高速纺纤维的结构与性能分析

高速纺丝条件下制取的卷绕丝，与低速纺卷绕丝性能比较有明显区别，其力学性能见表2-11。

表2-11　不同纺丝速度卷绕丝的力学性能

随着纺丝速度的提高，纤维的取向度和结晶度也相应提高。因此，高速纺丝所得预取向丝比常规卷绕丝有较高的强度和模量，同时断裂伸长率较低。通常涤纶拉伸丝的强度为3.5～5.3cN/dtex，伸长约30%，而超高速纺丝获得的全取向丝也具有类似的性质。

（一）强度

高速卷绕丝随着纺丝速度提高，纤维强度增大，伸长减小。采用特性黏度0.65dL/g的PET为样品。研究初生PET丝条的性能随纺速的变化规律如图2-21所示。值得注意的是，它们的纺丝速度最高达到9000m/min，是通过自然拉伸比的恒定分配来控制纤维的线密度（以制造最终直径恒定的纤维），而不像其他众多研究者那样控制质量流量来保证纤维的粗细。纺速约为4000m/min时，结晶度和双折射率开始迅速增加，纺速约为7000m/min时达到最大，此后随卷绕速度的进一步提高而略微减小。纤维的强度也是在纺速为7000m/min左右时呈现最大值。这是由于冷却速率随卷绕速度提高而增加，而随纺速提高，结晶起始温度提高，结晶时间缩短；但当纺丝速度超过7000m/min时，丝条内部形成微孔或表面损伤形成裂纹所致。

（二）伸长率

高速纺丝过程中纤维的取向和结晶对纤维拉伸性能也有显著影响。随着纺丝速度提高，纤维延伸度减小、屈服应力升高、自然拉伸比降低。图2-22为不同纺丝速度下纤维应力-应变曲线的变化规律。

图2-21　PET丝条的性能随纺速的变化

图2-22　在不同纺速下聚酯卷绕丝的应力-应变曲线(www.xing528.com)

从图2-22可见，当纺速为1000～2000m/min时，初生纤维屈服应力与常规法生产的未拉伸丝相似；当纺速为3000～4000m/min时，反映非晶区分子间作用力的初始屈服应力上升，且在拉伸曲线上的弯曲消失；当纺速达5000m/min以上时，就显示出所谓二次屈服点这种与完全取向丝相似的性质，卷绕丝应变行为接近于拉伸丝的性质。

（三）热性能

纺丝速度不同，卷绕丝热性能也不相同，如图2-23所示。在较低纺丝速度时，卷绕丝在低温侧（130℃）附近仍有冷结晶峰出现（结晶放热峰），在高温侧（250℃）附近有结晶熔融吸热峰，只有在卷绕丝进行拉伸热处理后，低温侧的冷结晶峰才消失。但随着纺丝速度的提高，差热分析（DTA）曲线上的冷结晶峰逐渐减少并向低温方向移动，纺速达5000m/min以上时，冷结晶峰消失，而熔融峰随纺速提高逐渐变得尖锐，并略向高温方向移动。这说明随着纺丝速度的提高，聚酯卷绕丝从非晶态逐渐变化至半结晶态，结晶度在提高，其变化过程与纺丝速度成正比，因而可引起纤维材料物理性能的改变。

（四）密度和沸水收缩率

不同纺丝速度下，纤维的密度和沸水收缩率的变化如图2-24所示。由图可知，沸水收缩率随纺丝速度提高而下降，到5000m/min左右开始趋于稳定。卷绕丝的密度则随纺丝速度的提高而增加。当纺速未达到3500m/min时，初生纤维的密度几乎一直与完全无定形的PET的密度相等，超过这一纺速，密度迅速增加，说明纤维从无定形的结构转变为部分结晶结构。

图2-23　不同纺速下纤维的DTA谱图

综上所述，高速纺卷绕丝的物理-力学性能不同于常规纺卷绕丝，而且在不同纺速范围，性能也不同。因此，生产上可根据产品的性能要求，选择合适的纺丝速度。