聚乙烯醇分子链有大量羟基,形成分子间和分子内氢键,分子间作用力强,因而结晶性好,有助于提升纤维性能,同时对纤维生产中拉伸倍数等产生限制。
聚乙烯醇纤维具有强度高、弹性模量高、黏结性好、耐酸碱、耐磨和耐紫外线等优点,广泛应用于材料增强、湿法造纸、碱性电池隔膜等领域,可作为水泥、陶瓷等无机非金属材料、树脂以及防弹衣的补强材料。
聚乙烯醇纤维耐热水性低,采用低分子量聚乙烯醇可制得水溶性纤维。经甲醛化处理后得到耐水的聚乙烯醇缩甲醛纤维(称为维尼纶),性能近似于棉花,尤其是与其他合成纤维品种相比吸湿率较高(可达5%),也称为合成棉花,但与棉花相比其耐热性差。此外,聚乙烯醇和氯乙烯等共聚改性,可以得到兼具两者性能特点的纤维。
1924年,德国人用聚乙烯醇的水溶液干法纺丝制得纤维。30年代初期,德国瓦克化学公司首先生产聚乙烯醇纤维,用作手术缝合线。由于其易溶胀且溶于水,不能用于纺织。1950年,日本可乐丽公司实现用聚乙烯醇纤维制耐热水纤维的工业化生产,并且用于替代棉花,之后被涤纶、腈纶、锦纶所取代。1996年,日本可乐丽公司实现了新型湿法凝胶纺丝技术的工业化,生产高强度“K-Ⅱ”纤维,用于增强用途。聚乙烯醇纤维工业化生产60多年来性能的演变见图1。
图1 20世纪聚乙烯醇纤维的强度演化
聚乙烯醇纤维所用原料聚乙烯醇的平均分子量为60000~150000,热分解温度为200~220℃,熔点为225~230℃。聚乙烯醇纤维的纺丝工艺有三种:湿法加硼纺丝、凝胶纺丝和熔融纺丝。
传统湿法纺丝的溶剂为水,凝固浴为硫酸钠(芒硝)水溶液。由于凝固浴中浓缩和凝固不能同步进行,因而纤维不能高倍拉伸,性能有限。为改善纤维性能,采用含有硼酸交联剂的聚乙烯醇溶液进行湿法纺丝。所得初生纤维具有交联结构,在碱性凝固浴中凝固,经中和、水洗、解除交联结构、多段高倍拉伸和热处理,则可获得高强、高模的含硼湿法长丝。热处理后的聚乙烯醇纤维经缩醛化处理可得聚乙烯醇缩甲醛纤维。缩醛化处理过程分为两种:①丝束经水洗除去芒硝后,从醛化溶液中通过再水洗。②丝束切成短纤维并气送至后处理机,在不锈钢网上缩醛化。
原液和凝固浴均采用有机溶剂。聚乙烯醇纺丝原液由喷丝孔进入凝固浴后急速冷却凝胶成为均匀的凝胶丝,然后再开始脱溶剂。凝胶纺丝所得到的纤维结构均匀,截面为圆形。后续的热处理等过程中纤维的取向和结晶均匀进行,因而纤维的性能得以提高。其与传统湿法纺丝的区别见图2。
图2 冷却凝胶纺丝和传统湿法纺丝脱溶剂过程对比
通过塑化剂等改性剂破坏聚乙烯醇分子链间的氢键作用,抑制其结晶,降低其熔点,从而获得热塑加工窗口,实现熔融纺丝。熔融纺丝有利于解决溶液纺丝带来的溶剂回收等问题。21世纪初,这一工艺仍处于研究开发阶段。
与其他通用纤维相比,聚乙烯醇纤维具有强度高、亲水性好的特点,在工业领域中可用于制作帆布、水龙带、滤布、运输带、工作服、渔网和海上作业用缆绳等。高强、高模长丝,可用作运输带骨架材料、胶管、胶布和胶鞋的衬里材料,自行车胎帘子线以及塑料的增强材料。其耐碱性、黏结性和亲和性好,可代替石棉来增强水泥制品,也可起增韧作用。其与棉混纺可制作各种衣料、室内用品和针织品。然而,由于其耐热性差,织物不挺括,不能在热水中洗涤。聚乙烯醇纤维也可应用于无纺布、造纸等方面。水溶性聚乙烯醇纤维可作为中空纱、化学烂花基布,在与其他纤维混纺加工后溶去,也可制得无捻纱或无纬毯。作为黏合剂可以提高纸的强度和韧性。此外,还可制造特殊用途的工作服、手术缝合线、碱性电池隔膜、阻燃纤维等。