水溶性维纶纤维的结构、性能及应用的研究

水溶性维纶纤维的结构、性能及应用的研究摘要水溶性纤维是一种能在水中溶解或遇水后可水解成水溶性分子或化合物的纤维,包括水溶性维纶(PVA)纤维、海藻纤维和羧甲基纤维素纤维等，其中水溶性PVA纤维是应用最广、生产量最大的一种水溶性纤维,具有低成本、可水解和无污染的特点。随着人们环保意识的不断增强,无毒无污染可水解的环保型水溶性纤维的应用逐渐增多,对这种纤维的开发利用也不断深入。水溶性维纶纤维的应用很广，如纺织加工中用水溶性维纶纤维与其他纤维伴纺，通过伴纺织物后处理中去除水溶性维纶纤维，以开发轻薄的纺织产品；利用水溶性维纶纤维的耐压耐热性可以生产纤维增强水泥复合材料产品[1]等．关于水溶性维纶纤维的研究，主要是涉及水溶性纤维的应用和纺织加工[2-5]．文献[6]报道了水溶性维纶纤维加工中所用原料的碱化度影响纤维的水溶解性．文献[7]报道水溶性纤维生产中的拉伸工艺影响纤维的水溶解性能．国外研究报道主要涉及水溶性高分子材料的流变性能、溶胀性和粘弹性[8]．本文介绍了水溶性维纶的结构及性能,并叙述了水溶性纤维所具有的环保性以及其在传统织物、非织造布和在医疗卫生材料等领域的应用前景。1水溶性PVA纤维的分子结构及化学结构表征1.1水溶性PVA纤维的分子结构水溶性PVA纤维是用电石乙炔或石油乙烯为基本原料制成的,它的分子式为(CH2CHOH)n,由于其分子结构中每个链上都有一个羟基,极易与水亲合,因此纤维极易溶解于水,其溶解温度取决于结晶度,结晶度低,溶解温度相对较低,一般为60～100℃。另外,水溶性PVA纤维还具有无毒、环保的特点,由于纤维极易溶解于水,水溶液可以被活化污泥处理而降解,因此属于环保型绿色纤维。1.2水溶性PVA纤维的化学结构表征红外光谱是研究波长为0.7-100um的红外光与物质的相互作用．它可以对物质的结构提出定性和定量的信息.红外光谱可以研究固态、液态或者气态的物质，所得的光谱以吸收光带的波长或者波数为横坐标，表示各种振动频率，以透射百分率或者吸收百分率为纵坐标表示吸收强度．图1，2分别为水溶性维纶与标准聚乙烯醇的红外光谱图．水溶性维纶纺丝采用湿法纺丝，在凝固浴中主要成分为Na2SO4，这样在水溶性纤维中就存在硫酸盐，因此水溶性维纶的红外光谱图与标准的聚乙烯醇存在着某些差别．从红外光谱图上看到在波数1236cm-1和621cm-1处存在明显不同．在1236cm-1处的谱带变化，可能是C—O键的伸缩振动．在621cm-1处的谱带，可能是水溶性维纶中存在的硫酸根成分所致．2水溶性PVA纤维的性能2.1热学性能对水溶性维纶及其在80℃的水中溶胀后试样测试其热学性能，DSC测试结果见图3-6.高分子材料由于吸水后,其热学性能发生变化[11-12].从玻璃化温度测试曲线(图4,6)可以得到，水溶性维纶的玻璃化温度为43.6℃，溶胀后的玻璃化温度变为-2.2℃．溶胀后的玻璃化温度迅速减小．这是因为试样中残余的水分子使高聚物分子链松弛，分子间的作用力减弱．从热分解曲线(图3,5)得到，水溶性维纶的热分解过程较复杂，出现几个吸热与放热峰，说明材料多次结晶、熔融，材料的晶相转变较复杂；而溶胀后材料的热分解在111.2℃处出现的峰值，可能材料中存在较多水分子，在升温时吸热所致．在温度高于111.2℃后，材料中的自由水减少，在分解过程中，仅在231.1℃处出现极小的吸热峰，表明溶胀后材料结构变得松弛，晶区内分子的作用力减弱．2.2力学拉伸性能在实验条件下,所得到的水溶性维纶单纤维的力学拉伸性能见表1.由表1结果得到，拉伸速度一定时，试样夹持长度小，单纤维的断裂强度略大、断裂伸长率大、断裂功小、断裂时间小；试样夹持长度一定时，拉伸速度大，断裂强度与断裂功变化不明显、断裂伸长率略大、断裂时间小．试样夹持长度与强力之间的理论关系为“弱环定理”[13]．纤维强力与相邻片段位置是相关的，弱环附近的片段也往往是弱环区．当弱点集中时，只有这段的强力较弱，其他各段的强力就高．当弱点是随机分布时，各片段的强力均由弱点决定，各片段的强力都降低．因此，试样夹持长度大，试样内的弱点几率增大，纤维的拉伸强度降低．纤维的弱环效应也影响其断裂伸长率．纤维拉伸时，弱环区段很快伸长并断裂，而其他部分相对而言，伸长较小．随着试样长度的增加，弱环出现的概率增多，因此，纤维的断裂伸长率降低.单纤维的拉伸曲线反映纤维强力与伸长量之间的关系．测试拉伸曲线上各点的强力与伸长量，计算单纤维相应各点的强度和伸长率，得到水溶性维纶单纤维强度与伸长率的关系曲线(见图7),通过曲线拟合得到各测试条件下单纤维强度与伸长率之间关系式.纺织纤维的力学性能兼具有弹性固体和粘弹性流体的变形特征，它是一种粘弹性体[14]．由图7中各断裂强度与伸长率关系方程可以看出，各测试条件下的方程不同，但是方程相同。2.3结论(1)DSC测试得到水溶性维纶纤维及其溶胀后的玻璃化温度分别为43.6℃和-2.2℃．水溶性维纶及其溶胀后热分解曲线变化明显不同，溶胀后的热分解曲线在1111.2℃处出现一个明显的吸热峰值,可能是溶胀后的维纶中存在较多水分子的缘故．(2)因为水溶性维纶纤维纺丝时，凝固浴中加入Na2SO4，其红外光谱图与标准聚乙烯醇红外光谱图在波数1236cm-1和621cm-1处存在明显差别．(3)拉伸速度一定时，试样拉伸长度小，单纤维的断裂强度略大、断裂伸长率大、断裂功小；试样拉伸长度一定时，拉伸速度大，断裂强度与断裂功变化不明显、断裂伸长率略大小．水溶性PVA纤维的应用及开发前景由于水溶性PVA纤维耐热水性差、收缩大不符合纺织纤维的要求,因此最初并不用作纺织原料。近几年来,随着技术的不断进步与人们环保意识的不断增强,水溶性PVA纤维可生物降解性能得到人们的重视,其独特的水溶性使其成为差别化纤维在混纺方面的应用逐渐兴起,水溶性PVA在纺织与建材领域的应用越来越多。建材领域水溶性PVA纤维可用于增强水泥。水溶性PVA纤维的应用主要有以下几个方面。3.1传统织物使用水溶性PVA纤维开发研制成了轻薄纯毛织物。1997年4月,日本可乐丽公司开发成功可乐丽K2Ⅱ纤维与低品质支数的羊毛混纺制成高支轻薄纯毛面料技术。利用水溶性PVA纤维的水溶性能,纺纱时,在低品质支数的羊毛纤维中混合一定比例的水溶性PVA纤维制成中等细度毛纱,经织造成布,在后整理过程中溶去PVA纤维,从而得到轻薄的纯毛面料。由于在纺纱过程中使用较低品质的羊毛,降低了成本,提高了面料的价值,因此这种技术在各国毛纺织厂均有使用。由水溶性PVA纤维与羊毛混纺纱溶解前后的横截面图可见,经过水溶解处理的纱线结构较松散,截面内纤维根数变少。同理,可以用水溶性纤维开发中高支棉麻纱。由于麻纤维的结晶度与定向度高,平直无卷取,支数低,长度均匀度差,硬挺,纤维间抱合力差,因此麻纤维的可纺性能较低。而在棉麻混纺纱中加入一定比例的水溶性V纤维,再在后加工过程中将V纤维溶解去除,可以得到较高品质的棉麻纱。一般水溶性V纤维的加入量可以控制在PAPAPA10%～20%左右,并且要确保PVA纤维与棉麻纤维混合的均匀度。针织上使用水溶纤维长丝作为分割纱可以实现无刃裁剪。如在织袜过程中,在两只袜子的接头处使用水溶性纤维,既可以保证织造的连续性,又可以在织后经热水处理很容易地将连在一起的袜子分开。3.2非织造布早期的水溶性PVA纤维非织造布主要用作绣花底布,它可以与面料复合作为增强底布,也可以作为骨架使用,直接在上面进行电脑绣花,绣成后经热水处理将PVA非织造布去除,绣品自然,仿真效果好。正是水溶性非织造布的应用,使得传统的花边制造业有了突破性的发展。图1为在水溶性非织造布上直接绣花所得的花边。利用水溶性纤维纺纱织布或加工成的非织造布在医疗上广泛使用。用水溶性纤维制成的卫生材料因具有易水解无污染的特点而被广泛使用,常用于制作水溶性的手术衣、帽、围布、粘纱布、外科敷贴材料等。这些材料使用后在水中处理其水溶液可生物降解,克服了一些医疗卫生材料用后需焚烧或造成二次污染的弊病。3.3开发前景由于水溶性纤维均具有良好的水溶性能,其水溶液可以生物降解,对人和环境无污染,因此这种纤维在未来的应用前景将非常广。参考文献：[1]KANDAT，LIVC．InterfacepropertyandapparentstrengthofahighstrengthhydrophilicfiberincementmatrixEJ]．ASCEJMaterialsCivilEngineering，1998(1)：5-11．[2]胡绍华，章悦庭，闵延兵．新型聚乙烯醇水溶性纤维在毛纺中的应用[J]．毛纺科技，1999(4)：20—22．[3]王忠芬．维纶伴纺全毛高支轻薄产品[J]．毛纺科技，1996(6):54-55．[4]赵鹏峰，王越平，王柏华．维纶伴纺精纺毛织物的产品设计与开发[J]．毛纺科技，2002(1)；24—26．[5]陈金山．水溶性PVA纤维在毛纺工业中的应用[J]．毛纺科技，1999(5)：57—58．[6]徐锦祥，李瑞生．水可溶性聚乙烯醇纤维物性的研究[J]．纺织中心期刊1999（1）：67—71．[7]陈国平．维纶低温水溶性纤维的研制开发[J]．维纶通讯，1998（2）：14-15[8]ZHANGZhihao，ZHANGGuo，ZHANGYue．Mechanicalproperties，waterswellingbehavior，andmorphologyofswellablerubbercompatibilizedbyPVA—g-PBA[J]．PolymerEngineeringandScience，2004，44(1)：72—76．[9]SONGSI，KIMBC．CharacteristicrheologicalfeaturesofPVAsolutionsinwater—containingsolventswithdifferenthydrationstates[J]．Polymer，2004，45(7)：2381—2390．[10]GOTOHYasuo，NAGARAYoshitaka，NAKANOTamaki．Viscoelasticbehaviorsandmolecularmotionsofhighlysyndiotacticpoly(vinylalcoho1)fibers[J]．JournalofPolymersci