熱定形中的定形機(jī)理
對(duì)熱塑性材料，如滌綸和錦綸，定形過(guò)程需要加熱和冷卻。加熱使纖維更容易變形，分子結(jié)構(gòu)可發(fā)生重新排列，而冷卻使纖維變形固定下來(lái)。因此，在加熱器和假捻器之間需要足夠的冷卻區(qū)，此時(shí)紗線未退捻。通過(guò)假捻器后，紗線在張力作用下完全伸直。卷繞時(shí)，紗線仍有一定的溫度，以卷裝形式存放。此時(shí)為暫時(shí)定形，同時(shí)應(yīng)力松弛。因此，當(dāng)紗線從筒子上小心地退繞時(shí)，并不顯現(xiàn)變形的形態(tài)。紗線的伸縮性和膨松性需要經(jīng)過(guò)一定的過(guò)程才能顯現(xiàn)。這可通過(guò)增加或減小紗線張力，或通過(guò)加熱、加濕作用來(lái)顯現(xiàn)。
Hearle等人[43]研究并討論了熱定形作用，尤其是多次定形作用。
“暫時(shí)性定形”發(fā)生在100℃左右(錦綸吸濕后溫度更低)。此時(shí)，由于分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力的增大而產(chǎn)生玻璃態(tài)一橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程。對(duì)于錦綸，氫鍵鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；對(duì)于滌綸，苯環(huán)鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。這種變化發(fā)生在纖維的非晶區(qū)。
“永久性定形”發(fā)生在200℃左右，與晶區(qū)的改變有關(guān)，但存在各種不同解釋。從熱力學(xué)角度分析，如圖7—27(a)，一個(gè)體系中存在一種力，它促使該系統(tǒng)向能量較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，而使其更穩(wěn)定。這種改變必須通過(guò)熱振動(dòng)來(lái)克服能量壁壘。實(shí)際情況非常復(fù)雜，存在多個(gè)能量較低值，對(duì)應(yīng)著不同的結(jié)構(gòu)。如圖7—27(b)所示，較小、較不完整的晶體，具有較小的熔點(diǎn)和較低的能量。結(jié)晶完善的聚酯(PET)晶粒，其熔點(diǎn)高達(dá)300℃左右，而半晶體PET纖維的熔點(diǎn)只有250℃。熱定形中，晶粒尺寸較小或結(jié)晶較不完善的晶粒熔融，而形成尺寸較大、結(jié)晶較完善的晶粒。這符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，要進(jìn)行新的熱定形必須加熱到更高的溫度。溫度越高，晶粒尺寸越大、完善性越好。這種定形效果在加濕時(shí)可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)。
纖維還存在與微細(xì)結(jié)構(gòu)的結(jié)晶部分相關(guān)的其他可能
另外一種可能性與多級(jí)熔融效應(yīng)有關(guān)。由于熔體能量密度大于晶體能量密度，在一定的溫度范圍內(nèi)，晶胞在剛硬的結(jié)晶形式和流動(dòng)液態(tài)之間轉(zhuǎn)變。在動(dòng)態(tài)結(jié)晶凝膠中，在任一時(shí)刻都有很多結(jié)構(gòu)單元處于剛硬的結(jié)晶態(tài)以保持纖維形態(tài)，但是它們的特性是不斷變化的。在應(yīng)力作用下，當(dāng)晶胞處于熔融態(tài)時(shí)，分子可能產(chǎn)生一定的重新排列。
熱定形也可能與結(jié)晶區(qū)無(wú)關(guān)，而是由于非晶區(qū)的縛結(jié)分子斷裂和重新排列，如圖7—28所示。大分子鏈在應(yīng)力作用下可能斷裂，并在新的位置重新排列，從而形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這種過(guò)程在滌綸纖維中比在錦綸纖維中更可能出現(xiàn)，并可以解釋為什么在相同或更低的溫度下能進(jìn)行二次定形。滌綸大分子在熔融狀態(tài)下，由于熱振動(dòng)可發(fā)生大量酯交換、酯鍵斷裂和重建[45]。
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