聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol Fiber)是以聚乙烯醇(PVA)为原料纺丝制得的合成纤维。这种纤维经甲醛处理得到聚乙烯醇缩甲醛纤维,中国称维纶,国际上称维尼纶。较低分子量聚乙烯醇为原料经纺丝制得的纤维是水溶性的,称为水溶性聚乙烯醇纤维。一般的聚乙烯醇纤维不具备必要的耐热水性,实际应用价值不大。聚乙烯醇缩甲醛纤维具有柔软、保暖等特性,尤其是吸湿率(可达5%)在合成纤维诸品种中是比较高的,故有“合成棉花”之称,但其耐热性差,软化点只有120℃。
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性能
聚乙烯醇纤维外观形状接近棉,但强度和耐磨性都优于棉。在纺织原料中可用它代替棉花。它的吸湿性能好,居合成纤维之冠,在标准条件下,其公定回潮率为5%,因此,穿着由聚乙烯醇纤维制作的服装透气、吸汗,不感到闷热。聚乙烯醇纤维的密度为1.26~1.30g/cm3,比棉花及粘胶纤维要小,因此与棉花相同重量的维纶能织出更多的衣料。
(1)耐热水性能
聚乙烯醇纤维在加工和使用过程中的耐热水性能与缩醛度有关,缩醛度低的维纶,耐热水性很差,在热水中收缩大,并会溶解于热水。随着缩醛度的提高,耐热水性能明显提高。当缩醛度达到30%时,维纶的耐热水性明显提高。
(2)机械性能
聚乙烯醇纤维与其他化学纤维一样,其机械性能取决于聚乙烯醇的聚合度和纺丝加工的条件,可以在比较大的幅度内改变。聚乙烯醇纤维的强度、弹性和耐磨性比棉要高,但低于其他常见合成纤维(如涤纶、腈纶等)。在合成纤维中,聚乙烯醇纤维的弹性是最差的,故其织物易出现折皱。聚乙烯醇纤维强度一般为35.2~57.2cN/tex,高强度短纤维可达59.8~74.8cN/tex。断裂伸长率为12%~25%,干湿态强度比为72%~85%。
(3)化学性能
聚乙烯醇纤维的化学稳定性好、耐腐蚀和耐光性好、耐碱性能强,在一般有机酸、醇、酯及石油等溶剂中均不溶解。聚乙烯醇纤维不虫蛀,长期放在海水或土壤中均无影响。在长时间的日光暴晒下强度稍有降低。
聚乙烯醇纤维在靠近火焰时收缩软化,接触火焰燃烧,离开火焰后继续燃烧,有黑烟冒出。燃烧时有特殊的甜味,灰烬为硬而脆的黑褐色。
总之,聚乙烯醇纤维的特点是强度较高、吸湿性好(合成纤维中吸湿性最好)、耐腐蚀、耐日晒,外观和性能与棉花相似,短纤维主要和棉混纺,织物的坚牢度和耐磨性好,耐穿耐用。它的主要缺点是染色性差(染着量不高、色泽不鲜艳),这是因为纤维具有皮芯结构和经过缩醛化后部分羟基被封闭的缘故。此外聚乙烯醇纤维缩水率较大,一般经向缩水率为7%~8%,纬向缩水率为2%~3%,织物易变形,耐皱性较差,不耐脏,易起毛。
生产
(1)聚乙烯醇的制备
游离态的单体乙烯醇是不可能存在的。目前生产成纤用聚乙烯醇都是将聚醋酸乙烯在甲醇或氢氧化钠作用下进行醇解反应而得。
当反应体系含水较多时,副反应明显加速,反应中消耗的催化剂量也随之增加。在工业生产中,根据醇解反应体系中所含水分或碱催化剂用量的多少,分为高碱醇解法和低碱醇解法两种不同的生产工艺。
①高碱醇解法。
高碱醇解法的反应体系中含水量约6%,每摩尔聚醋酸乙烯链节需加碱0.1~0.2mol。氢氧化钠是以水溶液的形式加入的,所以此法也称湿法醇解。该法的特点是醇解反应速度快,设备生产能力大,但副反应较多,碱催化剂消耗量也较多,醇解残液的回收比较复杂。
用于醇解的聚醋酸乙烯甲醇溶液经预热至45~48 ℃后,与350g/L的氢氧化钠水溶液由泵送入混合机,经充分混合后,送入醇解机中。醇解后,生成块状的聚乙烯醇,再经粉碎和挤压,使聚乙烯醇与醇解残液分离。所得固体物料经进一步粉碎、干燥得到所需聚乙烯醇。压榨所得残液和从干燥机导出的蒸汽合并后,送往回收工段回收甲醇和醋酸。
②低碱醇解法。
低碱醇解法中每摩尔聚醋酸乙烯链节仅加碱0.01~0.02mol。醇解过程中,碱以甲醇溶液的形式加入。反应体系中水含量控制在0.3%以下,因此也将此法称为干法醇解。该方法的最大特点是副反应少。醇解残液的回收比较简单,但反应速度较慢,物料在醇解机中的停留时间较长。低碱醇解法的工艺与高碱醇解法相似。将预热40~45 ℃的聚醋酸乙烯甲醇溶液和氢氧化钠的甲醇溶液分别由泵送至混合机。混合后的物料被送至皮带醇解机的传送带上,于静置状态下,经过一定时间使醇解反应完成,随后块状聚乙烯醇从皮带机的尾部下落,经粉碎后投入洗涤釜用脱除醋酸钠的甲醇液洗涤,然后投入中间槽,再送入分离机进行固-液相连续分离。所得固体经干燥后即为所需聚乙烯醇,残液送去回收。
(2)聚乙烯醇纺丝原液的制备
目前大规模生产中都以水为溶剂配制聚乙烯醇聚乙烯醇纺丝原液,其工艺流程如下:聚乙烯醇→水洗→脱水→精聚乙烯醇→溶解→混合→过滤→脱泡→纺丝原液。
①水洗和脱水。
水洗的目的是降低聚乙烯醇物料中醋酸钠含量,使之不超过0.2%,否则将使纤维在热处理时发生碱性着色。通过水洗,还可以除去物料中一部分相对分子量过低的聚乙烯醇,改善相对分子量的多分散性。另外,水洗过程中,聚乙烯醇发生适度膨润,有利于溶解。
聚乙烯醇水洗后需经挤压脱水,以保证水洗后聚乙烯醇的醋酸钠含量和稳定的含水率。前者为了避免纤维热定型时的碱性着色,后者则为了避免溶解时的浓度控制发生困难。通常精聚乙烯醇的含水率控制在60%~65%,相应压榨率约为70%。当水洗后的聚乙烯醇的膨润度过大,或水洗温度过高时都将使水洗后聚乙烯醇的脱水过程发生困难。
②溶解。
水洗后的聚乙烯醇经中间储存和称量分配后被送入溶解机,用热水溶解。湿法纺丝用的聚乙烯醇水溶液浓度为14%~18%;干法纺丝用的原液浓度则为30%~40%。有时在聚乙烯醇溶解的同时还要添加适量的添加剂,以满足生产不同种类聚乙烯醇纤维的需要。
③混合、过滤和脱泡。
溶解后的聚乙烯醇纺丝原液还不能马上用于纺丝成型,必须在恒定温度(96~98℃)下进行混合、过滤和脱泡。混合一般在一个大容量的设备中进行;过滤多采用板框式压滤机;脱泡目前仍以静止式间歇脱泡为主,如采用高效连续脱泡,则必须在饱和蒸汽的保护下进行,以防表层液面蒸发过快而结皮。
(3)聚乙烯醇的纺丝
聚乙烯醇纤维既可采用湿法纺丝,也可采用干法纺丝。一般湿法纺丝用于生产短纤维,干法纺丝用于制造某些专用的长丝。
①湿法纺丝。
与其他湿法成型的化学纤维相似,聚乙烯醇纺丝原液被送至纺丝机,由供液管道分配给各纺丝位,经计量泵、烛形过滤器送至喷丝头,自喷丝孔挤出后成为纺丝细流,在凝固浴中凝固成为初生纤维,经进一步后处理而得成品纤维。
②干法纺丝。
聚乙烯醇干法纺丝主要用于生产长丝。其纤维具有线密度低、截面结构均匀、强度高、伸度低、模量高、染色性能好以及外观和手感近似蚕丝等特点。
应用
聚乙烯醇纤维主要用于与棉混纺,织成各种棉纺织物。另外,也可与其他纤维混纺或纯纺,织造各类机织或针织物。聚乙烯醇长丝的性能和外观与天然蚕丝非常相似,可以织造绸缎衣料。但是,因其弹性差,不易染色,故不能做高级衣料。随着聚乙烯醇纤维生产技术的发展,它在工业、农业、渔业、运输和医用等方面的应用不断增多,其主要用途如下。
(1)纤维增强材料
聚乙烯醇纤维具有强度高、抗冲击性好、成型加工中分散性好等特点,可以作为塑料及水泥、陶瓷等的增强材料。高强度聚乙烯醇纤维在建材中的应用已日益广泛,已被用于建筑物中混凝土的加强,如水泥板、下水道、正面观台的地面、停车场等;也可作为水泥和玻璃纤维的理想替代物、室内装潢的纤维的补张等中。特别是作为致癌物质——石棉的代用品,制成的石棉板受到建筑业的极大重视。
(2)渔网
利用聚乙烯醇纤维断裂强度、耐冲击强度和耐海水腐蚀等都比较好的长处,用其制造各种类型的渔网、渔具、渔线。
(3)绳缆
聚乙烯醇纤维绳缆质轻、耐磨、不易扭结,具有良好的抗冲击强度、耐气候性并耐海水腐蚀,在水产车辆、船舶运输等方面有较多应用。
(4)帆布
聚乙烯醇纤维帆布强度好、质轻、耐摩擦和耐气候性好,它在运输、仓储、船舶、建筑、农林等方面有较多应用。
另外,聚乙烯醇纤维还可制作包装材料、非织造布滤材、土工布等。
发展史
1924年,德国的Hermann和Haehnel合成出聚乙烯醇,并用其水溶液经干法纺丝制成纤维。随后,德国的Wacker公司生产出用于手术缝合线的聚乙烯醇纤维。1939年以后,日本的樱田一郎、朝鲜的李升基等人,采用热处理和缩醛化的方法成功地制造出耐热水性优良、收缩率低、具有实用价值的聚乙烯醇纤维。1950年,日本仓敷人造丝公司(现为可乐丽公司)建成工业化生产装置,才使不溶于水的聚乙烯醇纤维实现工业化生产。