高強度PVC纖維濕法紡絲工藝及其性能研究

馮 凱，劉 蓉，王穎杰，魏發云，胡佳麗，張 偉

(南通大學紡織服裝學院，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、絕緣性且化學穩定性高，耐酸堿和有機溶劑，耐微生物腐蝕[3-4]。由于PVC纖維容易產生靜電，且燃燒時會釋放氯氣，在服用領域的應用逐漸減少，然而在建筑、消防、漁業、冶金、石化等行業有很好的應用前景[5-11]。目前工業化PVC纖維強度較低，多采用熔融紡絲制得。由于PVC存在熱穩定性差、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定性[12-13]。因此，高分子量PVC更難以實現高濃度紡絲。

用濕法紡絲技術制備PVC纖維具有工藝簡單、生產周期短、成本低廉等優點。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構與性能的影響。

1 試驗部分

1.1 實驗原料

PVC樹脂(K-value 72-71)(上海邁瑞爾化學技術有限公司)；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，進行脫泡，待脫泡完全后，采用實驗室自制的小型濕法紡絲機進行紡絲，紡絲溶液依次經過計量泵、濾網、噴絲組件、噴絲頭進入凝固浴，在凝固浴中發生置換反應固化成絲。而后經導絲輥引入一定溫度的熱水浴中洗滌，通過調節前后導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次以洗凈其內部溶劑，最后將絲卷置于空氣中風干得到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纖維的取向度，每組纖維樣品取5段進行測試纖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)纖維拉伸強度測定。采用上海新纖儀器公司的XQ-1C型號纖維強伸度儀測定單根纖維強度及斷裂伸長率，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。穩態流變性能和動態流變性能采用安東帕MCR102型高級旋轉流變儀進行測定。穩態流變性能設定的剪切速率范圍為0.1-400s-1，溫度分別為30℃、45℃和60℃。動態流變性能設定頻率范圍為: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力。

2 結果與討論

2.1 紡絲液流變性能

2.1.1 溫度對紡絲溶液穩態流變性能的影響

溫度對PVC紡絲液穩態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，表現為切力變稀(假塑性)流體，且隨著溫度的升高，這種特性表現得更突出。這是因為當剪切速率增大時，材料內部的分子鏈纏結點由于外力作用被打開，因此纏結點濃度降低，導致表觀黏度下降；同時隨著溫度的升高，分子無規則熱運動加速，鏈段運動能力增強，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性。

圖1 不同溫度時，PVC紡絲液穩態流變曲線

2.1.2 溫度對動態模量和內耗的影響

紡絲溶液的動態流變行為可以反應溶液在不同交變應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數黏度與角頻率的關系。由圖2可知，當角頻率相同情況下，紡絲溶液的復數粘度隨溫度的升高而降低，出現切力變稀的現象。圖3為PVC紡絲液G＇和G″隨角頻率的變化趨勢，由圖3可發現，溫度越高，紡絲液的G＇和G″越低，且在低頻區變化較為明顯，這種現象的程度隨著角頻率的增加而變減弱。粘彈性可通過動態實驗來研究。儲能模量(G＇)表征材料的彈性，損耗模量(G″)反映粘性大小，η表示溶液的復數黏度，ω表示角頻率。

圖2 PVC紡絲液復數黏度與角頻率關系曲線

圖3 PVC紡絲液動態模量與角頻率的關系曲線

2.2 凝固浴濃度對纖維結構與性能的影響

在濕法紡絲中，纖維結構的形成是溶劑和非溶劑雙擴散和相分離的結果。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構與性能的影響，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℃，經過不同凝固浴后牽伸4倍所得的纖維表面形態如圖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，發生在纖維表面的雙擴散劇烈，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生解取向，從而導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，纖維更易發生取向。當凝固浴濃度為50%時，纖維的纖度最低，斷裂強度最高。

表1 凝固浴濃度對纖維機械性能的影響

2.3 牽伸倍數對纖維機械性能的影響

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為拉伸倍數對纖維聲速取向的影響，下頁表3為拉伸倍數對纖維機械性能及纖維取向度的影響。從2中可以看出，隨著拉伸倍數的增大，纖維的纖度降低，強度增大，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生分子鏈沿受力方向的取向再結晶，并且隨著拉伸倍數的增大，PVC纖維的取向程度增大，大分子鏈規整排列，所以PVC纖維受到外力作用時受力更平均，斷裂強度因而得到提高，斷裂伸長率下降。

表2 拉伸倍數對纖維聲速取向的影響

表3 拉伸倍數對纖維機械性能的影響

3 結論

本文通過濕法紡絲技術成功制備了高強度PVC纖維，探究了紡絲條件對纖維性能的影響，得到如下結論。

(1)隨著紡絲溫度的升高，紡絲溶液的流動性能變好；當紡絲溫度為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表面形貌及其力學性能。

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