第八章 合成纤维的成型(二)

8.4 、合成纤维的拉伸
2、预取向 为了提高初生纤维的可 拉伸性，使拉伸倍率增大， 拉伸顺利，并使成品纤维强 度较大，断裂伸长较小，应 适当控制纺丝条件，不要使 初生纤维取向度太高。
8.4 、合成纤维的拉伸
3、初生纤维平均相对分子质量
一般说，随着初生纤维相对分子质量的增大，拉伸时的屈 服应力有所提高。
8.4 、合成纤维的拉伸
8.4 、合成纤维的拉伸
因为模量E下降，纤维经不起拉伸，很快就被拉断，也就 （1）a型：曲线呈凸形，模量 是当纤维克服了屈服应力σ*而开始塑性变形时，就立即断裂。 随着ε的发展而减小，由曲线可 见，随着ε的增大，许用应力到 也有人说这种拉伸曲线是屈服应力大于断裂强度。塑料 达临界点，即到达最大值σ* 和金属材料的拉伸属于这种类型。 (称为屈服应力)，随后急剧下 应力－应变行为说明这种类型的初生纤维是不可拉伸的 降，出现应力集中和细化点。 (拉伸时出现脆性断裂)，应避免初生纤维出现这种应力－应变 行为。
8.5 、合成纤维的热定型
一种理想纤维的内耗－温度谱应包括两部分内容： 一是松弛时间短的运动单元，其内耗峰的位置低于室温， 这就是说，在低于室温时，这些小的运动单元已发生运动， 这就使纤维在室温下具有必要的柔性和弹性； 另一部分是松弛时间相当长，相当于室温以上具有内耗 峰，这就是说，一些较大的运动单元(一般指链段)在室温下还 不能发生运动，这就防止了在室温下发生蠕变或松弛。
苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯
②拉伸过程中试样原有结构发生部分破坏，结晶度有所降 低；聚乙烯、聚酰胺和聚丙烯纤维冷拉时
③拉伸过程中发生进一步结晶，结晶度有所增大。聚乙烯、
聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚氯乙烯及聚乙烯醇纤维热拉伸或冷拉伸时
8.4 、合成纤维的拉伸
综上所述，拉伸过程中引起原有纤维相态结构变化的程 度，取决于纤维本身的性质和拉伸条件。 一般说来，未拉伸纤维的序态越高，则其破坏就越大， 拉伸纤维结构的缺陷也就越大。 因此，一般在纺丝成型过程中，希望得到取向度和结晶 度尽可能低(或具有较不稳定结晶变体)的卷绕丝，以利于通 过后拉伸而得到结构较完善、性能较优良的纤维。 注意：不包括采用高速纺丝或超高速纺丝工艺以得到部 分取向丝(POY)或接近完全取向丝(FOY)在内。
纤维的品种和纺丝方法不同，初生纤维的结构和性质不 一样，拉伸的条件和方式就不相同。
按拉伸时纤维所处的介质来分，纤维拉伸的方式一般有 干拉伸、蒸汽浴拉伸和湿拉伸三种。
8.4 、合成纤维的拉伸
干拉伸是指拉伸时初生纤维处于空气包围之中，纤维与空 气介质及加热器之间有热量传递。干拉伸又可分为室温拉伸和 热拉伸。 蒸汽浴拉伸是指拉伸时纤维被包围在饱和蒸汽或过热蒸汽之 中，由于加热和水分子的增塑作用，使纤维的拉伸应力有较大 的下降。 湿拉伸是指拉伸时纤维被液体介质包围，有热量传递，在 成型过程中的拉伸还可能有传质过程甚至有化学反应。 拉伸过程不仅是纤维几何形状改变的过程，而且是纤维结 构重新组建和形成的过程。
中速纺丝，纺速1500～3000m/min，通称MOY； 高速纺丝，纺速3000～4000m/min，通称POY，当纺速 >5000m/min以上时，为全拉伸丝FDY； 超高速纺丝，纺速6000～8000m/min，为全取向丝，通称 FOY 。
8.5 、合成纤维的热定型
第一阶段： “松懈”阶段
用加热或掺入增塑剂的方法使存在于纤维中的分子间作用 力减弱，并使纤维达到高于Tg的温度。
8.5 、合成纤维的热定型
第二阶段：真正的定型阶段 形成新的键过程
8.5 、合成纤维的热定型
第三阶段：冷却固定阶段
新生结构的固定发生得很快，可在几秒内完成，因此此过 程取决于传热或增塑剂的扩散速度。
8.4 、合成纤维的拉伸
实际生产应该控制拉伸条件使应力-应变曲线呈b型和c型 (控制实际拉伸倍数大于自然拉伸比而小于最大拉伸比)
8.4 、合成纤维的拉伸
初生纤维结构对拉伸性能的影响
1、结晶度和晶型 初生纤维随着结晶度或取向度的增大，初始模量增大，屈 服应力增大而断裂伸长则减小，不合适拉伸。
不同结晶晶型的聚合物，其拉伸行为与各种晶型的相对含 量有关。
8.4 、合成纤维的拉伸
2、拉伸速度
由于聚合物的时温等效原理，增大拉伸速度，对应力-应变曲 线的影响与降低温度的影响相是类似。
对于部分结晶的初生纤维（包括非晶区和不稳定的或不完善的 晶体），拉伸速度不宜太快或太慢。 拉伸速度适中，应力足以使不稳定的结晶结构破坏，并随后得 到重建。
8.4 、合成纤维的拉伸
8.4 、合成纤维的拉伸
（3）c型：先凸后凹形， 从图看出，在曲 线上有屈服点，还有σa几乎不变的平台区。 具有c型应力－应变曲线的拉伸过 在小形变区内，即ε＜ε1时，形变是均匀 程又称为冷拉过程。 且可逆的，相当于弹性形变；在ε1＜ε＜ε2区 本体聚合物初生纤维，如涤纶、锦 内，形变先集中在一个或多个细颈处，继 纶和丙纶的熔纺卷绕丝，在Tg附近拉伸 而细颈逐渐发展，在此区域内拉伸属于不 时，其应力－应变曲线基本属于 c型曲 均匀拉伸；当 ε＞ε2时，形变又是均匀的， 线。 拉伸应力逐渐增大，而形变也随之增大， 直至断裂。
要使初生纤维有可拉伸性，相对分子质量必须达到某一数 值。 相对分子质量超过一定限度，反而会使纤维的可拉伸性降 低。
8.4 、合成纤维的拉伸
4、初生纤维中的低分子物 低分子物包括水、溶剂、固 体粒子等。
水、溶剂有增塑作用，对纤 维拉伸行为的影响与提高温度 相似。 含有固体粒子的经不起拉伸
湿纺的拉伸与冻胶体的交 联点有关。
8.5 、合成纤维的热定型
合成纤维拉伸后，超分子结构已基本形成。 但是在这些工艺过程中，纤维的停留时间很短，有些分子链 处于松弛状态，而另一些链段处于紧张状态。 主要受纤维材料粘弹特性的控制，或受到分子运动强度的制 约。 高温下大分子运动强度增加很快，可以在数分钟内就使体系 接近平衡。 这种平衡处理工序通常称为热定型。 拉伸纤维经热处理过程达到一个新的稳定平衡，使纤维拉伸 产生的应力不均匀和新的结构缺陷得到完善。 热定型除了加热之外，还伴随有湿处理，如蒸气、水或塑化 浴等。
8.4 、合成纤维的拉伸
拉伸的实施方法
在合成纤维生产中，拉伸可以与纺丝工序连续地进行， 也可与纺丝工序分开。
拉伸过程：先把初生纤维卷装在筒子上或存于盛丝筒 中，然后在专门的拉伸设备上进行拉伸。
8.4 、合成纤维的拉伸
初生纤维的拉伸可一次完成，有的必须进行分段拉伸。
纤维的总拉伸倍数是各段拉伸倍数的乘积。一般熔纺纤维 的总拉伸倍数约为3.0～7.0；湿纺纤维拉伸倍数可达8～120 倍；某些高强高模纤维，采用冻胶纺丝法，拉伸倍数达几 十到上百倍。
8.5 、合成纤维的热定型
热定型要达到的是修补式改善纤维成型或拉伸过程中已 经形成的不完善结构，而不是彻底破坏和重建。 这些结构上的变化，归纳起来有三个方面： 提高纤维的形状稳定性(尺寸稳定性)；
进一步改善纤维的物理-机械性能；
改善纤维的染色性能； 也可以通过热定型使纤维发生热交联，或借以制取高收缩性 和高蓬松性的纤维。
8.5 、合成纤维的热定型
涤纶的α转变温度高于室温，β内耗峰在-50℃附近，即涤 纶具有上述的双内耗峰现象，因此，涤纶的热定型效果很好。
8.6、几种纤维的纺丝过程
一、聚酯纤维 （一）熔体纺丝
1、切片纺丝过程
聚酯纤维常以纺丝速度的高低来划分纺丝技术路线。 主要有四种技术路线：
常规纺丝，纺速1000～1500 m/min，通称UDY；
拉伸中纤维结构和性能的变化 （1）拉伸过程中纤维结构的变化 分子取向 非晶态高聚物纤维的拉伸取向较简单，视取向单元的不同， 可以分为分子链和链段取向。 结晶性线型聚合物纤维在拉伸时的结构大体上可以分为以 下两类： ①未拉伸丝已结晶，拉伸时几乎不结晶，例如纤维素纤维。 ②未拉伸丝是无定形的，拉伸时在大分子链取向的同时进行结 晶化，例如聚酯纤维。
8.5 、合成纤维的热定型
热定型温度的选择
经验“转变温度”(Tt)定义为粘弹回复速率等于10％ ／min时的温度，即此温度相当于松弛时间为10min。 热定型中纤维结构和性能的变化 热定型过程中纤维结构的变化 结晶度的变化
微晶尺寸和晶格结构的变化
取向度的变化
8.5 、合成纤维的热定型
热定型对纤维物理-机械性质的影响 热定型时纤维发生松弛和结构变化，引起纤维物理－机 械性质发生改变，这种改变取决于始用纤维的性质和热定型 条件，持别是定型温度和张力对纤维物理－机械性质的影响 最为明显。 （1）热定型的温度、张力对纤维应力－应变行为的影响
8.4 、合成纤维的拉伸
拉伸过程中的应力－应变性质的变化
测定应力－应变关系的方法，一般是沿纤维轴向拉伸，测 定纤维负荷和伸长的关系，而后换算成应力－应变关系。 在拉伸过程中，应力和应变不断地变化。 反映初生纤维拉伸时应力－应变变化的曲线又称拉伸曲线 各种初生纤维的应力－应变曲线(简称S-S曲线)可归纳为 如图所示的三种基本类型。
8.4 、合成纤维的拉伸
聚合物拉伸取向的结果，伸直链段的数目增多，而折叠 段的数目减少，由于这些片晶之间的连结链增加，从而提高 了取向聚合物纤维的力学强度和韧性。
8.4 、合成纤维的拉伸
结晶的变化
对于不同化学结构的结晶高聚物，在不同的拉伸工艺条 件下，结晶变化一般可分为三种情况： ①拉伸过程中相态结构不发生变化，非晶态的未拉伸试样 拉伸后仍保持非晶态，结晶试样则不改变其结晶度；如源自文库规聚
8.4 、合成纤维的拉伸
拉伸条件对拉伸性能的影响 1、拉伸温度 初生纤维应力-应变曲线对温度非常敏感。
一般认为在Tg以上拉伸就不出现细颈，而且温度与拉伸速度 有关。
湿纺凝固丝的拉伸，一般属于b型的均匀拉伸，但也不是绝 对的，往往会受拉伸温度的影响而改变。 因此，初生纤维拉伸时，适当地提高拉伸幅度到聚合物 的Tg以上是必要的，而且在多级拉伸中温度要逐级提高。
第八章 纤维的加工
8.1 8.2
概述 纺丝液的制备
8.3 合成纤维成型原理 8.4 8.5 合成纤维的拉伸 合成纤维的热定型
8.6 几种纤维的纺丝过程
8.4 、合成纤维的拉伸
概述
不论是熔纺成型的卷绕丝还是混纺成型的凝固丝，统称 为初生纤维。由于其结构尚不稳定，超分子结构序态较低， 所以其物理－机械性能还不能满足纺织加工的要求，必须通 过一系列后加工工序。 其中最重要的是拉伸和热定型。
8.4 、合成纤维的拉伸
正因为纤维自增强，所以不出现细化点，能承受更大的 拉伸应力，拉伸可顺利进行。 （2）b型：曲线呈凹形，表 明初生纤维在拉伸时，模量 这种拉伸不会出现应力集中，是属于均匀拉伸。 不断增加，即模量随着应变 硫化橡胶的S－S曲线就是典型的b型曲线。 的增大而增大，纤维在拉伸 拉伸曲线呈这种类型的初生纤维，其拉伸性是好的。 过程中发生自增强作用。 湿法纺丝成形的凝固丝的S－S曲线基本上属于b型曲线， 拉伸时不会出现细颈现象。
（2）热定型对纤维热收缩的影响
（3）热定型对纤维染色性能的影响
8.5 、合成纤维的热定型
热定型机理
纤维热定型过程的复杂性：焓变、熵变、多种运动单元
目前研究纤维的热定型，可从热定型过程中纤维大分子间 作用力的变化，热定型与分子运动等方面来进行探讨。
8.5 、合成纤维的热定型
热定型过程中大分子间作用能的变化
8.5 、合成纤维的热定型
总结三步过程
第一步：时间很短，主要发生传热、传质、内应力松弛，纤维 的主要物理机械性质改变； 第二步：时间长，形成较大的超分子结构单元和分子间键，结 构得到稳定；
第三步：冷却或去除增塑剂，时间很快，结构的变化被固定下 来。
8.5 、合成纤维的热定型
热定型与分子运动
纤维在使用温度下具有必要的柔性和弹性，同时又希望 保持纤维的形状和尺寸的稳定性。 要符合上述条件，就要求成纤聚合物结构中存在多种运 动单元。
8.4 、合成纤维的拉伸
概述
各种初生纤维在拉伸过程中所发生的结构和性能的共同点： 纤维的低序区(对结晶高聚物来说即为非晶区)的大分子沿 纤维轴向的取向度大大提高；同时伴有密度、结晶度等其它结 构方面的变化； 结果： 使纤维承受外加张力的分子链数目增加了，使纤维的断裂 强度显著提高，延伸度下降，耐磨性和对各种不同类型形变的 疲劳强度亦明显提高。