（纺织工程专业论文）PTT纤维针织面料的研制[纺织工程专业优秀论文].pdf

p t t 纤维针织面料的研制摘要 p t t 纤维针织面料的研制 摘要 p t t 纤维是一种引人注目的新型聚酯纤维，具有较好的延伸性、优良的弹性回复 性、良好手感、易染色、抗污性佳等独特优点，具有广阔的纺织应用前景。由于p t t 独特的分子结构，比常规涤纶更适于开发手感柔软、弹性优良的针织面料，以满足人 们对于服装舒适弹性的需要。 本文测试分析了p t t 短纤维的拉伸、应力松弛性能，p 1 v r 长丝纱与p t l 什e t 复 合长丝纱的强伸、回弹性能、残余扭矩和摩擦系数。根据纤维性能，与工厂联合探索 p 1 v r 针织物的研制，优化织造、染整工艺，开发出了p t t 双罗纹、纬平针、集圈、 衬垫纬编针织面料。 将组织结构相近的p t t 针织物与p e t 针织物进行性能测试和对比分析。p t t 织 物的断裂伸长率较大，耐磨性较好，定伸长条件下的弹性回复率较高，悬垂性较好， 抗起毛起球性能较好；p e t 织物的断裂强力较高，顶破强力较高，折痕回复性能较好； 二者的光泽度较高，色牢度较好，透通性较差，无明显差异。不同原料、不同组织结 构p t t 针织物的力学性能、外观保持性能、舒适性能有所不同。 关键词：聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维；针织物；编织；染色；测试；模糊评价 作者：王琳 指导教师：左保齐 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp t tk n i t t i n gf a b r i c sa b s t r a c t r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fp t tk n i t t i n gf a b r i c s a b s t r a c t p ，丌( p o l y t r i m e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) f i b e ra so n eo fn e w n o t i c e a b l ep o l y e s t e rf i b e r s w h i c hh a sg o o de x t e n s i b i l i t y ，h i g he l a s t i cr e s i l i e n c e ，s o f th a n d l e ，g o o dd y e a b i l i t ya n d r e s i s t a n c et os o i l i n g ，i sw i d e l yu s e da sn e wt e x t i l em a t e r i a lw i t hb r o a d p r o s p e c t d u et ot h e u n i q u em o l e c u l a rs t r u c t u r eo fp t r ，i ti sm o r ea p p r o p r i a t ef o rd e v e l o p i n gk n i t t i n gf a b r i c s w i t he x c e l l e n th a n d l ea n de l a s t i c i t yt h a np e tt om e e tt h ed e m a n do f p e o p l e t e n s i l ea n ds t r e s sr e l a x a t i o no fp t ts t a p l ef i b r e sa n dt e n s i l e ，e l a s t i cr e c o v e r y ，r e s i d u a l t o r q u ea n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp t ta n dp t t p e tm u l t i f i l a m e n ty a m sw e r et e s t e da n d a n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ep r o p e r t y e so fm a t e r i a l s ，o p t i m i z e d k n i t t i n g ，d y e i n ga n d f i n i s h i n gp r o c e s sw e r ec h o s e n ，a n di n t e r l o c kr i b ，w e f tp l a i n ，t u c ks t i t c ha n dl a i di ns t i t c h p ，兀f a b r i c sw o r ed e v e l o p e dw i t ht h eh e l po ft h ef a c t o r i e s t h ep r o p e r t i e so fp t tk n i t t i n gf a b r i c sw e r et e s t e da n dc o m p a r e dw i t hp e tk n i t t i n g f a b r i c so ft h es i m i l a rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s p t tk n i r i n gf a b r i ch a sh i g h e rb r e a k i n g e l o n g a t i o n ，b e t t e rw e a r - r e s i s t a n c e ，h i g h e re l a s t i cr e c o v e r yp e r c e n t a g eu n d e rt h ec e r t a i n e l o n g a t i o n ，b e t t e rd r a p a b i l i t ya n da n t i p i l l i n g ；p e tk n i t t i n gf a b r i ch a sh i g h e rb r e a k i n g s t r e n g t ha n db u r s t i n gs t r e n g t ha n db e t t e rc r e a s er e c o v e r y ；b o t ho ft h e mh a v eg o o d g l o s s i n e s sa n dc o l o rf a s t n e s sb u tp o o rp e r m e a b i l i t y t h ep r o p e r t i e s o fm e c h a n i c s ， a p p e a r a n c ea n dc o m f o r to fp t tk n i t t i n gf a b r i c sw h i c hh a v ed i f f e r e n tm a t e r i a lo rs t r u c t u r e a r ed i f f e r e n t k e yw o r d s ：p o l y t r i m e t h y l e n et e r e p h t h a l a t ef i b e r ；k n i t t i n gf a b r i c ；k n i t t i n g ；d y e i n g ；t e s t ； 蛔e v a l u a t i o n w r i t t e nb y ：w a n gl i n s u p e r v i s e db y ：z u ob a o q i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：珥日 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：口7 汐 p t t 纤维针织面料的研制第一章绪论 第一章绪论 二十一世纪是高科技发展的世纪，信息技术、生物技术和材料科学是高科技发展 的三大分支。在纺织科学中，新材料的研发和应用是世界各国抢占市场份额的重要前 提。合成纤维在纺织生产和发展中占有举足轻重的地位。聚酯纤维以其优良的性能和 广泛的适用性成为合纤的第一品种，p t t 纤维是聚对苯二甲酸丙二醇酯 ( p o l y t t i m e t h y l e n e t e r e p h t h a l a t e ) 纤维的简称，是由对苯二甲酸( p t a ) 和1 、3 一丙 二醇( p d o ) 进行酯化、缩聚而得到的一种新型的聚酯产品，具有独特的分子结构而 兼具聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e t ) 和聚对苯二甲酸丁二醇酯( p b t ) 纤维的优点， 成为国际上引人注目的高分子材料之一。 早在1 9 4 1 年，美国c a l i c op r i n t e r sa s s 公司的w h i n f i e d 和d i c k s o n 就成功地合成 了p t t 高分子，但因其原料之一1 、3 一丙二醇单体( p d o ) 价格昂贵，无法工业化 生产。1 9 4 8 年美国s h e l l 化学公司申请了以丙烯醛水合路线合成p d o 的专利【1 2 】。二 十世纪6 00 7 0 年代，美国s h e l l 化学公司以丙烯醛路线工业化生产p d o 。1 9 9 6 年美国 s h e l l 化学公司开始工业化生产p t t ，于同年5 月向市场推出商品名为“c o r t e r r a ”的 产品【3 一钉。紧随其后，d u p o n t 和g e n e n c o r 公司用生物工程法也开发成功p t t 【5 卅，d u p o n t 从可再生原料一一玉米糖中用生物酶催化法制备的p d o 所生产的新型聚合物 s o r o n a 固取代传统的石油产品，对于自然资源的合理利用有重要意义，增加了产品环 保方面的差别性m 。 1 1p t t 的合成 同常规p e t 聚酯的制备方法相仿，p t t 可先通过对苯二甲酸二甲酯( d m t ) 的 酯交换法或对苯二甲酸( p 1 a ) 的直接酯化法制备对苯二甲酸丙二酯( b h p t ) ，再进 行缩聚反应【引。 1 d m t 法( 酯交换法) 以d m t 为原料的酯交换法合成p 订工艺，其优点是反应为均相反应，操作方便， 控制容易，酯交换产物中羰基含量极微，羰基含量对缩聚过程的影响几乎可以忽略； 其缺点是生产中工艺过程多，设备多，投资大，且产生大量甲醇，环境效益差，回收 p 1 r r 纤维针织面料的研制第一章绪论 量大，增加设备与能源消耗。反应式如下所示。 c o o c h 3c o o ( c h 2 ) 3 o h + 2 h o ( c h 2 ) 3 0 h + 2 c h 3 0 hf c 。o o ( c h 2 ) 3 0 h oo o ih n - - - - - - - - h o - - ( c h 2 ) 3 0 占d & + ( c h 2 ) 3 0 h + ( n 1 ) ( b lo h c o o ( c h 2 ) ，o h ( b h p t )( p t t )( p d 0 ) 2 p t a 法( 直接酯化法) 直接酯化法是将p t a 与p d o 直接进行酯化反应制得b h p t 。反应式如下所示。 ( p t a ) ( p d 0 )( b h p t ) c o o ( c h 2 ) 3 0 h oo o h n n o - i - ( c h 2 ) 3 0 心& + ( c 眇叫n - 1 ) ( b c o o ( c h 2 ) ，o h (bhpt)(ptt)(poo) p t a 法的优点是由于p t a 价格比d m t 便宜，使聚酯生产成本降低，而且p t a 路线不副产甲醇，可以省去回收甲醇的工序，节约投资，减少污染，有利于安全生产， 工业生产中适宜采用p t a 法【9 】。但缺点在于反应体系为固相p t a 与液相p d o 共存的 非均相体系，反应控制难度大，易产生羰基、醚键等副产物，影响聚合的质量。无论 是酯化反应还是酯交换反应，得到的都是中间产物b h p t 。b h p t 在随后的阶段缩聚 为p t t ，p t a 和d m t 路线在缩聚阶段是完全相同的。 1 2p t t 纤维的结构与性能 p t t 与p e t 、p b t 同属聚酯家族。三者的分子结构式见图1 1 。 2 o h h o o h h c c o o人y 一一 o b cm+ p t t 纤维针织面料的锣f 制第一苹绪论 oo ( c h 2 ) 2 0 8 墨。七 斗 2 ) 2 0 c 弋卜c o 七 ( 1 ) p e t oo - - ( c h 2 ) 3 0 占 墨。七 2 ) 3 0 c 弋卜c o 七 ( 2 ) p t t oo - - - ( 1 2 ( c h ) 4 0 占 占。七 ) 4 0 c 弋卜c o 七 ( 3 ) p b t 图1 1 p e t 、p t t 、p b t 的分子式 与p e t 和p b t 化学结构中的偶数个亚甲基单元相比【1 们，p t r 在对苯二甲酸单元 中存在着三个亚甲基。研究表明，这种化学结构中奇数个亚甲基单元会在大分子链间 产生“奇碳效应”，使苯环不能与三个亚甲基处在同一平面，邻近两个羰基的斥力不 能呈1 8 0 0 平面排列，只能以空间1 2 0 0 错开排列，由此使得p t t 大分子链形成螺旋状 排列，最终影响p t t 的物理性能。d a n d u r a n d1 1 1 等通过x 射线和电子衍射方法研究 了p t t 晶体中大分子链的构象，发现其大分子链中一o 一( c h 2 ) 3 一o 一单元具有能 量最低的反式一旁式一旁式一反式构象，即呈现明显的“z ”字形构象，使得p 1 v r 大 分子链具有如同弹簧一样的变形弹性。j a k e w a y s 和删等【1 2 】也发现了同样的规律， 这种非伸直链形的螺旋结构就像弹簧一样，在纵向外力的作用下，“旁式”单元发生 键旋转而转变为“反式构象。由于这种构象转变仅仅包含c c 和c o 键旋转， 分子链的伸长很容易发生，而且在这种键旋转过程中分子的构型并未发生变化，所以 构象转变完全是可逆的，外力除去后又恢复原状，这种结构赋予p t r 良好的内在回 复性，而且纤维的模量较低。也有学者认为，以“奇碳效应 解释p t t 的高回弹性 过于勉强，因为大分子链在非晶相中是无规分布的，不可能形成“z ”字形构象；而 在晶相中，“z ，字形构象的大分子链不可能受力首先发生构象变化。所以p t t 纤维 高回弹性的结构原因仍有待于进一步研究【1 0 】。p t t 及p e t 、p b t 的大分子结构构象 见图1 2 。p e t 纤维的聚合物链基本上是全伸展构型，全拉伸纤维的伸长不大( 大约 6 ) 。p b t 纤维在外力作用下会发生构象转变，从口晶型到晶型转变，估计变化的 p t t 纤维针织面料的研制第一章绪论 范围1 0 0 o 1 2 。对于p 1 y r 而言，至今只发现一种构象，但由于这种构象很容易拉伸， 其完全回复的伸长率为2 0 1 1 3 】，其弯曲的链段长度是完全伸直长度的7 5 ，受力时， 大分子链能比较容易拉伸或是压缩；外力去除后，能快速地恢复原状【1 4 】。 p l f l pj l p b l 图1 - 2p e t 、l y l 阿及p b t 的大分子结构构象示意图 由于p t t 大分子的独特结构，p t t 纤维具有良好的弹性、柔软性、低温染色和 防污等性能【”】。 p t t 的螺旋结构，增强了其内在回复性。与p e t 、p b t 纤维相比，三者的回弹 性能顺序为p t t p b t p e t 。 p t t 的杨氏模量( 2 。5 8 n m d 较p e t ( 9 1 5 n m ：) 低得多，因此与相同纤度的p e t 纤维相比，p t t 纤维具有更大的柔软性，3 d t e x 的p t t 纤维和2 d t e x 的p e t 纤维基本 上有着相同的柔软性，p t t 纤维不用碱减量就可达到p e t 细旦纤维的柔软性。 由于p t t 的玻璃化温度不高( 4 5 - 6 0 ) ，使其具有更好的染色性能。p t t 纤维 可在常温常压下染浅色，在1 1 5 染成深色，而且染料吸收率高，色牢度好，可以和 羊毛、蚕丝等混纺，并在相同温度共浴一步法染色。 大分子链的化学结构对其表面张力影响很大，亚甲基为奇数的比偶数的临界表面 张力低，所以p t t 纤维具有较好的抗污性。 p 1 阿与几种常用纺织纤维的性能比较见表1 2 【1 6 1 。 表l - 2p t t 与几种常用纺织纤维的性能比较 4 p ，l t 纤维针织面料的研制第一章绪论 1 3p t t 的生产、研究、产品开发现状 1 9 9 5 年，美国s h e l l 公司率先实现p t t 高聚物的工业化生产，揭开了p t t 高速 发展的序幕，预测到2 0 1 0 年世界p t t 总产能将达到1 0 0 万吨年。s h e l l 公司现为世 界上生产p d o 的最大厂家，采用环氧乙烷路线，自1 9 9 9 年起该公司与k o s a 公司协 作，生产和销售p 1 y r 纤维。杜邦公司开发出用生物酶催化法制备p d o 的生产技术， 在北卡罗来纳州的k i n s t o n ，世界上第一个连续聚合工厂内生产s o r o n a ，并与北美的 聚酯企业、韩国s a c h a n 工业、日本帝人和东丽、台湾远东纺织等公司在开发生产p t t 纤维方面合作。p t tp o l yc a n a d a 公司在加拿大蒙特利尔兴建了世界第二大p t t 生产 厂，产品主要用于生产纤维、地毯和其它纺织品。日本旭化成自1 9 9 9 年起便拥有1 0 0 0 吨年的p t t 生产线，商品名“s o l o ”，2 0 0 2 年，旭化成与帝人公司签署了成立联合 开发p 1 v r 纤维的新公司“s o l o t e x ”的协议，并已运营。2 0 0 1 年5 月3 1 日东丽、东丽 一杜邦和杜邦公司之间签定了合作发展包括p d o 、s o r o n a 和3 g t 纤维在内的协议。 德国z i m m e r 公司1 9 9 7 年开发出连续缩聚工艺，保证了纺丝质量。据报导，韩国政 府与企业共同开发p ，丌，h u v i s 、晓星和s e h a n 等公司在集中开发p t t 纤维及其制品。 国内黑龙江石化研究所正在开发丙烯醛路线的p d o 单体，以期使p t t 能立足国产， 江苏仪征化纤、上海石化等公司正在研发p t t 纤维，上海华源股份公司已与美国s h e l l 公司合作成功生产出数种规格的p t t 纤维。自2 0 0 2 年，由于生产规模扩大，p t t 切 片持续降价，加之p t t 纤维的优异性能，决定了p t t 纤维的应用高潮必将到来【l m 3 1 。 早在1 9 7 6 年w a r d i m 等人就对p t t 纤维的力学性能与结构进行了研究【2 4 1 。近 几年，随着p t t 纤维生产、应用的迅猛增长，国内外对p t t 纤维、纱线和织物又进 行了大量研究。m b u s c e m i ，k d a n g a y s c h ，k k i l b b e r 等人对比了在10 和2 0 伸长率 下，8 3 d t e x 3 6 fp e t ，8 3 d t e x 2 4 fp t t 和8 3 d t e x 2 4 fp b t 长丝纱的单次拉伸回复数据 【2 5 】。h s b r o w n 等【2 6 1 曾报道了p t t 长丝纱的变形工艺，并研究了纺纱速度与纱线的 断裂伸长率间的关系。m 织物的弹性很大程度上依赖于p t t 纱线的弹性。m a r e m o e r m a n 等【2 7 】曾研究过影响p t t 针织物和机织物的弹性问题。他找出影响p ，r r 针织 物弹性的因素主要为柔软剂、单丝纤度和染色温度，并将经过染色、热定形处理和用 等量的硅柔软剂软化后的p t t 、p e t 、p b t 和p a 6 6 双罗纹织物进行弹性比较。对于 p t t 机织物，当p t t 配置在经向时，对p t t 、p e t 、p b t 和p a l y c r a o ( 1 0 - - - 2 0 ) 5 p t t 纤维针织面料的研制第一苹绪论 这四种经纱做成的相同结构的织物比较了经向弹性。当p 1 v r 配置在纬向时，对纱支 相近的p t t 、p b t 、聚酰胺、涤纶作纬纱织造的四种缎纹织物，按工业要求染色和整 理，比较了它们的弹性。 p t t 织物的染色及整理条件对织物的弹性回复性影响也较大。m b u s c e m i 等【2 5 】 研究了p t t 织物的热定形问题，找到了热定形的最佳温度及定形张力。m a r c m o e r m a n 2 7 1 等人曾介绍了p t t 织物染色的配方及后整理问题。y i q iy a n g 等陋3 0 1 研究 了1 0 0 p 1 v r 织物的染色性能，找到了p t t 染色适用的染料及分散染料染p 1 v r 最佳 条件，此研究成果对今后的p t t 交织、混纺织物的工业染色过程有指导意义。日本 的三井b a s f 染料公司 3 1 - 3 2 1 也研究了p t t 织物的染色性能，得出在一般的牢度要求 上，推荐使用c o m p a c te c oc c 系列中的各种染料；要求更高色牢度时，推荐使用 d i s p e r s o lx f s f 染料。也有人使用分散和还原染料一浴法研究过p 1 可棉混纺织物的 染色性削3 3 3 4 】。c h w o 3 ”6 】等对p t t 针织物和机织物的一系列染整工艺条件作过报 道。 国内一些高校和厂家对p t t 纤维的应用开发也做了积极探索。进行了p t t 纤维 及成纱性能的探讨【3 7 】；通过在横机、圆机上试织p t t 试样及编织与其他纱线交织的 试样，研究了织物的前处理工艺、最佳染色条件、柔软处理、热定形等 3 8 - 3 9 】：试织 了棉p t t 交织织物、探讨了p t t 织物弹性与结构的关系删；试织了p t t 长丝织物， 探讨了处理温度对p t t 弹性的影响1 4 1 】；以一定比例将p t t 与毛混纺、交织、复合纺 纱，对p t l 毛精纺面料进行性能研究【4 2 1 。 1 4 本论文研究的目的及内容 p t t 纤维是继l y c r a 之后出现的一种新型弹性纤维，广泛用于服饰材料、地毯材 料、非织造布等用途【4 3 4 5 1 。利用p t t 纤维的优异性能通过针织的方法有望制作手感 柔软、耐磨损、弹性优良的服装，从而满足人们对于服装舒适弹性的需要。但目前国 内关于p t t 的研究还较不充分，在具体的应用中还存在着一些亟待解决的实际问题： 需在纤维生产和应用两方面探讨降低成本和价格的方法；探讨纤维自身的增弹、纺纱 方法与纱线整理增弹和织物增弹与稳定性；分析讨论组织结构对织物弹性和风格的影 响【1 4 】。为了更有效地利用p t t 纤维，必须对其织物性能进行全面深入的研究，以推 动p t t 新产品的开发、开拓p 1 v r 织物的应用领域。 6 i r l r r 纤维针织面料的研制第一章绪论 近年来国内很多企业试用过p t t 纤维，对p t t 针织面料的开发也作了一些探索， 但由于对p 1 v r 这种新型原料不够熟悉，加工技术基本上照搬了p e t 的生产工艺，不 能充分体现p t t 纤维的优异性能，开发出的面料性能不稳定，没有形成受消费者欢 迎的优质产品。 本论文采用p t t 短纤纱、p t t 长丝纱、p 1 呻e t 复合长丝纱、p 1 w 棉混纺纱、 p 1 w 棉羊绒混纺纱，在针织圆机上进行p t t 针织物的研制，并对织造的针织物进行 性能测试、比较，分析p t t 原料规格、针织工艺、染整工艺与产品性能间的关系， 为以后的产品开发提供依据。本论文主要研究内容包括： 1 对纤维原料性能进行测试分析。 2 根据纤维性能，与工厂联合探索p t t 针织物的研制，开发了纬平针、双罗纹、 集圈、衬垫四大类p 1 v r 针织面料，对加工过程中遇到的难点，进行技术攻关。 3 研究产品的染整后加工工艺，确保产品风格满足设计要求及达到相应标准。 4 对p t t 针织面料进行了力学性能、外观保持性、舒适性和外观风格的测试与分 析。 7 p t t 纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 第二章原料性能的测试研究 为了给产品结构设计和加工工艺设计提供必要资料，本章主要测试研究了p t t 短纤维的拉伸性能，并和常规涤纶( p e t ) 短纤维的性能进行对比分析；测试了p t t 长丝纱、p t t p e t 复合纤维长丝纱的拉伸、回弹性能，并与p e t 长丝纱进行对比分 析；测试比较了p t t 长丝纱、p t l 仰e t 复合纤维长丝纱的残余扭矩和摩擦系数。 2 1p t t 短纤维的性能 通过拉伸、应力松弛试验，以三元件模型为基础，就p t t 和p e t 纤维的力学性 能进行比较分析。 2 1 1 试样与试验 1 试样 p t t 纤维：1 6 7 d t e x x 3 8 m m p e t 纤维：1 6 7 d t e x x 3 8 m m 2 拉伸性能试验 参考g b t 1 4 3 3 7 1 9 9 3 合成短纤维断裂强力及断裂伸长试验方法m 】，在x q 1 纤维强伸度仪上分别对试样进行拉伸试验，夹持长度为1 0 m m ，拉伸速度为 l o m m m i n ，预张力为o 1 e n ，测试次数为3 0 次。 3 应力松弛试验 在y g ( b ) 0 0 3 a 电子单纤维强力机上分别对试样进行应力松弛试验，夹持长度 为1 0 m m ，拉伸速度为l o m m m i n ，预张力为o 1 c n ，定伸长率设为5 ，1 0 ，1 5 三档，每隔l o 秒取得试样的张力值。 2 1 2 线性三元件力学模型 三元件模型( 或称为标准线性固体力学模型) 由两个虎克弹簧和一个牛顿粘壶组 成，经常被用来描述纤维高聚物的粘弹性现象，能较好地描述在小变形条件下，纺织 纤维的粘弹性力学性能，这里引入线性三元件力学模型4 7 1 ，见图2 1 。 图2 1 中e 。、e ：分别是虎克弹簧的弹性模量，7 为牛顿粘壶的粘滞系数。模型 的本构关系为： p t t 纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 鲁噜娟吲鲁+ 丁e , e 2 占 ( 2 1 ) 圈2 1标准线住固体力学模型 在等速拉伸( s = k t ) 条件下，力学模型的应力一应变曲线方程为： o - = k r ( i - e 一磊懈) + e 2 c ( 2 - 2 ) 当应力松弛试验时，应变为常数巳，由初始条件，当时间t = o 时，初始应力为： o o = ( 互+ 易) 乞，解得的应力松弛方程式为： a 吣= e 2 s c + e r s c e 。e l 矗1 松弛时间一r 为： f = r 巨 则 4 0 = e 2 6 。七e t s c e l h ( 2 - 3 ) 2 1 3 结果分析与讨论 2 1 3 1 应力应变曲线 获得的典型纤维应力一应变曲线见图2 2 。 图2 - 2p 1 盯纤维与p e t 纤维应力一应变曲线 由图2 2 看出，p e t 纤维初始模量较高，p t t 纤维初始模量较低，p e t 纤维的断 裂伸长率大约为3 5 ，而p ，丌纤维的断裂伸长率大约为6 3 ，这说明p t t 纤维较p e t 9 堇p，n3vr逍 p t t 纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 纤维有着更优良的延伸性能。p 1 v r 纤维比p e t 纤维的线性区明显较大。线性区的变 形是由于分子链键长( 包括横向次价健) 和键角的改变所致，变形的大小正比于外力 的大小，是完全弹性回复变形。说明在小伸长变形下，p t t 纤维较p e t 纤维具有较 好的弹性回复能力。通过x 衍射研究表明，两种聚酯纤维晶胞中的大分子构象截然 不同，p e t 的结晶单元在c 轴上的长度是分子链完全展开时的9 8 ，因而p e t 纤维 的初始模量高，而p t t 的结晶单元在c 轴上的长度则是分子链完全展开时的7 5 ， 因此p t t 具有像弹簧一样的分子结构，正由于这样的结构，p t t 的形变就像弹簧那 样能够发生键角的改变和键的旋转，初始模量低，较p e t 纤维更容易发生形变【2 4 1 。 2 1 3 2 应力松弛模拟 在5 、1 0 、1 5 应变下获得的两种纤维的典型应力松弛曲线如图2 3 、图2 - 4 所示。 ol o2 03 04 05 06 0 时间( s ) 图2 - 3p t t 纤维的典型应力松弛曲线 01 0 z o 3 0 4 0 5 06 0 时间( s ) 图2 - 4p e t 纤维的典型应力松弛曲线 由试验所测数据，根据公式2 3 ，在计算机上用m a t l a b 的优化最d x - 乘法，求得 5 应变时方程的力学模型参数，见表2 1 。需要指出的是，对不同力学性能和不同试 验条件，所得的拟合参数是不同的。 1 0 趵 坫 m 5 o ，lt力应 坫 m 5 o )蕃，辩、力应 p t t 纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 求得p t r 纤维应力松弛的回归方程： 仃( f ) = 1 4 8 4 x 0 0 5 + 2 8 0 3 0 0 5 e 一2 8 0 3 7 2 8 1 m = 7 2 4 + 1 4 0 1 5 e - 0 啷 ( 2 - 4 ) r 2 = 0 9 6 7 求得p e t 纤维应力松弛的回归方程： c r ( t ) = 1 8 1 8 x 0 0 5 + 5 8 5 2 x 0 0 5 e 一5 8 5 2 7 3 8 7 耵= 9 0 9 + 2 9 2 6 e 曲啪 ( 2 5 ) r 2 = 0 9 6 8 5 应变下的实验点和力学模型模拟曲线示于图2 5 、图2 - 6 。图中“”为试验 点。1 0 、1 5 应变下的应力松弛模拟曲线从略。从图2 5 和图2 - 6 中可看出，p t t 纤维和p e t 纤维的应力松驰曲线完全可以用三元件模型来模拟。所以表2 1 的力学参 数可以表征所测纤维的力学性能。 0 1 02 03 04 05 0 6 0 柏b 图2 55 应变下p t t 纤维的模拟松弛曲线 吨 n m a ； & 一x8p罾管g讯瀑 p t t 纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 01 02 03 0 4 0 5 06 0 f e f ( 噼) 图2 - 65 应变下p e t 纤维的模拟松弛曲线 2 1 3 3 应力松弛分析 应力松弛是指在一定变形条件下，内力随时间增加而逐渐衰减的现象。纤维是粘 弹体，具有显著的应力松弛现象。在变形保持恒定时，大分子链段逐渐顺着外力方向 运动，分子链之间产生相互滑移，纤维分子链由原来卷曲状态逐渐变成伸直状态；或 者是次价键在外力作用下，逐渐破坏，分子链由热运动自发回复到卷曲状态，这时， 纤维的内力逐步消除，从而产生应力松弛【4 8 】。这里引入应力松弛率。 纤维的应力松弛率计算公式如下： 应力松驰率( ) = 鱼1 0 0 ( 2 6 ) 0 式中：瓦拉伸至定伸长时的负荷力； 五定伸长放置6 0 秒后的负荷力。 p t t 和p e t 纤维在不同应变水平的应力松弛率见表2 2 。 表2 - 2p t t 和p e t 纤维应力松弛率( ) 由表2 1 看出，在相同应变下，模型模拟p e t 纤维的应力松驰时，虎克弹簧的弹 性模量e 。、易高于p t t 纤维，同时粘滞系数刀也高于p t t 纤维，这表明p e t 纤维 与p t t 纤维相比，在同样外力作用下变形小，弹性模量高。从表2 2 可以看出，在任 何应变水平下，p t t 纤维的应力松弛率明显小于p e t 纤维的应力松弛率，相同应变 1 2 8 8 8 8 7 7 7 一)(墨芝孕谣端艺 1 4 p 1 t 纤维针织面料的研制 第二章原料性能的测试研究 4 2 食3 q 妻3 2 薹1 1 0 6 0bl ul bz u z 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 应s t r a i n ( ) 图2 - 9 几种长丝纱的应力二应变曲线 几种长丝的应力一应变曲线可分为三个阶段【4 9 】如图2 1 0 所示。第1 阶段为在负 荷增加较少的情况下，卷曲丝由弯曲变直的阶段，单丝并没有伸长；第1 i 阶段既有部 分长丝由弯曲变伸直，也有部分长丝拉直后伸长。这是因为丝束中单丝的抱合和卷曲 程度不同。第阶段为单丝继续伸长阶段，伸长速率较慢，负荷较大。 r 倒 、 i 夕 i i i 1 幢变 图2 1 0 长丝的应力应变曲线 由此看出，初张力选择对第1 阶段以至伸长率测试结果有重要影响。由于原料不 同、加工工艺不同，纤维自身具有的卷曲数差异较大，小负荷下的变形主要是纤维的 卷曲伸直。从图2 - 9 可以看出，在初张力l c n 的测试条件下，不同规格的p t t 长丝 纱在各应变下的模量( 曲线的斜率) 都较低，特别在较高伸长率( 1 5 ) 下的低模量 是非常可贵的独特性能，但p t t 长丝纱的断裂强度是几种长丝中最低的。p e t 长丝 纱具有初始模量高、断裂伸长率小的特征。第1 阶段p t l 仰e t 复合长丝纱的伸长速 率较高，曲线斜率很小，这是由于p t r p e t 并列式复合长丝两个组份具有不同的收 缩特性和初始模量，热处理后纤维在内应力作用下形成较多的波浪状或螺旋状卷曲 ( 如图2 8 所示) ，在小负荷下纤维由弯曲变直，初始模量低。随着伸长率的增加， p 1 1 卯e t 复合长丝纱的拉伸模量急剧增加，不同规格的p t l 仰e t 复合长丝纱的断裂 1 5 p t t 纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 强度介于p 1 v r 与p e t 之间，1 6 7 d t e x 复合长丝纱在高伸长下突出显示了p e t 的高模 量特征，一方面是因为单丝的细度较大，一方面可能和纤维的花生形截面有关。 2 2 2 回弹性能 参考f z t 5 0 0 0 7 氨纶丝弹性试验方法t 4 6 1 ，采用y g 0 6 1 纱线强力仪通过定伸 长拉伸实验测试了几种长丝的弹性。试样长度为2 5 0 m m ，拉伸速度为5 0 m m m i n ，初 张力为l c n ，反复循环次数设定为1 次和6 次，试样被拉伸到设定的伸长率下以及拉 伸回复后停置各3 0 s 。 弹性回复率计算公式如下5 0 】： 弹性回复率似户箍1 0 。 ( 2 - 7 ) 式中：厶试样原始长度： 厶试样拉伸至定伸长后的长度； 试样松弛后的长度。 不同伸长率下的末次平均弹性回复率见表2 4 。 表2 4 不同伸长率下的末次弹性回复率 由于弹性实验是在l e n 的初张力条件下进行的，测得的定伸长弹性回复率反映 的主要是不同长丝大分子的伸长及弹性回复能力。从表2 - 4 可以看出，随着定伸长率 的增大，几种长丝的弹性回复率都有所降低，随着反复拉伸次数的增加，弹性回复率 也有不同程度降低。在不同伸长率下，p t t 和p 1 呻e t 复合长丝的弹性回复率均大 1 6 p t t 纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 于p e t 长丝，在较高伸长率下，p 1 v r 长丝的弹性回复性能最好。不同规格的p t t 长 丝在3 0 定伸长下反复拉伸6 次的弹性回复率均在7 0 以上，而其它长丝在达到此 伸长率之前均已断裂。这是由于p ，丌和p e t 两种聚酯纤维晶胞中的大分子构象截然 不同，p t t 具有像弹簧一样的分子结构，初始模量低，弹性回复性能好。 2 2 3 残余扭矩 针对试生产中p t t 长丝织物产生较严重的线圈歪斜现象，对p t t 长丝和p t t p e t 复合长丝进行残余扭矩试验比较。 2 2 3 1 试验原理 在水平放置的一定长度的假捻变形丝的中间处，加挂悬垂负荷，当两端逐渐靠拢、 丝条开始打转成捻时，测试此时两端的距离( 称为扭转距离) 与捻回数，用这些物理 量来表示假捻变形丝的残余扭矩【5 。 2 2 3 2 试样准备 抽取样品在标准大气条件下平衡2 4 h 以上，从原卷装直接取出( 弃用外层丝若干 米) 。每个样品取2 个试样，全批测试次数不少于2 0 次，试样之间需相隔2 3 m 。 2 2 3 3 试验程序 由于不具备专门的残余扭矩仪，根据其工作原理，在现有的y 3 3 1 型纱线捻度机 上进行测试。 1 仪器校正，调整捻度机左右夹持器的距离为5 0 0 m m ； 2 将试样从卷装引入导丝孔，夹入左边的夹持器中，在不松弛的状态下拉出试样 6 0 0 - , - 7 0 0 r a m ； 3 在4 0 0 m g 的预加张力下，将拉出的试样夹在右端的夹持器中，试样下端夹上张 力钳，然后将试样固定在右夹持器里； 4 解除预加张力，剪断无用试样； 5 按试样线密度在2 5 0 r a m 处挂上相应的悬垂负荷( 111 d t e x 以上的使用2 0 0 r a g ， 111 d t e x 及以下的使用1 0 0 m g ) ； 6 移动左夹持器，当悬垂负荷处开始打第一个转时，记下刻度位置，即为扭转距 离( 精确至l m m ) ； 7 待试样左( 或右) 旋转达到平衡时，手动右夹持器，将丝条解捻，并记下捻回 数。 1 7 p 1 陌纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 2 2 3 4 试验数据处理公式 残余扭矩捻回数兀 t = y x ii n j 二，一 式中：弘回数( 捻o 5 m ) ； 五解捻器读数； _ 测试总次数。 扭转距离： l = y x ，i n j _ _ j 式中：o 珈转距离( r a m ) ； 恐一试样开始打转时两夹头之间的距离( 1 砌) ； m 0 试总次数。 2 2 3 5 数据处理及分析 表2 5 纱线的残余扭矩 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 一乏 p t tp t t p e t 残余扭矩捻回数( 捻0 5 m ) 1 4l 扭转距离( r a m ) 6 8o 5 由表2 5 可以看出纯p t t 存在残余扭矩，而双组分的纱线p t l 卯e t 的残余扭矩 接近于零，这是因为纱线内的两种组分使得其内应力相互抵消，即使假捻也不存在纱 线的扭转变形。所以在编织p t t 、p t l 仰e t 织物时，织物下机后，p t t 织物存在严 重的纬斜现象，而双组分p t l 仰e t 织物无纬斜现象。 2 2 4 摩擦系数 纱线的摩擦系数反映了纱线表面的光滑程度，而且决定了纱线与织针之间的摩擦 力，所以研究纱线的表面摩擦系数对实际生产有很大的意义。 针对p 1 呻e t 长丝在试生产过程中出现不易退圈、纱线易断的现象，对p t t 长 丝和p t l 卯e t 复合长丝进行摩擦系数试验比较。 2 2 4 1 试验原理 将纱线绕在摩擦棒上( 摩擦角为口) ，纱线输入端的张力为厶，输出端的纱线张 ”t 纤维针织面料的研制第二章原料性能的测试研究 力为t 。，由于纱线与摩擦棒之间存在摩擦阻力，故t 。 f 2 ，且t ，t ：= e 万。通过测量纱 线的张力t l 和t 2 ，根据欧拉公式f = ( i n t ，- i n t ：) 2 ，计算机即可算出纱线的摩擦系数 厂5 2 1 。 2 2 4 2 试验仪器 主机：r 118 3 型纱线摩擦系数仪 配套设备：r 11 8 3 型纱线卷取装置 2 243 试验结果与分析 纱线摩擦系数测试结果见表2 - 6 所示。 表2 - 6 纱线的摩擦系数 i i 之乏 p t tp t t p e t 摩擦系数 o 3 70 7 0 由表2 - 6 可以看出，实测p t t p e t 纱线的摩擦系数较大，这主要和纱线自身由 于存在两种收缩率不同的组分而造成的卷曲有关，同时p 1 咿e t 纱线的强力也不高， 因此在试织p 1 1 呻e t 织物的过程中会出现不易退圈、纱线断头现象。 2 3 本章小结 一 1 通过拉伸试验得出p 1 v r 纤维的断裂伸长率比p e t 纤维大得多，而断裂强度比 p e t 纤维稍低：通过应力松弛试验，以三元件模型为基础，就p t t 和p e t 纤维的力 学性能进行比较分析，从纤维大分子结构和模型参数讨论了p t t 纤维较p e t 纤维具 有较低的初始模量，较大的延伸性，较好的弹性。 2 实测了p t t 、p e t 及p t i t p e t 复合长丝纱的应力一应变曲线和不同定伸长下 的弹性回复率。