水溶性聚乙烯醇纖維的結構與性能研究

梁 冬

（廣東職業技術學院， 廣東 佛山528041）

0 前言

水溶性聚乙烯醇 （PVC） 纖維是在一定溫度下能溶解于水的合成纖維， 因具有成本低、 可水解、 耐化學腐蝕等特點被廣泛應用于醫療衛生、 軍事、 農業、 材料和紡織領域[1-2]。 將水溶性PVA 纖維與棉、 麻和羊毛等纖維混紡成紗，在后整理過程中將其溶解去除， 可以實現高支輕薄面料的開發[3-4]。 如近年毛紡行業開發的輕薄化毛織物， 不需使用高支羊毛， 利用水溶性纖維混紡， 在紡紗過程中加入10% ～20%的水溶性纖維與毛條混紡， 既達到紗線截面纖維根數的要求， 又提高了紗線的可紡性[5-6]。

1 試驗

1. 1 原料

市售水溶性聚乙烯醇纖維。

1. 2 儀器

生物顯微鏡 （上海光學儀器一廠）、 哈氏切片器 （萊州市電子儀器有限公司）、 烘箱 （耐美特工業設備有限公司）、 分析天平 （上海衡諾電子衡器有限公司）、 YG747 型八籃恒溫快速烘箱（常州市雙固頓達機電科技有限公司）、 YG501D型透濕試驗箱 （上海譚氏實業有限公司）、 電子分析天平 （上海丙林電子科技有限公司）、 玻璃干燥器 （上海越眾儀器設備有限公司）、 玻璃皿（泰州百科醫療器械有限公司）、 密封稱量盒（江蘇凝科辦公用品專營店）。

1. 3 藥品

氫氧化鈉（市售）、 硫酸（市售）。

2 試驗結果與分析

本試驗通過生物顯微鏡分析了水溶性聚乙烯醇纖維的縱向和橫截面結構形態； 測定了水溶性聚乙烯醇纖維耐酸堿性、 回潮率和溶解度等基本性能。

2. 1 水溶性聚乙烯醇纖維的結構形態

用生物顯微鏡對水溶性聚乙烯醇纖維微細結構進行觀察分析[7]。 試驗得到水溶性聚乙烯醇纖維的形態結構見圖1。

圖1 水溶性聚乙烯醇纖維的形態結構 （放大400 倍）

從圖1 可以看出， 水溶性聚乙烯醇纖維的縱向形態表面光滑， 粗細均勻； 橫向截面接近圓形， 有較明顯的皮芯結構。 水溶性聚乙烯醇纖維采用濕法紡絲法紡制， 在凝固浴中成形時，紡絲原液細流的外層最先脫水凝固， 隨著雙擴散的進行， 最后形成皮層致密， 芯層疏松的結構。

2. 2 水溶性聚乙烯醇纖維在酸堿中的溶解性能

2. 2. 1 水溶性聚乙烯醇纖維在酸中的溶解性能

將0. 5 g 纖維分別放到10%H2SO4、 20%H2SO4、 30%H2SO4中， 10 min 后取出用清水沖洗干凈， 放于烘箱烘干， 稱取重量。 計算纖維浸酸前后的溶解率。 數據見表1。

從表1 的數據可知， 纖維在30% H2SO4中已全溶， 可見， 水溶性聚乙烯醇纖維耐酸性差。

表1 水溶性聚乙烯醇纖維在硫酸中溶解性

2. 2. 2 水溶性聚乙烯醇纖維在堿中的溶能性能

將0. 5 g 纖維分別放到25% NaOH， 50%NaOH， 60% NaOH 中， 10 min 后取出用清水沖洗干凈， 并放于烘箱烘干， 稱取質量， 計算纖維浸酸前后的溶解率。 結果見表2。

表2 水溶性聚乙烯醇纖維在NaOH 中的溶解性

從表2 的實驗結果可知， 在50% NaOH 下纖維的溶解率只有6. 7%， 由此可知， 水溶性聚乙烯醇纖維的耐堿性較好。

2. 3 水溶性聚乙烯醇纖維的回潮率

本試驗在標準大氣條件 （20 ℃， 65%RH）下測定纖維的平衡回潮率。

每份纖維試樣2 g， 樣品稱量后放在電熱恒溫鼓風干燥箱中105 ℃烘干， 平衡至恒重。 測定結果見表3。

表3 水溶性聚乙烯醇纖維回潮率測定表

由于水溶性聚乙烯醇大分子中含有大量的羥基， 與水具有良好的親合性， 因此纖維的回潮率高， 是合成纖維中回潮率最好的纖維品種。

2. 4 水溶性聚乙烯醇纖維在水中的溶解機理和溶解性能

水溶性聚乙烯醇纖維的溶解過程包括膨潤和溶解分散兩大過程。 將水溶性聚乙烯醇纖維放入一定溫度的熱水中， 隨著時間的延長和水溫度的提高， 水分子滲透入纖維的非晶區， 同時水分子還受到聚乙烯醇分子中羥基的親合作用， 使纖維橫向膨脹， 縱向收縮。 當水溫繼續提高， 纖維就被溶斷成膠狀小片段， 進一步提高水溫或延長處理時間， 則聚乙烯醇就以分子形式溶解分散而成為均勻的溶液。

稱取2 g 的纖維試樣5 份， 分別放入錐形瓶中， 加入100 mL 的蒸餾水。 將錐形瓶放到40 ℃的熱水中恒溫后， 處理時間分別為20 min、 40 min、 60 min、 80 min、 100 min， 然后取出纖維放于烘箱中烘干至恒重， 稱其質量， 計算纖維的重量減少率。 如上試驗方案， 要分別測定在60 ℃、80 ℃、 90 ℃、 98 ℃條件下的溶解數據。

表4 水溶性纖維的溶解率與時間關系表 （40 ℃）

表5 水溶性纖維的溶解率與時間關系表 （60 ℃）

表6 水溶性纖維的溶解率與時間關系表 （80 ℃）

表7 水溶性纖維的溶解率與時間關系表 （90 ℃）

表8 水溶性纖維的溶解率與時間關系表 （100 ℃）

由表4、 表5、 表6 繪出水溶性聚乙烯醇纖維溶解率與時間的關系圖2， 由表7、 表8 繪出水溶性聚乙烯醇纖維溶解率與時間的關系圖3。

圖2 水溶性聚乙烯醇纖維溶解率與時間的關系圖

圖3 水溶性聚乙烯醇纖維溶解率與時間的關系圖

由表4、 5、 6、 7、 8 及圖2、 圖3 可知， 在同一溫度下， 纖維溶解率隨時間增加而加大。

當溶解溫度低于80 ℃時， 水溶性聚乙烯醇纖維在水中溶解率極低， 纖維幾乎不溶解。 主要是由于水溶性聚乙烯醇纖維的玻璃化溫度約85 ℃， 溶劑水的增塑作用使水溶性聚乙烯醇纖維的玻璃化溫度降低， 當溫度低于玻璃化溫度時， 大分子內鏈段被 “凍結”， 纖維不發生溶解。 水溶性聚乙烯醇纖維開始溶解時的溫度稱為初始溶解溫度， 約80 ℃。 當溶解溫度高于初始溶解溫度時， 水溶性聚乙烯醇纖維的溶解率開始增加， 在100 ℃時， 纖維瞬間完全溶解。

從上述實驗結果可知， 溫度對水溶性聚乙烯醇纖維溶解性能的影響， 主要體現在： (1)隨著溫度升高， 水分子熱運動的動能增大， 水分子向纖維內部滲透能力增強； (2) 溫度較高時纖維發生膨脹， 纖維內部空隙體積增加， 促進了纖維的吸濕溶脹， 有利于進一步溶解； (3)水溶性聚乙烯醇纖維具有一定的結晶度， 纖維要完全溶解必須先吸收足夠的能量， 使結晶區的分子鏈段能擺脫晶格能的 “束縛”， 運動到非晶區中， 最后擴散在水中， 發生完全溶解。

3 結語

（1） 水溶性聚乙烯醇纖維的縱向形態表面光滑， 粗細均勻； 橫向截面接近圓形， 有較明顯的皮芯結構。

（2） 水溶性聚乙烯醇纖維的耐酸性差， 耐堿性較好。

（3） 水溶性聚乙烯醇纖維的回潮率高， 是合成纖維中回潮率最好的纖維品種。

（4） 水溶性聚乙烯醇纖維溶解性能隨時間增加而加大。 溫度對水溶性聚乙烯醇纖維溶解性能的影響大。 水溫低于初溶溫度80 ℃時， 溶解度小， 當溶解溫度高于初始溶解溫度時， 水溶性聚乙烯醇纖維的溶解率隨溫度升高而增加。