化学纤维工艺学电子课件

化学纤维工艺学电子课件内容摘要：

～ 麻 丙纶 测定纤维密度的方法很多，有液体浮力法、比重瓶法、气体容积法、液体温升悬浮法和密度梯度法等。 其中密度梯度法精确度较高，也较简单。 四、拉伸性能 纤维材料在使用中会受到拉伸、弯曲、压缩、摩 擦和扭转作用，产生不同的变形。 化学纤维在使用过程中主要受到的外力是张力，纤维的弯曲性能也与其拉伸性能有关，因此拉伸性能是纤维最重要的机械性能。 它包括强力和伸长两个方面，因此又称强伸性能。 表示材料拉伸过程受力与变形的关系曲线，称为拉伸曲线。 它可以用负荷－伸长曲线表示，也可用应力－应变曲线（ Stress strain curve）表示。 图 13 为几种常见纤维的应力－应变曲线。 应力－应变曲线初始阶段为弹性区域，在这区域中纤维分子链产生弹性形变，相互间没有大的变位。 超过这一范围后为延性区域，外力克服分子间引力，使分子链间产生滑移，纤维应力较小的增加会产生较大的延伸，应力去除后发生不可回复的剩余应变，图 14 中所示， （一）断裂强度 断裂强度是表征纤维品质的主要指标，提高纤维的断裂强度可改善制品的使用性质。 纤维的断裂强度，通常有以下几种表示方法： 1．断裂强力 亦称绝对强力或断裂负荷，简称强力。 即纤维材料受外界直接拉伸到断裂时所需的力，单位为牛顿（ N），衍生单位有厘牛顿 (cN)、毫牛顿 (mN)、千牛顿 (kN)等。 各种强力机上测得的读数都是强力。 强力与纤维的粗细有关，所以对不同粗细的纤维，强力没有可比性。 2．相对强度 拉断单位细度纤维所需要的强力称为相对强度，即纤维的断裂强力与线密度之比，用以比较不同粗细的纤维拉伸断裂性质的指标，单位为 N/tex。 3．强度极限 纤维单位截面积上能承受的最大强力，单位为帕斯卡（ Pa）。 4．断裂长度 以自身重量拉断纤维所具有的长度，单位为千米（ km）。 纤维的断裂强度通常用强力试验机测定。 断裂强度高，纤维在加工过程中不易断头、绕辊，最终制成的纱线和织物的牢度也高；但断裂强度太高，纤维的刚性增加，手感变硬。 （二）断裂伸长 纤维拉伸时产生的伸长占原来长度的百分率称为伸长率。 纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断裂伸长率（ Elongation at break），它表示纤维承受拉伸变形的能力。 断裂伸长率大的纤维手感比较柔软，在纺织加工时，可以缓冲所受到的力，毛丝、断头 较少；但断裂伸长率也不宜过大，否则织物容易变形。 普通纺织纤维的断裂伸长率在 10% ～ 30%范围内比较合适。 但对于工业用强力丝，则一般要求断裂强度高、断裂伸长率低，使其产品不易变形。 （三）初始模量 初始模量（ Initial modulus）亦称弹性模量或杨氏（ Young s）模量，为纤维受拉伸而当伸长为原长的 1%时所受的应力，即应力－应变曲线（或称负荷 —伸长曲线）起始一段直线部分的斜率，单位为 N/tex，如图 15 中直线 OY 的斜率。 初始模量表示试样在小负荷下变形的难易程度，反映了材料的刚性。 纤维的初始模量取决于高聚物的化学结构以及分子间相互作用力的大小。 大分子柔性越强，纤维的初始模量就越小，也就容易发生形变。 对于由同一种高聚物制得的纤维，若分子间的作用力愈大，取向度或结晶度越高，则纤维的初始模量就越大。 在主要的化学纤维品种中 ，以涤纶的初始模量最大，锦纶则较小，因而涤纶织物挺括，不易起皱；而锦纶则易起皱，保形性差。 （四）屈服应力与屈服应变 在拉伸曲线上，图线的坡度由较大转向较小时，表示材料对于变形的抵抗能力逐渐减弱，这一转折点称为屈服点（ Yield point），如图 15 种的 P 点。 屈服点处所对应的应力和伸长就是它的屈服应力和屈服应变。 屈服点是纤维开始明显产生塑性变形的转变点。 一般而言，屈服点高的纤维，不易产生塑性变形，拉伸弹性较好，其制品的抗皱性较好。 （五）断裂功、断裂比功和功系数 断裂功（ Work of rupture）是指拉断纤维时外力所作的功，也就是纤维受拉伸到断裂时所吸收的能量。 如图 16 可知，断裂功就是曲线下所包含的面积（阴影部分）。 目前的电子强力仪已经根据上述积分原理计算出了断裂功。 断裂功的大小与试样的粗细和长度有关，所以对不同粗细和长度的纤维，没有可比性。 为了能相互比较，常采用断裂比功。 断裂比功（ Specific work of rupture）是指拉断单位线密度、单位长度纤维材料所需的能量，单位常用 N/tex 来表示。 负荷－伸长曲线下面积与断裂强力和断裂伸长乘积之比称为功 系数。 功系数越大，外力拉伸纤维所做的功越多，表明这种材料抵抗拉伸断裂的能力越强，其制品的使用寿命也就越长。 各种纤维的功系数大致在 ～ 之间。 断裂功、断裂比功和功系数反映纤维的韧性，可用来表征纤维及其制品耐冲击和耐磨的能力。 其他条件不变时，断裂功或断裂比功愈大，纤维的韧性及其制品的耐磨和耐冲击的能力愈好。 当断裂强力、断裂伸长相同时，功系数大表示拉断时外力做功大，纤维坚韧。 几种常见化学纤维的拉伸指标见表 16。 表 16? 几种常见化学纤维的拉伸指标 纤维品种 断裂强 度 /N/tex 钩接强度/N/tex 断裂伸长率 /% 初始模量/N/tex 定伸长回弹率/% （伸长3%） 干态 湿态 干态 湿态 涤纶 高强低伸型 ～ ～ ～ 18～28 18～28 ～ 97 普通型 ～ ～ ～ 30～45 30～45 ～ 锦纶 6 ～ ～ ～ 25～55 27～58 ～ 100 腈纶 ～ ～ ～ 25～50 25～60 ～ 89～ 95 维纶 ～ ～ ～ 15～20 17～23 ～ 70～ 80 丙纶 ～ ～ ～ 30～60 30～60 ～ 96～ 100 氯纶 ～ ～ ～ 20～40 20～40 ～ 70～ 85 粘胶纤维 ～ ～ ～ 16～22 21～29 ～ 55～ 80 富强纤维 ～ ～ ～ 9～10 11～13 ～ 60～ 85 醋酯纤维 ～ ～ ～ 25～35 35～50 ～ 70～ 90 （六）回弹性 材料在外力作用下（拉伸或压缩）产生的形变，在外力除去后，恢复原来状态的能力称为回弹性（ Elastic recovery）。 纤维在负荷作用下，所发生的形变包括三部分：普弹形变、高弹形变和塑性形变。 这三种形变，不是逐个依次出现而是同时发展的，只是各自的速度不同。 因此，当外力撤除后，可回复的普弹形变和松弛时间较短的那一部分高弹形变（急回弹形变）将很快回缩，并留下一部分形变，即剩余形变，其中包括松弛时间长的高弹形变（缓回弹形变）和不可复的塑性形变。 剩余形变值越小，纤维的回弹性越好。 表征纤维回弹性的方法一般有两种： 1．一次负荷回弹性质 —— 回弹率和弹性功 测定的方法是先施加一定的负 荷（或使产生一定的伸长），然后撤去负荷，经松弛一定时间（ 30s 或 60s，视测定仪器和方法而定）后，测定剩余伸长。 则回弹率可表示如下式及见图 17。 式中： ——可回复的弹性伸长； ——不能回复的塑性伸长或剩余伸长； ——总伸长。 弹性功可表示如下： 回弹率又有两种不同的测定方法：一种叫定负荷回弹率，另一种叫定伸长回弹率。 2．多次循环负荷回弹性质 纤维在实际使用中不会只受一次拉伸而断裂，而是经受反复多次微弱而方向和频率经常变化的负荷作用，因此需要相应的纤维耐多次循环负荷的测定方法，才能够正确地反映使用过程中的性能。 在测定负荷－延伸性质时，如果在达到断裂负荷以前就停止增加负荷，并逐渐减小， 以致完全撤去负荷，这种增加和撤去负荷的过程可以循环重复很多次，就得到多次循环负荷－延伸曲线，见图 18。 纤维的回弹性与其制品的尺寸稳定性和折皱性有密切关系。 回弹性高的纤维（例如涤纶）制成的服装不易起皱，具有挺括等特性。 五、耐疲劳性 耐疲劳性通常是指纤维在反复负荷作用下，或在静负荷的长时间作用下引起的损伤或破坏。 疲劳破坏的机理从能量学角度，可以认为是外界作用所消耗的功达到了材料内部的结合能（断裂功）使材料发生疲劳；也可以从形变学角度认为是外力作用产生的变形和塑性变形的积累达到了材 料的断裂伸长，使材料发生疲劳。 疲劳破坏有两种形式。 一种是纤维材料在一不大的恒定拉伸力作用下，开始纤维迅速拉长，然后逐步缓行，最后趋于不明显，到达一定时间后，纤维在最薄弱的地方发生断裂，称为静态疲劳。 另一种是纤维经受多次加、减负荷的反复作用，塑性变形的逐渐积累，纤维内部逐渐形成裂痕，最后被破坏的现象，叫动态疲劳。 可采用单纤维强力仪来测定耐疲劳性。 一般说来，回弹性较好的纤维，其耐疲劳性就高，如锦纶的回弹性较好，它的耐疲劳性最好，在最大应力 103N/tex时的循环次数大于 5000 次。 六、耐磨性 所谓磨损，一般指材料由于机械作用从固体表面不断失去少量物质的现象，即两个固体表面接触作相对运动，伴随着摩擦引起的减量过程。 影响纤维耐磨损性能的因素非常复杂。 首先是纤维的分子结构和微观结构。 一般情况下，分子主链键能强，分子链柔曲性好，聚合度好，取向高度、结晶度适当，结晶颗粒较细较匀，纤维的玻璃化温度在使用温度附近时，耐磨损性能较好。 从纤维性能方面看，纤维表层硬度高，拉伸急弹性恢复率高，拉伸断裂比功大，恢复功系数高时，耐磨损性能较好。 另外，温湿度、试样张力、磨料的种类 、形状、硬度等都对耐磨损性能有影响。 纤维耐磨性的测定方法有很多，一般以纤维在耐磨试验仪器上所测得的断裂强度的降低或质量的损失程度来表征纤维耐磨性的好坏。 七、耐热性和热稳定性 纤维及其制品在加工过程中要经受高温的作用（如染整、烘干等），在使用过程中也常常要接触到高温（如洗涤和熨烫），工业和技术用纤维则更要受到高温的长时间作用，因此对高温作用的稳定性，是材料稳定性能指标之一。 耐热性表征纤维在升高温度下测得的机械性能的变化，这种变化在回复至常温时往往能够恢复（属于可复变化），因 此亦称物理耐热性。 热稳定性（ Thermal stability）表征纤维受热后，机械性能的不可复变化，这种变化是将纤维加热并冷却至常温后测得的，系聚合物发生了降解或化学变化所致，因此亦称化学耐热性。 影响纤维对高温作用的稳定性的因素如下： (1)高聚物分子链的化学结构 (2)大分子之间是否存在交联 (3)分子问相互作用的强弱 (4)纤维受热时所处的介质 (是否有氧和水分存在 ) (5)抗氧剂和热稳定剂的性质和含量 高聚物的化学结构是影响纤维耐热性 (包括热稳定性 )的主要因素 之一。 天然的纤维素纤维和再生的水化纤维素纤维耐热性很高，这类纤维不是热塑性的，因而在升温下它们不会软化或发生粘结。 合成纤维在升温下强度的降低程度比水化纤维索纤维为高。 主要化学纤维品种中，粘胶纤维耐热性最好，而涤纶的热稳定性最好。 高聚物分子中形成交联结构可以提高纤维的耐热性，如聚乙烯醇的缩醛化。 借助于加入少量抗氧剂或链裂解过程的阻滞剂，可使纤维的热裂解和热氧化裂解程度大为减小，可提高纤维热稳定性，但不能提高纤维的耐热性。 八、热收缩 热收缩是纤维热性能之一，指受热条件下纤维 形态尺寸收缩，温度降低后不可逆 [5]。 纤维产生热收缩是由于纤维存在内应力，热收缩的大小用热收缩率（ Heatshrinkage）表示，它是指加热后纤维缩短的长度占原长度的百分率。 根据加热介质不同，有沸水收缩率、热空气收缩率和饱和蒸汽收缩率等。 对纤维热收缩处理，品种不同采取的热处理条件也不同，见表 17： 表 17 纤维热收缩处理条件 涤纶、锦纶 180℃ 干热空气 处理 30min 腈纶 沸水或 120℃ 蒸汽 处理 30min 维纶 沸水 处理 30min 用纤维热收缩测定仪测量纤 维热收缩率前后的长度。 纤维热收缩率的大小，与热处理的方式、处理温度和时间等因素有关，一般情况下，纤维的收缩在饱和蒸汽中最大，在沸水中次之，在热空气中最小。 氯纶在 100℃ 热气中收缩率达 50%以上，维纶的沸水收缩率约为 5%，正常加工涤纶短纤维的沸水收缩率约为 1%。 九、阻燃性 纤维燃烧是纤维物质在遇到明火高温时的快速热降解和剧烈化学反应的结果。 阻燃性是纤维的稳定性能指标之一，亦称防燃性。 描述纤维燃烧性能的指标有极限氧指数 LOI、着火点温度 T、燃烧时间 t、火焰温度 TB 等指标。 其中应用较为广泛的为极限氧 指数。 表示纺织材料的可燃性，通常采用极限氧指数 LOI（ Limiting Oxygen Index）来定量区分纤维的燃烧性，简称限氧指数或氧指数。 所谓极限氧指数，是指试样在氧气和氮气的混合气中，维持完全燃烧所需的最低氧气体积分数： 式中： VO2 和 VN2 分别为氧气或氮气的体积。 限氧指数愈高，说明燃烧时所需氧气的。