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1、【1 0 】2 8 2 涤纶P O Y 收缩动力学研究 汪进玉王华平张玉梅王学利 仪征化纤股份公司产品技术开发中心，胥浦，2 1 1 9 0 0 )( 东华大学)( 中国石油辽阳石化分公司 摘要：采用线性粘弹模型叶J 的四元件模型对涤纶预取向纤维( P o Y ) 的等温收缩过程动学进行了研究。试验结果表明其收缩 可用此模卑! 进行很好地描述。得到P o Y 纤维的特征弛豫时间叭m 特征平衡收箔S 、S ，收缩恬化能、拉伸粘度等特征参数。 关键词：聚酯钎维预取向丝收缩动力学研究 中图法分类号：P s l 0 25 2 2 预取向丝( P O Y ) 是涤纶纤维中一个十分重要的 产品，采用收缩动
2、力学方法研究P ( ) Y 纤维的收缩随 时可的变化关系，可以获得涤纶P O Y 热收缩的一系 列具有一定物理意义的动力学参数。对差别化纤维 的开发和P O Y 纤维的后加工、染整等T 艺条件的选 择具有蘑要的意义。 1 实验 1 1 实验样品 涤纶P O Y 纤维，仪征化纤公司涤纶五厂样品； 规格：1 7 0 & e x 4 8 f ；物理指标：断裂强度2 5 6 c N d r e x ，断裂伸长1 2 8 。 l2 等温收缩曲线测试 采用S Sl 型收缩一声速联合测试仪，测试 P O Y 纤维在不同恒定温度、不同外应力、各时刻纤 维的收缩率。加热器长度3 5 c m ，加热器温度控制精
3、度01 ，长度测试精度1 O m m 。纤维的收缩率按 下式计算： S = L L o 式中：L 。为纤维收缩前原长度( 加热器中纤维长度) ( c r n ) ；L 为温度r I 、时纤维长度变化值( c m ) 2 涤纶纤维的收缩动力学理论基础 2i涤纶纤维 的收缩动力学方一 E 程 利用线性粘 弹模型町以对纤E 维的热收缩行为 作出比较好的描 述，线性粘弹模 型由若干粘弹元E 。 件( K c t v i n V i o g t ) 组成0 1 | ， 如图1a 所示， ab 围1 线性牯弹模型示意| 冬| 其简化模型如图1 - b 所示。对于实验条件中的恒定 应力下的收缩行为，根据线性
4、粘弹型可推导出其形 变方程如下所示： e ( r ) 2e m + 善+ 麦。E 1 一e “2 + a 2 0 e * r ? ( 1 ) 纤维的收缩A e ( z ) 认为是某时刻t 的形变与初始形 变E ( f = 0 ) 时的负差，即： A e ( t ) = 一 E ( f ) 一E ( 0 ) = 等+ ( e 2 n ( a E 2 ) 1 一e “z ( 2 ) 们 对于特定条件下的收缩，由于( e z o a 饱2 ) 项为常 数项，方程( 2 ) 可以简化为： A e ( f ) = 一罢+ A et r + B ( B 为常数) ( 3 ) 对于实际的纤维收缩过程中包括多
5、个不同的收 缩单元的粘弹松弛过程，纤维的收缩动力学方程可 以用方程( 4 ) 进行描述： 式中：A 。、A 2 、；A 。为各组成单元对总收缩的贡 献；Z “ 1 、r 2 、；Z - n 为各组成单元的特征弛豫时问。 22 涤纶等温收缩动力学处理 将不同等温收缩条件( 不同的温度和外加张应 力) 下的纤维收缩后剩余相对长度，即( 1S ) 对相 应的收缩时间作图，实验结果所得到的数据可以用 双指数函数很好地进行拟合，其结果如图2 所示。 其拟合方程为： 1 一S ( t ) = ( 1 一s o ) + e - + S 。e z ( 5 ) 式中：S ( ) 为时刻的收缩率；1 一S ( )
6、 为时刻的 剩余相对长度；t 为纤维收缩时间( s ) ；S o 、& 、s 。、 r 1 、r 2 为拟合参数，具有各自的物理意义：s n 为f 一 。c 时的纤维最终收缩；1 一s n 可以理解为纤维的摄 H + 一 e 化 一 e B 山 H + 。私如 + 二 出 皋i 串 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报第十二卷第五期 终剩余相对长度；S o 、S 为相应的收缩过程对总收 缩率的贡献值，r l 、r 2 为相应收缩过程的特征弛豫
7、时间。 8 羞 围2 小同外应力F 等温收缩双指数拟台曲线【T = 8 7 ) 根据收缩动力学原理，其最终的收缩结果是各个 结构单元的收缩结果和纤维在外加应力作用下的负 的收缩( 伸长) 共同作用的结果，当纤维在较低的温度 或外应力较小时发生收缩，粘性拉伸对总的收缩影响 较小，所以在方程( 4 ) 中可以忽略( 一d 玑+ ) t 项；在 实验中温度小于9 0 时，纤维在受热过程中观察不 到伸长现象，其结果可以用双指数函数进行很好的拟 合= 当纤维在较高的温度( 了1 大于9 0 ) 和较大的张 应力( d 大于24 M P a ) 作用下时，随着温度的升高导 致粘高的急剧下降，方程( 4 )
8、 中的粘性流动项( 一一 玑) f 的影响成为主导因素，纤维的收缩动力学方程 可以用粘性流动项的关系来进行描述： 址( t ) = ( 6 ) 玑 3 涤纶P O Y 纤维等温收缩动力学研究 根据线性粘弹模型的方程对所得实验数据进行 双指数拟台，其结果的各项参数列于附表中。涤纶 P O Y 的收缩是由特征弛豫时间为r ，的收缩和特征 弛豫时间为r ：的收缩两个部分组成，r ：大约是r ， 的1 0 - 8 7 倍，说明纤维的收缩是由特征弛豫时间较 短的快速收缩和特征弛豫时间长得多的慢速收缩构 成。文献 2 中表明非晶区分子链的解取向过程是 一个快速过程，是纤维收缩的主要原因。据P r e v
9、o r s e 等提出的三相结构模型H 3 ，在纤维中除无定型 相和晶相外，还存在一个介于晶相和非晶相之间的 中间相结构， D Y 纤维在该温度下晶相和巾间相的 变化缓慢Ho 是产生慢速收缩的原因。比较不同实 验条件下的s ，S 。的值可以发现，除了温度较低( T = 7 8 ) 和张力较大( d = 24 M P a ) 时，S c S o 的值都 小于l ，这表明纤维总的收缩中主要是快速收缩部 分的贡献，但是低收缩温度和高外应力情况下，慢速 收缩的贡献大约为快速收缩的15 2 倍，这可能与 纤维在低温时分子链段热运动困难，不易发生解取 向作用及在较高张应力时发生的诱导结晶有关。 随着收缩温
10、度的提高，s 。S 值增加，表明随着 收缩温度的提高，纤维的大分子链段的活动能力增 强，原来在较低的温度下不能发生热运动而解取向 的结构单元也开始活动发生解取向，导致收缩率的 进一步增加。温度的升高对晶区的作用较复杂，可 能随着温度的升高，纤维中大分子链的有序程序降 低，相对有序的折叠链的含量减少，不利于新的晶粒 的形成和晶片的增厚及结晶的完整程度增加，导致 s 。的值随温度增加而减小。 围3P O Y 纤维平衡收缩率对温度倒数作图 将不同温度下一。时的纤维最终收缩率拟合 参数s o 的对数I n S o 对温度丁( K ) 的倒数作图，如 附表涤纶I ：O Y 纤维的收缩动力学参数 4 *
11、= i3 M P a 4 ，L = 16 M P a 4 * 20 M P a ：os 。s t l2 2s ：f s ，fz r lS os os?kT 2s 一，s 。r 2 r 、S ns ，s q2 2s ? ，s ，r 2 r ts 4s 。Sr 17 2 品r 2 r 】 7 8 74 1 1 5 邛3 67 “2 I71 213 781 4 0 2 3 8 4 1 24 9 0l71 19 30 75 9 2 4 8 2 5 43 2 24 21 2 7 2 7 6 98i 7 92 923 6 081 23 t3 9 72 24 1 73 1 99 1 6 50 7 78 33
12、 44 1 741 71 3 3 1 3 40 9 81 0 13 51 95 1 55 i 8717 00 7 99 12 9 l l l4 1 77 ( 10 37 5 4J62 5 1 4 S 4 t “ 3 532 0 11 52 【q1 80 7 6 9 5 4 152 41 7505 6 1 4 8 O 7 38 6 43 92 2 2 9 1 63 15 52 460 7 1 1 58 51 342 0lO3 51 0 7 I53 0 6 8 7 r4 55 64 912 1 5 4 50 】24 4 6 4 714 03 6 80 8 5 5 0 0 1 76 88 3 9 3
13、 3 5 3 4 015 2 3 I20 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 闰4P o Y 纤维在9 0 “ C 时不同应力下收缩率随时间变化曲线 图3 所示。图中1 n S o I 丁有较好的线性关系，与 文献【5 的论点一致，直线符合I n S 。= A B T 的 关系，直线的斜率包含活化能的含义，B = 业R ， ( 上接第5 页) 减少1 。毛涤短纤维纱发生扭结时，捻度会相应 减少，这电可从图1 看出，毛涤短纤维纱由于捻度的 减少与涤长丝相
14、比，显得膨松的多；( 5 ) 从并捻复合 线扭辫的分布来看，“小扭辫”的分布是随机的，即A 值大小有累积作用，累积到一定程度，均会产生扭 辫，因此，从理沧上说，任何二种不同低负荷下的拉 伸特性的纱线并捻时，均可能会造成不对称结构合 股纱，严重时造成小扭辫；( 6 ) 只有利整二者的张力 大小才能有效的消除扭辫纱。在生产实践中对长 丝纱和短纤维纱采用不同的张力，也说明该公式是 正确的= 、7 由于s = 2 ，代人：述关系式即有 U 儿l 1 8 l + F I N i 1 0 2 E t N f “1 f d 2 e t 2 。l z 2 N 2 o 、E z N 2 式中N 、N 为两种纱线
15、的线密度，P l 、P ! 分别 为两种纱线的密度。 因此，要消除扭辫纱，实践中可采取：( 1 ) 施加4 i 同的张力，张力大小，由上面的方程简单汁算得出； ( 2 ) X t 于E s 值较小的可采取超喂的方式。 很明显，J ：述方法( 2 ) 中要使长丝以积极的方式 2 0 0 1 年1 0 月 E 为表观收缩活化能，尺为理想气体常数。从直 线的斜率求出涤纶P O Y 在实验温度范围内的表舰 收缩活化能平均值为6 2 埘t o o | ，与粘流活化能基本 一致。 P O Y 纤维在丁 9 ( ) 时的收缩率随时间减小 呈直线关系，如图4 所示。实验中根据直线斜率得 到在9 0 和1 0
16、0 。C 时拉伸粘度耐的平均值为3 3 1 0 7 P a s 和33 1 0 6 P as ，较室温时( 1 0 1 2 P as ) 有 很大下降。 参考文献 1J 何曼君等：高分子物理上海：复邑尢学出龌杜，1 9 9 13 5 1 3 5 6 2 。w i l v m MPW ，P o l y m e r ，1 9 7 4 1 5 ：2 7 7 3 DCP * k ，GA1 i r p a k ，PJF I ；a r g e t ，ACR e i m N l m e m s e l ， JM a c r o m o lS c i ：P h y s ，1 9 7 4 ，9 ：7 5 3 4
17、 RJ 謇缪尔斯：结晶高聚物的件质北京：科学出版利1 9 8 4 5 张树均：改性纤维与特种纤维北京：中国石化出版社，1 9 9 5 喂入，必需添超喂设备，一般只有在较特殊情况应 用。存实际生产中，对二者采用不同并纱张力，已可 消除“扭辫纱”。 4 结论 1 对于低负荷下不同强伸特性的长丝与短纤纱 纺制并捻复合线，只要并线后自由态下两纱线存在 长度差值，加捻成纱为不对称结构，严重的会产生 “扭辫纱”。 2 对于低负荷下，不同强仲特性的长丝与短纤 纱纺制并捻复合线，生产中采用不等并纱张力，町有 效地消除“扭辫纱”。张力的大小可根据二纱线的线 密度、模量、与导纱件的包角吣啦等计算得出。 参考文献
18、1J 吴雄英：毛涤复台纱线的加J 二，结构、力学性能I 耍其织物中围 纺织夫学博士论文，1 9 9 93 2 1JWSH e a r l c ，S t m l c l u r a lM e c m n i c so fT o r q u eS tr e t c h 、_ a q l , ： 【1 kM e c h a r f i s mo fS n a r lF m _ 【m l i o n J e x tl n s t ，1 9 6 6 ，5 7 ： 4 4 1 - 4 6 0 3JJWSH e a r l ea n d AEY e g l n ，T h e M e c n i c so f T o r q u eS t r e t c h Y a n 2 s ：AC J r r e c z J o n ，J T e x l tI n s t ，1 9 7 3 ，6 4 ：6 0 1 6 0 6 4 张丈赓等：加捻过程的基奉理论北京：纺织工、m 出版社 1 9 8 31 1 ：3 3 ，7 4 5 编写组编著：毛纺织染整工艺简明手册，北京：中国纺织1 业 出瞳社1 9 9 78 ：3 4 4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark