CN104294390A - 一种高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，所述方法如下，将0~40份碳水化合物，0~20份多元醇酯与30~60份水混合制备复合增塑剂，以雾状喷淋的方式将复合增塑剂加入到100份聚乙烯醇中混合溶胀，再经单螺杆挤出机熔融挤出，得到初生纤维，初生纤维经干燥、多级拉伸、热定型后即可得到高强高模聚乙烯醇纤维。本发明的优点如下，1）所制备的纤维拉伸强度≥1570MPa，弹性模量≥35.4GPa，断裂伸长率≤6.0%；2）复合增塑剂加强了水与大分子间的相互作用，提高了纺丝稳定性；3）增塑剂不易迁移析出，使纤维力学性能得到稳定；4）增塑剂以雾状喷淋的方式加入到聚乙烯醇中可以使二者均匀接触，确保溶胀程度均一，保证成品纤维的均匀性。

Description

一种高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚乙烯醇纤维的制备方法，特别是一种采用熔融纺丝制备高强高模聚乙烯醇纤维的方法。 

背景技术

聚乙烯醇纤维是以聚乙烯醇为原料纺丝制得的合成纤维。由于其具有良好的亲水性、粘结性、抗冲击性以及加工过程中易于分散等优点，所以作为增强材料广泛应用于水泥、石棉板材、陶瓷建材及聚合物基复合材料等方面；同时由于其良好的断裂强度、抗冲击强度、耐气候性、耐海水腐蚀性，适宜用作各种类型的渔网、渔具、渔线、绳缆等，在海洋捕鱼及运输工具等方面具有良好的应用市场。 

传统聚乙烯醇纤维一般采用湿法纺丝，其双向传质过程形成的初生纤维截面呈腰子形，有明显皮芯结构，最大拉伸倍数和强度均较低，且工序复杂，污染严重。熔融纺丝具有工艺过程简单、流程短、纺丝速度高的特点，且纤维成型时收缩小，截面均匀，可进行高倍拉伸制备高强高模纤维。但由于聚乙烯醇的多羟基强氢键特性使其熔点与分解温度接近，难以热塑加工，现有技术中多用含氮化合物或多元醇对聚乙烯醇进行增塑，实现熔融纺丝，如CN100339519、CN102797050A分别采用含氮化合物、酰胺类化合物作为增塑剂，CN102776598A以多元醇为增塑剂，含氮化合物和多元醇存在的共同缺点是易从纤维内部析出，使纤维变脆力学性能下降，同时含氮化合物多为有毒物质，如果用于水产养殖等对纤维添加物有安全要求的行业则需萃取增塑剂，从而使生产成本增加，限制了纤维的应用范围。 

溶胀程度是影响聚乙烯醇熔融纺丝的另一关键因素，与湿法纺丝相比水作为增塑剂而非溶剂，所以含量大幅减少，容易造成接触不均的现象，同时聚乙烯醇原料多为颗粒料，形状不规则，粒径不均匀，如果继续采用简单的混合溶胀方式很容易使溶胀程度不均一，与液体接触多或颗粒小的溶胀程度过大，颗粒表面表现出很强的粘性，使颗粒聚集成团难以进料，与液体接触少或颗粒大的溶胀不足，出现“夹生”现象，内部仍保持聚乙烯醇原有特性，使熔融纺丝无法正常进行。因此，为了实现聚乙烯醇熔融纺丝，得到高强高模纤维，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。 

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种无毒环保的复合增塑聚乙烯醇熔融纺丝的方法。该方法实现了聚乙烯醇的均匀溶胀、熔融纺丝和高倍拉伸，生产工艺简单，由于所选增塑剂具有安全无毒、相容性好的特点，所以无需萃取增塑剂即可获得力学性能优异、无毒环保的聚乙烯醇纤维，可广泛应用于土建混凝土领域，尤其适用于海洋渔业、水产养殖等对纤维添加剂有安全要求的行业。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，其特征在于，所述方法如下， 

a.将0~40份碳水化合物，0~20份多元醇酯与30~60份水在搅拌机内混合均匀，制备复合增塑剂；

b.将复合增塑剂与100份聚乙烯醇加入到溶胀釜内充分溶胀制备改性聚乙烯醇，溶胀时间8-16h，溶胀温度40-60℃；

c.将改性聚乙烯醇经单螺杆挤出机熔融挤出，得到初生纤维，初生纤维经干燥、多级拉伸、热定型得到高强高模聚乙烯醇纤维。

该技术方案中选择复合增塑剂碳水化合物、多元醇酯，这些成分无毒环保，无需萃取，不仅仅降低了生产成本，而且大大降低了对环境的污染，尤其适用于海洋渔业、水产养殖等对纤维添加剂有安全要求的行业。 

作为本发明的一种改进，所述多元醇酯为甘油二乙酸酯、甘油一乙酸酯、甘油乳酸酯中的一种或者几种组合。多元醇酯与聚乙烯醇具有良好的相容性，可以与碳水化合物、聚乙烯醇形成分子间力，稳定分子结构，从而得到力学性能稳定的成品纤维。 

作为本发明的一种改进，所述碳水化合物为2,3-二羟基丙醛、二羟基丙酮、甲基-α-D-葡萄糖苷、蔗糖、纤维二糖、黄原胶、羟甲基纤维素钠中的一种或者几种组合。增塑剂碳水化合物的加入抑制了水的蒸发，实现了水在聚乙烯醇中的过热化，使其沸点增高，沸程增宽，可避免熔纺时水剧烈蒸发产生气泡，提高了纺丝稳定性。 

作为本发明的一种改进，所述复合增塑剂与聚乙烯醇的加料方式为先将聚乙烯醇加入到溶胀釜中，再将复合增塑剂以雾状喷淋的方式自上而下加入，同时搅拌聚乙烯醇固体，使二者均匀接触，确保溶胀程度均一，保证成品纤维的均匀性。 

作为本发明的一种改进，所述单螺杆挤出机各区温度为:进料段40 ~100℃、压缩段80~160℃、计量段140~170℃，纺丝组件130~160℃，喷丝板孔径为1~3mm，长径比1:15~30。 

作为本发明的一种改进，所述初生纤维干燥温度为30~80℃，时间10~20min，初生纤维在80~160℃下进行1~3级多级拉伸，总拉伸倍数15~20倍，热定型温度为150~200℃，时间0.5~3min。 

相对于现有技术，本发明的优点如下，1）由水、碳水化合物、多元醇酯组成的复合增塑剂能够与聚乙烯醇形成氢键，破坏聚乙烯醇分子间和链间氢键，抑制其结晶，降低熔点，实现聚乙烯醇的熔融纺丝和高倍拉伸，所制备的纤维拉伸强度≥1570MPa，弹性模量≥35.4GPa，断裂伸长率≤6.0%；2）增塑剂碳水化合物和多元醇酯与小分子水、聚乙烯醇形成氢键，相互作用，使水与大分子间作用力增加，实现了水在聚乙烯醇中的过热化，使其沸点增高，沸程增宽，可避免熔纺时水剧烈蒸发产生气泡，提高了纺丝稳定性；3）增塑剂碳水化合物和多元醇酯分子量较高，可以避免小分子增塑剂易迁移析出的缺点，同时多元醇酯与聚乙烯醇具有良好的相容性，可以与碳水化合物、聚乙烯醇形成分子间力，稳定分子结构，从而得到力学性能稳定的成品纤维；4）增塑剂以雾状喷淋的方式加入到聚乙烯醇中可以使二者均匀接触，确保溶胀程度均一，保证成品纤维的均匀性；5）复合增塑剂碳水化合物、多元醇酯无毒环保，无需萃取，降低了生产成本，尤其适用于海洋渔业、水产养殖等对纤维添加剂有安全要求的行业。 

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明。 

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语，包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 

实施例1：

将40份2,3-二羟基丙醛、5份甘油二乙酸酯与40份水在搅拌机内混合均匀，制备成复合增塑剂备用，将100份聚合度1700，醇解度99%的聚乙烯醇加入到溶胀釜内再将制备好的复合增塑剂以雾状喷淋的方式自上而下加入，同时搅拌聚乙烯醇固体，使二者均匀接触，在40℃下溶胀16h，充分溶胀的聚乙烯醇经单螺杆挤出机熔融纺丝，进料段40-70℃、压缩段80-130℃、计量段140-150℃，纺丝组件130℃，喷丝板孔径为1mm，长径比1:15，初生纤维在50℃的热风烘箱中干燥12min，然后在100℃下进行一级拉伸，拉伸倍数为3倍，120℃下进行二级拉伸，拉伸倍数为2.5倍，130℃下进行三级拉伸，拉伸倍数为2倍，总拉伸倍数为15倍，150℃下热定型3min。

实施例2:

将20份甘油一乙酸酯与50份水在搅拌机内混合均匀，制备成复合增塑剂备用，将100份聚合度2000，醇解度88%的聚乙烯醇加入到溶胀釜内再将制备好的复合增塑剂以雾状喷淋的方式自上而下加入，同时搅拌聚乙烯醇固体，使二者均匀接触，在60℃下溶胀8h，充分溶胀的聚乙烯醇经单螺杆挤出机熔融纺丝，进料段60-100℃、压缩段110-160℃、计量段160-170℃，纺丝组件160℃，喷丝板孔径为3mm，长径比1:30，初生纤维在80℃的热风烘箱中干燥10min，然后在120℃下进行一级拉伸，拉伸倍数为4倍，145℃下进行二级拉伸，拉伸倍数为2.5倍，160℃下进行三级拉伸，拉伸倍数为2倍，总拉伸倍数为20倍，200℃下热定型0.5min。

实施例3:

将10份二羟基丙酮、15份甲基-α-D-葡萄糖苷、5份蔗糖与30份水在搅拌机内混合均匀，制备成复合增塑剂备用，将100份聚合度2200，醇解度99%的聚乙烯醇加入到溶胀釜内再将制备好的复合增塑剂以雾状喷淋的方式自上而下加入，同时搅拌聚乙烯醇固体，使二者均匀接触，在50℃下溶胀13h，充分溶胀的聚乙烯醇经单螺杆挤出机熔融纺丝，进料段40-80℃、压缩段80-120℃、计量段130-150℃，纺丝组件135℃，喷丝板孔径为2.5mm，长径比1:25，初生纤维在30℃的热风烘箱中干燥20min，然后在80℃下进行一级拉伸，拉伸倍数为5倍，115℃下进行二级拉伸，拉伸倍数为2倍，130℃下进行三级拉伸，拉伸倍数为1.8倍，总拉伸倍数为18倍，180℃下热定型1.5min。

实施例4:

将6份纤维二糖、8份黄原胶、6份羟甲基纤维素钠、15份甘油乳酸酯与60份水在搅拌机内混合均匀，制备成复合增塑剂备用，将100份聚合度2400，醇解度95%的聚乙烯醇加入到溶胀釜内再将制备好的复合增塑剂以雾状喷淋的方式自上而下加入，同时搅拌聚乙烯醇固体，使二者均匀接触，在55℃下溶胀10h，充分溶胀的聚乙烯醇经单螺杆挤出机熔融纺丝，进料段70-100℃、压缩段100-140℃、计量段150-170℃，纺丝组件155℃，喷丝板孔径为2mm，长径比1:20，初生纤维在60℃的热风烘箱中干燥15min，然后在110℃下进行一级拉伸，拉伸倍数为4倍，125℃下进行二级拉伸，拉伸倍数为2倍，135℃下进行三级拉伸，拉伸倍数为2倍，总拉伸倍数为16倍，160℃下热定型2min。

实施例5:

将5份甲基-α-D-葡萄糖苷、5份羟甲基纤维素钠、9份甘油二乙酸酯、9份甘油乳酸酯与45份水在搅拌机内混合均匀，制备成复合增塑剂备用，将100份聚合度2400，醇解度92%的聚乙烯醇加入到溶胀釜内再将制备好的复合增塑剂以雾状喷淋的方式自上而下加入，同时搅拌聚乙烯醇固体，使二者均匀接触，在45℃下溶胀14h，充分溶胀的聚乙烯醇经单螺杆挤出机熔融纺丝，进料段55-85℃、压缩段90-150℃、计量段160-170℃，纺丝组件165℃，喷丝板孔径为1.5mm，长径比1:28，初生纤维在75℃的热风烘箱中干燥15min，然后在115℃下进行一级拉伸，拉伸倍数为5倍，130℃下进行二级拉伸，拉伸倍数为2倍，140℃下进行三级拉伸，拉伸倍数为1.7倍，总拉伸倍数为17倍，170℃下热定型2min。

对上述实施例中的纤维进行力学性能测试，为了比较纤维性能，在相同实验条件下对皖维集体生产的高强高模聚乙烯醇纤维进行相同测试作为对比例，相关数据汇于表1。由表1可知，与现有的高强高模聚乙烯醇纤维生产方法相比，本发明生产的纤维具有更高的拉伸强度、弹性模量和更低的断裂伸长率，说明本方法更适合生产高强高模聚乙烯醇纤维。 

表1 

	拉伸强度MPa	弹性模量GPa	断裂伸长率%
				对比例	1460	33	7.5
实施例1	1570	35.4	6.0
				实施例2	1700	41	4.5
实施例3	1640	39.3	4.7
				实施例4	1660	37	5.5
实施例5	1610	37.8	5.0

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将碳水化合物、多元醇酯与水在搅拌机内混合均匀，制备复合增塑剂；

b.将复合增塑剂与聚乙烯醇加入到溶胀釜内充分溶胀制备改性聚乙烯醇，溶胀时间8-16h，溶胀温度40-60℃；

c.将改性聚乙烯醇经单螺杆挤出机熔融挤出，得到初生纤维，初生纤维经干燥、多级拉伸、热定型得到高强高模聚乙烯醇纤维。

2.根据权利要求1所述的高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，其特征在于：所述步骤a中多元醇酯为甘油二乙酸酯、甘油一乙酸酯、甘油乳酸酯中的一种或者几种组合。

3.根据权利要求2所述的高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，其特征在于：所述步骤a中碳水化合物为2,3-二羟基丙醛、二羟基丙酮、甲基-α-D-葡萄糖苷、蔗糖、纤维二糖、黄原胶、羟甲基纤维素钠中的一种或者几种组合。

4.根据权利要求3所述的高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，其特征在于：步骤a、b中各物质的加入量为，按重量计，碳水化合物0~40份，多元醇酯0~20份，水30~60份，聚乙烯醇100份。

5.根据权利要求3或4所述的高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，其特征在于：所述步骤b中的加料方式为先将聚乙烯醇加入到溶胀釜中，再将复合增塑剂以雾状喷淋的方式自上而下加入，同时搅拌聚乙烯醇固体，使二者均匀接触。

6.根据权利要求5所述的高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，其特征在于：所述步骤c中，所述单螺杆挤出机各区温度为:进料段40 ~100℃、压缩段80~160℃、计量段140~170℃，纺丝组件130~160℃，喷丝板孔径为1~3mm，长径比1:15~30。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的高强高模聚乙烯醇纤维的熔融制备方法，其特征在于：步骤a、b中各物质的加入量为，按重量计，碳水化合物25~35份，多元醇酯10~15份，水40~55份，聚乙烯醇100份。