CN112226840B - 一种高强高模pva纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强高模PVA纤维及其制备方法，是先将聚乙烯醇溶于二甲基亚砜中，再加入硼酸，至聚乙烯醇完全溶解后得到纺丝液；再进行湿法纺丝，纺丝得到的初生纤维经过第一级凝固浴、初拉伸和第二级凝固浴固化后，再依次经过第一次热拉伸、萃取和第二次热拉伸后制得高强高模PVA纤维；其中，聚乙烯醇的聚合度为9000～9500，间规度为54～56％，醇解度为98～99％；第一级凝固浴是温度为‑11～‑9℃的甲醇或者乙醇，固化时间为2.8～3.0min；第二级凝固浴是温度为‑1～1℃的甲醇或者乙醇，固化时间为1.8～2.0min；制得的高强高模PVA纤维的断裂强度为13.2～15.3cN/dtex，弹性模量为354～409cN/dtex，熔点为249～260℃。

Description

一种高强高模PVA纤维及其制备方法
技术领域
本发明所属聚乙烯醇(PVA)纤维的技术领域，涉及一种高强高模PVA纤维及其制备方法。
背景技术
目前生产高强高模PVA纤维主要采用普通聚合度与间规度的PVA聚合物为原料，该聚合物一般是由醋酸乙烯酯(VAc)为单体通过乳液聚合等方法合成的，其PVA的聚合度为1700～2600，间规度一般为48～51％，这是因为VAc单体分子量较小，反应性质较活泼，且侧基基团空间位阻小，合成出的PVA 聚合度和间规度不高。而采用普通聚合度和间规度的PVA聚合物为原料纺丝时，因分子中端基密度高，且容易形成分子内氢键，导致纤维拉伸倍数低，结晶度低，从而会影响PVA纤维的断裂强度和弹性模量。中国专利CN107268105A公开了一种高强高模PVA纤维及其制备方法和用途，采用聚合度为 1000～2500的聚乙烯醇为原料，制得的PVA纤维断裂强度≥10cN/dtex。中国专利CN101392412A公开了高强维纶及其制备方法，采用聚合度为1700～5000，醇解度为70～99.9％的聚乙烯醇为原料，制得了断裂强度为6～20cN/dtex的维纶纤维。综上所述，虽然有些报道能做到较高的强度，但能够做到高强高模且高熔点的PVA纤维依然较难实现。
因此，研究一种高强度和高模量且具有较高熔点的PVA纤维及其制备方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种高强高模PVA纤维及其制备方法，具体是采用聚合度≥9000的聚乙烯醇作原料，采用含有两级凝固浴的湿法纺丝工艺进行纺丝，并严格控制两级凝固浴的温度和浴间拉伸倍数，最终制备出的高强高模PVA纤维断裂强度为13.2～15.3cN/dtex，弹性模量为 354～409cN/dtex，熔点为249～260℃。
为了达到上述目的，采用的技术方案如下：
一种高强高模PVA纤维的制备方法，先将聚乙烯醇(PVA)溶于二甲基亚砜(DMSO)中，再加入硼酸，至PVA完全溶解后得到纺丝液，再将纺丝液进行湿法纺丝，纺丝得到的初生纤维依次经过第一级凝固浴固化、初拉伸、第二级凝固浴固化后，最后依次经过第一次热拉伸、萃取和第二次热拉伸后制得高强高模PVA纤维；
所述聚乙烯醇的聚合度≥9000；
所述第一级凝固浴的温度为-11～-9℃的甲醇或乙醇，固化时间为2.8～3.0min；第二级凝固浴的温度为-1～1℃的甲醇或乙醇，固化时间为1.8～2.0min；两级凝固浴的溶剂可以相同也可不相同。
第一级凝固浴为低温凝固浴，因为纺丝原液从喷丝孔挤出时受到剪切力的作用，大分子会形成伸直取向，且大分子在硼元素的络合作用下会形成分子间的交联，限制了聚乙烯醇分子的运动，降低了纤维中分子链的缠结。此时如若纺丝原液直接进入空气或较高温度的凝固浴中，纤维中的大分子会受到径向的应变松弛，会恢复至一定的缠结状态，如若进入较低温的甲醇或乙醇凝固浴中，分子间的热运动会迅速降低，大分子瞬间固化，即保持了初生纤维的解缠状态，随着在冷却液中停留时间的延长纤维大分子链会形成固化的伸直链结构。
第二级凝固浴为中温凝固浴，因为经过第一级低温凝固浴固化后的纤维若直接用于后续热拉伸，会因进入空气中的温度突变，使纤维大分子运动加快，导致径向迅速松弛，原有的伸直链状态容易恢复至缠结状态，不利于后续拉伸倍数的提高，从而不利于纤维断裂强度和弹性模量的提高。而在一定倍数的拉伸作用(即初拉伸)下以及过渡温度的凝固浴中可以大幅度减轻这种回缩趋势。另外，进入过渡温度的第二级甲醇或乙醇凝固浴后，小分子运动加快，溶剂和硼离子会大幅度的去除，这有利于拉伸倍数的提高，从而有利于断裂强度和弹性模量的提高。
所述的聚乙烯醇的制备过程为以VBz(苯甲酸乙烯酯)、VAc(醋酸乙烯酯)和VPi(三甲基乙酸乙烯酯)为单体，采用乳液聚合法共聚再经醇解的方法制备聚乙烯醇，包括如下步骤：
(1)将VBz、VAc、VPi和引发剂在一定的条件下进行乳液聚合得到预聚物PVBz-co-PVAc-co-PVPi；所述引发剂为KPS(过硫酸钾)和DMEA(N,N－二甲基乙醇胺)的混合物，所述乳液聚合的乳化剂为 SDS(十二烷基硫酸钠)和OP-10(聚氧乙烯辛基苯酚醚-10)的混合溶液；
(2)将PVBz-co-PVAc-co-PVPi溶于甲醇得到PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液；
(3)将一定浓度的NaOH/甲醇溶液缓慢加入到PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液中，边加边搅拌再继续反应一定时间后得到聚乙烯醇。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，所述初拉伸的拉伸倍数为1.8～2.0倍；第一次热拉伸的温度为188～192℃，拉伸倍数为3.0～3.5倍；所述第二次热拉伸的温度为198～202℃，拉伸倍数为 3.3～3.6倍；纤维刚从低温凝固浴中出来进入空气及第二级稍高温度的凝固浴，大分子活动性增大容易恢复至缠结状态，为了保持大分子链的伸展性需要施加一定的张力，但此时初拉伸的拉伸倍数过高容易导致脆断，且不利于第二级凝固浴中溶剂和交联剂的去除。所述第一次热拉伸的温度为188～192℃，因低温下的形变过程更容易受机械应力控制，纤维不会发生熔融现象，拉伸后纤维大分子会形成部分折叠链结晶，在应***化区原折叠链晶体被破坏，受应力的拉伸作用会转变成伸直链晶体；第二次热拉伸的温度为198～202℃，因在一定范围内，热拉伸温度越高，纤维热拉伸倍数越大，总拉伸倍数越大，但温度过高时，纤维会出现熔断，无法连续性拉伸。这主要是因为随着热拉伸温度的升高，聚乙烯醇纤维内大分子链的活化能增加，链段的运动加快，由于主链上单键的内旋转和链段的运动会改变大分子构象，从而使纤维大分子链在外力作用下更容易伸直取向，使纤维的热拉伸倍数增加，纤维的取向度和结晶度也随之增大，最终使纤维力学性能提高，但温度过高时，纤维容易出现局部溶解并断裂，反而会影响纤维力学性能。
如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，所述萃取采用的溶剂为甲醇或乙醇，温度为 19～20℃，时间为23～24h。
如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，所述纺丝液中，聚乙烯醇的聚合度为9000～9500 (随着聚合度的增加，通过调整纺丝条件可以制备出高强高模的PVA纤维，但是随着聚合度的进一步增加，需要大范围调整纺丝条件，工业上较难实现，因此，优选的用于纤维纺丝的聚合度的范围为 9000～9500)，醇解度为98～99％，间规度为54～56％；聚乙烯醇的质量浓度为13～14wt％，硼酸的质量浓度为0.4～0.5wt％；所述湿法纺丝的工艺参数为：纺丝液挤出速率为3.8～4.0mL/min，纺丝温度85～90℃，喷丝孔孔径为0.32～0.35mm。
如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，所述的聚乙烯醇的制备过程中，VBz、VAc和VPi 的总加入量与所述乳化剂的加入量的摩尔比为100:1.0～2.0；乳化剂中SDS和OP-10的摩尔比为 5.0:1.0～2.0；
VBz、VAc和VPi的总加入量与所述引发剂的加入量的摩尔比为100:0.4～0.6；引发剂中KPS和DMEA 的摩尔比为5.0:2.0～3.0；
单体中VBz、VAc和VPi的摩尔比为20:43～49:31～37；
所述一定条件为反应温度为20～30℃、反应时间为6～8h、在不断搅拌下并用氮气或二氧化碳做保护气进行反应。
如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，所述一定条件反应后还进行提纯、烘干；所述的提纯是指采用正己烷去除剩余的单体；所述烘干温度为60～80℃，烘干时间为12～20h。
如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征在于，所述的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液的浓度为9～10wt％。
如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，所述的NaOH/甲醇溶液的浓度为98～100g/L；醇解时NaOH/甲醇溶液的加入速度为2～3mL/min，边加边搅拌直至出现白色物质停止加入并继续静置反应一定时间；
如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，所述出现白色物质停止加入并继续静置反应的反应时间为0.4～0.6h，反应的温度为50～55℃。
本发明还提供采用如上所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法制备的高强高模PVA纤维，所述高强高模PVA纤维的断裂强度为13.2～15.3cN/dtex，弹性模量为354～409cN/dtex，熔点为249～260℃。
本发明的原理如下：
本发明以VBz、VAc和VPi为单体采用乳液聚合共聚制备聚乙烯醇，以这三种单体聚合与原有技术中的VAc一种单体相比，因另外两种单体的分子量较大，反应活性比VAc小，且该反应在较低的温度下(20～30℃)进行，这样在反应速率可控的情况下更容易得到高聚合度产物；另外，VBz和VPi单体侧基具有苯环和三甲基基团，其均具有较大的空间位阻作用会使得产物的侧基产生间位排列。其中，如若仅VBz和VPi两种单体共聚虽能获取足够高的间规度，但因反应活性太低不易操作，且过高的间规度并不利于纺丝，而VBz含量过高也会因苯环含量过高使得大分子链刚性过高柔韧性不够，影响后续醇解。所以考虑引入一定量的VAc单体，不仅会赋予大分子链一定的柔韧性且根据用量不同可以调控间规度的大小，这样利于制备纺丝用的聚乙烯醇聚合物。制得该预聚物的反应方程式为：
Figure RE-GDA0002850353770000041
进一步地，本发明采用NaOH作为催化剂以及甲醇作为醇解剂对预聚物进行醇解，具体为：NaOH 首先溶于甲醇溶剂中生成甲醇钠，甲醇钠中的CH3O-离子能够打开三种单体侧基基团的碳氧单键，消去了原来间位排列的酯基形成了羟基，则主链上形成了高间规度排列的羟基，即得到了聚乙烯醇聚合物。由于其间规度高，分子链间排列紧密分子间氢键作用增加，结晶度提高，从而熔点也会升高。其中，如若醇解度过小则会因聚合物不纯影响总拉伸倍数，而通过控制NaOH/甲醇溶液的加入速度并不断搅拌，会使醇解更充分。该醇解过程的反应方程式如下：
Figure RE-GDA0002850353770000042
本发明将上述制得的高聚合度和高间规度的PVA聚合物作为纺丝原料，在湿法纺丝过程中，采用先低温凝固浴凝固再经拉伸后进入中温凝固浴的两级凝固浴进行凝固。由于第一级凝固浴温度低，纺丝液由喷丝孔挤出时大分子链会受到喷丝孔剪切力的作用以及纺丝液中硼元素的交联作用使纤维大分子趋向于伸直状态，由于温差较大(喷丝孔中纺丝液的温度和第一级凝固浴的温差)，大分子链的热运动迅速减小，初生纤维瞬间固化，使得大分子的伸直状态得以保持；第二级凝固浴温度高于第一级凝固浴但低于室温，纤维进入以后大分子活动性增强，经过凝固浴的固化后，纤维直径***。此时，在一定倍数的拉伸作用下，能够克服大分子的回缩作用，使其保持伸直链结构。另外，中高温度下溶剂和交联剂也会大量去除；最终都有利于总拉伸倍数的提高，而纤维结晶度及取向度也会随之提高，从而有利于断裂强度、弹性模量和熔点的提高。
本发明还采用硼酸作交联剂以及多倍热拉伸的方式进行湿法纺丝，其优势在于：硼元素能与纤维大分子形成氢键，从而减少大分子链自身及大分子链之间的氢键作用，经过第一次热拉伸后再萃取去除交联剂小分子，这样有利于总拉伸倍数的提高；而多级热拉伸能够使纤维的总拉伸倍数尽可能提高。这些都有利于纤维结晶度的提高，从而有利于PVA纤维断裂强度及弹性模量的提高。
有益效果：
(1)本发明的一种高强高模PVA纤维的制备方法，以高聚合度高间规度的聚乙烯醇为原料，以硼酸为交联剂，采用含有两级凝固浴的湿法纺丝的方式，并通过控制两级凝固浴的温度及浴间拉伸倍数以及多级热拉伸的方法，最终制备出了断裂强度为13.2～15.3cN/dtex，弹性模量为354～409cN/dtex，熔点为249～260℃的高强高模PVA纤维；
(2)本发明的一种高强高模PVA纤维的制备方法制得的纤维可用于制备建筑增强材料，如堤坝护坡、桥梁隧道、围海造田、城市绿化等领域。
附图说明
图1为凝固浴及初拉伸装置示意图；
图2为热拉伸装置示意图；
其中，1-推进泵，2-喷丝头，3-导辊I，4-导辊II，5-导辊III，6-第一级凝固浴，7-第二级凝固浴。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种高强高模PVA纤维的制备方法，是以苯甲酸乙烯酯(VBz)、醋酸乙烯酯(VAc)和三甲基乙酸乙烯酯(VPi)为单体，采用乳液聚合法共聚再经醇解的方法制备聚乙烯醇，具体包括如下步骤：
(1)将VBz、VAc与VPi单体(摩尔比为20:47:33)，引发剂(即摩尔比为5.0:2.0的KPS和DMEA 的混合物)，乳化剂(即摩尔比为5.0:1.0的SDS和OP-10的混合物)，单体总用量与引发剂的摩尔比为100:0.6，单体总用量与乳化剂的摩尔比为100:1.5，在25℃下通入氮气保护气并不断搅拌的条件下反应6.5h，将产物加入过量的正己烷中除去剩余的单体，并在65℃的真空干燥箱内烘干13h，最终制得了PVBz-co-PVAc-co-PVPi预聚物；
(2)将PVBz-co-PVAc-co-PVPi预聚物溶于甲醇中得到质量浓度为9.2wt％的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液；
(3)将100g/L的NaOH/甲醇溶液以2mL/min的速度加入到9.2wt％的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液中，边加边搅拌直到出现白色物质并在55℃的条件下再继续反应0.5h，得到的产物经去离子水冲洗至中性并放入70℃的真空干燥箱内烘干至恒重，制得聚合度为9200，间规度为55％，醇解度为99％的聚乙烯醇。
实施例2
一种高强高模PVA纤维的制备方法，是以苯甲酸乙烯酯(VBz)、醋酸乙烯酯(VAc)和三甲基乙酸乙烯酯(VPi)为单体，采用乳液聚合法共聚再经醇解的方法制备聚乙烯醇，具体包括如下步骤：
(1)将VBz、VAc与VPi单体(摩尔比为20:49:31)，引发剂(即摩尔比为5.0:2.6的KPS和DMEA 的混合物)、乳化剂(即摩尔比为5.0:2.0的SDS和OP-10的混合物)，单体总用量与引发剂的摩尔比为100:0.6，单体总用量与乳化剂的摩尔比为100:1.0，在30℃下通入二氧化碳气体做保护气并不断搅拌的条件下反应7.2h，将产物加入过量的正己烷中除去剩余的单体，并在67℃的真空干燥箱内烘干12h，最终制得了PVBz-co-PVAc-co-PVPi预聚物；
(2)将PVBz-co-PVAc-co-PVPi预聚物溶于甲醇中得到质量浓度为9.7wt％的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/ 甲醇溶液；
(3)将98g/L的NaOH/甲醇溶液以3mL/min的速度加入到9.7wt％的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液中，边加边搅拌直到出现白色物质并在50℃的条件下再继续反应0.6h，得到的产物经去离子水冲洗至中性并放入74℃的真空干燥箱内烘干至恒重，制得聚合度为9000，间规度为54％，醇解度为98％的聚乙烯醇。
实施例3
一种高强高模PVA纤维的制备方法，是以苯甲酸乙烯酯(VBz)、醋酸乙烯酯(VAc)和三甲基乙酸乙烯酯(VPi)为单体，采用乳液聚合法共聚再经醇解的方法制备聚乙烯醇，具体包括如下步骤：
(1)将VBz、VAc与VPi单体(摩尔比为20:43:37)，引发剂(即摩尔比为5.0:3.0的KPS和DMEA 的混合物)，乳化剂(即摩尔比为5.0:1.5的SDS和OP-10的混合物)，单体总用量与引发剂的摩尔比为100:0.4，单体总用量与乳化剂的摩尔比为100:1.6，在20℃下通入氮气保护气并不断搅拌的条件下反应8h，将产物加入过量的正己烷中除去剩余的单体，并在80℃的真空干燥箱内烘干19h，最终制得了 PVBz-co-PVAc-co-PVPi预聚物；
(2)将一定量的PVBz-co-PVAc-co-PVPi预聚物溶于甲醇中得到质量浓度为10wt％的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液；
(3)将99g/L的NaOH/甲醇溶液以2.6mL/min的速度加入到10wt％的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液中，边加边搅拌直到出现白色物质并在55℃的条件下再继续反应0.5h，得到的产物经去离子水冲洗至中性并放入80℃的真空干燥箱内烘干至恒重，制得聚合度为9500，间规度为56％，醇解度为99％的聚乙烯醇。
实施例4
一种高强高模PVA纤维的制备方法，是以苯甲酸乙烯酯(VBz)、醋酸乙烯酯(VAc)和三甲基乙酸乙烯酯(VPi)为单体，采用乳液聚合法共聚再经醇解的方法制备聚乙烯醇，具体包括如下步骤：
(1)将VBz、VAc与VPi单体(摩尔比为20:45:35)，引发剂(即摩尔比为5.0:2.4的KPS和DMEA 的混合物)，乳化剂(即摩尔比为5.0:1.7的SDS和OP-10的混合物)，单体总用量与引发剂的摩尔比为100:0.5，单体总用量与乳化剂的摩尔比为100:2.0，在27℃下通入二氧化碳气体做保护气并不断搅拌的条件下反应6h，将产物加入过量的正己烷中除去剩余的单体，并在60℃的真空干燥箱内烘干20h，最终制得了PVBz-co-PVAc-co-PVPi预聚物；
(2)将PVBz-co-PVAc-co-PVPi预聚物溶于甲醇中得到质量浓度为9.0wt％的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液；
(3)将99g/L的NaOH/甲醇溶液以2.8mL/min的速度加入到9.0wt％的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液中，边加边搅拌直到出现白色物质并在54℃的条件下再继续反应0.4h，得到的产物经去离子水冲洗至中性并放入60℃的真空干燥箱内烘干至恒重，制得聚合度为9300，间规度为55％，醇解度为98％的聚乙烯醇。
实施例5
一种高强高模PVA纤维的制备方法，其步骤如下：
(1)将实施例1制得的聚乙烯醇溶于DMSO中，再加入硼酸，至聚乙烯醇完全溶解后得到纺丝液；其中，纺丝液中，聚乙烯醇的质量浓度为13.5wt％，硼酸的质量浓度为0.4wt％；
(2)将纺丝液进行湿法纺丝，得到的初生纤维经过第一级凝固浴(温度为-9℃的乙醇)固化2.9min，接着经过一次1.8倍的初拉伸进入第二级凝固浴(温度为1℃的乙醇)固化2.0min后；如图1所示，由推进泵1推进纺丝液，并由喷丝头2挤出初生纤维，进入第一级凝固浴6，接着进行初拉伸(通过导辊 I 3和导辊II 4的转速调节来控制拉伸倍数)，然后进入第二级凝固浴7，第二次凝固完成后经过导辊III 5 进行后续的热拉伸；
最后依次经过第一次热拉伸(温度为188℃，拉伸倍数为3.2倍)、萃取(溶剂为乙醇，温度为19℃，时间为23h)和第二次热拉伸(温度为198℃，拉伸倍数为3.5倍)后制得总拉伸倍数为20.2倍的高强高模PVA纤维；其中，湿法纺丝的工艺参数为：纺丝液挤出速率为4mL/min，纺丝温度88℃，喷丝孔孔径为0.32mm；其中，如图2所示，为第一次热拉伸或第二次热拉伸的拉伸装置示意图。
制得的高强高模PVA纤维的断裂强度为14.1cN/dtex，弹性模量为378cN/dtex，熔点为250℃。
对比例1
一种PVA纤维的制备方法，其步骤与实施例5基本相同，不同之处仅在于将第一级凝固浴的温度替换为0℃，在制备过程中，初拉伸倍数以及第一次热拉伸倍数均相同，最终制得的PVA纤维第二次热拉伸倍数为3.2倍，总拉伸倍数为18.4倍，最终制得的PVA纤维断裂强度为12.8cN/dtex，弹性模量为 337cN/dtex，熔点为246℃。
通过对比可以看出，实施例5中的高强高模PVA纤维的指标均优于对比例1，这是因为第一级凝固浴温度高时，由于较小的温差(喷丝孔中纺丝液的温度和凝固浴的温差)不利于保持大分子的解缠结状态，从而不利于总拉伸倍数的提高，最终会影响断裂强度、弹性模量及熔点。
对比例2
一种PVA纤维的制备方法，其步骤与实施例5基本相同，不同之处仅在于将第一级凝固浴、初拉伸和第二级凝固浴替换为仅经过第一级凝固浴，从第一级凝固浴出来的纤维直接进行后续的热拉伸，最终制得的PVA纤维第二次热拉伸倍数为3.1倍，总拉伸倍数为17.9倍，纤维断裂强度为12.3cN/dtex，弹性模量为330cN/dtex，熔点为243℃。
通过对比可以看出，实施例5中的高强高模PVA纤维的指标均优于对比例2，这是因为纤维经在一定倍数的拉伸作用下再进入到温度稍高的第二级凝固浴，能够克服大分子链的回缩作用，使其保持原有的伸直链结构。另外，温度的回升有利于DMSO和硼离子的去除；最终都有利于总拉伸倍数的提高，从而有利于断裂强度、弹性模量和熔点的提高。
对比例3
一种PVA纤维的制备方法，其步骤与实施例5基本相同，不同之处仅在于将初拉伸的拉伸倍数替换为1.4倍，最终制得的PVA纤维第二次热拉伸倍数为3.6倍，总拉伸倍数为16.1倍，纤维断裂强度为 11.9cN/dtex，弹性模量为324cN/dtex，熔点为240℃。
通过对比可以看出，实施例5中的高强高模PVA纤维的指标均优于对比例3，这是因为纤维从第一级凝固出来进入第二级稍高温度凝固浴时，纤维大分子链运动加快，容易恢复至缠结状态，而在此施加一定倍数的初拉伸有利于解缠结状态的维持，但拉力过小起不到阻止回弹的效果，从而最终使拉伸倍数提高不多，最终断裂强度、弹性模量及熔点提高的不多。
实施例6
一种高强高模PVA纤维的制备方法，其步骤如下：
(1)将实施例2制得的聚乙烯醇溶于DMSO中，再加入硼酸，至聚乙烯醇完全溶解后得到纺丝液；其中，纺丝液中，聚乙烯醇的质量浓度为13wt％，硼酸的质量浓度为0.5wt％；
(2)将纺丝液进行湿法纺丝，纺丝得到的初生纤维经过第一级凝固浴(温度为-11℃的乙醇)固化2.9min，接着经过一次2.0倍的初拉伸进入第二级凝固浴(温度为0℃的乙醇)固化1.8min后，最后依次经过第一次热拉伸(温度为192℃，拉伸倍数为3.0倍)、萃取(溶剂为乙醇，温度为19℃，时间为 23h)和第二次热拉伸(温度为202℃，拉伸倍数为3.3倍)后制得总拉伸倍数为19.8倍的高强高模PVA 纤维；其中，湿法纺丝的工艺参数为：纺丝液挤出速率为3.9mL/min，纺丝温度85℃，喷丝孔孔径为 0.35mm；
制得的高强高模PVA纤维的断裂强度为13.2cN/dtex，弹性模量为354cN/dtex，熔点为249℃。
实施例7
一种高强高模PVA纤维的制备方法，其步骤如下：
(1)将实施例3制得的聚乙烯醇溶于DMSO中，再加入硼酸，至聚乙烯醇完全溶解后得到纺丝液；其中，纺丝液中，聚乙烯醇的质量浓度为14wt％，硼酸的质量浓度为0.5wt％；
(2)将纺丝液进行湿法纺丝，纺丝得到的初生纤维经过第一级凝固浴(温度为-10℃的乙醇)固化 3.0min，接着经过一次1.9倍的初拉伸进入第二级凝固浴(温度为-1℃的乙醇)固化1.9min后，最后依次经过第一次热拉伸(温度为192℃，拉伸倍数为3.5倍)、萃取(溶剂为乙醇，温度为20℃，时间为 24h)和第二次热拉伸(温度为198℃，拉伸倍数为3.5倍)后制得总拉伸倍数为23.3倍的高强高模PVA 纤维；其中，湿法纺丝的工艺参数为：纺丝液挤出速率为4.0mL/min，纺丝温度90℃，喷丝孔孔径为 0.32mm；
制得的高强高模PVA纤维的断裂强度为15.3cN/dtex，弹性模量为409cN/dtex，熔点为260℃。
实施例8
一种高强高模PVA纤维的制备方法，其步骤如下：
(1)将实施例4制得的聚乙烯醇溶于DMSO中，再加入硼酸，至聚乙烯醇完全溶解后得到纺丝液；其中，纺丝液中，聚乙烯醇的质量浓度为13.6wt％，硼酸的质量浓度为0.5wt％；
(2)将纺丝液进行湿法纺丝，纺丝得到的初生纤维经过第一级凝固浴(温度为-9℃的甲醇)固化 2.8min，接着经过一次1.8倍的初拉伸进入第二级凝固浴(温度为1℃的甲醇)固化1.9min后，最后依次经过第一次热拉伸(温度为191℃，拉伸倍数为3.4倍)、萃取(溶剂为甲醇，温度为20℃，时间为 23h)和第二次热拉伸(温度为199℃，拉伸倍数为3.6倍)后制得总拉伸倍数为22.0倍的高强高模PVA 纤维；其中，湿法纺丝的工艺参数为：纺丝液挤出速率为3.8mL/min，纺丝温度90℃，喷丝孔孔径为 0.33mm；
制得的高强高模PVA纤维的断裂强度为14.8cN/dtex，弹性模量为382cN/dtex，熔点为252℃。

Claims (9)

1.一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征是：先将聚乙烯醇溶于二甲基亚砜中，再加入硼酸，至聚乙烯醇完全溶解后得到纺丝液；再将纺丝液进行湿法纺丝，纺丝得到的初生纤维依次经过第一级凝固浴固化、初拉伸、第二级凝固浴固化后，最后依次经过第一次热拉伸、萃取和第二次热拉伸后制得高强高模PVA纤维；
所述纺丝液中，聚乙烯醇的聚合度为9000~9500，醇解度为98~99%，间规度为54~56%；
所述湿法纺丝的工艺参数为：纺丝液挤出速率3.8~4.0mL/min，纺丝温度85~90℃，喷丝孔孔径为0.32~0.35mm；
所述第一级凝固浴为温度为-11~-9℃的甲醇或乙醇，固化时间为2.8~3.0min；第二级凝固浴的温度为-1~1℃的甲醇或乙醇，固化时间为1.8~2.0min；
所述初拉伸的拉伸倍数为1.8~2.0倍；第一次热拉伸的温度为188~192℃，拉伸倍数为3.0~3.5倍；所述第二次热拉伸的温度为198~202℃，拉伸倍数为3.3~3.6倍；
所述的聚乙烯醇的制备过程为以VBz、VAc和VPi为单体，采用乳液聚合法共聚再经醇解的方法制备，包括如下步骤：
（1）将VBz、VAc、VPi和引发剂在一定条件下进行乳液聚合得到预聚物PVBz-co-PVAc-co-PVPi；所述引发剂为KPS和DMEA的混合物，所述乳液聚合的乳化剂为SDS和OP-10的混合溶液；
（2）将PVBz-co-PVAc-co-PVPi溶于甲醇得到PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液；
（3）将一定浓度的NaOH/甲醇溶液缓慢加入到PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液中，边加边搅拌再继续反应一定时间后得到聚乙烯醇。
2.根据权利要求1所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征在于，所述萃取采用的溶剂为甲醇或乙醇，温度为19~20℃，时间为23~24h。
3.根据权利要求1所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征在于，所述纺丝液中，聚乙烯醇的浓度为13~14wt%，硼酸的浓度为0.4~0.5wt%。
4.根据权利要求3所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的制备过程中，VBz、VAc和VPi的总加入量与所述乳化剂的加入量的摩尔比为100:1.0~2.0；乳化剂中SDS和OP-10的摩尔比为5.0:1.0~2.0；
VBz、VAc和VPi的总加入量与所述引发剂的加入量的摩尔比为100:0.4~0.6；引发剂中KPS和DMEA的摩尔比为5.0:2.0~3.0；单体中VBz、VAc和VPi的摩尔比为20:43~49:31~37；
所述一定条件为反应温度为20~30℃、反应时间为6~8h、在不断搅拌下并用氮气或二氧化碳做保护气进行反应。
5.根据权利要求4所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征在于，所述一定条件反应后还进行提纯、烘干；所述提纯是指采用正己烷去除反应产物中剩余的单体；所述烘干温度为60~80℃，烘干时间为12~20h。
6.根据权利要求5所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征在于，所述的PVBz-co-PVAc-co-PVPi/甲醇溶液的浓度为9~10wt%。
7.根据权利要求6所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征在于，所述NaOH/甲醇溶液的浓度为98~100g/L；醇解时NaOH/甲醇溶液的加入速度为2~3mL/min，边加边搅拌直至出现白色物质停止加入并继续反应。
8.根据权利要求7所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法，其特征在于，所述出现白色物质停止加入并继续反应的反应时间为0.4~0.6h，反应温度为50~55℃。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的一种高强高模PVA纤维的制备方法制备的高强高模PVA纤维，其特征在于，所述的高强高模PVA纤维的断裂强度为13.2~15.3cN/dtex，弹性模量为354~409cN/dtex，熔点为249~260℃。
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