第三節(jié)

合成纖維的熱塑性和熱變形加工的基本機(jī)理

2/26/20241紡織學(xué)院定型定型:紡織材料的某一特定型式下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在外界因素的影響（外力、化學(xué)、物理作用）下，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到新的穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。如織物的熱定型、服裝熨燙等。

2/26/20242紡織學(xué)院定型的分類：暫時(shí)性的（棉布熨燙）半永久性（毛織物熱定型）永久定型（改變分子結(jié)構(gòu)，定型不能復(fù)原）,如滌綸等合纖（長絲）的熱定型。

2/26/20243紡織學(xué)院定型原理的假說:物質(zhì)的熱平衡原理及能量守恒定律

其基本原理是“系統(tǒng)處于能量最小時(shí)，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定?！?/p>

對宏觀纖維而言，可以通過分子結(jié)構(gòu)的變化，或外部形狀態(tài)的改變達(dá)到能量的轉(zhuǎn)化，從而使纖維材料處于能量相對低的一個(gè)平衡態(tài)中。2/26/20244紡織學(xué)院如一個(gè)重球總是向下滾到低處，它的勢能量低，再如水向低處流等。

XE2/26/20245紡織學(xué)院能量E、位移X，勢能量E與位移X成函數(shù)關(guān)系，分三種情形：

一、穩(wěn)定平衡凹槽最低處球的能量最小:用數(shù)學(xué)方法表示球的穩(wěn)定平衡態(tài)位置B。二、非穩(wěn)定平衡：凸形曲線的拐點(diǎn)（最大值）三、隨遇平衡：E小球在直線上（平面上）,能量E是常數(shù)。

2/26/20246紡織學(xué)院用能量平衡狀態(tài)來解釋紡織材料的定型機(jī)理:若不計(jì)其它因素，定型就是使纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生了導(dǎo)致它獲得一個(gè)新的最小能量位置的變化過程。見上圖，球通過某一過程從定型前的平衡位置跳躍到能量更低的新的平衡位置。這樣定型后狀態(tài)更穩(wěn)定，定型可以認(rèn)為是永久的。

2/26/20247紡織學(xué)院說明三點(diǎn)：

1．能量E與位移X不是一維的，可能是多維的，即描述系統(tǒng)的平衡狀態(tài)需更多參數(shù)。2．一個(gè)體系可能有多個(gè)能量最低值，若整個(gè)體系發(fā)生變化，能量最低值也將發(fā)生變化。3．若定型只是因吸收能量由低一級能量最小位置向高一級能量最小位置轉(zhuǎn)變，則這種定型必定是暫時(shí)的，一有干擾球就有可能回到能量較低的位置上。反之，則可能是永久定型。

2/26/20248紡織學(xué)院一個(gè)體系的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，一般伴隨有能量的變化或轉(zhuǎn)化。按產(chǎn)生這種變化的源或動(dòng)力,定型可分四類：

2/26/20249紡織學(xué)院1．Heatsetting：熱定型是指熱振動(dòng)引起的能量變化。高溫時(shí)分子振動(dòng)容易發(fā)生，這也就是常說的熱定型。熨燙定型2/26/202410紡織學(xué)院2．ColdForcesetting冷力定型：由外力作用下產(chǎn)生形狀的改變，由此產(chǎn)生定型，如拉伸作用下的蠕變。如羊毛拉細(xì)。當(dāng)外力作用下的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不能回復(fù)的“塑性變型”。一般這種變形在濕熱條件下少部分恢復(fù)，

2/26/202411紡織學(xué)院3．Chemicalsetting化學(xué)藥品定型化學(xué)定型三種情況：（1）分子鏈之間的鍵合定型，有范德華力、氫鍵，作用弱，引入極性偶極基團(tuán)。（2）化學(xué)反應(yīng)形成定型纖維，如纖維素纖維定型，通過形成新的大分子交聯(lián)。（3）纖維之間的鍵合：如用樹脂涂層，纖維膠粘劑。濕定型：加濕條件下材料平衡體系發(fā)生改變的定型。當(dāng)條件適度如加熱烘燥，定型還原

2/26/202412紡織學(xué)院4．Frictionalsetting摩擦定型如細(xì)紗、加捻產(chǎn)生橫向壓力，這是摩擦定型效應(yīng)體現(xiàn)?？諝庾冃渭庸ぶ袉谓z與絲圈相互交纏而成變形紗，就是利用摩擦定型原理。

2/26/202413紡織學(xué)院二、合成纖維的熱塑性及變形加工機(jī)理合成纖維的變形加工多利用加熱變形機(jī)理來實(shí)現(xiàn)。（除空氣變形、網(wǎng)絡(luò)變形外）熱塑性合成纖維：以滌綸居多，另有錦綸和丙綸等。2/26/202414紡織學(xué)院熱塑性指合纖受熱時(shí)可塑性的增加，因?yàn)楫?dāng)纖維材料升溫至一定溫度時(shí)，纖維內(nèi)的大分子之間結(jié)合力減弱，分子鏈段開始自由運(yùn)動(dòng)，纖維變形能力增大。這時(shí)以一定外力使變形后的纖維保持一定形狀，使大分子間原有的化學(xué)鍵（結(jié)合點(diǎn)）破壞，并在新的能量低點(diǎn)達(dá)到平衡態(tài)，然后冷卻并除去外力，變形后的形狀就保持下來，只要以后加熱不超過先前這一處理溫度，形狀基本不會(huì)發(fā)生變化。這就是纖維的熱塑性，利用纖維的熱塑性可進(jìn)行熱定型或熱變形加工。（這是變形紗的熱學(xué)基礎(chǔ)）。2/26/202415紡織學(xué)院三、合成纖維（非晶態(tài)高聚物）的熱學(xué)性質(zhì)合成纖維在變形加工中要受到熱的作用，纖維溫度升高，大分子的運(yùn)動(dòng)單元和運(yùn)動(dòng)方式及其宏觀表現(xiàn)——物理、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)均隨之變化，最后軟化、熔融。（1）玻璃化溫度Tg：從力學(xué)看是物質(zhì)由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)的溫度。也是大分子鏈段“解凍”或“凍結(jié)”的溫度。它是指一個(gè)對溫度十分敏感的溫度范圍（3-15℃，幾乎所有物理性質(zhì)發(fā)生突變）（2）軟化溫度Tsf：熔點(diǎn)以下20-40℃的一般溫度范圍。（滌綸230℃左右）。（3）粘流溫度Tvf：高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎硰棏B(tài)時(shí)的溫度。

2/26/202416紡織學(xué)院非晶態(tài)高聚物（結(jié)晶區(qū)較低時(shí)）：具有曲型的力學(xué)三態(tài)特征：曲線上對應(yīng)有兩個(gè)斜率突變區(qū)，一是玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，一個(gè)是粘彈轉(zhuǎn)變區(qū)。

1.玻璃態(tài):低溫時(shí)，合纖分子熱運(yùn)動(dòng)的能量低，（運(yùn)動(dòng)單元，運(yùn)動(dòng)方式）只有分子的側(cè)基、短支鏈的局部振動(dòng)和鍵長、鍵角的微小變化，合纖的宏觀性質(zhì)：彈性模量很高，變形能力很小，纖維具有類似玻璃的狀態(tài)，故稱玻璃態(tài)。2/26/202417紡織學(xué)院2．高彈態(tài)當(dāng)合纖溫度超過玻璃化溫度Tg以后，纖維彈性模量突然下降，纖維在小應(yīng)力作用下可發(fā)生很大的變形，但當(dāng)外力除去后，大分子鏈段發(fā)生卷縮，變形可隨時(shí)間延長而逐漸恢復(fù)。這在溫度—變形曲線上表現(xiàn)為平臺(tái)區(qū)。稱它為高彈態(tài)，也是高聚物特有的力學(xué)狀態(tài)。橡膠的玻璃化溫度通常小于0℃（硫化結(jié)果，冬季不失彈性），如天然橡膠—73℃，聚丁二烯合成橡膠—85℃。塑料的玻璃化溫度遠(yuǎn)高于室溫，聚氯乙烯78℃。2/26/202418紡織學(xué)院3．粘流態(tài)：當(dāng)溫度高于軟化溫度Tsf后，高分子鏈段產(chǎn)生相對滑動(dòng)，拉伸時(shí)表現(xiàn)為小應(yīng)力作用下產(chǎn)生極大變形。由于是分子鏈的構(gòu)象發(fā)生了變化，彈性模量很低，（如拉面條），變形一般也難以恢復(fù)。這就是不可逆形變即塑性變形。

總之，非晶態(tài)高聚物所具有的玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)的主要差別是材料的變形能力不同，即彈性模量不同，故稱三種力學(xué)狀態(tài)。要明確這三態(tài)的轉(zhuǎn)變不是熱力學(xué)的相變（如冰、水、汽）。

2/26/202419紡織學(xué)院材料溫度℃

玻璃化溫度Tg軟化點(diǎn)Tsf熔點(diǎn)Tm熨燙溫度滌綸67-81235-240256160錦綸47-50180215120丙綸-35（-20）145-150163-170100-1202/26/202420紡織學(xué)院合成纖維一般結(jié)晶度較高，其玻璃化溫度Tg高于室溫，因此常溫下一般處于玻璃態(tài)。因有非晶區(qū)大量存在，在室溫下合成纖維也表現(xiàn)有馳緩時(shí)間較短部分的高彈形變，因而不顯示典型結(jié)晶高聚物的脆硬性質(zhì)，而有一定的韌性。

2/26/202421紡織學(xué)院四、鏈段硬化定型和結(jié)晶作用定型合纖熱定型機(jī)理包括鏈段硬化定型和結(jié)晶作用定型。1．鏈段硬化定型有機(jī)玻璃----線型非晶高聚物，說明這種定型過程。在室溫時(shí)，T<Tg，它是堅(jiān)硬的塑料。玻化溫度：T>Tg時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子鏈段因可運(yùn)動(dòng)而變得柔軟（解凍）。此時(shí)施加外力使其變形，再冷卻到玻璃化溫度以下，則新的分子鏈段結(jié)構(gòu)被“凍結(jié)”，形成一種新的型態(tài)（玻璃態(tài)）。這種定型是暫時(shí)的，因?yàn)楫?dāng)T>Tg時(shí)，定型將消失，并回復(fù)到原來平直狀態(tài)。2/26/202422紡織學(xué)院2．結(jié)晶作用定型

晶體是分子鏈有規(guī)則地堆砌，形成能量最低的狀態(tài)，此時(shí)分子鏈的自由度將明顯降低（只有振動(dòng)、沒有變形），這又是一種特殊的形態(tài)。合成纖維內(nèi)有許多小的、不完整的各種形式的微晶體。在熔點(diǎn)溫度以下，這些不完整的區(qū)域結(jié)晶會(huì)先熔融，產(chǎn)生微晶區(qū)的局部流動(dòng)，從而形成更大、更有規(guī)則也更完整的晶體，假如在此過程中材料產(chǎn)生了變形，同時(shí)內(nèi)部應(yīng)力因局部熔融，而得到松馳，并通過再結(jié)晶使新的形態(tài)得到穩(wěn)定，這就是結(jié)晶作用定型。結(jié)晶作用定型屬不可逆永久性定型。（因?yàn)榫w是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)）。

2/26/202423紡織學(xué)院五、松馳熱定型

1．松馳處理是將紡織材料在松馳狀態(tài)和適當(dāng)溫度下進(jìn)行熱定型處理。如合成纖維紡絲后加工中的二次熱箱熱定型。合纖在噴絲后成形及拉伸，在纖維內(nèi)會(huì)遺留有結(jié)構(gòu)不均勻和相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，其熱穩(wěn)定性差，纖維的勾強(qiáng)、勾伸、染色性能均不良，沸水收縮率大，不符合其后紡織染加工及服用的要求。2/26/202424紡織學(xué)院結(jié)論：適當(dāng)松馳熱定型可以改變分子間作用力、消除內(nèi)應(yīng)力、使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻，從而在一定程度上改善纖維的尺寸穩(wěn)定性和物理一機(jī)械性能。

2/26/202425紡織學(xué)院2．張緊狀態(tài)下的定型---合纖在一定外力作用（給定型狀）下進(jìn)行熱定型例如外衣（羊毛衫）的定型，一般均是在保持一定外形情況下進(jìn)行熨燙，以達(dá)到服裝保形或折痕、褶裥等外現(xiàn)要求。假捻變形加過程中加捻長絲在保持螺旋形態(tài)下進(jìn)行熱定型，BCF即填塞箱變形加工中長絲保持鋸齒形態(tài)。2/26/202426紡織學(xué)院合成纖維的上述兩種定型的目的不同，結(jié)果也不同。·松馳整理主要是為了消除內(nèi)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)完善，變形紗的性能改善并更趨穩(wěn)定?！ぞo張?zhí)幚硎菫榱嗽谕饬ψ饔孟逻M(jìn)行熱定型，達(dá)到并保持所要求的形狀。

2/26/202427紡織學(xué)院作業(yè)：1．變形紗及產(chǎn)品有哪些品種：圖片、文字、介紹、資料來源（網(wǎng)址）.2．介紹滌綸、錦綸和丙綸的生產(chǎn)工藝過程3．說明