聚乙烯醇凝胶纺丝及其水溶纤维的结构性能与应用.doc

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℃～90C PVA水溶纤维，还可用于生产高强、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ou m 姆20 舌} O 。 0 5 10 15 20 B 16 24 32 40 拉伸倍数 2theta 图1 PVA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