第3章 化學(xué)纖維拉伸和熱成型原理

新材料與鞋服工程學(xué)院

陳婷

化學(xué)纖維拉伸和熱

第

三

章纖維應(yīng)用技術(shù)定型原理第一節(jié)化學(xué)纖維拉伸

化學(xué)纖維拉伸第一節(jié)輥牽伸機(jī)

牽伸機(jī)設(shè)備

塑化拉伸

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↓無序變有序增加氫鍵、偶極距等承受外加的張力的分子鏈數(shù)目增加拉伸的工方式：*與紡絲工序連續(xù)進(jìn)行（如試驗(yàn)機(jī)流程，有三組牽伸輥）*先卷裝在筒子（長(zhǎng)絲）上，或在盛絲桶中（短纖），再另行拉伸總拉伸倍數(shù)：纖維拉伸后的長(zhǎng)度與原長(zhǎng)之比熔紡：3.0－7.0濕紡：8-12凍膠：幾十1、干拉伸（空氣?。┦覝乩欤翰粚?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二、拉伸實(shí)施方法2、蒸汽浴拉伸（飽和蒸汽或過熱蒸汽）加熱和水分的增塑作用，使纖維的拉伸應(yīng)力下降飽和蒸汽浴拉伸過熱蒸汽浴拉伸3、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。二、拉伸實(shí)施方法1、拉伸曲線的基本類型應(yīng)力－應(yīng)變曲線的基本類型

三、拉伸曲線當(dāng)材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時(shí)，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變就稱為應(yīng)變（Strain）。材料發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力．把分布內(nèi)力在一點(diǎn)的集度稱為應(yīng)力（Stress），應(yīng)力與微面積的乘積即微內(nèi)力．或物體由于外因（受力、濕度變化等）而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。1、拉伸曲線的基本類型應(yīng)力－應(yīng)變曲線的基本類型

三、拉伸曲線a型：Ｅ（模量）隨應(yīng)力增大而下降，纖維不經(jīng)拉，很快會(huì)斷（塑料和金屬材料）b型：Ｅ（模量）隨應(yīng)力增大而上升，自增強(qiáng)，拉伸時(shí)均勻變細(xì)，拉伸時(shí)不會(huì)出現(xiàn)細(xì)頸現(xiàn)象（濕紡凝固絲）c型：大多數(shù)纖維具有c型應(yīng)力－應(yīng)變曲線，先凸后凹（熔體紡纖維品種）c型應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析：1、拉伸曲線的基本類型三、拉伸曲線c型應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析：1、拉伸曲線的基本類型三、拉伸曲線oa段：形變初始階段，陡的直線段，普彈形變，a點(diǎn)稱為線性極限。ab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)。bc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。控制好拉伸點(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。c型應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析：1、拉伸曲線的基本類型三、拉伸曲線cd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。c型應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析：1、拉伸曲線的基本類型三、拉伸曲線de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。三、拉伸曲線2.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：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（b→c→a）型的方向轉(zhuǎn)化↑→屈服應(yīng)力↑→自然拉伸比↑初生纖維預(yù)取向：初生纖維預(yù)取向度↑→形變特性沿著（c→b）型的方向轉(zhuǎn)化→自然拉伸比↓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↑（控制分子量）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→斷裂三、拉伸曲線2.初生纖維結(jié)構(gòu)對(duì)拉伸性能的影響（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。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→拉伸性能好凝固浴中溶劑含量：

溶劑含量↑→增塑作用→拉伸應(yīng)力↓→最大拉伸比↑→凍膠彈性、塑性↑

溶劑含量↑↑→立體網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)點(diǎn)數(shù)↓→立體網(wǎng)絡(luò)較弱→強(qiáng)度↓→經(jīng)不起高倍拉伸三、拉伸曲線3、拉伸條件的影響拉伸溫度：Tg＜T＜Tm（Tf）

T＞Tg→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列→取向度↑

T<Tg→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矫娴头肿游铮旱头肿游铩蠓肿娱g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。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。運(yùn)動(dòng)單元的多重性四、拉伸過程中纖維結(jié)構(gòu)的變化1、分子取向和結(jié)晶取向（1）非晶態(tài)高聚物纖維：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)晶非晶態(tài)高聚物取向晶態(tài)高聚物在拉伸取向中的結(jié)構(gòu)變化四、拉伸過程中纖維結(jié)構(gòu)的變化2、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。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。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。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。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。結(jié)構(gòu)均勻性是已拉伸纖維的重要指標(biāo)。纖維拉伸時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，松馳過程進(jìn)行越完全，纖維的結(jié)構(gòu)均勻性越好?；瘜W(xué)纖維的熱定型原理第二節(jié)第二節(jié)化學(xué)纖維熱定型

一、熱定型的目的和方式1.熱定型的目的消除纖維在拉伸中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使大分子松弛，提高纖維尺寸穩(wěn)定性（沸水收縮率↓）；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）；改善纖維的染色性能；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。取向后，外力作用時(shí)，分子鏈?zhǔn)芰Σ黄胶狻肿渔溩冃尾幌嗤瑑?nèi)應(yīng)力→纖維結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定→分子鏈排列、取向度、結(jié)晶度不穩(wěn)定→未處理纖維易變形→尺寸、性能不穩(wěn)定2.熱定型的進(jìn)行方式:一、熱定型的目的和方式松弛熱定型（自然狀態(tài)下）張力熱定型（張力下，分子結(jié)構(gòu)被迫固定，不易產(chǎn)生解取向）17輥緊張熱定型機(jī)

松弛熱定型機(jī)

2.熱定型的進(jìn)行方式:一、熱定型的目的和方式思考：從熱定型效果上來說。為什么滌綸短纖維加工過程中緊張熱定型和松弛熱定型都要進(jìn)行？從熱定型效果上來說，緊張狀態(tài)下的熱定型是纖維強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)降低，彈性模數(shù)提高，沸水收縮率提高；松弛熱定型是纖維強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)增大，沸水收縮率減到零。完全依靠一種方式熱定型都存在問題。故先在170℃緊張熱定型后，然后在于30℃空氣中無張力定型，這樣可獲得高強(qiáng)度，高模量，低伸長(zhǎng)的纖維。二、纖維在熱定型中的力學(xué)松弛1.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

溫度太低則應(yīng)力松弛所需時(shí)間很長(zhǎng)。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.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。1.熱定型過程中纖維結(jié)構(gòu)的變化三、熱定型過程中纖維結(jié)構(gòu)和性能的變化結(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。取向度：松弛熱定型后，取向度減?。ń馊∠颍?.熱定型過程中纖維性能的變化三、熱定型過程中纖維結(jié)構(gòu)和性能的變化熱處理后纖維的收縮：有所減小取向度：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吸濕性：有所減小1-6曲線分別是纖維的收縮、取向度、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)、吸濕率、對(duì)活性介質(zhì)的穩(wěn)定性定長(zhǎng)熱定型（b）松弛熱定型（a）四、熱定型機(jī)理1.熱定型過程中大分子間作用能的變化

1.熱定型過程中大分子間作用能的變化

第一階段（Ⅰ）：1第二階段（Ⅱ）：2這是熱定型過程的主要階段，亦即真正的定型階段。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。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。1.熱定型過程中大分子間作用能的變化

第三階段（Ⅲ）：3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。返回目錄四、熱定型機(jī)理2.熱定型與高聚物固體的多重轉(zhuǎn)變

(1)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50～100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)。返回目錄四、熱定型機(jī)理2.熱定型與高聚物固體的多重轉(zhuǎn)變

δ

轉(zhuǎn)變（低于80K）：δ轉(zhuǎn)變的活化能為