CN103031611B - 一种聚乙烯醇纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种聚乙烯醇纤维，它是通过原液制备、湿法纺丝和热处理步骤制得的，其特征在于：所述湿法纺丝步骤中喷丝板的喷丝头规格为≤5000孔（优选为3000～5000孔）、孔径0.125～0.2mm、吐出量为1000～1300ml/min；所述聚乙烯醇纤维的线密度为6.0～10.0dtex。本发明PVA纤维，其线密度为6.0～10.0dtex，强度为11.0～14.0cN/dtex，模量为270～320cN/dtex，伸度为7.0～9.0%；其非常适合在桥梁、隧道建筑领域中的应用。本发明PVA纤维的制备方法工艺简单、反应条件温和，适合工业化规模生产，且制得的PVA纤维均一性好、稳定性好。

Description

一种聚乙烯醇纤维及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种聚乙烯醇(以下简称PVA)纤维及其制备方法和应用，尤其涉及一种粗旦高强度高模量PVA纤维及其制备方法和应用。

背景技术

PVA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代替材料，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。

PVA是结晶性聚合物，分子中含有大量羟基，能形成大量的分子内和分子间氢键，使其熔点高达220～240℃，但其分解温度却很低，160℃即开始脱水醚化，200℃开始分解，难以熔融加工。因此，常规聚乙烯醇纤维一般采用湿法生产。但湿法纺丝的双向传质过程使PVA纤维结构不均匀，截面呈腰子形，有明显的皮芯结构，无法承受高倍拉伸，只能获得强度在5cN/dtex左右的纤维，且有脱除溶剂、污染、工艺复杂等问题，限制了PVA纤维的应用。

为提高PVA纤维的强度和模量，国内外均投入大量人力物力竞相研究，开发了聚乙烯醇含硼交联湿法纺丝(JPH10-046428(1998)、JPS37-14422(1962)、丁伟峰用硼酸及其盐类制造高强高模PVA纤维《维纶通讯》1993年第3期)，干湿法纺丝(JPH07-207521(1995)、JPH03-023004(1991)、JPH02-300308(1990))，凝胶纺丝(CN87103211、CN1092120A、JPS61-289112(1986)A2)和PVAc直接醇解纺丝(叶光斗《合成纤维》1998年第3期)，熔融纺丝(CN100339519C)等新方法制备结构均匀的PVA初生纤维，并辅以区域拉伸、多级超高拉伸等，制备高品质PVA纤维。

目前规模化工业生产高强高模PVA纤维一般采用的是含硼交联湿法纺丝方法，所得的纤维强度为8～12cN/dtex，模量为230～300cN/dtex，伸度为4.0～9.0％，线密度为1.5～3.0dtex。其制备工艺为：

步骤一：原液的制备

将PVA、水和硼酸，加入到不锈钢溶解釜中，在搅拌下于温度96～106℃、压力在0.1MPa溶解3～4小时，配成纺丝溶液，再将溶液分别加压过滤(过滤压力小于0.5MPa)，静置脱泡，制成合格的纺丝溶液。

步骤二：湿法纺丝过程

利用动力将纺丝原液于93～98℃经过计量泵从喷丝板喷出(喷丝头规格：12000～15000孔、孔径0.10～0.125mm；吐出量为1400～1700ml/min)，纺丝细流直接进入碱性凝固浴中凝固，该凝固浴为45±4℃、19.0±3.0g/l的氢氧化钠水溶液，形成初生纤维，然后导丝盘给纤维一定拉伸后进行酸浴中和、湿热拉伸(拉伸倍数2.0-2.2倍)，而后水洗除去丝束中的多余的硼酸，再上油，进入热处理过程。

步骤三：热处理过程

对上油后的纤维进行干燥、预热、延伸、收缩、冷却处理，控制一定的干热拉伸倍数(2.4-2.6倍)；测定纤维的耐热水性RP值，调节、稳定烘仓的温度，控制好纤维的RP值≥95℃，卷绕成轴后，将合格的纤维送往切断工序，按要求切成不同长度的超短纤维，计量后打包。

上述得到的PVA纤维线密度为1.5～3.0dtex，该纤维具有强力高及良好的分散性能，无公害、无毒性，并具有防腐、防虫蛀、耐日照等特点，可广泛用于水泥制品及道路建设(特别是高等级公路建设)、水利工程代替钢筋作为拉筋带等方面。但在桥梁、隧道建设方面，由于桥梁、隧道有拱形结构、要求整体的PVA纤维材质具有较高的强度及模量等性能，而现有的PVA纤维材质还满足不了在这些方面的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粗旦、高强度、高模量的PVA纤维。

本发明的另一目的在于提供上述PVA纤维的制备方法。

本发明的又一目的在于提供上述PVA纤维在具有拱形结构建筑物的材料中的应用。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种PVA纤维，它是通过原液制备、湿法纺丝和热处理步骤制得的，其特征在于：所述湿法纺丝步骤中喷丝板的喷丝头规格为≤5000孔(优选为3000～5000孔))、孔径0.125～0.2mm、吐出量为1000～1300ml/min；所述PVA纤维的线密度为6.0～10.0dtex。

在PVA纤维制备的众多条件及步骤中，发明人在研发过程中发现，其湿法纺丝过程中喷丝板的喷丝头孔数、孔径以及喷丝吐出量很有讲究，其决定了是否能够有效提高聚乙烯醇纤维的线密度，达到一定的强度及模量。本领域技术人员可知，在强度及模量差不多的情况下，线密度越高、PVA单纤维越粗，从而整个PVA纤维材质强韧性更好，特别适合于桥梁、隧道建设方面的应用。上述方案中，聚乙烯醇纤维的线密度为6.0～10.0dtex、强度为11.0～12.0cN/dtex，模量为270～290cN/dtex，伸度为7.0～9.0％。

发明人在研发过程中进一步发现，湿法纺丝中的湿热拉伸倍数及热处理中的干热拉伸倍数也很有讲究，若按现有技术、本领域常采用的拉伸倍数进行控制、有出现整个PVA纤维丝束粗细等不均匀的问题。因此，为了提高本发明整个PVA纤维的均一性、使其质量更加稳定，上述湿法纺丝过程中湿热拉伸倍数控制在1.7～2.0倍、上述热处理过程中干热拉伸倍数控制在1.8～2.0倍。

理论上，拉伸倍数(湿热拉伸倍数×干热拉伸倍数)越高，得到的PVA纤维强度及模量越好，但发明人在实际研发过程中发现，拉伸倍数过高反而会有所降低PVA纤维强度及模量。为了进一步提高本发明PVA纤维的强度及模量，上述湿热拉伸倍数控制在1.8倍、干热拉伸倍数控制在1.9倍。

上述PVA纤维的制备方法，按如下步骤：

纺丝原液的制备：将聚合度1700～1900，醇解度大于99％的聚乙烯醇13～16份，水82.8～86.2份，硼酸0.8～1.2份，加入到不锈钢溶解釜中，在搅拌下于温度96～106℃、压力在0.1MPa溶解3～4小时，配成纺丝溶液，再将溶液分别加压过滤(过滤压力小于0.5MPa)，静置脱泡240～480分钟，制成合格的纺丝溶液；

湿法纺丝过程：利用动力将纺丝原液于93～98℃经过计量泵从喷丝板喷出，其中喷丝头规格：3000～5000孔、孔径0.125～0.2mm、吐出量为1000～1300ml/min(优选为4000孔、孔径0.15mm、吐出量为1200ml/min)，纺丝细流直接进入碱性凝固浴中凝固，该凝固浴为45±4℃、19.0±3.0g/l的氢氧化钠水溶液，形成初生纤维，然后导丝盘给纤维一定拉伸后进行酸浴中和、湿热拉伸(拉伸倍数1.7～2.0倍、进一步优选为1.8倍)，而后水洗除去丝束中的多余的硼酸，再上油，进入热处理过程；

热处理过程：对上油后的纤维在100-200℃下进行干燥、预热、延伸、收缩、冷却处理，150℃-250℃下控制干热拉伸倍数为1.8～2.0倍(进一步优选为1.9倍)；测定纤维的耐热水性RP值，调节、稳定烘仓的温度，控制好纤维的RP值≥93℃，卷绕成轴后，将合格的纤维送往切断工序，按要求切成不同长度的超短纤维，计量后打包。

上述PVA纤维在具有拱形结构建筑物的材料中的应用，优选在桥梁、隧道建筑材料中的应用。

本发明具有如下的有益效果：

本发明PVA纤维，其线密度为6.0～10.0dtex，强度为11.0～14.0cN/dtex，模量为270～320cN/dtex，伸度为7.0～9.0％；其非常适合在桥梁、隧道建筑领域中的应用。本发明PVA纤维的制备方法工艺简单、反应条件温和，适合工业化规模生产，且制得的PVA纤维均一性好、稳定性好。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，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上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

将聚合度1820，醇解度99.6mol％的聚乙烯醇1000kg，水5700kg，加入不锈钢溶解釜中，加入硼酸1.0～1.2kg，在搅拌下于温度98～100℃，压力0.1pa，溶解4小时后，经泵压过滤，常压脱泡480分钟，脱泡温度97℃，制得纺丝原液温度97℃；通过计量泵，经孔径为0.2mm，3000孔的喷丝板喷出，吐出量为1000～1100ml/min.直接进入45±2℃氢氧化钠水溶液的凝固浴中，喷丝头拉伸-35倍，然后导丝盘给纤维一定拉伸后进行酸浴中和、湿热拉伸2.0倍，而后水洗除去丝束中的多余的硼酸，再上油，使纤维含有0.10％的油脂附着率，消除纤维在使用过程中产生的静电；丝束在150℃下干燥；然后，经200℃热拉伸定型、干热拉伸1.8倍，制得线密度为7.0dtex的粗旦高强高模聚乙烯醇纤维半成品，纤维强度为12.0cN/dtex，伸度为8.0cN/dtex，模量为300cN/dtex，纤维表面光滑。粗旦高强高模聚乙烯醇纤维半成品经切断机，最终制得粗旦高强高模聚乙烯醇短纤维。

对比实施例1：将聚合度1800±20，醇解度99.6mol％的聚乙烯醇1000kg，水5700kg，加入不锈钢溶解釜中，在搅拌下于温度98～100℃，压力0.1pa，溶解4小时后，经泵压过滤，常压脱泡480分钟，脱泡温度97℃，制得纺丝原液温度97℃；后面工序和实施例1相同，最后导致纤维在氢氧化钠水溶液的凝固浴中发粘，无法拉伸，不能制得粗旦高强高模聚乙烯醇纤维。

对比实施例2：按实施例1制备纺丝溶液，通过计量泵，采用孔径为0.125mm、12000孔的喷丝板喷出，吐出量为1500～1600ml/min.再进入凝固浴中凝固，然后经2.0倍湿热拉伸、干燥、热定型等工序，制得的纤维线密度只有1.5～3.0dtex，不能达到要求。

对比实施例3：按实施例1制备纺丝溶液，通过计量泵，采用孔径为0.2mm、3000孔的喷丝板喷出，吐出量为1000～1100ml/min.再进入凝固浴中凝固，然后导丝盘给纤维一定拉伸后进行酸浴中和、湿热拉伸2.2倍，而后水洗除去丝束中的多余的硼酸，再上油，干燥、热定型(干热拉伸2.5倍)等工序，生产过程拉伸极不稳定，所制得的纤维线密度也只有3.0～4.0dtex，纤维强度为6.0～10.0cN/dtex，模量为200～260cN/dtex，不能达到要求。

实施例2～8：按以下工艺参数进行，其它均与实施例1相同。以下制得的PVA纤维，其线密度为6.0～10.0dtex，强度为11.0～14.0cN/dtex，模量为270～320cN/dtex，伸度为7.0～9.0％；且其质量稳定性好，通过目测其均一性很好，非常适合在桥梁、隧道建筑领域中的应用。

Claims (7)

1.一种聚乙烯醇纤维的制备方法，包括原液制备、湿法纺丝和热处理步骤，其特征在于：所述湿法纺丝步骤中喷丝板的喷丝头规格为≤5000孔、孔径0.125～0.2mm、吐出量为1000～1300ml/min；所述聚乙烯醇纤维的线密度为6.0～10.0dtex；具体步骤如下：

纺丝原液的制备：将聚合度1700～1900，醇解度大于99%的聚乙烯醇13～16份，水82.8～86.2份，硼酸0.8～1.2份，加入到不锈钢溶解釜中，在搅拌下于温度96～106℃、压力在0.1MPa溶解3～4小时，配成纺丝溶液，再将溶液分别加压过滤，过滤压力0.1～0.5MPa，静置脱泡240～480分钟，制成合格的纺丝溶液；

湿法纺丝过程：利用动力将纺丝原液于93～98℃经过计量泵从所述的喷丝板喷出，纺丝细流直接进入碱性凝固浴中凝固，该凝固浴为45±4℃、19.0±3.0g/l的氢氧化钠水溶液，形成初生纤维，然后导丝盘给纤维一定拉伸后进行酸浴中和和湿热拉伸，而后水洗除去丝束中的多余的硼酸，再上油，进入热处理过程；

热处理过程：对上油后的纤维在100-200℃下进行干燥、预热、延伸、收缩、冷却处理，150℃-250℃下进行干热拉伸；测定纤维的耐热水性RP值，调节、稳定烘仓的温度，卷绕成轴后，将合格的纤维送往切断工序，按要求切成不同长度的超短纤维，计量后打包。

2.如权利要求1所述的聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于：所述喷丝头规格为3000～5000孔。

3.如权利要求1或2所述的聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于：所述湿法纺丝过程中湿热拉伸倍数为1.7～2.0倍，所述热处理过程中干热拉伸倍数为1.8～2.0倍。

4.如权利要求3所述的聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于：所述湿热拉伸倍数控制在1.8倍、干热拉伸倍数控制在1.9倍。

5.如权利要求1所述聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于：所述喷丝头规格为4000孔、孔径0.15mm、吐出量为1200ml/min。

6.如权利要求1～5任一项所述制备方法制得的聚乙烯醇纤维在具有拱形结构建筑物的材料中的应用。

7.如权利要求6所述聚乙烯醇纤维在桥梁、隧道建筑材料中的应用。