紡絲原液含量對(duì)氨綸絲應(yīng)力松弛的影響

趙漢陽(煙臺(tái)市泰和新材料股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006)

0 引言

氨綸是一種含聚氨基甲酸酯大于85%且具有線形鏈段結(jié)構(gòu)的高分子化合物制成的彈性纖維，具有理想的伸長率，應(yīng)用前景廣闊。但是根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，氨綸絲的性能會(huì)受到多種因素的影響，再加之該材料具有典型的微相分離結(jié)構(gòu)特征，會(huì)影響該材料的力學(xué)松弛效果，值得研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)中用到的原材料

試驗(yàn)中用到的原材料：(1)乙二胺，日本東曹株式會(huì)社，工業(yè)級(jí)；(2)N-二甲基乙酰胺，浙江江山化工股份有限公司，工業(yè)級(jí)；(3)聚四氫呋喃二醇，天華富邦化工有限責(zé)任公司，工業(yè)級(jí)；(4)二苯基甲烷二異氰酸酯，萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司，工業(yè)級(jí)。

1.2 紡絲成型

將原液儲(chǔ)罐中的紡絲原液紡絲，經(jīng)計(jì)量泵壓入管道之后，噴絲板噴出原液細(xì)流，原液細(xì)流在熱甬道內(nèi)凝固成絲，最后細(xì)絲經(jīng)卷繞機(jī)固定在卷筒上之后，制成氨綸絲成品。

1.3 試驗(yàn)過程及注意事項(xiàng)

1.3.1 試驗(yàn)過程

使用電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)《氨綸絲彈性試驗(yàn)》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)每種氨綸絲去掉1 g的表層之后，取長度充足的氨綸絲試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。期間設(shè)置試驗(yàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括紗線細(xì)度、隔距、拉伸方式、拉伸速度、預(yù)加張力等。在將氨綸絲夾到夾持器上之后，掛好夾持器，將氨綸絲引下持夾器并固定；啟動(dòng)設(shè)備，使下夾持器能夠按照設(shè)定的參數(shù)移動(dòng)。按照設(shè)備的設(shè)計(jì)動(dòng)作，當(dāng)氨綸絲伸長量達(dá)到設(shè)定值后開始松弛應(yīng)力，在這種情況下，界面的“時(shí)間框”將會(huì)以倒計(jì)時(shí)的方式顯示距離試驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間，在試驗(yàn)結(jié)束之后，下夾持器上行復(fù)位至設(shè)定位置，并由相關(guān)軟件繪制出本次試驗(yàn)的曲線圖。

1.3.2 相關(guān)注意事項(xiàng)

為確保試驗(yàn)的有效性，相關(guān)人員在開展試驗(yàn)分析中應(yīng)該關(guān)注以下問題：(1)氨綸絲的夾持方式。考慮到氨綸絲的延伸性良好，在拉伸期間可能會(huì)出現(xiàn)明顯的線密度變化，隨著拉伸的深入，會(huì)導(dǎo)致試樣變得非常細(xì)，若在施工過程中使用的夾鉗不理想，可能會(huì)導(dǎo)致試樣長度不達(dá)標(biāo)，最終引發(fā)嚴(yán)重的滑脫現(xiàn)象。(2)夾持距的大小。氨綸絲在測量期間會(huì)發(fā)生明顯的變形問題，若夾持距離不足，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際距離增加不準(zhǔn)確，影響實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。根據(jù)《氨綸絲彈性試驗(yàn)》的相關(guān)內(nèi)容，規(guī)定彈性纖維測量期間，夾持具為50.0±1.0 mm，所設(shè)定的最大移動(dòng)距離為夾持長度的280%～300%。(3)氨綸絲的彈性回復(fù)測量問題。一般在拉伸恢復(fù)循環(huán)測量期間，氨綸絲在多次測量時(shí)對(duì)于測試的次數(shù)有詳細(xì)規(guī)定，因此在試驗(yàn)過程中應(yīng)該嚴(yán)格遵照相關(guān)數(shù)據(jù)，其中有效試驗(yàn)次數(shù)大于等于10次，循環(huán)伸長小于等于斷裂伸長率的80%左右，這樣才能滿足基本的試驗(yàn)要求。(4)要關(guān)注時(shí)間、溫度等條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，因此在試驗(yàn)期間應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)的大氣環(huán)境下做調(diào)整4 h以上，并盡量確保試驗(yàn)過程能夠在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下進(jìn)行，并且要警惕氨綸絲在高溫情況下遇熱變形問題，所以需要也需要對(duì)試驗(yàn)的溫度環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的定義

在本次試驗(yàn)中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的定義結(jié)果如式(1)～(3)：

式中：E2為應(yīng)力松弛的起點(diǎn)；E3為應(yīng)力松弛的終點(diǎn)；t1為應(yīng)力松弛終點(diǎn)的對(duì)應(yīng)時(shí)間；t0為應(yīng)力松弛起點(diǎn)的對(duì)應(yīng)時(shí)間。

2.2 原液含量對(duì)應(yīng)力松弛效果的影響

本次試驗(yàn)中為確定5種紡絲原液對(duì)氨綸絲應(yīng)力松弛效應(yīng)的影響，分別選擇28%、30%、32%、34%、36% 5種紡絲原液制備的氨綸絲，在相同的伸長率下進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)。在本次試驗(yàn)中，5種氨綸絲均發(fā)生應(yīng)力松弛問題，因此根據(jù)這一試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，在的定伸長率的情況下，氨綸絲內(nèi)部應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的延長而縮小，并且預(yù)計(jì)在16 000 s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)的應(yīng)力只發(fā)生了相對(duì)較小的波動(dòng)，因此可以認(rèn)為此時(shí)的應(yīng)力穩(wěn)定。本文將氨綸絲的應(yīng)力過程分為三個(gè)階段，分別為快速松弛、緩慢松弛與穩(wěn)定階段。同時(shí)以上述5種材料為研究對(duì)象，分別計(jì)算材料在三個(gè)階段的時(shí)間段變化情況后，可計(jì)算出氨綸絲在松弛時(shí)間內(nèi)的松弛速率變化。根據(jù)本次研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著紡絲原液含量的增加，氨綸絲的總應(yīng)力松弛速率、總應(yīng)力松弛率等有顯著下降。其原因可能為：在生產(chǎn)氨綸絲期間，紡絲原液的含量越高，則相對(duì)應(yīng)的分子鏈活躍度減小，溶劑比例下降，這樣會(huì)增加分子鏈在滑移過程中的摩擦力，降低構(gòu)象調(diào)整重排的發(fā)生率。因此在這種情況下，分子鏈要維持理想的應(yīng)力，所以應(yīng)力松弛程度會(huì)有進(jìn)一步下降，因此應(yīng)力松弛率維持在較低水平。

也有學(xué)者研究認(rèn)為，紡絲原液含量對(duì)快速松弛、緩慢松弛兩個(gè)階段的應(yīng)力松弛作用的影響最為明顯[1]。其原因可能為：(1)在第一階段，應(yīng)力松弛率與紡絲原液的含量之間呈現(xiàn)出反相關(guān)關(guān)系，即原液含量越大，則應(yīng)力松弛率的衰減越小，根據(jù)這一結(jié)果可判斷，紡絲原液含量對(duì)應(yīng)力松弛的第一階段影響較為顯著。其原因可能為：隨著紡絲原液含量的增加，會(huì)改變氨綸內(nèi)皺曲狀態(tài)下大分子的鍵長、鍵角水平，導(dǎo)致其延展能力下降；到了第二階段，分子鏈之間的滑動(dòng)過程是以整鏈為單位進(jìn)行的，此時(shí)紡絲原液含量的影響不明顯。(2)從試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，第一階段的應(yīng)力松弛速率要顯著大于第二階段，造成這一現(xiàn)象的原因可能為：氨綸絲內(nèi)部分子鍵鏈長的伸長與鏈角張開會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)構(gòu)象調(diào)整，這一現(xiàn)象會(huì)造成總應(yīng)力的下降，但是隨著時(shí)間的推移，不同含量氨綸絲的分子鏈要調(diào)整構(gòu)象的難度進(jìn)一步增加，此時(shí)也意味著氨綸絲的松弛過程已經(jīng)進(jìn)行到了第二階段，該階段的松弛過程漫長，因此可以認(rèn)為在第二階段應(yīng)力的松弛率保持一個(gè)較低的狀態(tài)。

2.3 對(duì)應(yīng)力松弛過程的分析

現(xiàn)有研究顯示，氨綸絲的應(yīng)力松弛過程是一個(gè)緩慢的過程，本文的研究證實(shí)，在某一時(shí)間點(diǎn)開始，應(yīng)力的變化將會(huì)變得十分緩慢，最終到了穩(wěn)定階段幾乎就是一條水平線。雖然在本次研究中，發(fā)現(xiàn)不同紡絲原液含量對(duì)氨綸絲的應(yīng)力松弛效應(yīng)的影響不明顯，但是5種材料之間的應(yīng)力變化規(guī)律基本是相同的，并且根據(jù)《氨綸絲彈性試驗(yàn)方法》中所提出的相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)，通過對(duì)不同時(shí)間段的應(yīng)力松弛情況進(jìn)行觀測，根據(jù)圖1的信息可以發(fā)現(xiàn)，在4 000 s前氨綸絲的應(yīng)力松弛現(xiàn)象比較明顯，而從4 000～12 000 s的時(shí)間范圍內(nèi)，應(yīng)力松弛的下降情況有顯著改善，最終到16 000 s以后進(jìn)入到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)的應(yīng)力松弛情況不顯著。

3 模型分析

為了能夠進(jìn)一步識(shí)別紡絲原液含量對(duì)氨綸絲應(yīng)力松弛效果的影響，本文通過力學(xué)模型的方法來描述其中的相關(guān)關(guān)系，其中為確保模型分析結(jié)果的可行性，本文選擇廣義Maxwell模型，作為一種科學(xué)的五元件廣義模型，該模型在擬合曲線時(shí)能夠維持更高的擬合度，因此數(shù)據(jù)誤差較小，本文對(duì)該模型的適應(yīng)性解釋為：當(dāng)模型被拉伸至變性并保持不變的情況下，彈簧的瞬時(shí)變性發(fā)生，并且兩個(gè)黏壺會(huì)在阻力作用的影響下不會(huì)產(chǎn)生變形現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，黏壺被彈簧拉開，并且這兩根彈簧W2、W3的變形逐漸減小至零點(diǎn)。而由于整個(gè)模型在總形上保持不變，所以彈簧W1為了能夠維持這一形狀而維持著持續(xù)的拉伸狀態(tài)，此時(shí)的應(yīng)力是恒定的，該模型的基本結(jié)構(gòu)如式(4)所示：

式中：σ為總應(yīng)力；ε0為總應(yīng)變力；W1、W2、W3分別代表三個(gè)彈簧的衰變系數(shù)，t為應(yīng)力松弛時(shí)間；η1、η2為黏壺黏滯系數(shù)；e為時(shí)間系數(shù)。

在上述模型運(yùn)算過程中，為確保模型能夠正確反映出氨綸絲的應(yīng)力變化情況，可先試用公式(4)來計(jì)算出5種氨綸絲的參數(shù)值，在分析紡絲原液含量對(duì)模型參數(shù)影響的基礎(chǔ)上，明確解釋不同濃度對(duì)應(yīng)力松弛效果的影響。所以在本次研究中，通過Origin軟件來擬合應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用殘差平方和S2與擬合度R2[2]來評(píng)估擬合曲線與實(shí)際曲線的符合度情況，氨綸絲應(yīng)力松擬合度大于0.99，殘差平方在0.029～0.034之間，這一數(shù)據(jù)證明，擬合曲線的擬合度較高，這一結(jié)果證明該模型能夠有效反映出松弛性能情況，體現(xiàn)了氨綸絲在應(yīng)力松弛中的彈性應(yīng)力。

根據(jù)本文的研究結(jié)果可知，發(fā)現(xiàn)紡絲原液含量之間存在數(shù)據(jù)相關(guān)性，其中在模型中參數(shù)W1顯著大于W2、W3，且隨著紡絲原液含量的增加，會(huì)使W1呈現(xiàn)出上升趨勢，這一結(jié)果說明氨綸絲的應(yīng)力松弛程度無明顯變化，會(huì)隨著紡絲原液增加的情況下，可降低總應(yīng)力松弛水平，會(huì)對(duì)氨綸絲的彈性產(chǎn)生影響。在這種情況下，氨綸絲的分子鏈的活性與伸展能力會(huì)產(chǎn)生明顯的數(shù)據(jù)變化。從濃度變化來看，隨著濃度的降低，會(huì)導(dǎo)致彈簧W2、W3的應(yīng)力不斷下降最后降低至0，所以在本次研究中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)28%的濃度氨綸絲，其因應(yīng)力松弛情況最大，這點(diǎn)與本文的試驗(yàn)分析結(jié)果是相同的。而從黏性情況來看，隨著紡絲原液含量的增加，可以發(fā)現(xiàn)η1有明顯的下降情況，并且隨著時(shí)間推移其下降速度有降低；根據(jù)η2的數(shù)據(jù)變化情況來看，該數(shù)據(jù)值早期有明顯增加之后下降，并且濃度為30%、32%、34%、36% 4種濃度的η2與η1之間的數(shù)據(jù)差值不顯著，但濃度為28%的紡絲原液兩者的η2與η1差值較大。從數(shù)據(jù)變化情況來看，到了第二階段，30%、32%、34%、36% 4種濃度的應(yīng)力松弛情況變化不明顯，而濃度28%的應(yīng)力變化更加明顯。

4 結(jié)語

本文研究證明，紡絲原液含量對(duì)氨綸絲應(yīng)力松弛的影響顯著，雖然5種氨綸絲在經(jīng)過試驗(yàn)后都出現(xiàn)了松弛狀態(tài)并且松弛狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，但是隨著紡絲原液等含量的增加，氨綸絲的應(yīng)力松弛率會(huì)逐漸減小。本文通過模型分析的方法，對(duì)該模型的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行分析，結(jié)果證明上述相關(guān)參數(shù)都能用于評(píng)估應(yīng)力松弛效果。