第1章合成纤维的热塑性和热变形

第三节合成纤维的热塑性和热变形加工的基本机理2020/1/19纺织学院2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。2020/1/19纺织学院3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，定型不能复原）,如涤纶等合纤（长丝）的热定型。2020/1/19纺织学院4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。2020/1/19纺织学院5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)21(0)11(022XEXEE)41(0)31(022XEXE)61(,0)51(,022XEXE2020/1/19纺织学院6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。2020/1/19纺织学院7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。2020/1/19纺织学院8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。2020/1/19纺织学院9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：2020/1/19纺织学院101．Heatsetting：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2020/1/19纺织学院112．ColdForcesetting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，2020/1/19纺织学院123．Chemicalsetting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2020/1/19纺织学院134．Frictionalsetting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。2020/1/19纺织学院14二、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。2020/1/19纺织学院15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）。2020/1/19纺织学院16三、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。2020/1/19纺织学院17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。2020/1/19纺织学院182．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℃。2020/1/19纺织学院193．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）。2020/1/19纺织学院20材料温度℃玻璃化温度Tg软化点Tsf熔点Tm熨烫温度涤纶67-81235-240256160锦纶47-50180215120丙纶-35（-20）145-150163-170100-1202020/1/19纺织学院21合成纤维一般结晶度较高，其玻璃化温度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。2020/1/19纺织学院22四、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，TTg，它是坚硬的塑料。玻化温度：TTg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TTg时，定型将消失，并回复到原来平直状态。2020/1/19纺织学院232．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）。2020/1/19纺织学院24五、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。2020/1/19纺织学院25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。2020/1/19纺织学院262．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。2020/1/19纺织学院27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。2020/1/19纺织学院28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。2020/1/19纺织学院29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。