聚乙烯醇凝胶纺丝及其水溶纤维的结构性能与应用

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1、2l世纪高技术．赢性能．高难拥值颛挚化纤发鼹论坛聚乙烯醇凝胶纺丝及其水溶纤维的结构性能与应用叶光斗李守群徐建军刘小惠晏明彭华金游彦(四川大学高分子学院)【摘要】聚乙烯醇采用凝胶纺丝获得低温水溶纤维．本文对纤维结构性能进行了研究，结果证明谊纤维断面为圆形、结构均匀，力学性能好、水溶温度根据应用需要由原料和生产过程控制．聚乙烯醇水溶纤维在与其它纤维混纺、无纺布、造纸等方面具有广泛的用途．【关键词】聚乙烯醇水溶纤维结构性能应用聚乙烯醇(PVA)是最早用来生产水溶纤维的成纤高聚物，早在20世纪20年代德国科学家

2、就用PVA纺丝得到水溶纤维。生产PVA水溶纤维主要有湿法、干法和凝胶纺丝等方法。湿法采用硫酸钠州a2S04)脱水纺丝工艺生产水溶温度较高(>80℃)的PVA水溶纤维。因为在纺丝成型时粘附在纤维表面的大量Na2S04必须用水洗除去，该过程导致纤维溶损、收缩、粘连。因此采用该法难于生产水溶温度范围广、适应性强的PVA水溶纤维。另一方面，为了避免在干燥过程中纤维产生胶溶和粘连，需要采_f}=I低温长时间干燥，必然使干燥设备庞大，能耗比较高。千法纺丝过程需要大量传质和传热、喷丝孔数少，生产成本高．只适合于生产长

3、丝。为了降低生产成本、提高产品质量，国内外近年来开展了凝胶法纺丝的研究和PVA水溶纤维的生产，如日本可乐丽公司已花费了大量人力物力，开发出了各种规格的水溶纤维。中国石化集团公司也投入资金，由四川大学和四川维尼纶厂共同进行研究开发这种产品的生产工艺。由于冻胶纺丝方法所用的溶剂和冷却剂均采用有机溶剂，可回收循环使用，污染小，因而属环保型纤维生产工艺。采用冻胶纺丝制PVA水溶纤维，无须水洗除盐工序，避免了纤维的粘连。纤维断面为圆形，结构均匀，力学性能好。采用此法，可制取5℃～90"CPVA水溶纤维，还可用于生

4、产高强、超细PVA纤维。因此，该技术发展前景好，产品应用空间广阔。一、纤维结构(一)纤维结构的形成水溶温度是PVA水溶纤维的一个重要指标，水溶温度的高低取决于纤维的分子链结构及其聚集态结构。凝胶纺丝方法是将PVA溶解于二甲基亚砜混合溶剂中来生产PVA纤维2l世纪高技术、高性能、高硪拥值鞭型化纤发襞论坛的。当该纺丝细流从喷丝孔挤出进入冷冻的凝胶化浴中时，纺丝细流被冷冻形成凝胶态初生纤维。该初生纤维除了大分子的取向外，没有结晶的生成，因此初生纤维结构均匀。再经萃取、干燥、拉伸等后工艺过程，纤维大分子链在进一

5、步取向的同时形成部分缩品的纤维。由于凝胶纺丝初生纤维不像普通湿纺那样靠强脱水形成纤维，因此没有明显的皮芯层结构，纤维的断面从初生纤维到成品纤维均为圆形。(二)结晶度PVA纤维的水溶纤维的性能除取决于化学结构外，也取决于纤维的成形过程及工艺条件，以及由此形成的结构。在超分子结构中纤维的结晶度对水溶温度的影响最大。一般而言，结品度的增加会使纤维的水溶温度提高。因此控制纤维的结晶度是调节纤维水溶温度的重要手段。在相同的拉伸倍数下，PVA纤维的结晶度随拉伸温度的增加而显著增加(图I)。这与一般纤维拉伸过程中结晶

6、度的变化规律基本一样。在较低拉伸倍数范围内，结晶度随拉伸倍数增加提高较快，而在较高拉伸倍数下，纤维结晶度增加的速度逐步放慢。纤维拉伸过程中结晶的结构也会发生变化(图2)。随着拉伸倍数的增加，纤维的结晶结构由不完善逐步趋向完善。拉伸温度对纤维结晶度具有重要影响。如拉伸倍数相同，100_《2拉伸纤维的结晶度比20℃拉伸纤维的结品度约高13％。20℃拉伸18倍纤维的结晶度比150℃拉伸7倍纤维的结品皮低。由此可见较高的拉伸温度有利于纤维的分子运动和结晶。另外，采用凝胶纺丝制备的初生纤维中含有一定量的溶剂，当拉

7、伸温度较低时，尽管在拉伸力的作用下大分子链沿纤维轴取向但很难结晶，只有除去纤维中所含溶剂后，在较高的温度下拉伸取向的分子才可以相互靠近形成结晶。80姗帅^60琶姗瑙40昭∞p詈oum姆20舌}O。05101520B16243240拉伸倍数2theta图1PVA水溶纤维的结晶度与拉伸倍数的关系犀2不同拉伸倍数PVA水溶纤维的x一射线衍射图谱纤维的水溶温度与纤维的结晶度有直接的关系。表I总结了凝胶纺丝生产的PVA水溶纤维的水溶温度和纤维结晶度之间的关系。纤维的水溶温度随结品度的提高而上升，这是因为结晶度较低

8、的纤维，在水溶过程中所需的能量较低，所以水溶温度较低。相反，结晶度较高的纤维，溶解说需要的能量较多，水溶温度相对也较高。由此可见，可以通过调节生产]二艺条件来控制纤维的结晶度、从而控制纤维的水溶温度。’2。2／世纪高技术、高性能．高融加值耨型化纤发醚论坛表1水溶温度与结晶度的关系样品名称结晶度(％)水溶温度(℃)PVA554．5320PVA656．0450PVA766．4960PVA869．1870(三)取向度取向度是表示纤维中大分子平行于