水溶性聚乙烯醇纤维的结构与性能研究

梁 冬

（广东职业技术学院， 广东 佛山528041）

0 前言

水溶性聚乙烯醇 （PVC） 纤维是在一定温度下能溶解于水的合成纤维， 因具有成本低、 可水解、 耐化学腐蚀等特点被广泛应用于医疗卫生、 军事、 农业、 材料和纺织领域[1-2]。 将水溶性PVA 纤维与棉、 麻和羊毛等纤维混纺成纱，在后整理过程中将其溶解去除， 可以实现高支轻薄面料的开发[3-4]。 如近年毛纺行业开发的轻薄化毛织物， 不需使用高支羊毛， 利用水溶性纤维混纺， 在纺纱过程中加入10% ～20%的水溶性纤维与毛条混纺， 既达到纱线截面纤维根数的要求， 又提高了纱线的可纺性[5-6]。

1 试验

1. 1 原料

市售水溶性聚乙烯醇纤维。

1. 2 仪器

生物显微镜 （上海光学仪器一厂）、 哈氏切片器 （莱州市电子仪器有限公司）、 烘箱 （耐美特工业设备有限公司）、 分析天平 （上海衡诺电子衡器有限公司）、 YG747 型八篮恒温快速烘箱（常州市双固顿达机电科技有限公司）、 YG501D型透湿试验箱 （上海谭氏实业有限公司）、 电子分析天平 （上海丙林电子科技有限公司）、 玻璃干燥器 （上海越众仪器设备有限公司）、 玻璃皿（泰州百科医疗器械有限公司）、 密封称量盒（江苏凝科办公用品专营店）。

1. 3 药品

氢氧化钠（市售）、 硫酸（市售）。

2 试验结果与分析

本试验通过生物显微镜分析了水溶性聚乙烯醇纤维的纵向和横截面结构形态； 测定了水溶性聚乙烯醇纤维耐酸碱性、 回潮率和溶解度等基本性能。

2. 1 水溶性聚乙烯醇纤维的结构形态

用生物显微镜对水溶性聚乙烯醇纤维微细结构进行观察分析[7]。 试验得到水溶性聚乙烯醇纤维的形态结构见图1。

图1 水溶性聚乙烯醇纤维的形态结构 （放大400 倍）

从图1 可以看出， 水溶性聚乙烯醇纤维的纵向形态表面光滑， 粗细均匀； 横向截面接近圆形， 有较明显的皮芯结构。 水溶性聚乙烯醇纤维采用湿法纺丝法纺制， 在凝固浴中成形时，纺丝原液细流的外层最先脱水凝固， 随着双扩散的进行， 最后形成皮层致密， 芯层疏松的结构。

2. 2 水溶性聚乙烯醇纤维在酸碱中的溶解性能

2. 2. 1 水溶性聚乙烯醇纤维在酸中的溶解性能

将0. 5 g 纤维分别放到10%H2SO4、 20%H2SO4、 30%H2SO4中， 10 min 后取出用清水冲洗干净， 放于烘箱烘干， 称取重量。 计算纤维浸酸前后的溶解率。 数据见表1。

从表1 的数据可知， 纤维在30% H2SO4中已全溶， 可见， 水溶性聚乙烯醇纤维耐酸性差。

表1 水溶性聚乙烯醇纤维在硫酸中溶解性

2. 2. 2 水溶性聚乙烯醇纤维在碱中的溶能性能

将0. 5 g 纤维分别放到25% NaOH， 50%NaOH， 60% NaOH 中， 10 min 后取出用清水冲洗干净， 并放于烘箱烘干， 称取质量， 计算纤维浸酸前后的溶解率。 结果见表2。

表2 水溶性聚乙烯醇纤维在NaOH 中的溶解性

从表2 的实验结果可知， 在50% NaOH 下纤维的溶解率只有6. 7%， 由此可知， 水溶性聚乙烯醇纤维的耐碱性较好。

2. 3 水溶性聚乙烯醇纤维的回潮率

本试验在标准大气条件 （20 ℃， 65%RH）下测定纤维的平衡回潮率。

每份纤维试样2 g， 样品称量后放在电热恒温鼓风干燥箱中105 ℃烘干， 平衡至恒重。 测定结果见表3。

表3 水溶性聚乙烯醇纤维回潮率测定表

由于水溶性聚乙烯醇大分子中含有大量的羟基， 与水具有良好的亲合性， 因此纤维的回潮率高， 是合成纤维中回潮率最好的纤维品种。

2. 4 水溶性聚乙烯醇纤维在水中的溶解机理和溶解性能

水溶性聚乙烯醇纤维的溶解过程包括膨润和溶解分散两大过程。 将水溶性聚乙烯醇纤维放入一定温度的热水中， 随着时间的延长和水温度的提高， 水分子渗透入纤维的非晶区， 同时水分子还受到聚乙烯醇分子中羟基的亲合作用， 使纤维横向膨胀， 纵向收缩。 当水温继续提高， 纤维就被溶断成胶状小片段， 进一步提高水温或延长处理时间， 则聚乙烯醇就以分子形式溶解分散而成为均匀的溶液。

称取2 g 的纤维试样5 份， 分别放入锥形瓶中， 加入100 mL 的蒸馏水。 将锥形瓶放到40 ℃的热水中恒温后， 处理时间分别为20 min、 40 min、 60 min、 80 min、 100 min， 然后取出纤维放于烘箱中烘干至恒重， 称其质量， 计算纤维的重量减少率。 如上试验方案， 要分别测定在60 ℃、80 ℃、 90 ℃、 98 ℃条件下的溶解数据。

表4 水溶性纤维的溶解率与时间关系表 （40 ℃）

表5 水溶性纤维的溶解率与时间关系表 （60 ℃）

表6 水溶性纤维的溶解率与时间关系表 （80 ℃）

表7 水溶性纤维的溶解率与时间关系表 （90 ℃）

表8 水溶性纤维的溶解率与时间关系表 （100 ℃）

由表4、 表5、 表6 绘出水溶性聚乙烯醇纤维溶解率与时间的关系图2， 由表7、 表8 绘出水溶性聚乙烯醇纤维溶解率与时间的关系图3。

图2 水溶性聚乙烯醇纤维溶解率与时间的关系图

图3 水溶性聚乙烯醇纤维溶解率与时间的关系图

由表4、 5、 6、 7、 8 及图2、 图3 可知， 在同一温度下， 纤维溶解率随时间增加而加大。

当溶解温度低于80 ℃时， 水溶性聚乙烯醇纤维在水中溶解率极低， 纤维几乎不溶解。 主要是由于水溶性聚乙烯醇纤维的玻璃化温度约85 ℃， 溶剂水的增塑作用使水溶性聚乙烯醇纤维的玻璃化温度降低， 当温度低于玻璃化温度时， 大分子内链段被 “冻结”， 纤维不发生溶解。 水溶性聚乙烯醇纤维开始溶解时的温度称为初始溶解温度， 约80 ℃。 当溶解温度高于初始溶解温度时， 水溶性聚乙烯醇纤维的溶解率开始增加， 在100 ℃时， 纤维瞬间完全溶解。

从上述实验结果可知， 温度对水溶性聚乙烯醇纤维溶解性能的影响， 主要体现在： (1)随着温度升高， 水分子热运动的动能增大， 水分子向纤维内部渗透能力增强； (2) 温度较高时纤维发生膨胀， 纤维内部空隙体积增加， 促进了纤维的吸湿溶胀， 有利于进一步溶解； (3)水溶性聚乙烯醇纤维具有一定的结晶度， 纤维要完全溶解必须先吸收足够的能量， 使结晶区的分子链段能摆脱晶格能的 “束缚”， 运动到非晶区中， 最后扩散在水中， 发生完全溶解。

3 结语

（1） 水溶性聚乙烯醇纤维的纵向形态表面光滑， 粗细均匀； 横向截面接近圆形， 有较明显的皮芯结构。

（2） 水溶性聚乙烯醇纤维的耐酸性差， 耐碱性较好。

（3） 水溶性聚乙烯醇纤维的回潮率高， 是合成纤维中回潮率最好的纤维品种。

（4） 水溶性聚乙烯醇纤维溶解性能随时间增加而加大。 温度对水溶性聚乙烯醇纤维溶解性能的影响大。 水温低于初溶温度80 ℃时， 溶解度小， 当溶解温度高于初始溶解温度时， 水溶性聚乙烯醇纤维的溶解率随温度升高而增加。