第九章拉伸工艺原理.docVIP

　 　　　 　　　 第九章 拉伸工艺原理　　 　　　 　 第一节 概 述　　 　 　 一、拉伸的目的和作用　 前几章讨论了成纤高聚物的纺丝成形工艺原理。通过纺丝成形的初生纤维，不论是由熔纺成形的卷绕丝，还是湿纺成形的凝固丝，它们的强力都很低，伸长大，结构不稳定，远不符合纺织加工的要求。初生纤维必须通过一系列后加工（或称后纺）工序之后，才能具有一定的物理-机械性能和稳定的结构，才能符合纺织加工的要求，并具有优良的使用性能。　 在初生纤维后加工过程中，最主要的并对纤维的结构与性能影响最大的是拉伸和热定型两道工序。拉伸常称为合成纤维的二次成形，它是提高纤维物理-机械性能必不可少的手段，同时也是检验其前面各道工序进行得好坏的关口。　　　 在拉伸过程，纤维的大分子链或聚集态结构单元发生舒展，并沿纤维轴向排列取向。在取向的同时，通常伴随着相态的变化，以及其他结构特征的变化。　　　 各种初生纤维在拉伸过程中所发生的结构和性能的变化并不相同，但有一个共同点，即纤维的低序区（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。由于纤维内大分子沿纤维轴取向，形成并增加了氢键、偶极键以及其他类型的分子间力，纤维承受外加张力的分子量数目增加了，从而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。　　 二、拉伸过程的进行方式 　　 在化学纤维生产中，拉伸是紧接着纺丝工序而连续地进行的，或者与纺丝工序分开，以预先卷装在筒子上或盛丝桶中的卷绕丝或初生纤维来进行拉伸。　 初生纤维的拉伸可一次完成，也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8～12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。　 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。纤维拉伸的方式，若按拉伸时纤维所处的介质来分，一般有干拉伸、蒸汽浴拉伸和湿拉伸三种。　　 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之间有热量传递。干拉伸又可分为室温拉伸和热拉伸。室温拉伸一般适应于玻璃化温度（）在室温附近的初生纤维；热拉伸是用热盘、热板或热箱加热，适用于较高、拉伸应力较大或纤度较粗的纤维，通过加热使纤维的温度生高到以上，促使分子链段运动，降低拉伸应力，有利于拉伸顺利进行。　　 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所包围，有热量传递，在成形过程中的拉伸还可能有传质过程甚至有化学反应。由于拉伸时纤维完全浸在浴液之中，纤维与介质之间的传热、传质过程进行得较快且较均匀。此外，还有将热水或热油剂喷淋到纤维上，边加热边拉伸的喷丝法，亦是湿拉伸的一种。　　 近年来，采用熔法高速纺丝，卷绕丝速度在3500m/min以上，有的高达6000m/min以上，所得的卷绕丝称为部分取向丝(POY)或接近于完全取向丝 为了取得最佳拉伸工艺条件，必须对初生纤维在拉伸线上的形变行为、纤维拉伸的运动学、动力学和拉伸机理，以及纤维在拉伸过程中结构与性能的变化等进行系统了解。对此将在以下各节中讨论。　 　　　 　 第二节 拉伸过程中应力－应变性质的变化——拉伸曲线　　 　　　 　 一、拉伸曲线的基本类型　　 初生纤维在拉伸过程中的力学行为强烈依赖于纤维的结构和拉伸条件。在拉伸过程中，应力和应变不断地发生变化。反映初生纤维拉伸时应力-应变变化的曲线又称拉伸曲线。　　 初生纤维的拉伸，实际上是一种单轴拉伸形变。原则上，可用材料的负荷-拉伸试验测定的应力-应变曲线来预示拉伸线上的力学行为。　 在材料的负荷拉伸试验中，试样所受的拉伸应力为，对于小的伸长，通常将应　 变（或伸长率）定义为；，即拉伸后的长度与原长之差。称为工程应变或Cachy应变。但对于大的伸长，则采用由瞬时伸长定义的应变，称为真应变或Henky应变，记为：　　 （9-1）　　　 式中为拉伸比（或拉伸倍数）。初生纤维的拉伸比可用连续拉伸时的拉伸速度与喂　 丝速度之比来表示，即。　 拉伸时，试样截面积的变化将影响式样所受的实际应力，因此应力有真实应力与许用应力之分：　 ⑶真实应力σ　　　 拉伸时的真实应力为：　 （9-2）　 ⑷许用应力σa　 许用应力σa则为：　 （9-3）　　　 式中：表示所施加的张力；为拉伸过程中试样的真实截