拉伸的目的、方式和机理

拉伸的目的、方式和机理（一）拉伸目的和方式1.拉伸的目的（二次成型）提高初生纤维物理－机械性能，以符合纺织加工要求（断裂强度提高，延伸度下降）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2.拉伸的作用使纤维的低序区的大分子链沿纤维轴向的取向度提高，同时伴有一些结构方面的变化性能的变化3．拉伸方法（介质区分）：（1）干拉伸：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，又分为：室温拉伸：Tg在室温附近的初生纤维热拉伸：Tg较高或拉伸应力较大的（长丝）纤维，热源：热盘、热板或热箱。（2）蒸汽浴拉伸：拉伸时初生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，使纤维的拉伸应力显著下降。饱和蒸汽浴拉伸适合Tg高、拉伸应力大、拉伸倍数高的(短)纤维。（3）湿拉伸：拉伸时初生纤维被液体介质所包围，有液浴法、喷淋法。Driveroll

Heater(Optional)DrawnyarntobobbinUndrawnpretwistedyarnControlrollsSnubbingpinSkewedidlerroll12(2>1)Stretchingzone

拉伸装置示意图R=2/1（二）拉伸机理1.拉伸形变=普弹形变1+高弹形变2+塑性形变3（1）普弹形变1

1=e/E1

普弹形变是大分子主链的键角和键长受力后发生形变的反映普弹形变与应力同相位，瞬间发生和瞬间回复普弹形变的弹性模量E1很大，形变量1很小总形变的1%，与时间无关（2）高弹形变2高弹形变是大分子链在引力作用下，由卷曲构象转化为伸展构象的宏观表现高弹形变的特点是模量E2较小，形变量2大，有明显的时间依赖性(形变滞后于应力，形变在外力除去后基本上能回复，但回复需要时间)松弛过程在实际生产中，应在拉伸应力较小的前提下（以避免毛丝的生成），采用适当措施使T（通过改变拉伸温度）、Up（通过调节纤维的增塑程度）以及t（通过改变拉伸速度、拉伸辊间纤维的长度，或通过采用多级拉伸）等因素互相配合，以保证拉伸时高弹形变得以顺利发展。

（3）塑性形变3塑性形变是聚合物在外力作用下，大分子链间产生相对滑移的宏观反映（流动变形）。塑性形变实际上是一种流动变形，其分子运动机理虽与粘性流动相类似，但必须在屈服应力σ*之上才能发生。塑性形变的特点是外力去除后，形变完全不可回复。3是拉伸总形变的有效部分，要设法发展塑性形变。2.拉伸过程中应力和应变性质的变化（1）应力－应变曲线（S－S曲线）的基本类型（张力与真实截面积之比）①a型（曲线呈凸形,Convex

）σa~ε曲线变化规律：随ε↑，σa↑至

σ＊（屈服应力）后↓随ε↑，E↓，σa升至σ＊时，纤维开始出现应力集中而迅速断裂（脆性断裂）：不可拉伸，塑料和金属材料的拉伸②b型（曲线呈凹形,Concave

）σa~ε曲线变化规律：随ε↑，σa↑

随ε↑，E↑，纤维在拉伸过程中发生自增强，不出现细化点（细颈），为均匀拉伸：可拉伸性好，硫化橡胶、湿纺冻胶体③c型（曲线呈先凸后凹反S形,

Convex+Concave

）σa~ε曲线变化规律：ε<ε1时，σa与ε基本成正比在小形变区，纤维拉伸形变为弹性形变，杨氏模量较大;ε2>ε≥ε1时，σa由σ＊（屈服应力）↓至平台区纤维出现细颈并不断发展，为不均匀拉伸拉伸点（区）：细颈产生的具体位置与d点对应的拉伸倍数εmax>ε≥ε2时，ε随σa↑而↑至εmax

纤维被均匀拉伸至断裂（de段应变硬化区）拉伸性：纤维的实际拉伸倍数R大于自然拉伸比而小于最大拉伸比时，可拉伸性好

（de段）R＜N时，细颈沿拉伸线下移，结果所的纤维包含未拉伸的粗节R＞N时，细颈沿拉伸线上移，向喂入辊方向拉伸点位置必须固定3.影响拉伸性能的因素（1）初生纤维结构的影响①结晶度和结晶变体的影响熔体卷绕丝的结晶度↑，拉伸曲线沿“b”→“c”→“a”型变化，屈服应力σ＊↑，且N↑结晶变体的相对含量也影响拉伸行为：γ型结晶变体﹥β型结晶变体﹥α型结晶变体②预取向度的影响熔纺卷绕丝预取向度↑，拉伸曲线沿“c”→“b”型变化，逐渐转变为均匀拉伸，屈服应力σ＊

↑，E↑，N↓（卷绕丝预取向度↓，拉伸曲线从“b”→“c”）熔纺卷绕丝预取向度不太高时，可拉伸性好锦纶6初生纤维的拉伸特性1－v1=3800m/min，△n=332×10-42－v1=800m/min，△n=161×10-4③卷绕丝分子量的影响卷绕丝分子量↑，σ＊

↑初生纤维要避免a型拉伸，必须具备一定的初始模量和较高的断裂强度，才能经得起一定应力下的拉伸。分子量达不到一定值，是承受不起拉伸应力的。卷绕丝分子量合适，可拉伸性好。归纳：熔纺卷绕丝结晶度或取向度↑，E↑σ＊

↑ε断裂↓；熔纺卷绕丝分子量↑，断裂强度和断裂伸长↑聚合物结构对应力—应变行为的影响④熔纺卷绕丝其它结构因素的影响卷绕丝内含较大的气泡或固体粒子时，卷绕丝内出现裂缝或纤度波动时可拉伸性↓⑤湿纺冻胶体凝固丝网络结构的影响凝固丝网络骨架越细密最大拉伸比↑

凝固丝的溶胀度↑最大拉伸比↑可拉伸性先↑后↓（2）拉伸条件的影响①拉伸温度的影响未取向结晶高聚物的典型拉伸曲线：T拉伸≤Tg

，拉伸曲线呈a型（曲线1、2、3）T拉伸≥Tg、T↑，拉伸曲线呈c型（曲线4、5、6）T拉伸>Tg、T↑↑，拉伸曲线近似b型（曲线7、8、9）T拉伸↓，拉伸曲线由b→c→a型同种纤维在不同温度下的拉伸特性②拉伸速度的影响VR↑，拉伸曲线由b→c→a型，σ＊

↑(c、a型)N↑(c型)VR↑，拉伸曲线的变化与降低T的影响类似VR达到一定值以上时，应考虑拉伸放热对拉伸应力的影响，VR↑等效于T↑低分子物的影响加强低分子物的增塑作用对纤维拉伸行为的影响与提高温度类似

减小低分子物作用，拉伸曲线由b→c→a型初生纤维线密度的影响线密度↓等效于T↑

线密度↑σ＊↑N↑，等效于T↓（三）

拉伸过程中纤维结构与性能的变化1.拉伸过程中纤维超分子结构的变化（1）取向度的提高①不同取向结构单元非晶态高聚物的拉伸作用大尺寸取向小尺寸取向——拉伸温度较低时晶态高聚物的拉伸作用—球晶发生形变形成新的取向态的折叠链结构形成分子链沿拉伸方向取向的完全伸直链晶体②取向度的变化规律随着拉伸进行，取向度↑高度结晶的聚烯烃纤维，结晶取向fcr

增加快,非晶取向fam的发展落后于fcr

通常fcr＞fam聚丙烯纤维拉伸后的结晶取向和非晶取向拉伸过程中fam对于强度有较大影响为了提高强度，应该进行高倍拉伸。

拉伸温度：1－175℃2－150℃3－125℃4－100℃PAN：1－105℃干拉伸2－80℃水浴拉伸（2）结晶的变化结晶过程：成核阶段和生长阶段拉伸过程中相态结构无变化，如：无规聚苯乙烯PS，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA

拉伸过程中进一步结晶而使结晶度↑，如：PET、PVA

拉伸过程中原结晶结构被部分破坏而重建结晶结构，导致结晶度↓或↑，如：PP、PA2.拉伸过程中纤维性能的变化（1）密度和熔化热初生纤维的密度和熔化热随拉伸温度而↑热诱导结晶非晶或低结晶度初生纤维的密度和熔化热随拉伸倍数而↑（取向诱导结晶）结晶度高的初生纤维的密度和熔化热随拉伸倍数而出现极小值原晶体破坏后再结晶聚丙烯纤维在60℃下拉伸时，密度ρ和熔融热Hc对拉伸比的关系A—经热处理的试样b—拉伸前骤冷的试样（2）强度、拉伸模量和屈服应力纤维的强度、拉伸模量和屈服应力随拉伸倍数而↑，增大速度不同各种纤维的强度对拉伸倍数R的依赖关系

1—粘胶纤维2—聚乙烯醇纤维3—聚甲醛纤维4