高強(qiáng)度PVC纖維濕法紡絲工藝及其性能研究

馮 凱，劉 蓉，王穎杰，魏發(fā)云，胡佳麗，張 偉

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

聚氯乙烯(PVC)纖維是一種聚氯烯烴纖維，由PVC或其共聚物制成的一種合成纖維，我國簡稱氯綸[1-2]。PVC纖維具有較好的保暖性、絕緣性且化學(xué)穩(wěn)定性高，耐酸堿和有機(jī)溶劑，耐微生物腐蝕[3-4]。由于PVC纖維容易產(chǎn)生靜電，且燃燒時會釋放氯氣，在服用領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸減少，然而在建筑、消防、漁業(yè)、冶金、石化等行業(yè)有很好的應(yīng)用前景[5-11]。目前工業(yè)化PVC纖維強(qiáng)度較低，多采用熔融紡絲制得。由于PVC存在熱穩(wěn)定性差、加工溫度范圍窄，加工流動性差等缺點，使其在熔融紡絲工藝中需要添加增塑劑用以改善流動性及熱穩(wěn)定性[12-13]。因此，高分子量PVC更難以實現(xiàn)高濃度紡絲。

用濕法紡絲技術(shù)制備PVC纖維具有工藝簡單、生產(chǎn)周期短、成本低廉等優(yōu)點。本文以高分子量的PVC為原料，將PVC樹脂溶解于四氫呋喃(THF)與二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶劑中，得到不同濃度的紡絲原液，采用濕法紡絲制備PVC纖維，并重點討論了紡絲溫度對纖維可紡性的影響，以及凝固浴濃度和牽伸倍率對纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響。

1 試驗部分

1.1 實驗原料

PVC樹脂(K-value 72-71)(上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司)；四氫呋喃，AR級99.0%(Aladdin有限公司)；二甲基甲酰胺，AR級，99.5%(Aladdin有限公司)；二甲基亞砜，AR級，＞99%(GC)(Aladdin有限公司)。

1.2 PVC纖維制備

配置四氫呋喃與二甲基甲酰胺的混合溶液，將PVC樹脂置于混合溶液中在50℃下攪拌溶解，得到PVC紡絲原液。之后PVC溶液置于紡絲釜內(nèi)，進(jìn)行脫泡，待脫泡完全后，采用實驗室自制的小型濕法紡絲機(jī)進(jìn)行紡絲，紡絲溶液依次經(jīng)過計量泵、濾網(wǎng)、噴絲組件、噴絲頭進(jìn)入凝固浴，在凝固浴中發(fā)生置換反應(yīng)固化成絲。而后經(jīng)導(dǎo)絲輥引入一定溫度的熱水浴中洗滌，通過調(diào)節(jié)前后導(dǎo)絲輥速度使初生絲獲得牽伸并將其收卷。之后將絲卷放入去離子水中清洗數(shù)次以洗凈其內(nèi)部溶劑，最后將絲卷置于空氣中風(fēng)干得到PVC纖維。

1.3 測試方法

(1)微觀形貌表征。將纖維表面進(jìn)行噴金處理后采用COXEM型EM-30PLUS臺式掃描電鏡觀察纖維樣品表面。加速電壓:10kv。

(2)取向度測定。取70cm長的PVC纖維，用SCY-III聲速取向測量儀測試?yán)w維的取向度，每組纖維樣品取5段進(jìn)行測試?yán)w維在儀器探針距離為20cm和40cm的傳播時間，記為t20和t40，用倍長法計算聲速值C，然后取其平均值。由莫斯萊公式求出各纖維樣品的聲速取向因子(fs)。

式中:fs為纖維試樣的聲速取向因子；Cu可參照非取向聚丙烯的聲速值，為1.45km/s；C為纖維試樣的實測聲速值(km/s)。

(3)纖維拉伸強(qiáng)度測定。采用上海新纖儀器公司的XQ-1C型號纖維強(qiáng)伸度儀測定單根纖維強(qiáng)度及斷裂伸長率，測試時上下纖維夾具間距為50mm，拉伸速率為50mm/min，每個樣品測30組取平均值。

(4)流變性能測試。穩(wěn)態(tài)流變性能和動態(tài)流變性能采用安東帕MCR102型高級旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行測定。穩(wěn)態(tài)流變性能設(shè)定的剪切速率范圍為0.1-400s-1，溫度分別為30℃、45℃和60℃。動態(tài)流變性能設(shè)定頻率范圍為:0.1 rads-1～100 rads-1，溫度分別為30℃、45℃和60℃，并對溶液樣品施加固定頻率的正弦應(yīng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲液流變性能

2.1.1 溫度對紡絲溶液穩(wěn)態(tài)流變性能的影響

溫度對PVC紡絲液穩(wěn)態(tài)流變性能的影響如圖1所示。由圖1可知，在三種溫度下PVC紡絲液的表觀黏度隨剪切速率的增加呈下降趨勢，表現(xiàn)為切力變稀(假塑性)流體，且隨著溫度的升高，這種特性表現(xiàn)得更突出。這是因為當(dāng)剪切速率增大時，材料內(nèi)部的分子鏈纏結(jié)點由于外力作用被打開，因此纏結(jié)點濃度降低，導(dǎo)致表觀黏度下降；同時隨著溫度的升高，分子無規(guī)則熱運動加速，鏈段運動能力增強(qiáng)，分子鏈間距離增大，聚合物流動性提高，紡絲溶液表觀粘度隨著溫度的上升顯著下降，這表明紡絲液的表觀粘度對溫度具有響應(yīng)性。

圖1 不同溫度時，PVC紡絲液穩(wěn)態(tài)流變曲線

2.1.2 溫度對動態(tài)模量和內(nèi)耗的影響

紡絲溶液的動態(tài)流變行為可以反應(yīng)溶液在不同交變應(yīng)力下粘度的變化情況，可以更好的分析紡絲溶液的可紡性。圖2為PVC紡絲液在不同溫度時復(fù)數(shù)黏度與角頻率的關(guān)系。由圖2可知，當(dāng)角頻率相同情況下，紡絲溶液的復(fù)數(shù)粘度隨溫度的升高而降低，出現(xiàn)切力變稀的現(xiàn)象。圖3為PVC紡絲液G＇和G″隨角頻率的變化趨勢，由圖3可發(fā)現(xiàn)，溫度越高，紡絲液的G＇和G″越低，且在低頻區(qū)變化較為明顯，這種現(xiàn)象的程度隨著角頻率的增加而變減弱。粘彈性可通過動態(tài)實驗來研究。儲能模量(G＇)表征材料的彈性，損耗模量(G″)反映粘性大小，η表示溶液的復(fù)數(shù)黏度，ω表示角頻率。

圖2 PVC紡絲液復(fù)數(shù)黏度與角頻率關(guān)系曲線

圖3 PVC紡絲液動態(tài)模量與角頻率的關(guān)系曲線

2.2 凝固浴濃度對纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響

在濕法紡絲中，纖維結(jié)構(gòu)的形成是溶劑和非溶劑雙擴(kuò)散和相分離的結(jié)果。過高或過低的凝固浴濃度對纖維的成形都是不利的，因此紡絲時必須選擇合適的凝固浴濃度，才能得到綜合性能良好的纖維[14]。為了探究凝固浴濃度對初生纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響，用濃度為25%的紡絲液通過濕法紡絲制備PVC纖維，二甲基亞砜(DMSO)的水溶液作為凝固浴，濃度分別為30%、40%、50%、60%，溫度為40℃，經(jīng)過不同凝固浴后牽伸4倍所得的纖維表面形態(tài)如圖4。從圖4中可看出，凝固浴濃度為40%和50%時，纖維表面較為光滑，劃痕與凹槽變少；凝固浴濃度為30%和60%時，纖維表面凹槽變多，光滑度變低。這是因為凝固浴濃度較低時，纖維與凝固浴中溶劑存在較大的濃度梯度，發(fā)生在纖維表面的雙擴(kuò)散劇烈，纖維的表面迅速固化，表面分子來不及延剪切力方向排列，從而使得纖維表面有些許凹槽與劃痕。隨著凝固浴濃度增大，雙擴(kuò)散速率降低，大分子可延剪切力方向排列，因此纖維表面光滑度提高，凹槽與劃痕減少。然而當(dāng)凝固浴濃度過高時，纖維凝固速率變低，表面大分子延剪切力方向發(fā)生解取向，從而導(dǎo)致纖維表面光滑度下降，凹槽與劃痕變多。

圖4 凝固浴濃度對PVC纖維表面形貌的影響

凝固浴濃度對PVC纖維機(jī)械性能的影響如表1所示。隨著凝固浴濃度的增大，PVC纖維的纖度先增大后降低再增大。這表明較高的凝固浴濃度有利于纖維成型時的雙擴(kuò)散、相分離過程，纖維表層凝固較慢，在外力的拉伸下，纖維更易發(fā)生取向。當(dāng)凝固浴濃度為50%時，纖維的纖度最低，斷裂強(qiáng)度最高。

表1 凝固浴濃度對纖維機(jī)械性能的影響

2.3 牽伸倍數(shù)對纖維機(jī)械性能的影響

用濃度為25%的紡絲液通過濕法紡絲制備PVC纖維，凝固浴為50%二甲基亞砜(DMSO)的水溶液，紡絲溫度為60℃。表2為拉伸倍數(shù)對纖維聲速取向的影響，下頁表3為拉伸倍數(shù)對纖維機(jī)械性能及纖維取向度的影響。從2中可以看出，隨著拉伸倍數(shù)的增大，纖維的纖度降低，強(qiáng)度增大，斷裂伸長率降低，聲速取向因子變高，取向度升高。這是由于PVC纖維在外力的作用下發(fā)生分子鏈沿受力方向的取向再結(jié)晶，并且隨著拉伸倍數(shù)的增大，PVC纖維的取向程度增大，大分子鏈規(guī)整排列，所以PVC纖維受到外力作用時受力更平均，斷裂強(qiáng)度因而得到提高，斷裂伸長率下降。

表2 拉伸倍數(shù)對纖維聲速取向的影響

表3 拉伸倍數(shù)對纖維機(jī)械性能的影響

3 結(jié)論

本文通過濕法紡絲技術(shù)成功制備了高強(qiáng)度PVC纖維，探究了紡絲條件對纖維性能的影響，得到如下結(jié)論。

(1)隨著紡絲溫度的升高，紡絲溶液的流動性能變好；當(dāng)紡絲溫度為60℃時，紡絲溶液流動綜合性較好，極大增加了PVC纖維的可紡性。

(2)隨著凝固浴濃度的升高，PVC纖維的斷裂強(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢；較高的凝固浴濃度有利于改善PVC表面形貌及其力學(xué)性能。

(3)當(dāng)凝固浴濃度為50%時，初生纖維的濕拉伸倍數(shù)為4倍時制備的PVC纖維力學(xué)性能最好，其斷裂強(qiáng)度可達(dá)6.73cN/dtex，斷裂伸長率約為12.23%。