量：初生纖維分子量拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力l其他影響：初生纖維內(nèi)包含與纖維直徑大小相當(dāng)?shù)臍馀莺凸腆w粒子纖維缺陷 應(yīng)力集中 初生纖維經(jīng)不起拉伸斷裂（2）濕法成形的凍膠體凝固絲：濕紡的初生纖維，是一種高度溶脹的立體網(wǎng)絡(luò)狀的凍膠體。立體網(wǎng)絡(luò)的骨架由大分子或大分子鏈?zhǔn)鴺?gòu)成，大分子間的纏結(jié)（由分子脫溶劑化后相互作用而形成）是這個(gè)骨架的物理交聯(lián)點(diǎn)，在沒有交聯(lián)的地方，鏈段仍保

6、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。l凝固浴溫度：凝固浴溫度雙擴(kuò)散速度溶質(zhì)從溶液中沉淀出來的速度網(wǎng)絡(luò)骨架細(xì)密，凍膠體凝固絲中的內(nèi)應(yīng)力越小拉伸性能好l凝固浴中溶劑含量：凝固浴中溶劑含量增加，初生纖維中溶劑含量也增大，此時(shí)初生纖維中的溶劑起了增塑作用，拉伸應(yīng)力就減少，最大拉伸比則增大，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?yàn)槿軇┐蠖?，立體網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點(diǎn)數(shù)目就較少，網(wǎng)絡(luò)較弱，強(qiáng)度必然較低，就經(jīng)不起高倍拉伸。3 3、拉伸條件的影響、拉伸條件的影響l拉伸溫度：TgTTm（Tf） TTg結(jié)構(gòu)單元（鏈段、大分子鏈、鏈?zhǔn)┻\(yùn)動(dòng)處于顯著狀態(tài)大分子鏈沿纖維 軸整齊排

7、列取向度 TTg機(jī)械力的強(qiáng)拉作用高聚物產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變而達(dá)到一定的取向效果但 這時(shí)纖維內(nèi)的應(yīng)力要比在Tg以上拉伸時(shí)大得多絲條很容易斷裂 T解取向?yàn)橹饕矫鎙低分子物：低分子物大分子間距離大分子間作用力松弛活化能 鏈段和大分 子鏈運(yùn)動(dòng) 聚合物Tg 應(yīng)力應(yīng)變曲線水平段縮短c型形變向b型形變轉(zhuǎn)化l拉伸速度：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。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)化。l初生纖維纖度：粗度增大時(shí)，拉伸應(yīng)力和自然拉伸比有所增大，即相當(dāng)于降低溫度的影響。四、拉伸過程中纖維結(jié)構(gòu)的變化四、拉伸過程中纖維結(jié)構(gòu)的變化1 1、分子取向和結(jié)晶取向

8、、分子取向和結(jié)晶取向（1）非晶態(tài)高聚物纖維：l大尺寸取向：整個(gè)分子鏈已經(jīng)取向了，但鏈段可能未取向l小尺寸取向：鏈段取向排列，而分子鏈的排列是雜亂的（2）晶態(tài)高聚物纖維：取向伴隨結(jié)晶2 2、結(jié)晶的變化、結(jié)晶的變化結(jié)晶態(tài)高聚物從熔融體冷卻到Tm（熔點(diǎn)）與Tg（玻璃化溫度）之間的任一溫度，都能產(chǎn)生結(jié)晶，總的過程是從無序進(jìn)而有序生成有序結(jié)構(gòu)單元后生長(zhǎng)成晶體。l拉伸過程中相態(tài)結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，非晶態(tài)的未拉伸試樣拉伸后仍保持非晶態(tài)，結(jié)晶試樣則不改變其結(jié)晶度。l拉伸過程中試樣原有結(jié)構(gòu)發(fā)生部分破壞，結(jié)晶度有所降低。l拉伸過程中發(fā)生進(jìn)一步結(jié)晶，結(jié)晶度有所增大。五、拉伸對(duì)纖維物理機(jī)械性質(zhì)的影響五、拉伸對(duì)纖維物理機(jī)械

9、性質(zhì)的影響 l熔紡卷繞絲：在Tg以下或拉伸速度過大時(shí)拉伸時(shí)，有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)泛白失透現(xiàn)象，其密度低于通常的纖維10%20%，這主要是由于強(qiáng)迫拉伸在纖維內(nèi)部造成空洞的緣故。l溶液紡卷繞絲：由于纖維中所含溶劑的增塑作用，分子活動(dòng)性較大，拉伸時(shí)破壞了凝固過程中所形成的空洞，使空洞率減小。拉伸溫度越高，空洞破壞就越嚴(yán)重?？斩绰实母淖兛捎绊懙嚼w維的吸附性能。第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)纖維熱定型化學(xué)纖維熱定型 圓網(wǎng)松弛熱定型機(jī)圓網(wǎng)松弛熱定型機(jī) 松弛熱定型機(jī)松弛熱定型機(jī) 緊張熱定型機(jī)緊張熱定型機(jī) 一、熱定型的目的和方式一、熱定型的目的和方式1 1、熱定型的目的、熱定型的目的l消除纖維在拉伸中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使大分子松弛，提

10、高纖維尺寸穩(wěn)定性（沸水收縮率）l改善纖維的物理機(jī)械性能（提高纖維結(jié)晶度、彈性、打結(jié)強(qiáng)度、耐磨性）l去除纖維在拉伸上油過程中所帶入的水分，使纖維達(dá)到成品所需的含濕要求2 2、熱定型的進(jìn)行方式、熱定型的進(jìn)行方式松弛熱定型+緊張熱定型17輥緊張熱定型機(jī)輥緊張熱定型機(jī) 松弛熱定型機(jī)松弛熱定型機(jī) 二、纖維在熱定型中的力學(xué)松弛二、纖維在熱定型中的力學(xué)松弛1 1、熱定型溫度、熱定型溫度熱定型溫度在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與熔點(diǎn)之間 l溫度太低則應(yīng)力松弛所需時(shí)間很長(zhǎng)。l溫度太高，分子鏈的運(yùn)動(dòng)過分劇烈，不僅消除了纖維上的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)使纖維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大，可能出現(xiàn)解取向，結(jié)晶度也發(fā)生變化，導(dǎo)致纖維的物性下降。2 2、纖維在熱

11、定型過程中的收縮、纖維在熱定型過程中的收縮熱定型中纖維會(huì)產(chǎn)生收縮。纖維在熱定型過程中的收縮程度主要決定于溫度和時(shí)間。三、熱定型過程中纖維結(jié)構(gòu)和性能的變化三、熱定型過程中纖維結(jié)構(gòu)和性能的變化1 1、熱定型過程中纖維結(jié)構(gòu)的變化、熱定型過程中纖維結(jié)構(gòu)的變化l結(jié)晶度、晶粒大小和晶格結(jié)構(gòu)：松弛熱定型，纖維結(jié)晶度提高；定長(zhǎng)熱定型或在張力下熱定型，纖維的結(jié)晶度不變或比松弛熱定型時(shí)增加得較慢。l取向度：松弛熱定型后，取向度減小。 松弛熱定型（松弛熱定型（a） 定長(zhǎng)熱定型（定長(zhǎng)熱定型（b）1熱處理后纖維的收縮熱處理后纖維的收縮 2取向度取向度 3斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度 4斷裂伸長(zhǎng)斷裂伸長(zhǎng) 5吸濕率吸濕率 6對(duì)活性介質(zhì)

12、作用的穩(wěn)定性對(duì)活性介質(zhì)作用的穩(wěn)定性l斷裂強(qiáng)度：松弛熱定型有所減小，緊張熱定型時(shí)保持不變或有所提高l斷裂延伸：熱定型時(shí)有所增大，松弛熱定型比緊張熱定型增大的程度更大l取向度：松弛熱定型有所減小，緊張熱定型時(shí)保持不變或有所提高l熱處理后纖維的收縮：有所減小l吸濕性：有所減小2 2、熱定型過程中纖維性能的變化、熱定型過程中纖維性能的變化四、熱定型機(jī)理四、熱定型機(jī)理1 1、熱定型過程中大分子間作用能的變化、熱定型過程中大分子間作用能的變化 l第一階段（）：加熱或摻入增塑劑纖維無定型區(qū)大分子間作用力大分子間結(jié)合能 該過程擴(kuò)散或傳熱速度很快“松懈”階段。l第二階段（）：這是熱定型過程的主要階段，亦即真正的

13、定型階段。此時(shí)，分子間結(jié)合能自發(fā)增加，由于“松懈”和熱振動(dòng)的結(jié)果，個(gè)別的大分子鏈節(jié)和鏈段周期性相互靠近并重新相互排斥。振動(dòng)時(shí)，大分子個(gè)別的活性基團(tuán)與其他大分子的同樣基團(tuán)相遇，靠近到原子間相互作用的距離，就形成新的鍵。此時(shí)由于處在高溫下，這些鍵很弱，但其數(shù)目則不斷增加，同時(shí)分子間的作用力就增大。由于相鄰大分子的活性基團(tuán)發(fā)生結(jié)合需要時(shí)間，因此第二階段的時(shí)間比第一階段長(zhǎng)好幾倍。如果把熱和增塑作用合二為一，可加快第二階段的速度，因此，在熱水或蒸汽介質(zhì)中熱定型的效果比在同樣溫度的熱空氣介質(zhì)中定型要好一些。l第三階段（）：通過水洗、干燥工藝除去纖維中增塑劑，在將纖維冷卻降溫至Tg以下，此時(shí)在第二階段所產(chǎn)生

14、的新鍵以及大分子的位置可在幾秒內(nèi)可以固定下來，此過程取決于傳熱或增塑劑的擴(kuò)散速度。2 2、熱定型與高聚物固體的多重轉(zhuǎn)變、熱定型與高聚物固體的多重轉(zhuǎn)變 l運(yùn)動(dòng)方式：側(cè)基的運(yùn)動(dòng)；主鏈中數(shù)個(gè)CH2基的運(yùn)動(dòng)（又叫曲柄運(yùn)動(dòng)）；主鏈中雜原子的運(yùn)動(dòng)（例如聚酰胺中酰胺基的運(yùn)動(dòng)）；主鏈中50100個(gè)碳原子所構(gòu)成的鏈段運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于Tg）；整個(gè)大分子鏈作為單位的運(yùn)動(dòng)。l多重轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變（低于80K）：轉(zhuǎn)變的活化能為8.36812.552kJ/mol(23kcal/mol)，高聚物中 有小的取代基如甲基、乙基、苯基存在時(shí)，將出現(xiàn)內(nèi)耗峰。轉(zhuǎn)變（80240K）：轉(zhuǎn)變的活化能為20.9283.68kJ/mol(520kcal/mol)，轉(zhuǎn)變可 由兩種運(yùn)動(dòng)方式所引 起。側(cè)鏈的運(yùn)動(dòng)：高聚物中含有較長(zhǎng)的側(cè)鏈或側(cè)鏈中含有極性原子時(shí)的運(yùn)動(dòng)；主鏈的運(yùn)動(dòng)（曲柄運(yùn)動(dòng)）：凡是高聚物結(jié)構(gòu)中含有三、四個(gè)或更多的CH2鏈節(jié)