聚乙烯醇纤维的制备及研究应用化学毕业论文Word下载.docx
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聚乙烯醇（筒称PVA）纤维是由德国化学家W.O．Herrmarm和W．WHachnel博士于1924年合成的，该聚乙烯醇纤维不具备必要的耐热水性，实用价值很小。
1939年，日本樱田一郎、矢泽将英，朝鲜李升基将这种纤维用甲醛处理，制得聚乙烯醇缩甲醛纤维，该纤维具有柔软、保暖等特性。
20世纪60年代中期：
我国从日本进口一套维纶生产线。
20世纪∞年代初期：
均处于半停产状态。
3）20世纪80年代中后期：
PVA生产企业逐步呈现活力。
4）20世纪90年代中期：
PVA行业得到了进一步发展。
5）20世纪90年代后期：
PVA行业出现了阶段性停滞，发展欲望受到抑制。
6）21世纪初至2007年：
PVA行业在国内、国际市场上均出现了前所未有的欣欣向荣的局面。
经过近半个世纪的发展，各企业不断采用新技术、新工艺，引进国外先进装置和改扩建，使我国PVA及其纤维工业在产量、质量、科研、品种开发和用途开拓、节能降耗等方面都取得了很大的进展。
目前我国聚乙烯醇纤维的生产方法基本上以湿法纺丝和含硼碱性芒硝纺丝法为主，干法纺丝和聚醋酸乙烯醇解直接纺丝还未实现大规模工业化生产，而国际上日本山浦等公司已经开始采用高规整度聚乙烯醇的乙二醇溶液进行凝胶纺丝；
国际上，聚乙烯醇纤维主要利用聚乙烯醇具有水溶、乳化、螯合和化学交联的能力，开发出各具特色和用途的功能性纤维、特色化纤维和弹性纤维等数十种产品，如：
水溶性纤维、中空纤维、阻燃纤维、离子交换纤维、陶瓷纤维、超高强高模纤维、高强高模纤维、中强中模纤维、乙烯乙烯醇共聚物/涤纶或乙烯乙烯醇共聚物/锦纶双组份纤维等等，应用领域涉及服装、床上用品、工业、农业、食品、包装、建材增强材料、水利、渔业、医药卫生等方面。
我国聚乙烯醇产品结构设计呈直链单一结构，比例也不合理，只有棉型、毛型、牵切纱和强力丝等几种，近几年虽然开发出水溶性纤维、高强高模纤维和阻燃纤维，但与先进国家相比，不论产品品种、质量、规模和应用领域都存在较大差距。
二、课题研究
2.1研究目的和意义
本课题站在循环经济的视角，把废弃毛发（如羊毛、猪毛、牛毛、人发等）高值化再利用。
达到资源化处理，高值化加工，纤维化再生，多元化利用的目的。
探讨一条废弃毛发清洁、绿色、全量化加工和利用的途径。
2.2研究方案
2.2.1原料选择
普通聚乙烯醇具有较高的聚合度和醇解度，在柔性主链上含有大量羟基，分子间和分子内形成大量氢键，物理交联点多，密度高，导致聚乙烯醇纤维结晶度高，不利于水分子的渗入。
若提高水溶性必须减弱大分子间的亲和力，其一般方法有两种：
降低羟基含量和增加羟基间的距离。
聚乙烯醇随着聚合度的增加，纤维疏水性增加，水溶温度相应提高。
所以，采用低聚合度的聚乙烯醇进行纺丝，可得到水溶温度较低的纤维。
但聚合度降低，可纺性变差。
日本专利中使用低聚合度（小于800）组分与高聚合度（大于1000）组分进行混合纺丝，制得的纤维可纺性及水溶性都比较理想。
聚乙烯醇的醇解度对纤维水溶性的影响也很大。
残余乙酰基将妨碍大分子的紧密排列，使结晶性变差，水溶温度降低。
但是，残余乙酰基的存在，会影响初生纤维的拉伸性能，使断丝、毛丝增多，还会影响纤维着色，因此水溶性聚乙烯醇的醇解度应有一适当水平。
另外，还可以引人共聚组分，改变聚乙烯醇分子链的化学结构和规整度，降低分子间、分子内羟基作用，以提高其水溶性。
如将醋酸乙烯酯等乙烯酯类单体和具有能产生羧酸及内酯环的单体（如丙烯酰胺）共聚得到乙烯酯类聚合物，在甲醇或二甲基亚砜（DMSO）溶液中皂化，可以得到改性聚乙烯醇。
2.2.2工艺路线
*PVA→水洗→脱水→精PVA→溶解→混合→过滤→脱泡→纺丝原液纺丝原液→纺丝位→计量泵→烛型过滤器→喷丝头→凝固浴→初生纤维
*初生纤维→拉伸→热定型→缩醛化→上油→干燥→（短丝丝束的切断）长丝的加捻、络筒。
1）纺丝原液制备
水溶性PVA纤维原料在水中的溶解过程与维尼纶的原液溶解相似。
适当提高溶解温度，不但有利于溶剂的扩散，加快PVA的溶胀，同时由于高温降低了扩散层的粘度，大分子也较容易脱离表面层。
所以，提高温度可以提高溶解速度。
工业化生产时，在98—99℃的溶解温度下，1tPVA原料适宜的溶解时间为150—180min。
溶解以后的溶液，尤其是未经水洗的PvA原液，存在凝胶粒子和机械杂质等，必须进行过滤，过滤可采用二次过滤方式以保证过滤质量。
过滤完毕后，还必须对原液进行脱泡，可采用常压静止脱泡。
但由于PVA原液粘度较高，气泡脱除速度慢，为缩短脱泡时间，最好采用负压静置脱泡。
*水洗和脱水
水洗的目的是降低聚乙烯醇物料中醋酸钠含量，使之不超过0.05％～0.2％，否则将使纤维在热处理时发生碱性着色。
通过水洗，还可以除去物料中一部分相对分子质量过低的聚乙烯醇，改善其相对分子质量的多分散性。
另外，水洗过程中，聚乙烯醇发生适度膨润，有利于溶解。
水洗过程中主要调节水洗温度和洗涤水量。
如在长网式水洗机上主要依靠调节洗涤水的温度以控制洗涤后的聚乙烯醇中的醋酸钠含量；
在网槽结合式水洗机上则以调节洗涤水用量为主，水洗温度一般不超过30～40℃，耗水量约为10t／t（PVA）。
通常精聚乙烯醇的含水率控制在60％～65％之间，相应压榨率约为70％。
当水洗后的聚乙烯醇的膨润度过大，或水洗温度过高时都将使水洗后的聚乙烯醇的脱水过程发生困难。
*溶解
水洗后的聚乙烯醇经中间贮存和称量分配后被送入溶解机，用热水溶解。
湿法纺丝用的聚乙烯醇水溶液浓度为14％～18％；
干法纺丝用的原液浓度则为30％～40％。
有时在聚乙烯醇溶解的同时还要添加适量的添加剂，以满足生产不同种类聚乙烯醇纤维的需要。
在实际生产中，聚乙烯醇的溶解一般都在常压下于95～98℃进行。
根据配制溶液浓度的不同，溶解时间可在2～8h内变化。
溶液浓度越大，溶解所需时间越长。
原液粘度是溶解过程中需要严格控制的参数。
对于平均聚合度为1750土50的聚乙烯醇，配成浓度为15％的水溶液后，测得其粘度为135s；
浓度为16％的水溶液其粘度为180s。
*混合、过滤和脱泡
溶解后的聚乙烯醇纺丝原液还不能马上用于纺丝成形，必须在恒定温度（96～98℃）下进行混合、过滤和脱泡。
混合一般在一个大容量的设备中进行；
过滤多采用板框式压滤机；
脱泡目前仍以静止式间歇脱泡为主，如采用高效连续脱泡，则必须在饱和蒸汽的保护下进行，以防表层液面蒸发过快而结皮。
1）湿法纺丝凝固浴组成
聚乙烯醇湿法纺丝用的凝固浴液有无机盐水溶液、氢氧化钠水溶液以及某些有机溶液等。
无机盐在水中生成的离子对水分子有一定的水合能力。
在聚乙烯醇以无机盐水溶液为凝固剂的湿法成形中，纺丝细流中的水分子被凝固浴中的无机盐离子所攫取，从而使之不断地脱除，细流固化成为初生纤维。
无机盐水溶液的凝固能力主要取决于无机盐离解后所得离子的水合能力和凝固浴中无机盐的浓度。
表1是某些无机盐对聚乙烯醇水溶液的凝固能力。
*在l0ml、0.05mo1／L的电解质水溶液中，滴入5％聚乙烯醇水溶液并加以搅拌，生成白浊时聚乙烯醇水溶液的加入量。
按表1中所列各种无机盐离解后所得离子的凝固能力以Na2SO4和K2SO4最大；
而按各种盐在水中的溶解度，又以（NH4）2SO4为最大，Na2SO4次之。
由于Na2SO4价廉易得，又可直接取自粘胶纤维厂的副产物，所以一般聚乙烯醇湿法纺丝均使用接近饱和浓度的硫酸钠水溶液组成的凝固浴。
以硫酸钠水溶液为凝固剂所得聚乙烯醇纤维的截面呈弯曲的扁平状。
借助显微镜可以看到明显的皮芯差异，皮层致密，芯层则较为疏松。
如图7-6所示。
这是由于从喷丝孔吐出的聚乙烯醇原液细流进入硫酸钠凝固浴时，首先与浴液直接相接触的细流最外层迅速脱水凝固，形成一极薄的表皮层，继而随着细流中水分的不断透过表皮层向外扩散，凝固层逐渐增厚，形成所谓的皮层。
在细流中水分不断向外扩散的同时，凝固浴中的硫酸钠也透过皮层进入细流内部，即发生双扩散现象。
当原液细流中的硫酸钠含量达到使细流中剩余聚乙烯醇水溶液完全凝固所需的临界浓度时，这部分尚未凝固的原液会迅速全部固化，形成空隙较多、结构疏松的芯层。
因为皮层的形成总是先于芯层，而皮层的存在限制了形成芯层时所产生的体积收缩，所以芯层固化时不可避免地要使截面发生变形，在不改变周长的情况下，使截面积缩小。
a）
图1以硫酸钠为凝固浴所得聚乙烯醇纤维的截面
以氢氧化钠水溶液组成的凝固浴，其凝固历程不是以脱水为主，而是因大量氢氧化钠进入原液细流后，使聚乙烯醇水溶液发生凝胶化而导致凝固。
目前生产普通用途的聚乙烯醇纤维主要采用硫酸钠水溶液为凝固剂，氢氧化钠等低凝固能力的凝固剂仅用于生产某些特殊用途的聚乙烯醇纤维。
硫酸钠凝固浴的回收：
在成形过程中，从纺丝原液脱出的大量水分进入凝固浴；
丝条从凝固浴中引出时，又要从浴中带走一定量的浴液。
为了使生产持续稳定进行，凝固浴中增多的水分应予除去，消耗掉的硫酸钠、硫酸等应予补充，以维持凝固浴总量和组成的稳定。
同时对凝固浴的温度给予必要的调整。
这些就是凝固浴回收的任务。
图2是聚乙烯醇纤维生产中常用的凝固浴回收、循环流程图。
图2凝固浴循环示意图
1）后处理
*拉伸
拉伸过程中，纤维大分子在外力作用下沿纤维轴向择优排列，取向度和结晶度都有明显提高。
在实际生产中，聚乙烯醇纤维的拉伸一般是在不同介质中分段进行的。
其所能承受的最大拉伸倍数约10~12倍。
热处理
聚乙烯醇纤维的热处理与一般化学纤维相比除具有提高纤维尺寸稳定性、进一步改善物理机械性能的目的外，还有一个重要作用——提高纤维的耐热水性，使纤维能够承受后续的缩醛化处理。
聚乙烯醇纤维在热处理过程中，在除去剩余水分和大分子间形成氢键的同时，纤维的结晶度可达60％左右。
随着结晶度的提高，纤维中大分子的自由羟基减少，耐热水性即水中软化点得到提高。
如表7-4所示。
表2聚乙烯醇半成品纤维水中软化点与结晶度的关系
水中软化点/℃
304055758390
纤维结晶度/%
19.129.633.853.257.660.6
聚乙烯醇纤维的热处理有湿热处理和干热处理两种形式。
实际生产中以热空气作为介质的干热处理为多。
长丝束状聚乙烯醇纤维的干热处理温度以225～240℃为好，相应的热处理时间为lmin左右。
短纤维的干热处理时间较长，约为6～7min，温度以215～225℃为宜。
热处理中给予适当的热收缩，也有利于提高纤维的结晶度和水中的软化点，一般控制收缩5％～10％。
*缩醛化
纺丝、拉伸和热处理后的聚乙烯醇纤维已具有良好的力学性能。
但纤维的耐热水性仍较差，在接近沸点的水中，其收缩率过大。
为了改进纤维的耐热水性，需要进行缩醛化处理。
（1）缩醛化反应：
指聚乙烯醇大分子上的羟基与醛作用，使羟基封闭的反应。
工业生产中最常用的醛是甲醛。
聚乙烯醇缩甲醛纤维有较好的耐热水性，在水中的软化点达到110～115℃。
除弹性、染色性能较差外，其它性能指标与未经缩醛化处理的纤维接近。
~CH2—CH—CH2—CH~+HCHO
~CH2—CH—CH2—CH~+H2O
∣∣∣∣
OHOHO—CH2—O
缩醛化反应中，甲醛与聚乙烯醇大分子上的羟基主要发生分子内缩合：
为描述缩醛化进行的程度，生产上常使用缩醛度这一概念，其定义为：
缩醛度／％（摩尔分数）＝
常用的缩醛度的测定方法有分解滴定法、增重法等。
缩醛化反应主要发生在纤维大分子中未参加结晶的自由羟基上。
随缩醛度的提高，纤维大分子中的自由羟基数逐渐减少，纤维的耐热水性增强。
（2）缩醛化过程的主要参数：
聚乙烯醇纤维生产中，一般常用甲醛为缩醛化剂、硫酸为催化剂，硫酸钠为阻溶胀剂，配成一定浓度的水溶液喷淋在短纤维上，或使长丝束反复通过缩醛化浴进行反应。
生产中常用的缩醛化浴的组成为：
短纤维长丝束
HCHO／g·
L-125±
232±
2
H2SO4／g·
L-1225±
3315±
4
Na2SO4／g·
L-170±
3200±
10
实际生产中，缩醛化温度一般控制在70℃左右。
温度过低，缩醛化反应慢，缩醛度低；
温度太高，甲醛损失量增大，劳动条件恶化。
缩醛化时间的长短因生产形式而异，如喷淋式的缩醛化时间为20～30min，浸没式为10～12min。
缩醛度一般为25％~30％。
2.2.3以硫酸钠水溶液为凝固剂的湿法纺丝工艺参数
PVA原液在硫酸钠凝固浴中凝固，同一时间内浴比越大，凝固效果越好，但同时需要的凝固浴蒸发、循环、加热系统等越大，因此不可能无限增大浴比。
纺水溶性PVA纤维，必须根据所用原料的规格，结合产品质量要求来确定凝固浴的各项工艺参数，但若PVA的凝固能力较差，在凝固浴中的浸长又为设备所限时，则只能降低纺丝速度，以保证充分凝固。
纺溶解温度为90℃的水溶性PvA纤维所用凝固浴为：
温度44℃的硫酸钠接近饱和溶液。
浴比为60—80。
①凝固浴中硫酸钠含量：
凝固浴中硫酸钠的浓度过低时，成形过程缓慢，稳定性差，所得纤维强度降低、伸度增加。
反之，如采用饱和浓度的硫酸钠水溶液为凝固浴，成形中析出的结晶硫酸钠会损伤丝条，并会影响正常的凝固浴循环系统。
实际生产中，常采用接近饱和浓度的硫酸钠水溶液为凝固浴。
当凝固浴温度为45℃时，浴中硫酸钠含量为400～420g／L，相应的饱和浓度为430g／L。
③凝固浴中硫酸锌含量：
硫酸锌呈弱酸性，它是由强酸弱碱生成的盐，其饱和水溶液的pH值约3.35。
凝固浴中含有少量硫酸锌对控制纤维色相有明显作用，对凝固浴的凝固能力影响不大。
但含量过高时也会降低凝固能力，使纤维成形稳定性变差。
凝固浴中硫酸锌含量一般控制在10g／L以下。
④凝固浴温度：
浴温升高，纤维成形过程中的双扩散加剧，浴液的凝固能力增强。
但随着浴温的升高，聚乙烯醇在浴液中的溶胀性也相应增大。
因此，当这种效应显著时，提高浴温不仅无助于增强凝固能力，反而使原液细流的凝固速度减缓。
这一转折温度约为48℃，所以实际生产中，凝固浴温度常控制在43～45℃。
⑥凝固浴循环量：
在纺丝过程中，为使浴液组成维持基本不变，必须及时补充新鲜浴液，同时排出被稀释的浴液。
通常将凝固浴进出口的浓度差称为浓度落差。
浓度落差越小，凝固浴的循环量越大，虽然对成形的均匀性有利，但因凝固浴流动使不稳定性也越大，对成形过程有害。
以硫酸钠水溶液为凝固浴的聚乙烯醇湿法纺丝，凝固浴浓度的允许落差一般在10～12g／L，相应的浴液流速为5m／min以下。
⑦喷丝头拉伸：
在湿法纺丝中，由于纺丝原液的粘度较低，成形速率较慢，喷丝头拉伸多取负值。
喷丝头负拉伸有利于成形过程的稳定，初生纤维的结构也比较均匀。
一般随着凝固剂凝固能力的降低，所取喷丝头负拉伸值应有所减小。
在以硫酸钠水溶液为凝固浴的聚乙烯醇湿法纺丝中，喷丝头拉伸为－10％~－30％。
2.2.4研究目标
利用聚合度不大于l700、醇解度不大于99％的各种牌号PVA，可用湿法纺丝制得溶解温度在60℃以上符合一定性能要求的水溶性PVA纤维。
2.2.5纤维性能表征
*线密度
线密度的单位名称为特克斯（简称为特），单位符号位tex，其1/10简称为分特，单位符号为dtex
1000m长纤维重量的克数即为该纤维的特数。
单纤维越细，手感越柔软，光泽柔和且易变形加工。
*断裂强度
常用相对强度表示化学纤维的断裂强度，即纤维在连续增加负荷的作用下，直至断裂所承受的最大负荷与纤维的线密度之比。
单位为牛/特、厘牛/特。
断裂强度是反映纤维质量的一项重要指标。
断裂强度高，纤维在加工过程中不易断头、绕辊，最终制成的纱线和织物的牢度也高，但断裂强度太高，纤维刚性增加，手感变硬。
纤维在干燥状态下测定的强度称为干强度，在润湿状态下测定的强度称为湿强度，回潮率高的纤维，湿强度比干强度低，大多数合成纤维的回潮率很低，湿强度接近或等于干强度。
*断裂伸长率
纤维的断裂伸长率一般用断裂时的相对伸长率，即纤维在伸长至断裂时的长度比原来长度增加的百分数表示。
纤维的断裂伸长率是决定纤维加工条件及其制品使用性能的重要指标之一。
断裂伸长率大的纤维手感比较柔软，在纺织加工时可以缓冲所受到的力，毛丝、断头较少，但断裂伸长率也不宜过大，否则织物易变形。
*初始模量
纤维的初始模量即弹性模量是指纤维受拉伸而当伸长为原长的1%时所需的应力。
初始模量表征纤维对小形变的抵抗能力，在衣着上则反映纤维对小的拉伸作用或弯曲作用所表现的硬挺度。
纤维的初始模量越大，越不易变形，亦即在纤维制品的使用过程中形状的改变越小。
*燃烧性能
纤维的燃烧性能是指纤维在空气中燃烧的难易程度。
为了测定和表征纤维及其制品的燃烧性能，国际规定采用“限氧指数”法，所谓限氧指数，就是使着了火的纤维离开火源，而纤维仍能继续燃烧时环境中氮和氧混合气体内所含氧的最低百分率。
*吸湿性
纤维的吸湿性是指在标准温度（20摄氏度，65%相对湿度）条件下纤维的吸水率，一般采用回潮率和含湿率两种指标来表示。
吸湿性能影响纤维的加工性能和使用性能。
吸湿性好的纤维，摩擦和静电作用减小，穿着舒适。
*染色性
染色性包含的主要内容有：
可采用的合适染料、可染得的色谱是否齐全及深浅程度、染色工艺实施的难易、染色均匀性以及染色后的各项染色牢度等。
染色性均匀性反映纤维结构的均匀性，它与纤维生产的工艺条件（特别是纺丝、拉伸和热定型条件）密切相关。
染色均匀性是化学纤维长丝的重要质量指标之一。
*卷曲度
普通合成纤维的表面比较挺直光滑，纤维之间的抱合力较小，不利于纺织加工。
对纤维进行化学、物理、或机械卷曲变形加工，赋予纤维一定的卷曲，可以有效地改善纤维的抱合性，同时增加纤维的蓬松性和弹性，使其织物具有良好的外观和保暖性。
*沸水收缩率
将纤维放在沸水中煮沸30min后，其收缩后的长度与原来长度之比，称为沸水收缩率。
沸水收缩率是反映纤维热定型程度和尺寸稳定性的指标。
沸水收缩率小，纤维的结构稳定性越好。
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