第1章合成纤维的热塑性和热变形

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能量E、位移X，势能量E与位移X成函 数关系，分三种情形：
一、稳定平衡 凹槽最低处球的能量最小 :
用数学方法表
示球的稳定平衡态位置B。 二、非稳定平衡： 凸形曲线的拐点（最大值） 三、随遇平衡： E小球在直线上（平面上） , 能量 E 是常数。 6
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3．粘流态：

当温度高于软化温度Tsf后，高分子链段产生相对滑动，拉 伸时表现为小应力作用下产生极大变形。由于是分子链的 构象发生了变化，弹性模量很低，（如拉面条），变形一 般也难以恢复。这就是不可逆形变即塑性变形。 总之，非晶态高聚物所具有的玻璃态、高弹态和粘流态的 主要差别是材料的变形能力不同，即弹性模量不同，故称 三种力学状态。 要明确这三态的转变不是热力学的相变（如冰、水、汽）。
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2． Cold Force setting冷力定型：由外 力作用下产生形状的改变，由此产生定型， 如拉伸作用下的蠕变。 如羊毛拉细。 当外力作用下的应力超过屈服应力点时， 会产生不能回复的“塑性变型”。一般这 种变形在湿热条件下少部分恢复，

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材料
温度℃
玻璃化温度 Tg 软化点 Tsf 235-240 180 145-150 熔点 Tm 256 215 163-170 熨烫温度 160 120 100-120
涤纶 锦纶 丙纶
67-81 47-50 -35（-20）
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合成纤维一般结晶度较高，其玻璃

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4． Frictional setting摩擦定型
如细纱、加捻产生横向压力，这是摩
擦定型效应体现。
空气变形加工中单丝与丝圈相互交缠
而成变形纱，就是利用摩擦定型原理。
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二、合成纤维的热塑性及变形加工机理
合成纤维的变形加工多利用加热变形
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结论：
适当松驰热定型可以改变分子间作用
力、消除内应力、使内部结构更加均
匀，从而在一定程度上改善纤维的尺
寸稳定性和物理一机械性能。
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2．张紧状态下的定型---合纤在一定外 力作用（给定型状）下进行热定型
例如外衣（羊毛衫）的定型，一般均是在保持一定 外形情况下进行熨烫，以达到服装保形或折痕、 褶裥等外现要求。 假捻变形加过程中加捻长丝在保持螺旋形态下进 行热定型， BCF 即填塞箱变形加工中长丝保持锯 齿形态。

E
如一个重球总是向下滚到低处，它的势能量低， 再如水向低处流等。
X
E 0 X 2E 2 0 X (1 1) (1 2)
E X 0 2E 2 0 X (1 3)
(1 4)
E 0, (1 5) X 2E 0, (1 6) X 2
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五、松驰热定型



1．松驰处理是将纺织材料在松驰状态和适当温 度下进行热定型处理。 如合成纤维纺丝后加工中的二次热箱热定型。 合纤在喷丝后成形及拉伸，在纤维内会遗留有结 构不均匀和相应的内应力，其热稳定性差，纤维 的勾强、勾伸、染色性能均不良，沸水收缩率大， 不符合其后纺织染加工及服用的要求。
机理来实现。（除空气变形、网络变 形外） 热塑性合成纤维：以涤纶居多，另有 锦纶和丙纶等。
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热塑性



指合纤受热时可塑性的增加，因为当纤维材料升温至一 定温度时，纤维内的大分子之间结合力减弱，分子链段 开始自由运动，纤维变形能力增大。 这时以一定外力使变形后的纤维保持一定形状，使大分 子间原有的化学键（结合点）破坏，并在新的能量低点 达到平衡态，然后冷却并除去外力，变形后的形状就保 持下来，只要以后加热不超过先前这一处理温度，形状 基本不会发生变化。 这就是纤维的热塑性，利用纤维的热塑性可进行热定型 或热变形加工。（这是变形纱的热学基础）。
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非晶态高聚物（结晶区较低时）：



具有曲型的力学三态特征：曲线上对应有两个 斜率突变区，一是玻璃化转变区，一个是粘弹 转变区。 1.玻璃态:低温时，合纤分子热运动的能量低， （运动单元，运动方式）只有分子的侧基、短 支链的局部振动和键长、键角的微小变化， 合纤的宏观性质：弹性模量很高，变形能力很 小，纤维具有类似玻璃的状态，故称玻璃态。
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2．高弹态


当合纤温度超过玻璃化温度Tg以后，纤维弹性模量突然 下降，纤维在小应力作用下可发生很大的变形，但当外 力除去后，大分子链段发生卷缩，变形可随时间延长而 逐渐恢复。这在温度—变形曲线上表现为平台区。称它 为高弹态，也是高聚物特有的力学状态。 橡胶的玻璃化温度通常小于 0℃（硫化结果，冬季不失 弹性），如天然橡胶—73℃，聚丁二烯合成橡胶—85℃。 塑料的玻璃化温度远高于室温，聚氯乙烯78℃。
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三、合成纤维（非晶态高聚物）的热学 性质




合成纤维在变形加工中要受到热的作用，纤维温度升高， 大分子的运动单元和运动方式及其宏观表现 —— 物理、 机械和化学性质均随之变化，最后软化、熔融。 （ 1 ）玻璃化温度 Tg ：从力学看是物质由玻璃态转变为 高弹态的温度。也是大分子链段“解冻”或“冻结”的 温度。它是指一个对温度十分敏感的温度范围（ 3-15℃， 几乎所有物理性质发生突变） （2）软化温度Tsf：熔点以下20-40℃的一般温度范围。 （涤纶230℃左右） 。 （3）粘流温度Tvf：高弹态转变为粘弹态时的温度。
化温度Tg高于室温，因此常温下一 般处于玻璃态。 因有非晶区大量存在，在室温下合 成纤维也表现有驰缓时间较短部分 的高弹形变，因而不显示典型结晶 高聚物的脆硬性质，而有一定的韧 性。
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四、链段硬化定型和结晶作用定型




合纤热定型机理包括链段硬化定型和结晶作用定型。 1．链段硬化定型 有机玻璃----线型非晶高聚物，说明这种定型过程。 在室温时，T<Tg，它是坚硬的塑料。 玻化温度： T>Tg 时，分子热运动加剧，分子链段 因可运动而变得柔软（解冻）。此时施加外力使其变形， 再冷却到玻璃化温度以下，则新的分子链段结构被“冻 结”，形成一种新的型态（玻璃态）。 这种定型是暂时的，因为当T>Tg时，定型将消失， 并回复到原来平直状态。
复原）,如涤纶等合纤（长丝）的热定 型。
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定型原理的假说:物质的热平衡原理及 能量守恒定律 其基本原理是“系统处于能量最小时， 结构最稳定。” 对宏观纤维而言，可以通过分子结构 的变化，或外部形状态的改变达到能 量的转化，从而使纤维材料处于能量 相对低的一个平衡态中。
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合成纤维的上述两种定型的目的不同，结果
也不同。

· 松驰整理主要是为了消除内应力，使结构完
善，变形纱的性能改善并更趋稳定。

· 紧张处理是为了在外力作用下进行热定型，
达到并保持所要求的形状。
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作业：
1 ．变形纱及产品有哪些品种：图片、文字、 介绍、资料来源（网址）. 2．介绍涤纶、锦纶和丙纶的生产工艺过程 3．说明非晶态合成纤维的力学三态特征。 4 ．定型分哪几种？说明合成纤维的热定型 机理。
3． Chemical setting化学药品定型
化学定型三种情况： （ 1 ）分子链之间的键合定型，有范德华力、 氢键，作用弱，引入极性偶极基团。 （ 2 ）化学反应形成定型纤维，如纤维素纤 维定型，通过形成新的大分子交联。 （ 3 ）纤维之间的键合：如用树脂涂层，纤 维胶粘剂。 湿定型：加湿条件下材料平衡体系发生改变 的定型。当条件适度如加热烘燥，定型还原
说明三点：
1．能量E与位移X不是一维的，可能是多维的， 即描述系统的平衡状态需更多参数。 2．一个体系可能有多个能量最低值，若整个体 系发生变化，能量最低值也将发生变化。 3．若定型只是因吸收能量由低一级能量最小位 置向高一级能量最小位置转变，则这种定型必定 是暂时的，一有干扰球就有可能回到能量较低的 位置上。反之，则可能是永久定型。
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2．结晶作用定型
晶体是分子链有规则地堆砌，形成能量最低的状态， 此时分子链的自由度将明显降低（只有振动、没有变 形），这又是一种特殊的形态。 合成纤维内有许多小的、不完整的各种形式的微晶体。 在熔点温度以下，这些不完整的区域结晶会先熔融，产 生微晶区的局部流动，从而形成更大、更有规则也更完 整的晶体，假如在此过程中材料产生了变形，同时内部 应力因局部熔融，而得到松驰，并通过再结晶使新的形 态得到稳定，这就是结晶作用定型。 结晶作用定型属不可逆永久性定型。（因为晶体是最稳 定的结构）。
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用能量平衡状态来解释纺织材 料的定型机理:
若不计其它因素，定型就是使纤维结
构发生了导致它获得一个新的最小能 量位置的变化过程。 见上图，球通过某一过程从定型前的 平衡位置跳跃到能量更低的新的平衡 位置。这样定型后状态更稳定，定型 可以认为是永久的。
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一个体系的平衡状态转变，一般伴随
有能量的变化或转化。 按产生这种变化的源或动力,定型可分 四类：
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1．
Heat setting：热定型是指热振 动引起的能量变化。 高温时分子振动容易发生，这也就是 常说的热定型。 熨烫定型
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第一章变形纱概念与变形加工原理作业



1．变形纱产品的种类，要求学生查阅相关文献与资料； 2．目前国内变形纱加工的现状； 3．了解晶体结构与特性，认识非晶态高聚物的内部结构特点； 4．了解高分子聚合物的热力学特性，说明热定型应力与应变 的松驰机理。 5．说明合成纤维的热定型机理。
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第三节 合成纤维的热塑性和热变形 加工的基本机理
定 型
定型:
纺织材料的某一特定型式下的 结构稳定性。 在外界因素的影响（外力、化学、物 理作用）下，材料内部结构达到新的 稳定的平衡状态。 如织物的热定型、服装熨烫等。
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定型的分类：
暂时性的（棉布熨烫） 半永久性（毛织物热定型） 永久定型（改变分子结构，定型不能