CN102031572A

CN102031572A - 一种水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺及其应用

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Publication number: CN102031572A
Application number: CN2009101910624A
Authority: CN
Inventors: 赵寰; 叶光斗; 何云; 李守群; 王华全; 王建; 巩清建
Original assignee: Sichuan University; China Petrochemical Corp; Sinopec Sichuan Vinylon Works
Current assignee: Sichuan University; China Petrochemical Corp; Sinopec Sichuan Vinylon Works
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: CN102031572B

Abstract

一种水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺及其产品应用，其特点是纺丝原液的制备中，以二甲基亚砜和水作为混合溶剂溶解聚乙烯醇，其重量百分比浓度控制在15～25％；纺丝采用多孔湿法冻胶纺丝，其孔数至少5000；获得纤维的水溶温度20～80℃。本发明能使聚乙烯醇溶解时间缩短，溶解完全，所得的溶液可纺性好，能生产出高质量水溶纤维，且能实现工业化对产量的要求。该发明获得的水溶纤维用于生产长丝束或加工成毛条，或与羊毛条、棉条、麻和其他化学纤维混纺，制成高支纱或空心纱，或短纤维用于无纺布、绣花基布和造纸。

Description

一种水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺及其应用

技术领域

本发明涉及一种水溶性聚乙烯醇纤维，特别是涉及一种低温水溶性聚乙烯醇的制备方法及其应用。

背景技术

聚乙烯醇是一种性能优良、用途广泛的聚合物，由其制备的高性能纤维具有优异的耐腐蚀性、耐气候性和与基材界面良好的粘结性能，是合成纤维中最有发展前途的石棉材料，在建筑行业有着广泛用途，同时还可做轮胎帘子线、产业用布、高性能绳索及塑料、橡胶增强材料等，具有极大的市场潜力。

聚乙烯醇含有大量羟基，具有良好的水溶性，特别是当醋酸基含量较高，大分子规整性差，结晶的可能性小，水溶性好的特性，因此通过不同聚合度，不同醇解度的聚乙烯醇共混后纺织不同水溶温度的纤维是可行的。制造聚乙烯醇水溶纤维的方法主要有水系湿法纺丝、干法纺丝、湿法冻胶纺丝和干湿法冻胶纺丝。目前水溶纤维的生产主要采用水系湿法纺丝，由该法制得的纤维水溶温度通常在70～90℃，纤维断面为腰子形，很难得到不带盐的低温水溶纤维，在生产过程中除盐后，纤维干燥时容易发生粘连，难于制取高质量的低温水溶纤维，对应用带来不利影响。聚乙烯醇的湿法冻胶纺丝和干湿法冻胶纺丝可制取低温水溶纤维，但未见工业化生产的报道。

日本特许公开229805/1989介绍的高强水溶聚乙烯醇纤维，是将部分皂化的聚乙烯醇溶解在二甲基亚砜中，干喷湿纺到甲醇凝固浴中，以高牵伸比对固化纤维进行牵伸后，得到水溶性聚乙烯醇纤维。该纤维因其在高湿度下存放时有较大收缩，纤维尺寸稳定性差，不能提供来年更好的尺寸稳定性而限制了其应用范围。

中国专利94108628.3报道的有机溶剂溶解的聚乙烯醇溶液经干喷湿纺或湿法纺丝、萃取拉伸、多级升温处理和收缩，其纤维的水溶温度不大于100℃，水中收缩率不大于20％，低温水溶纤维采用低醇解度聚乙烯醇、高温水溶纤维采用高醇解度聚乙烯醇做原料，分别纺制不同水溶温度的水溶纤维。由于采用的全是有机溶剂，溶解时间长，而且靠高拉伸、高收缩来实现水溶时低收缩，水溶温度越低，强度越低，应用受到限制。

中国专利02133903.1公布了一种水溶性聚乙烯醇纤维及其制备方法，其特点是将不同聚合度和不同醇解度的聚乙烯醇，以及二甲基亚砜/水的混合溶剂加入不锈钢溶解釜中制成高浓度的纺丝溶液，采用干湿法纺丝工艺及相应的后处理，获得水溶温度在10～90℃的水溶性聚乙烯醇纤维。由于存在原液制备困难、喷丝板孔数少等因素，实现工业化生产比较困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺。以使聚乙烯醇溶解时间缩短，溶解完全，所得溶液可纺性好，通过冻胶湿法纺丝生产高质量水溶纤维。使用的喷丝板孔数较多，能够实现工业化对产量的要求。

本发明的另一目的在于提供一种依照上述方法制得的水溶性聚乙烯醇纤维的新用途。

本发明目的是这样实现的：一种水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，包括纺丝原液的制备、湿法冻胶纺丝、纺丝后处理，其特征在于：所述纺丝原液的制备中，以二甲基亚砜和水作为混合溶剂溶解聚乙烯醇，其重量百分比浓度控制在15～25％；所述湿法冻胶纺丝采用多孔湿法冻胶纺丝，其孔数至少5000；获得纤维的水溶温度20～80℃。

上述纺丝原液的制备中，起始原料的配方组分为：以重量份计，

聚乙烯醇聚合度500～2000

醇解度80～99mol％ 100份

混合溶剂二甲基亚砜∶水＝95～70∶5～30 400～600份

温度为80～120℃，压力为-0.01～-0.08MPa。

上述多孔湿法冻胶纺丝是利用多孔数喷丝头，孔径0.06～0.15mm，孔数至少5000，将纺丝原液于温度80～120℃下，经计量泵计量后进入烛芯滤器过滤，然后进入保温的纺丝组件，纺丝组件浸入-15～5℃的甲醇凝固浴中，经喷丝板喷出，在低温下纺丝原液被急冷形成初生纤维。甲醇凝固浴中二甲基亚砜和水的含量不高于30％。

上述纺丝后处理包括湿热拉伸、萃取、上油、干燥及热拉伸定型；其中，湿热拉伸：湿热浴溶剂为甲醇，温度20～50℃，拉伸倍数2～8倍，湿热处理时间0.5～2min；萃取采用逆流萃取法，萃取剂为甲醇，温度20～50℃，时间2～5min，同时拉伸1～3倍，纤维中二甲基亚砜含量不高于0.1％；上油采用醇溶性油剂；干燥是将纤维中含有的50～100％的萃取剂甲醇通过焙烘除去，纤维在紧张状态下焙烘，采用热N₂加热，温度60～120℃，甲醇蒸汽用冷凝器回收；热拉伸定型温度120～240℃，热拉伸2～5倍，热定型时间1～8min，热收缩率5～30％。

具体地说，本发明所述水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺中，所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数，其工艺步骤如下：

(1)纺丝原液的制备

将聚合度500～2000，醇解度80～99mol％的聚乙烯醇100份，二甲基亚砜∶水＝95～70∶5～30 400～600份，在温度80～120℃、压力-0.01～-0.08MPa条件下溶解2～4小时，配制成纺丝溶液，再将该溶液加压过滤、脱泡，制成纺丝原液；

(2)多孔湿法冻胶纺丝

利用多孔数喷丝头，孔径0.06～0.15mm，孔数5000～25000，将纺丝原液于温度80～120℃下，经计量泵计量后进入烛芯滤器过滤，然后进入保温的纺丝组件，纺丝组件浸入-15～5℃的甲醇凝固浴中，经喷丝板喷出，在-15～5℃的低温下纺丝原液被急冷形成冻胶态初生纤维；凝固浴中二甲基亚砜和水的含量不高于30％。在低温下纺丝原液被急冷形成冻胶态初生纤维，这样的初生纤维具有较大的形变能力，可通过高倍湿热拉伸得到直径较小的纤维，有利于萃取等后处理；

(3)纺丝后处理

1)湿热拉伸：湿热浴溶剂为甲醇，温度20～50℃，拉伸倍数2～8倍，湿热处理时间0.5～2min；

2)萃取：采用逆流萃取法，萃取剂为甲醇，温度20～50℃，时间2～5min，同时拉伸1～3倍，纤维中二甲基亚砜含量不高于0.1％；

3)上油：采用醇溶性油剂消除静电，增加纤维抱合力，避免纤维在干燥和热定型时发生粘连，利于纺织加工；

4)干燥：将纤维中含有的50～100％的萃取剂甲醇通过焙烘除去，纤维在紧张状态下焙烘，采用热N₂加热，温度60～120℃，甲醇蒸汽用冷凝器回收；

(4)拉伸热定型

热定型温度120～240℃，热拉伸2～5倍，热定型时间1～8min，热收缩率5～30％，获得的聚乙烯醇纤维的水溶温度20～80℃。

采用上述方法制得的聚乙烯醇纤维断面为圆形，可经受高倍拉伸，纤维强度≥3.5cN/dtex，断裂伸长10～30％，水溶温度20～80℃，收缩率较小，灰分含量＜1％。该水溶纤维可以生产长丝束或加工成毛条，与羊毛条、棉条、麻和其他化学纤维混纺，制成高支纱或空心纱，短纤维做无纺布、绣花基布和造纸方面的多种用途。

本发明采用一种二甲基亚砜/水混合溶剂将不同聚合度、不同醇解度的聚乙烯醇溶解，配制成具有较高粘度的纺丝原液，通过多孔湿法冻胶纺丝、湿热拉伸、萃取、上油、干燥、拉伸热定型，制得水溶性聚乙烯醇纤维。

本发明具有如下有益效果：

1、以二甲基亚砜和水作为混合溶剂溶解聚乙烯醇，其重量百分比浓度控制在15～25％，有利于多孔湿法冻胶纺丝的纺丝成型与后拉伸处理。

2、采用多孔数喷丝头，孔数多达25000，与常规纺丝方法中喷丝板的孔数相当，它克服了现有湿法冻胶纺丝只能采用几百孔的喷丝板的不足而能够实现工业化生产。

3、采用较高温度的甲醇液做湿热浴和萃取浴，能够充分除去纤维中的有机溶剂，成品纤维中有机溶剂含量不大于0.1％。

4、采用不同聚合度、不同醇解度的聚乙烯醇做原料，充分利用聚乙烯醇结构、性能特点，制备性能优异、满足多种要求的、具有较大水溶温度范围的水溶纤维。

具体实施方法

下面通过具体实施例对本发明进行描述，有必要在此指出的是，所述实施例只用于对本工艺进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据本发明的技术方案作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

将聚合度1750±50，醇解度97mol％的聚乙烯醇48.3kg和聚合度1750±50，醇解度92mol％的聚乙烯醇20.7kg共混，加入到含二甲基亚砜∶水＝90∶8 231kg的不锈钢溶解釜中，在搅拌下于温度100±3℃，压力-0.05Mpa，溶解3小时后，经泵压过滤，常压脱泡8小时，脱泡温度97℃，制得纺丝原液温度97℃；通过计量泵计量后进入烛芯滤器过滤，然后进入保温的纺丝组件，纺丝组件浸入-10℃的甲醇凝固浴中，再经孔径0.10mm、15000孔的喷丝板喷出，形成冻胶态的初生纤维，然后进入35℃的甲醇浴，拉伸6倍，再使湿拉伸纤维于甲醇浴中牵伸萃取除去二甲基亚砜；然后采用醇溶性维纶油剂上油；在100℃N₂干燥机中干燥；然后，经120℃、180℃、220℃热拉伸定型，制得水溶温度70℃、线密度20000dtex的聚乙烯醇长丝束，二甲基亚砜含量≤0.1％、断裂强度5.5cN/dtex、断裂伸长13～18％，纤维表面光滑，断面为圆形。

对比例1

采用与实施例1相同的聚乙烯醇为原料，以纯二甲基亚砜为溶剂，在相同工艺条件下，溶解6小时后凝胶粒子才消失。

实施例2

将聚合度1000±50，醇解度99mol％的聚乙烯醇48.8kg和聚合度1750±50，醇解度92mol％的聚乙烯醇26.2kg共混，加入到含二甲基亚砜∶水＝90∶8 237kg的不锈钢溶解釜中，在搅拌下于温度100±3℃，压力-0.02Mpa，溶解3.5小时后，经泵压过滤，常压脱泡8小时，脱泡温度97℃，制得凝胶粒子很少的纺丝原液；通过计量泵计量后进入烛芯滤器过滤，然后进入保温的纺丝组件，纺丝组件浸入-12℃的甲醇凝固浴中，经孔径0.12mm、10000孔的喷丝板喷出，形成冻胶态的初生纤维；然后进入30℃的甲醇浴，拉伸4.8倍，在与丝束逆向流动的50℃甲醇浴中牵伸萃取5分钟，除去二甲基亚砜；采用醇溶性维纶油剂上油；在100℃N₂干燥机中干燥除去甲醇；然后，经120℃、180℃、220℃热拉伸定型，制得的纤维水溶温度55℃、单纤维线密度2.5dtex，断裂强度4.5cN/dtex、断裂伸长15～22％，二甲基亚砜含量≤0.1％、纤维表面光滑，断面为圆形。

对比例2

按实施例2制备纺丝溶液、纺丝工艺，萃取时采用与丝束逆向流动的20℃甲醇浴中牵伸萃取5分钟，纤维中二甲基亚砜含量为0.6％，而采用萃取50℃甲醇浴进行萃取，萃取后纤维中二甲基亚砜含量≤0.1％。

实施例3

1750±50，醇解度97mol％的聚乙烯醇41.5kg和聚合度1750±50，醇解度92mol％的聚乙烯醇35.5kg共混，加入到含二甲基亚砜∶水＝92∶6 223kg的不锈钢溶解釜中，在搅拌下于温度100±3℃，压力-0.01Mpa，溶解3.5小时后，经泵压过滤，常压脱泡8小时，脱泡温度97℃，制得纺丝原液温度97℃；通过计量泵计量后进入烛芯滤器过滤，然后进入保温的纺丝组件，纺丝组件浸入-15℃的甲醇凝固浴中，经孔径0.08mm、20000孔的喷丝板喷出，形成冻胶态的初生纤维，然后进入30℃的甲醇浴，拉伸4.5倍，再使湿拉伸纤维于甲醇浴中牵伸萃取除去二甲基亚砜；采用醇溶性维纶油剂上油；在120℃N₂干燥机中干燥；然后，经120℃、180℃、220℃热拉伸定型，制得水溶温度26℃、单纤线密度1.38dtex、断裂强度3.5cN/dtex、断裂伸长18～25％的聚乙烯醇纤维，纤维表面光滑，断面为圆形。

Claims

1.一种水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，包括纺丝原液的制备、湿法冻胶纺丝、纺丝后处理、拉伸热定型，其特征在于：所述纺丝原液的制备中，以二甲基亚砜和水作为混合溶剂溶解聚乙烯醇，其重量百分比浓度控制在15～25％；所述冻胶湿法纺丝采用多孔湿法冻胶纺丝，其孔数至少5000；获得纤维的水溶温度20～80℃。

2.如权利要求1所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述纺丝原液的制备步骤为：将不同聚合度或/和不同醇解度聚乙烯醇经计量后，加入由二甲基亚砜和水组成的混合溶剂溶解，经过滤、脱泡，制成纺丝原液。

3.如权利要求2所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述聚乙烯醇的聚合度为500～2000，醇解度为80～99mol％；所述混合溶剂是以二甲基亚砜做主溶剂，以水做辅溶剂，其中二甲基亚砜∶水＝95～70∶5～30；聚乙烯醇与混合溶剂的配比为聚乙烯醇∶混合溶剂＝1∶4～6；所述溶解在85～115℃温度范围内，压力为-0.01～-0.08MPa下进行，溶解2～4小时。

4.如权利要求1所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述多孔湿法冻胶纺丝工艺为：纺丝原液经计量泵计量后进入烛芯滤器过滤，然后进入保温的纺丝组件，纺丝组件浸入甲醇凝固浴中，经喷丝板喷出，在低温下纺丝原液被急冷形成初生纤维。

5.如权利要求4所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述喷丝板为5000～25000孔、孔径0.06～0.15mm的喷丝板；所述甲醇凝固浴温度为-15～5℃。

6.如权利要求1所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述纺丝后处理工艺为：初生纤维经湿热拉伸、萃取、上油、干燥，除去纤维中的有机溶剂及凝固剂，使纤维中有机溶剂含量≤0.1％。

7.如权利要求6所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述湿热拉伸工艺中湿热浴溶剂为甲醇，温度为20～50℃，拉伸2～8倍，湿热处理0.5～2min；所述萃取采用逆流萃取法，萃取剂为甲醇，温度20～50℃，时间2～5min，同时拉伸1～3倍，纤维中二甲基亚砜含量不高于0.1％；所述上油采用醇溶性油剂；所述干燥是将纤维中含有的萃取剂通过焙烘除去，纤维在紧张状态下焙烘，采用热N₂加热，温度60～120℃，甲醇蒸汽用冷凝器回收。

8.如权利要求1所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述拉伸热定型工艺为：干燥后的纤维实施干热拉伸，然后进行热定型处理，获得纤维的水溶温度20～80℃。

9.如权利要求8所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述干热拉伸为干热拉伸1～5倍，热定型温度为120～240℃，热定型时间为1～8分钟，热收缩率为5～30％。

10.如权利要求1所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺，其特征在于：所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数，其工艺步骤如下：

(1)纺丝原液的制备

将聚合度500～2000，醇解度80～99mol％的聚乙烯醇100份，二甲基亚砜/水＝95～70∶5～30 400～600份，在温度80～120℃、压力-0.01～-0.08MPa条件下溶解2～4小时，配制成纺丝溶液，再将该溶液加压过滤、脱泡，制成纺丝原液；

(2)多孔湿法冻胶纺丝

利用多孔数喷丝头，孔径0.06～0.15mm，孔数5000～25000，将纺丝原液于温度80～120℃下，经计量泵计量后进入烛芯滤器过滤，然后进入保温的纺丝组件，纺丝组件浸入-15～5℃的甲醇凝固浴中，经喷丝板喷出，在-15～5℃的低温下纺丝原液被急冷形成冻胶态初生纤维；凝固浴中二甲基亚砜和水的含量不高于30％；

(3)纺丝后处理

3)上油：采用醇溶性油剂处理；

(4)拉伸热定型

热定型温度120～240℃，热拉伸2～5倍，热定型时间1～8min，热收缩率5～30％，获得的聚乙烯醇纤维的水溶温度20～80℃；

制得的聚乙烯醇纤维断面为圆形，纤维强度≥3.5cN/dtex，断裂伸长10～30％，水溶温度20～80℃，灰分含量＜1％。

11.如权利要求1-10任一所述的水溶性聚乙烯醇纤维的制备工艺制得的水溶性聚乙烯醇纤维的用途，其特征在于：该水溶纤维用于生产长丝束或加工成毛条，或与羊毛条、棉条、麻和其他化学纤维混纺，制成高支纱或空心纱；或短纤维用于无纺布、绣花基布和造纸。