第九章拉伸工艺原理

1、第九章 拉伸工艺原理第一节 概 述一、拉伸的目的和作用前几章讨论了成纤高聚物的纺丝成形工艺原理。通过纺丝成形的初生纤维，不论是由熔纺成形的卷绕丝，还是湿纺成形的凝固丝，它们的强力都很低，伸长大，结构不稳定，远不符合纺织加工的要求。初生纤维必须通过一系列后加工（或称后纺）工序之后，才能具有一定的物理-机械性能和稳定的结构，才能符合纺织加工的要求，并具有优良的使用性能。在初生纤维后加工过程中，最主要的并对纤维的结构与性能影响最大的是拉伸和热定型两道工序。拉伸常称为合成纤维的二次成形，它是提高纤维物理-机械性能必不可少的手段，同时也是检验其前面各道工序进行得好坏的关口。在拉伸过程，纤维的大分子链或聚

2、集态结构单元发生舒展，并沿纤维轴向排列取向。在取向的同时，通常伴随着相态的变化，以及其他结构特征的变化。各种初生纤维在拉伸过程中所发生的结构和性能的变化并不相同，但有一个共同点，即纤维的低序区（对结晶高聚物来说即为非晶区）的大分子沿纤维轴向的取向度大大提高，同时伴有密度、结晶度等其它结构方面的变化。由于纤维内大分子沿纤维轴取向，形成并增加了氢键、偶极键以及其他类型的分子间力，纤维承受外加张力的分子量数目增加了，从而使纤维的断裂强度显著提高，延伸度下降，耐磨性和对各种不同类型形变的疲劳强度亦明显提高。二、拉伸过程的进行方式 在化学纤维生产中，拉伸是紧接着纺丝工序而连续地进行的，或者与纺丝工序分开

3、，以预先卷装在筒子上或盛丝桶中的卷绕丝或初生纤维来进行拉伸。初生纤维的拉伸可一次完成，也有的必须进行分段拉伸。纤维的总拉伸倍数是各段拉伸倍数的乘积。一般熔纺纤维的总拉伸倍数约为3.07.0；湿纺纤维拉伸倍数可达812倍；某些高强高模纤维，采用冻胶纺丝法，拉伸倍数达几十到上百倍。纤维的品种和纺丝方法不同，初生纤维的结构和性质不一样，拉伸的条件和方式就不相同。纤维拉伸的方式，若按拉伸时纤维所处的介质来分，一般有干拉伸、蒸汽浴拉伸和湿拉伸三种。干拉伸是指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之间有热量传递。干拉伸又可分为室温拉伸和热拉伸。室温拉伸一般适应于玻璃化温度（）在室温附近的初生

4、纤维；热拉伸是用热盘、热板或热箱加热，适用于较高、拉伸应力较大或纤度较粗的纤维，通过加热使纤维的温度生高到以上，促使分子链段运动，降低拉伸应力，有利于拉伸顺利进行。蒸汽浴拉伸是指拉伸时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，使纤维的拉伸应力有较大的下降。湿拉伸是指拉伸时纤维被液体介质所包围，有热量传递，在成形过程中的拉伸还可能有传质过程甚至有化学反应。由于拉伸时纤维完全浸在浴液之中，纤维与介质之间的传热、传质过程进行得较快且较均匀。此外，还有将热水或热油剂喷淋到纤维上，边加热边拉伸的喷丝法，亦是湿拉伸的一种。近年来，采用熔法高速纺丝，卷绕丝速度在3500m/min以上，

5、有的高达6000m/min以上，所得的卷绕丝称为部分取向丝(poy)或接近于完全取向丝(foy)，这些可省去后拉伸后拉伸工序，直接用于变形纱加工。还有高速纺丝拉伸联合制得的全拉伸丝（fdy），可使纺丝与拉伸一步进行。实质上，高速纺丝过程中，在克服气流对丝条很大摩擦力的同时，丝条已经受了部分或充分拉伸。为了取得最佳拉伸工艺条件，必须对初生纤维在拉伸线上的形变行为、纤维拉伸的运动学、动力学和拉伸机理，以及纤维在拉伸过程中结构与性能的变化等进行系统了解。对此将在以下各节中讨论。第二节 拉伸过程中应力应变性质的变化拉伸曲线一、拉伸曲线的基本类型初生纤维在拉伸过程中的力学行为强烈依赖于纤维的结构和拉伸条

6、件。在拉伸过程中，应力和应变不断地发生变化。反映初生纤维拉伸时应力-应变变化的曲线又称拉伸曲线。初生纤维的拉伸，实际上是一种单轴拉伸形变。原则上，可用材料的负荷-拉伸试验测定的应力-应变曲线来预示拉伸线上的力学行为。在材料的负荷拉伸试验中，试样所受的拉伸应力为，对于小的伸长，通常将应变（或伸长率）定义为；，即拉伸后的长度与原长之差。称为工程应变或cachy应变。但对于大的伸长，则采用由瞬时伸长定义的应变，称为真应变或henky应变，记为： （9-1）式中为拉伸比（或拉伸倍数）。初生纤维的拉伸比可用连续拉伸时的拉伸速度与喂丝速度之比来表示，即。拉伸时，试样截面积的变化将影响式样所受的实际应力，因

7、此应力有真实应力与许用应力之分：真实应力拉伸时的真实应力为： （9-2）许用应力a许用应力a则为： （9-3）式中：表示所施加的张力；为拉伸过程中试样的真实截面积；为式样的原始截面积。如试样体积保持不变，则和之间有下列换算关系：（根据cachy定义得出） （9-4） （根据hencky定义得出） （9-5）如在恒定张力下进行拉伸，由于试样截面积逐渐减小，故真实应力随伸长的增大而增大，而许用应力则与或无关。各种初生纤维的应力-应变曲线（简称s-s曲线）可归纳为如图9-1所示的三种基本类型。（一）a型图9-1中，a型曲线呈凸型（convex），模量随着形变的发展而减小。其数学表达式为： （9-6）

8、图9-1 应力-应变曲线的基本类型表明模量对应变的变化率是负值。由图中型的曲线可见。随着的增大，许用应力到达临界点，即到达最大值（称为屈服应力），随后急速下降，出现应力集中和细化点。因为模量下降，纤维经不起拉伸，很快就被拉断，也就是当纤维克服了屈服应力而开始朔性形变，就立刻断裂。朔料和金属材料的拉伸属于这种类型。应力-应变行为呈这种类型的初生纤维是不可拉伸的（拉伸时出现脆性断裂），应设法避免初生纤维出现这种应力-应变行为。（二）型图9-1中，型曲线呈凸型（concave）。0 （9-7）表明初生纤维在拉伸时，模量不断增加，即模量随着应变的增大而增大，纤维在拉伸过程中发生自增强作用。正因为纤维自

9、增强，所以不出现细化点，能承受更大的拉伸应力，拉伸可顺利进行。这种拉伸不会出现应力集中，是属于均匀拉伸。硫化橡胶的s-s曲线就是典型的曲线，由于橡胶交联键之间的大分子链，在拉伸时取向并导致结晶，因而模量增加。拉伸曲线呈这种类型的初生纤维，其可拉伸性是好的，应创造条件使初生纤维具备这种应力-应变曲线。湿法纺丝成形的凝固丝，是一种高度溶胀的冻胶体，由大分子间的物理交联形成的网络结构内充满着液体（溶剂或沉淀剂），这样的网络结构与硫化橡胶由某些相似之处，所以，湿纺凝固丝的s-s曲线基本上属于型曲线，拉伸时一般不会出现细颈现象。图9-2是典型的冻胶体初生纤维的应力-应变曲线。图9-2 冻胶体初生纤维的拉

10、伸曲线（三）形（先凸后凹形）从图9-1（）看出，在曲线上有屈服点，还有几乎不变的平台区。在小形变区内，即时，形变时均匀且可逆的，相当于弹性形变。在区内，形变先是集中在一个或多个细颈处，继而细颈逐步发展，在此区域内，拉伸属于不均匀拉伸，形变主要是不可逆的塑性形变。当时，形变又是均匀的，拉伸应力逐渐增大，形变也随之增大直至断裂。具有型应力-应变曲线的拉伸过程又称冷拉过程。 本体高聚物初生纤维，如涤纶、锦纶和丙纶的熔纺卷绕丝，在附近拉伸时，其应力-应变曲线基本属于c型曲线，如图9-3所示。分析图9-3所示的拉伸曲线，可以了解熔纺卷绕丝拉伸时的力学行为。图9-3 熔纺圈绕丝的拉伸曲线（1）形变的初始阶

11、段，为一很陡的直线段，此时发生单位形变的应力很大，即杨氏模量很大，而总的形变量很小，这时纤维的形变符合弹性定律，属于普弹形变。（2）段，开始偏离直线，但仍基本上是可复的。此时曲线的斜率随拉伸倍数的提高而下降，即此时使纤维发生单位形变的应力虽仍在增加，但增加的速率有所减小。到点时，应力达到极大值。点称为屈服点，与之对应的应力即为屈服应力。（3）段，应力稍有下降，与此同时，在纤维的一处或几处出现细颈。在这一段中，应力下降的原因可能是由于纤维在拉伸时放热，使纤维发生软化所致。应该指出，在曲线上，真应力不一定下降，只是应力增加的速率有所减少，称之为应变软化现象。段是细颈发生阶段，在生产上通常所说的“拉

12、伸点”或“拉伸区”，就是指细颈产生的具体位置。控制好拉伸点或拉伸区的位置，使其固定，是拉伸工艺中重要的条件之一。（4）段是细颈的发展阶段。此时，未拉细的部分逐渐被拉细而消失，在到达点时，细颈发展到整根纤维。此段中形变有很大变化，但应力却保持不变。这时的应力记为拉伸应力。在此阶段，尚未转变为细颈的未拉伸部分的纤维继续变为细颈，所以这时需要的应力和最初生成的应力大致相等，因此，在段，应力不随拉伸倍数而变化，成为平台区。与点相对应的拉伸倍数称为自然拉伸比，记为。自然拉伸比可定义为原纤维的截面积和细颈截面积之比。根据质量守恒定律，显然有： （9-8）式中：分别为拉伸前后纤维的密度；、分别为纤维的原始长

13、度与完全变为细颈时的长度。由于拉伸前后纤维的密度变化不大，所以有：。自然拉伸比是材料可拉伸性的一个重要指标。（5）段，过了点，要使已全部变为细颈的样品再继续被拉细，需要施以更大的应力，所以应力又上升，纤维形态变化表现为直径均匀地同时变细，直至点，拉伸应力增加到纤维的强度极限，于是纤维发生断裂。与点相对应的拉伸倍数称为最大拉伸倍数。点的应力称为断裂应力（亦称断裂强度），相应的应变称为断裂伸长。由于在段需要加大应力才能使纤维继续发生变形，所以这一段又称为应变硬化区。观察拉伸过程中纤维粗细（纤度）的变化，发现和段纤维是均匀的，越过点以后，在段，因细颈的产生和开始发展，纤维粗细极不均匀，在拉伸的纤维中

14、，已成为细颈的部分和未成为细颈的部分交替出现。在段，越向右端，也就是拉伸倍数越高，纤维的粗细愈趋于均匀，超过点后，就成为粗细均匀的纤维。所以，在生产工艺上，一定要控制纤维的实际拉伸倍数，使之大于自然拉伸比而小于最大拉伸比。以上是初生纤维拉伸曲线的三种基本类型。在某些条件下，初生纤维拉伸时，可能伴随有张力或应力的周期性波动，可把这种变形称为型变形（参阅图9-63）。原则上，对于任何给定的试料，应能借选择不同的拉伸条件以使应力-应变曲线呈a型、b型或c型。很明显，如拉伸过程在出现a型或b型形变特征的条件下进行，则不可能得到均匀的纤维。因此应适当选择并控制纺丝条件，以使所得的初生纤维有良好的拉伸性能

15、，从而获得质量良好的纤维。二、初生纤维结构对拉伸性能的影响初生纤维的结构包括分子链结构和超分子结构。对一种给定的纤维来说，大分子的化学结构基本上是固定的，分子链结构指的是高聚物的分子量极其分布，而超分子结构主要是指结晶和取向，也就是指大分子在空间的位置和排列的规整性。（一）熔纺成形的本体高聚物卷绕丝1.结晶度和结晶变体的影响 初生纤维的结晶结构对其应力-应变性质影响很大。随着初生纤维结晶度的增大，使应力-应变曲线沿着型的方向转化，导致提高屈服应力并增大自然拉伸比。现已知道，聚乙烯纤维的屈服应力与结晶度（用密度表征）呈线形关系（见图9-4）。聚偏二氯乙烯初生纤维一旦发生结晶就根本不可能拉伸，即拉

16、伸时呈a型脆性破裂。图9-5、图9-6分别为涤纶未拉伸丝的结晶度对屈服应力和屈服应变的影响。可见，在050结晶度范围内，屈服应力随结晶度的提高而有所增大，结晶度对屈服应变的影响更为明显。对于有不同结晶变体的高聚物，其拉伸行为与各种结晶变体的相对含量有关。丙纶初生纤维结晶由六方晶系的变体向单斜晶系的变体转变时，拉伸曲线向着增大应力的方向转化，结晶变体的相对含量不同，其最大拉伸比亦有很大的不同。图9-4 高密度聚乙烯的屈服应力与密度的关系图9-5 结晶度对涤纶未拉伸丝屈服应力的影响图9-6 结晶度对涤纶未拉伸丝屈服应力的影响锦纶6的各种结晶变体的拉伸行为是不同的。图9-7表明不同结晶变体的锦纶6拉

17、伸温度的关系。由图可见， 型结晶变体的拉伸应力远较型变体为大。因为变体是扭曲圆柱状，只有二维有序的向列晶，而且大分子间氢键形成甚少，即大分子间作用力相对较低，所以拉伸应力也比较低。在一般纺丝成形条件下，得到的是变体。为了保持良好的可拉伸性，在拉伸前要防止初生纤维从变体转化为 型变体。图9-7 不同结晶变体的锦纶6的拉伸应力图9-8 屈服应力和初始模量与涤纶未拉伸丝预取向度的依赖关系2预取向度的影响 一般熔纺初生纤维的预取向度都较低，但它对后拉伸的影响却不应忽视。随着初生纤维预向度的增大，形变特性沿着型的方向转化，即自然拉伸比有所减少，并转化为均匀拉伸，屈服应力和初始模量都有所增大。图9-8表明

18、涤纶未拉伸丝预取向度对屈服应力和初始模量的影响。图9-9为锦纶66的屈服应力与预取向双折射的关系曲线。由图可见，锦纶66初生纤维的预取向度增大时，其屈服应力大为提高，这种情况下，易于出现毛丝断头，给后拉伸带来困难。图9-9 锦纶66的屈服应力与预取向双折射的关系图9-10为不同预取向的锦纶6初生纤维的拉伸曲线。有图可见，在纺丝过程中产生的预取向对锦纶6的拉伸行为有显著的影响。低预取向试样拉伸时，有细颈现象，并有表征塑性流动的标平台区（曲线2）；高预取向纤维拉伸时，则显示均匀拉伸形变，初始模量明显加大，而最大拉伸倍数则较小。图9-10 锦纶6初生长纤维的拉伸特性1=3800m/min，=3321

19、0-42=800m/min，=161-4初生纤维的预取向度对自然拉伸比的影响很大。图9-11表明涤纶初生纤维的自然拉伸比对预取向度非常敏感。图9-11 涤纶初生纤维的预取向度对自然拉伸比的影响如果研究初生纤维的拉伸与收缩，将发现一个有意义的结果：设初生纤维是试样的长度为，如果允许纤维收缩到各向同性状态，这时初生纤维是试样的长度为，则纤维的收缩率为： （9-9）当初生纤维拉伸至自然拉伸比所对应的长度时，则自然拉伸比，二式合并后得： （9-10）表9-1列出了一系列具有不同预取向度的涤纶未拉伸丝的的值。表91具有不同预取向度的涤纶卷绕丝的拉伸性能预取向双折射值（）自然拉伸比（n）收缩率（s）1s0

20、.6540250.0420.95840441.63.700.0940.9064.083.853.320.1600.8403.964.23.050.2020.7883.837.22.720.3200.6804.019.22.580.3780.6224.14由表可见，随着未拉伸丝预取向度的增大，收缩率亦增大，而自然拉伸比则下降。值得注意的是，自然拉伸比从4.25见减小至2.58，收缩率s从0.042增大至0.378，而比值基本上为一常数。这说明冷拉伸相当于纺丝时所形成网络的被拉伸，冷拉的极限决定于网络全部被“拉直”，只要把网络结合在一起的连结点不裂开，大分子链中的键也不断裂，网络全部伸直后的长度与

21、未伸直度之比就基本上是一常数，而不论这种伸直是由纺丝过程、热拉伸过程或冷拉伸过程所造成。但冷拉时能拉伸的程度则与原始样品中网络是否伸展（预取向）有关。总之，为了提高初生纤维的可拉伸性，使拉伸倍率增大，拉伸顺利，并使成品纤维强度较大，断裂伸长较小，应适当控制纺丝条件，不要使初生纤维预取向度太高。当然，这是指一般纺丝工艺而言，如前已指出，采用告诉纺丝新工艺（纺丝速度达6000 m/min以上）时，则初生纤维已接近完全取向纤维（foy）的水平，不需要进行后拉伸。 3.初生纤维分子量的影响 关于分子量和分子量分布对纤维拉伸性能的影响所知不多。可能平均分子量和分子量分布因与微brown运动和松弛特性有关

22、，故应对拉伸应力和应力-应变曲线的形状有影响，特别是对于型形变。一般说，随着初生纤维分子量的增大，拉伸时的屈服应力有所提高。初生纤维要避免型的不可拉伸的情况，就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作用而不致一拉就断。表9-2列出可不同分子量涤纶卷绕丝的最大拉伸倍数和断裂强度与拉伸加热器温度的关系。由表可见，在相同拉伸温度下，卷绕丝分子量提高，最大拉伸倍数有所下降，断裂强度则反而有所增大。对于分子量较高的卷绕丝，要以相同的拉伸倍数进行拉伸，必须相应提高拉伸温度。表9-2还表明，分子量较低的涤纶卷绕丝拉伸时，开始粘附在加热器上的温度也较低，妨碍它到达适宜的拉伸温度，不

23、利于高强力纤维的制备。表9-2 涤纶卷绕丝分子量和拉伸加热器温度对最大拉伸倍数和纤维强度的影响拉伸加热温度（）最大拉伸倍数纤维断裂强度（cn/dtex）m=17500m=22000m=17500m=220005070901101304.804.85 4.855.004.504.504.504.95 5.00*3.343.533.924.224.034.324.625.005.20 丝粘附在加热器上图9-12显示两种组成相近但分子量不同的乙烯-乙烯醇共聚物的应力-应变曲线。图中试样的，试样的，即试样的数均分子量只有到2/3。这在应力-应变曲线上就表现出很大的差别：试样强而韧，可拉伸性好；而试样则

24、硬而脆，一拉就断。这说明分子量不达到一定值，是承受不起拉伸应力的。换句话说，要使初生纤维具有可拉伸性，分子量应达到某一数值。图9-12 乙烯-乙烯醇共聚物的应力-应变曲线但也不是说，初生纤维的分子量越大越好。事实上，随着分子量的增加，大分子间的作用力加强，大分子链相互缠结程度加强，使分子间的相对滑移困难，即难以实现塑性形变。所以，分子量如超过一定限度，反而会使纤维的可拉伸性降低。初生纤维的结构对其拉伸应力-应变行为的影响可用图9-13加以概括。即随着结晶度或取向度的增大，初始模量增大，屈服应力增大而断裂伸长则减小，断裂点的轨迹沿箭头所示的方向变化。分子量增大时，断裂功增大（韧性增大），应力-应

25、变曲线向更高断裂强度和断裂伸长的方向移动。图9-13 高聚物结构对应力-应变行为的影响应该指出，除初生纤维的结晶、取向和分子量对其拉伸性能有很大影响外，当初生纤维内包含与纤维直径大小相当的气泡和固体粒子（包含凝聚粒子、消光剂tio2等）时，这种初生纤维就经不起拉伸作用，在较小的拉伸作用下就会发生断裂。由于纺丝成形时工艺控制不当，在初生纤维内出现的裂缝或纤度波动，产生过分细的横截面等也是拉伸的薄弱环节，亦会使纤维的拉伸性能变坏。（二）湿纺成形的冻胶体凝固丝湿纺时，纺丝原液凝固浴中由于脱溶剂化而凝固形成的初生纤维，是一种高度溶胀的立体网络状的冻胶体（见图9-14）。图9 -14 冻胶结构示意图a-

26、交联点 b-溶剂化层 c-溶剂与沉淀剂立体网络的骨架由大分子或大分子链束结构，大分子间的缠结（由分子脱溶剂化后相互作用而形成）的这个骨架的物理交联点。在没有交联的地方，链段仍保持一定的溶剂化层，在网络骨架的空隙中充满着溶剂与沉淀剂的混合物。前已指出，湿纺初生纤维的拉伸应力-应变特性属于均匀拉伸，一般没有明显的屈服应力，也不产生细颈现象，而凝固丝是形成条件对冻胶体的可拉伸性影响很大。图9-15表明纺丝条件图9-15 纺丝条件对腈纶最大拉伸比影响（浴中溶剂含量、浸浴长、浴温）对腈纶初生纤维可拉伸性的影响。一般认为，浴温越低，双扩散速度越慢，聚丙稀腈从溶液中沉淀出来的速度也越慢，网络骨架也就越细密，

27、冻胶中的内力也越小，拉伸性能就越好。在纺丝条件中，以浴中溶剂含量对可拉伸性的影响最显著，这一点可从图9-16中更清楚地看出。显然，随着纺丝浴中溶剂含量的增加，初生纤维中的溶剂含量也就增加，拉伸应力就减小，最大拉伸比则增大。纤维中溶剂含量的增大起了增塑作用，使冻胶更具有弹性和塑性。但是冻胶中溶剂含量也不是越多越好，因为溶剂太多，立体网络的交联点数目就较少，网络较弱，强度必然较低，就经不起高倍拉伸。所以在拉伸前，必须调节凝固丝的溶胀度，使结构交联点具有适宜的强度，也就是工厂里所称凝固丝的预热（离浆）处理。有文献报道，湿纺的腈纶凝固丝拉伸时，在一定条件下，也能产生细颈而成为不均匀拉伸（详见下节）。图

28、9-16 凝固浴中溶剂含量对腈纶初生纤维应力-应变特性的影响（溶剂：dmso，图中数字为浴中溶剂浓度%）近年来，有利于冻胶纺丝制取高强高模纤维是报导。例如，超高分子量的聚乙烯（分子量约为）采用冻胶纺丝-热拉伸工艺制取高强高模聚乙烯纤维。冻胶纤维的拉伸倍数均在20倍以上，远远超过熔纺或湿纺纤维的拉伸倍数，故称超拉伸。在冻胶纤维拉伸过程中，影响拉伸倍数的主要因素之一是纤维内大分子链的缠结点的数目。表9-3是超高分子量聚乙烯纺丝时成形纤维的最大拉伸倍数没有差别，而稀溶液挤出成形纤维的最大拉伸倍数则要高出5倍多。如果设法除去冻胶丝中的溶剂，然后再在120下进行热拉伸，结果发现，经去溶剂的冻胶丝可拉伸2

29、2倍。由此可以推断，影响纤维拉伸倍数的关键在于冻胶丝的结构特征。由于溶剂存在，使冻胶纤维中链缠结交联点的数目减少，从而提高了纤维的最大拉伸倍数。这与采用浓溶液湿纺凝固丝的情况有所不同。9-3 纺丝溶液浓度对最大拉伸倍数的影响纺丝方法纺丝溶液浓度（%）拉 伸最大拉伸倍数初生纤维中溶剂含量（%）温度（）熔纺湿纺冻胶纺10050-902201015980120120120120553232三、拉伸条件的影响影响初生纤维应力-应变行为的重要的条件是拉伸温度和拉伸速率。1.拉伸温度 初生纤维的应力-应变曲线对温度非常敏感。图9-17是一种未取向的结晶高聚物在不同温度范围内的典型拉伸曲线。在以下拉伸时，高

30、聚物的行为象一种脆性固体，形变曲线呈a型，这由图9-17中曲线1、2和3明显可见。这些曲线显示了包括弹性伸长、短程塑性流动和细化段裂等三个阶段。在拉伸时，发生脆性断裂而没有塑性流动。例如涤纶在20以下拉伸时，会发生脆性断裂，而其则较此温度高出5060；与此相似，聚偏二乙烯纤维在（80）纤维在20以下拉伸时，也会发生脆性断裂。而锦纶（）则在-20以下拉伸才发生脆性断裂。随着温度的升高，塑性形变越来越显著，致使曲线呈型形变。在此区域内，随着温度的上升，屈服应力有所减小，且显示塑性形变的水平段（即自然拉伸比）有所缩短（见图9-17中曲线）。进一步提高温度时，曲线的极大值和水平段就渐渐消失（曲线），此

31、区内的形变性质（型）是类似橡胶物质或类橡胶体系的均匀拉伸行为。发生型型转化的温度范围取决材料的本性和形变速率。一般认为在以上拉伸就不出现细颈。应该指出，具有速度依赖性，例如，涤纶卷绕丝的约为6769，但在拉力机上以较高速度拉伸时，上升到80左右，而在高温拉伸的工艺条件下，可达100以上。这就是涤纶卷绕丝在80以上拉伸乃出现细颈的原因。冷拉时，产生细颈的形态与拉伸温度有很大关系。细颈的形态用细颈角表示（见图9-18）。显然，细颈角越小，细颈角越平坦。反之，细颈角越大，细颈越尖锐。 图9-17 一种高聚物材料在不同温度下的形变特性图9-18 细颈的形态细颈角 肩颈长度图9-19表明涤纶卷绕丝在不同

32、温度下拉伸时，细颈角随细颈点（拉伸点）生长速度见式（9-14）变化的情况。有图可见，在试验范围内，在附近细颈角的速度依赖性最大，而且提高温和降低细颈生长速度对细颈角的变化是等效的。因此，可利用wlf方程将这些数据处理为一条总曲线。拉伸时屈服应力随温度和拉伸速率的变化，也可用wlf方程处理。由此可见，原来针对非晶体高聚物小形变而提出的时-温等效原理，对于非晶态甚至晶体高聚物的变形过程，在许多事例中证实也同样适用。前面提及湿纺凝固丝的拉伸，一般属于b型的均匀拉伸，但也不是绝对的，往往会受拉伸条件的影响而改变。图9-20表明以二甲基甲酰胺（dmf）为溶剂的湿纺腈纶在不同温度下的拉伸曲线。由图可见，此

33、中纤维在80以下不能很好拉伸，易发生脆性断裂；在80120拉伸时，有细颈产生，属于不均匀拉伸，在120以上才能为均匀拉伸。图9-19 涤纶卷绕丝在不同温度下拉伸时，细颈角与细颈生成速率的关系图9-20 腈纶初生纤维在不同温度下的应力-应变曲线表9-4 几种主要合成纤维的拉伸温度纤 维拉伸温度玻璃化温度（）溶点（）（或流动温度）锦纶6锦纶66涤纶腈纶氯纶偏氯纶乙纶20150室温80以上80120165（在甘油忠）水中809823115；水中90354947；65非晶态：69；水中：4954部分結晶：7981高度取向結晶：12012790105；1409218-21-242232652602643

34、20170220137表9-4为几种主要合成纤维的拉伸温度。综上所述可知，初生纤维拉伸时，适当地提高拉伸温度到以上是必要的，而且在多级拉伸时，随着拉伸过程中发生取向和结晶等结构变化，拉伸温度要逐级提高。显然，拉伸温度应低于非结晶高聚物的粘流温度或结晶高聚物的熔点，否则，不可能进行有效的拉伸取向。2拉伸速度 实践证明，拉伸速度增大时，对应力-应变曲线的曲线影响与降低温度的影响相类似，不难理解，这是符号时-温等效原理的。在c型形变范围内，随着拉伸速度的提高，屈服应力和自然拉伸比有所增大。有人导出了屈服应力与形变速率之间的经验关系式： （9-11） 此式表示屈服应力与成直线关系（a、b为常数），适用

35、于许多高聚物体系的c型形变区域。 如果原来属于b型形变，则随着拉伸速度的增大逐渐由b型向c型转变。 拉伸速度对细颈形态也有影响，图9-21表明锦纶6单丝拉伸试验中，细颈角随的增大而加大，肩颈长度（见图9-18）随的增大而减小，亦既细颈现象更为明显。 图9-21 锦纶6单丝的细颈尺寸随拉伸速度的变化1-细颈角 2-细颈长度 涤纶卷绕丝的屈服应力和拉伸应力随拉伸速度的变化关系见图9-22。屈服应力和拉伸应力随拉伸速度增大而不断增大，这是粘弹过程松弛特征的反映。然而拉伸速度达到1cm/min以上时，拉伸应力出现明显下降，这正是绝热过程特点的反映，证明此时拉伸放热所引起的温升已超过与拉伸速度增大所相当

36、的温度下降。由于形变产生热而使温度升高，拉伸速度越快，则过程更加接近于绝热条件，此时温升也越高。当热量由细颈部分传递到未拉伸部分时，后者温度升高，使发展细颈所需的拉伸应力下降。可以设想，若没有绝热放热的影响，则拉伸应力随拉伸应变速率而增大的后一段曲线应如图9-22中的虚线所示。图9-22 拉伸速度对涤纶卷绕丝屈服应力和拉伸应力的影响1-拉伸应力 2-屈服应力对于部分结晶的初生纤维（包括非晶区和不稳定的或不完善的晶体），拉伸速度不宜太快或太慢。拉伸速度太快则产生很大应力并使细颈区局部过热，产生不均匀流动，可能使纤维形成空洞甚至产生毛丝断头；拉伸速度太慢，产生缓慢流动，纤维的拉伸应力不足以破坏不稳

37、定的结构并随后使它改建，结果尽管拉伸倍数可能很高，但取向效果并不大；拉伸速度适中，则塑性流动时，应力足以使不稳定的结晶结构破坏，并随后得到重建，在细颈区建立了最佳热平衡，没有显著的张力过度，所以得到的纤维缺陷较少。除了拉伸温度与拉伸速度以外，初生纤维中存在水、溶剂、单体等低分子物质亦可影响初生纤维的拉伸，因为这些物质的存在，可使大分子间距离增大，减少大分子间的相互作用力，降低松弛活化能，使链段和大分子链的运动变得容易，从而使高聚物的降低，这种现象称为增塑作用。增塑对纤维拉伸行为的影响与提高温度相似。图9-23是含不同量水分和低聚物的锦纶6初生纤维的拉伸曲线。由图可见，由于水或低聚物的增塑作用而

38、使屈服力下降，并使应力-应变曲线水平段缩短，即促使由c 型形变向b型形变转化。 图9-23 含有不同量水分和低聚物的锦纶未拉伸纤维的形变特性（拉伸温度20，拉伸速度500mm/mim）1-干纤维，低聚物含量0.5% 2-风干纤维，低聚物含量0.5%3-干纤维，低聚物含量7.8% 4-风干纤维，低聚物含量7.8%湿纺所得的初生纤维拉伸时，其所含水或溶剂亦有类似的影响。图9-24是以dmf为溶剂的湿纺晴纶的负菏-伸长曲线与溶胀度d.s.的关系。当d.s.为1.421.72时，拉伸出现细颈；溶胀度在1.72以上就呈均匀拉伸。对再生纤维素纤维拉伸的研究表明，在相对湿度r.h.65%的空气中平衡吸湿状态

39、下，拉伸时有明显的屈服现象，产生细颈，随着纤维中水分增加，屈服应力下降，在r.h.90%时，就不发生细颈而成均匀拉伸。图9-24 腈纶凝固丝的负荷-伸长曲线与溶胀度的关系在某些情况下，发现应力-应变性质与被拉伸试样的粗细（纤度）有关。纤度减小时，拉伸应力和自然拉伸比有所增大，即相当于降低温度的影响，纤维增大时，对拉伸曲线的影响相当于提高温度。以上讨论了初生纤维的结构和拉伸条件对拉伸曲线的影响。概括地说，在满足下列条件的情况下，初生纤维的应力-应变曲线的形状会发生如下的变化：b型c型a型或d型。而在c型形变范围内，则变化方向为曲服应力和自然拉伸比n增大。这些条件是：（1）降低温度；（2）增大拉伸

40、速度（形变速率）；（3）初生纤维中大分子活动性减小（溶剂含量减小除去增塑作用的小分子物质）；（4）初生纤维的结晶度增大；（5）初生纤维的预取向度加大；（6）初生纤维的纤度减小。这些一般规则在拉伸工艺中起着重要的作用。利用这些规则，某一因素的不利影响，在某中程度上能被一些其他因素所补偿，同时可根据未拉伸纤维的结构来调整拉伸条件以抵消不利因素的影响。第三节 连续拉伸的运动学、动力学和拉伸热效应在工业生产条件下，拉伸是一个连续过程。未拉伸丝或丝束以恒定的喂入速度引入拉伸结构，并导经一组具有恒定拉伸速度的拉伸盘（辊）而获得拉伸， 此处为名义拉伸比。实际拉伸比（不可逆形变）较小，因为张力除去时拉伸线要发

41、生收缩。在拉伸行程中，可通过一恒温的气体或液体介质，或通过某些加热区（热浴、接触式热板等）。也常采用摩擦元件（摩擦辊，制动辊等）来固定变形区并稳定拉伸过程。这些工艺条件和固态高聚物的形变行为，使纤维拉伸过程的动力学和运动学很复杂。因此，不能用简单近似的方法来描述学位的拉伸动力学。然而，从实验室的实验结果对连续拉伸行为作理论预测，对生产工艺是非常重要的。如前所述，温度是影响初生纤维应力-应变行为的重要因素之一。在实际拉伸条件下，无论是对周围介质的热散失或是形变能量的损耗都不能忽略。因此，许多学者研究过高聚物的拉伸热效应。一、拉伸过程的连续性方程对于初生纤维在拉伸机上的冷拉行为，可以进行如下的分析

42、。若令拉伸前后纤维的横截面积分别为和，丝条运动的速度为和，而拉伸点（即出现细颈处）丝条的速度为（图9-25），假定没有二次拉伸发生，对流入此点和流出此点的质量进行物料平衡，则可得出丝条运动的连续性方程：图9-25 拉伸机上细条运动示意图 （9-12）式中和分别表示拉伸点前后纤维的密度。由此式可得：由于自然拉伸比 名义拉伸比 故表达式可化为： （9-13）由于，故式（9-13）可简写为： （9-14）由此可知，当时，=0，此时拉伸点固定不动。二、拉伸线上的速度和速度梯度发布初生纤维连续拉伸时，其直径和横截面积发生改变，导致沿拉伸线上速度和速度梯度有所改变。对连续拉伸时速度分布的研究表明，纤维在拉

43、伸箱或拉伸浴中拉伸时，沿拉伸线所发生的形变或拉伸本身是不均匀的。速度分布曲线呈形（见图9-26）。图9-26 连续热拉伸和塑化拉伸时速度（1）和速度梯度（2）的典型分布准备区（塑化区） 变形区（拉伸区） 松弛区连续拉伸取向过程可分成三个区，每个区中丝条或丝束的运动速度和张力不同： 区准备拉伸区。在此区内，由于塑化拉伸或热拉伸时的润胀和加热，纤维发生塑化。在准备区中，速度恒定并等于丝条的喂入速度，而速度梯度则等于零。当纤维温度超过玻璃化温度而开始剧烈形变的瞬间，准备区就告结束。丝条在准备区内停留的时间及与此相应塑化区的行程长度，决定与塑化时传质或传热的速度。将丝条加热至拉伸温度所需的时间与热交换

44、条件有很大关系，可能是1秒或几秒。热拉伸时，加热时间亦取决与丝条直径，例如对于直径为180220的单丝，加热时间为0.15s。但复丝的加热较慢，看来这是由于组成复丝的单纤维之间热接触不良的缘故。湿纺成形的初生纤维、预先经塑化的或加热了的纤维在拉伸时，准备区可能很短，或根本没有准备区。在某些文献中，建议将纤维在专门的机构上（例如热盘）预先作长时间的加热。但是这样做可能对拉伸过程有不利的影响，因为这会使纤维预先发生结晶，从而减小拉伸倍数。区形变区或真正拉伸区。在此区内由于机械力的作用，纤维发生取向，伴随着发生结晶结构改组。在此区内，与丝条形变性质的改变相适应，速度发生增大，而速度梯度为正值：。但此

45、段中速度梯度的变化规律不同，在速度曲线的拐点之前，可称为区，此区内速度梯度有所增加，即 ；在达到最大值以后，速度梯度又开始下降，即。 随着纤维的结构变得规整和大分子动力学柔性的减小，纤维的形变性剧烈下降，拉伸作用就停止。 纤维拉伸时，其运动速度从每分钟几米至几百米，拉伸时间从0.1s至20s，拉伸箱或拉伸浴长度从几十厘米至1015m，此时形变区（拉伸区）长度为几厘米至几十厘米或更长些。 区拉伸纤维松弛区。在此区内纤维不再发生形变，但内应力逐步发生松弛。在松弛区内，丝条的速度速度大致恒定，与此相应，速度梯度。 根据拉伸过程的设备形式，在松弛区以后，或是作进一步热松弛处理，或开始将纤维冷却。 有人

46、测定了聚丙烯、聚乙烯醇和其他湿纺纤维拉伸线上的速度分布以及聚酯鬃丝在热水浴中拉伸的速度分布。研究表明，在所有的情况下，测得的速度分布曲线都与熔纺的运动学特性曲线相似。典型的速度分布曲线呈s型，有一拐点，在拉伸行程的末端有水平的渐近线（速度为常数）。图9-27为聚乙烯醇纤维拉伸的典型数据（拉伸温度240，丝条喂入速度为6.5m/min）。由图可知，随着拉伸比或区速度的增大，拐点移向拉伸线起点一方。这与熔纺的运动学行为有所不同，熔纺线上拐点基本不动。这是因为在拉伸过程中，由于自身发热以及与加热介质的热交换，使丝条温度上升。有人研究了温度分布对拉伸运动学的影响，发现随着拉伸浴温度的上升，速度曲线拐点

47、移向喂入辊的一方。实际生产中应注意选择适合的拉伸条件，以使形变区大致位于拉伸设备中丝条行程的中部。图9-27 聚乙烯醇纤维在空气中热拉伸时，丝条运 动速度（a）和速度梯度（b）的分布曲线（曲线旁数字表示不同的拉伸倍数）三、拉伸线上的张力分布拉伸张力关系到拉伸过程稳定性和所得纤维的结构。一般说来，拉伸张力是拉伸条件以及未拉伸试料的组成和结构的一个函数。丝条或丝束通过一圆柱形拉伸辊后，张力的增大主要决定于丝条与辊面之间的摩擦系数和丝条在辊上的包角（见图9-28）。根据amonton定律，张力增大可写成： (9-15a)图9-28 丝条通过拉伸辊面张力的变化若丝条通过一系列的拉伸辊，则自最后一辊导出

48、后的张力为： （9-15b）式中：是进入第一辊前的预张力；是每个辊包角之和，。在辊上多绕一圈，相当与包角增大2，同样也可由以上公式计算。 表9-5给出几组数值，可见张力随着和迅速增大。表9-5 张力增大与和的关系摩擦系数=/2=2=40.20.51.01.41.26.01.96.022.93.522.952.512.3525270000但是amonton公式只是很粗略的近似，此式对于拉伸辊半径这类重要参数没有加以考虑。根据实验数据，最好采用howell公式： （9-16）式中为常数，其值为0.651.00，亦为常数。 根据上述分析，可将七辊拉伸机上的张力分布示于图9-29。由进入第一辊至最后一

49、辊导出处，将形成一逐渐增大的张力场。对于长丝在拉伸-加捻机上的拉伸，丝条在拉伸过程中也承受类似的张力梯度的作用。用张力除以丝束截面积，可得到拉伸应力，其分布如图9-30所示。有图可见，在两台七辊牵伸机之间，张力虽然基本恒定，但由于纤维基本截面变小，其应力总是上升的，且在细颈点发生突变。当张力达到屈服应力所对应的负荷时，发生屈服而产生细颈(或称拉伸点)。由图9-29和图9-30可见，细颈一般发生在紧靠第一台牵伸机不远的油(水)浴槽中。如果拉伸点发生在第一台拉伸机的最后一辊或倒数第二辊上，则拉伸机不稳定。图9-29 七辊拉伸机的给丝辊上的张力梯度图9-30 拉伸线上应力、屈服应力和温度变化示意图

50、使拉伸点后移的简便方法，是降低最后一辊或数辊的辊面温度，其目的是在于降低丝条的温度，使相应的屈服应力增大。要使移出机台的拉伸点稳定，可将两台拉伸机之间的被拉丝加热，对短纤维通常用热水浴、过热蒸汽或其它介质；对长丝一般用热板、热盘等方式加热。丝条进入加热区后，其温度逐渐上升，屈服应力逐渐减小，当减至拉身机施加的张力相等时，即产生细颈。由于细颈的热效应使局部温度又有升高，因而在温度曲线上出现峰值（见图9-30）。 图9-31表明，在拉神速度不变时，棉纶6和涤纶的拉伸张力随拉伸比的增大(或拉伸温度的下降)而单调增大。拉伸速度对拉伸张力的影响较为复杂。根据粘弹机理，拉伸速度的提高，应引起拉伸张力和拉伸

51、应力的增大，某些实验的结果确实说明了这一点（见图9-32曲线1和2）。但是，较高的形变速率伴随发热较大，并使有效松弛时间和粘度降低。在某些绝热条件下，这会抵消粘弹性的影响，甚至使伸张力减小。图9-32中的涤纶在80下的拉伸行为就是一例。对于棉纶鬃丝，传热比发热来得小，亦观察到拉伸张力随拉伸速度的增大而减小的现象。对于含有若干剩余溶剂（dmf）的干纺聚丙烯腈纤维，拉伸张力随高聚物的分子量而增大，并随溶剂浓度而减小。图9-31 锦纶6和涤纶的拉伸张力/始有纤度对拉伸比的关系（拉伸速度不变）图9-32 锦纶6和涤纶的拉伸张力/始有纤度对拉伸速度的关系（拉伸倍数 =3.6） 1锦纶，拉伸辊温度80 2锦纶，拉伸辊温度203涤纶，拉伸辊温度80四、拉伸热效应和热交换 在实际生活中，初生纤维的不可逆形变伴随着消耗相当大的能量，如果拉伸形变速率足够高，相当一部分能量为纤维本身吸收而使温度上升。由于这种拉伸热效应，使过程的热交换关系显得非常重要。如前所述，拉伸点的稳定，在很大程度上受拉伸温度条件的控制。 纤维作为一种非线性粘弹体，其拉伸过程的热平衡方程式难于得到真正的解。现将其简化成一个简单的