聚乙烯醇湿法纺丝 天津工业大学

前言 聚乙烯醇纤维(PVA)是以聚乙烯醇为原料纺丝制得的合成纤维。将这种纤维经甲醛处理所
得到聚乙烯醇缩甲醛纤维，中国称维纶，国际上称维尼纶。20世纪30年代初期，德国瓦克化 学公司首先制得聚乙烯醇纤维。1939年，日本樱田一郎、矢泽将英和朝鲜李升基将这种纤维 用甲醛处理，制得耐热水的聚乙烯醇缩甲醛纤维，1950年由日本仓敷人造丝公司（现为可乐 丽公司）建成工业化生产装置。1984年聚乙烯醇纤维世界产量为94kt。60年代初，日本维尼 纶公司和可乐丽公司生产的水溶性聚乙烯醇纤维投放市场。我国早在50 年代就进行了醋酸 乙烯、聚乙烯醇和维纶的研究和开发, 并于1962 年自行设计、自行安装制造设备, 建成了 第一套1 000 t/a 的聚乙烯醇及其纤维生产装置，从此揭开了我国工业化生产聚乙烯醇及其 纤维的序幕[1]。中国已经成为世界PVA生产能力及产量最大，同时也是消费量最大的国家， 产量约52万t／a，需求量基本平衡，占世界总量的50％左右。[2] 聚乙烯醇缩甲醛纤维在工业 领域中可用于制作帆布、防水布、滤布、运输带、包装材料、工作服、渔网和海上作业用缆 绳。高强度、高模量长丝可用作运输带的骨架材料、各种胶管、胶布和胶鞋的衬里材料和自 行车胎帘子线等。由于这种纤维能耐水泥的碱性，且与水泥的粘结性和亲合性好，可代替石 棉作水泥制品的增强材料。可与棉混纺，制作各种衣料和室内用品，也可生产针织品。但耐 热性差，制得的织物不挺括，且不能在热水中洗涤。此外，在无纺布、造纸等方面也有使用 价值。
1 实验部分 1.1 原料与设备 1. 实验中使用的 PVA 为纤维级，平均聚合度 1750±50。Na2SO4、HCHO、H2SO4 均为试
剂级。 2. 计量泵规格为 0.8cc/r，喷丝头规格为Ф0.1mm×1000 孔。纺丝流程见图 1
1.2 实验步骤
图 1 纺丝流程示意图
实验工艺流程如下：
由表 1 可知本实验纺出的聚乙烯醇纤维平均断裂强力为 6.116cN，已达到维纶短纤维的干 态断裂强度的标准范围 6.0～8.8cN [4],但断裂伸长率大于 30%，易造成织物变形。可能是因 为湿法纺丝过程初中，凝固浴中形成的纤维含有少量气泡，使其变柔软引起。
强力(cN)
2.2 单根纤维拉伸曲线图
PVA →水洗 →脱水 → 精 PVA →溶解 →过滤 →脱泡 → 纺丝原液 → 计量 →
过滤→纺丝成形 → 初生纤维 → 导丝盘拉伸 → 湿热拉伸 → 干热拉伸 → 热处理
1.水洗和脱水
将 PVA 装在布袋中，室温下采用蒸馏水浸泡洗涤 3 次。每洗涤 1 次，都用离心脱水机进 行脱水。要精确测定含水率，以便溶解时定量补充水分。
合成纤维的纺丝方法，可分为两大类，即熔体纺丝法和溶液纺丝法(包括湿法和干法)。对 聚乙烯醇纤维(PVA)而言，主要使用的方法是溶液纺丝法。湿法纺丝[3]是先把高聚物制成纺 丝原液（成纤高聚物的浓溶液），然后把原液经混合、过滤、脱泡等纺前准备，通过计量泵 精确计量，经烛形过滤器、鹅颈管进入浸没在凝固浴中的喷丝头，从喷丝头毛细孔中挤出的 原液细流进入凝固浴，原液细流中的溶剂向凝固浴扩散，凝固浴中的凝固剂向细流内部扩散， 于是高聚物在凝固浴中析出而形成初生纤维。而干法纺丝是将高聚物溶于易挥发的溶剂中， 通过喷丝孔流，在热空气中形成初生纤维的纺丝方法。[4]本实验中聚乙烯醇采用水为溶剂、 以硫酸钠水溶液为凝固剂进行湿法纺丝。
1.4 实验参数设计（见附录）
2.结果与讨论 2.1 纤维拉伸性能参数
断裂强力 cN 6.116 断裂时间 s 13.227
表 1 聚乙烯醇纤维十次拉伸参数平均值
断裂强度 cN/dTex
断裂伸长率%
3.7067
44.088
屈服强力 cN
屈服伸长 mm
3.22
0.61
断裂功 cN*mm 19.374 初始模量 cN/dTex 110.909
拉伸倍数的计算 拉伸倍数=第经一拉纺伸丝后盘纤纤度度=11.06.25 =6.2 因为 根据实验要求第一导丝盘拉伸一般在室温空气介质中进行，拉伸率控制在 80％以下（拉伸 倍数＜1.8）。湿热拉伸：在第二导丝盘和干燥机之间进行的拉伸，拉伸率在 130％～160％ 左右（拉伸倍数为 2.3～2.6）。干热拉伸：在 210～230℃下进行，一般拉伸 50％～80％（拉 伸倍数为 1.5～1.7）。 所以 设计三个导丝盘拉伸倍数依次分别为 1.4，2.5，1.7（1.4*2.5*1.7 接近于 6.2） 湿热干热拉伸比=2.5/1.7
因为 每分钟喷出量等于供料量 所以 1000*∏*（0.04）2*10-6*6/0.8*10-6=37.68 r/min 所以 供料量=（37.68 r/min）*（0.8ml/r）=30.14ml/min 第一纺丝盘纤度=10000*(30.14*1.02*0.16/4.8*1000)=10.2dtex
2.溶解 水洗后的 PVA 装入溶解釜，加入蒸馏水，配制浓度为 16％，于 95～98℃进行溶解 6～ 8h。 3.过滤、脱泡和纺丝 溶解后的 PVA 溶液经烛形过滤器过滤后进入纺丝釜，于 95℃静置脱泡 4～6h。纺丝原 液经计量泵、烛形过滤器送至喷丝头，自喷丝孔挤出后成为纺丝细流，在过饱和的 Na2SO4 水溶液的凝固浴中凝固成为初生纤维。 凝固浴温度常控制在 43～45℃。喷丝头拉伸为－10％~－30％。 4.拉伸 导盘拉伸：在两组不同转速的导丝盘之间进行的拉伸，为下一步进行较高温度下的湿热 拉伸作准备，一般在室温空气介质中进行，拉伸率在 130％～160％左右。湿热拉伸：在第 二导丝盘和干燥机之间进行的拉伸，拉伸温度较高(>90C)，拉伸介质为饱和硫酸钠水溶液， 拉伸率控制在 80％以下。干热拉伸：在 210～230℃下进行，一般拉伸 50％～80％，纤维在 热辊上往复卷绕 6~8 圈。 5.热处理 热处理温度为 210～230℃。纤维在热辊上往复卷绕 6~8 圈。
8 7 6 5 4 3 2 1 0
拉伸曲线图
0 0.184 0.367 0.551 0.735 0.919 1.102 1.286
1.47 1.653 1.837 2.021 2.204 2.388 2.572 2.756 2.939 3.123 3.307
3.49
伸长(mm)
由单根纤维拉伸曲线图可知，初生纤维达到强力峰值 6.77cN 后断裂,断裂的伸长为 3.49mm。：实验过程中纤维经过热拉伸（2.5 倍）和干拉伸（1.7 倍）后，纤维取向度、结晶 度增加，纤维的断裂强度力和断裂强度都相应增加。
3．结论 经过热拉伸和干热拉伸后，纤维断裂强度力和断裂强度增加。但纺丝过程中，初生纤维存
在少量气泡，使得拉伸后的纤维断裂伸长增大，变得柔软。改善工艺操作和部分工艺参数后 能够制备性能更优异的聚乙烯醇纤维。
参考文献 [1]聚乙烯醇、维纶工业数据手册编委会. 聚乙烯醇、维纶工业数据手册, 1998. 194 [2]聚乙烯醇市场分析，路守彦 [3]合成纤维，1989.02 [4]肖长发等编，化学纤维概论（第二版），中国纺织出版社，2005
1.3 实验记录 纺丝液：浓度16%,密度1.02g/ml 计量泵：0.8 ml/r；转速：38r/min；泵供量：30ml/min 喷丝板孔数1000；孔直径：0.08mm 凝固浴长度1.2m；凝固时间15 秒；凝固浴出生纤维速度：6m/min
导丝盘直径：80mm；一棍转速：18r/min(4.8m/min) 二辊转速：25r/min(拉伸1.4 倍) 湿热拉伸温度：120-150 ℃；转速：67r/min(拉伸2.5 倍) 干热拉伸温度：180-230 ℃；转速：114r/min(拉伸1.7 倍) 成品丝纤度：1.65dtex
题 目：
湿法纺丝综合实验
系：
材料科学与工程
专业： 创新系 班级： 材料 1010 学号： 1010210305
学生波
湿法纺丝综合实验
摘要 以浓度 16%聚乙烯醇（PVA）为原料，通过湿法纺丝方法制得维纶。讨论了工艺参数对性
能的影响。结果表明，经湿干热拉伸比为 2.5：1.7 制得的聚乙烯醇纤维达到一定的标准强度， 但由于在经过饱和硫酸钠凝固浴的过程中，初生纤维含有少量气泡，使得拉伸后的纤维断裂 伸长率过大。
附录： 1．感受
本次湿法纺丝实验是一个和化学纤维概论这门课相结合的大型综合实验。通过这次实验的 学习和实践，我个人更加了解纺丝工艺的过程。虽然每个人实验的时间不是很多，但只要自 己有兴趣，积极主动地参与进去，还是一个很有收获的经历。
2．实验参数设计 第一纺丝盘纤度的计算 由于喷丝头拉伸率应为-10%～-30%, 选取-20%为本实验喷丝头拉伸率 喷丝头拉伸率=（第一喷纺出丝盘速线率速度—1）*100%=-0.2 因为第一纺丝盘的线速度=1.2m/15s=4.8m/min（代入上述公式） 所以喷丝头速度=6m/min