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水溶性PVA纤维的溶解过程及其影响因素分析

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第28卷第6期 2011年6月 印染助剂 rEXTⅡ AUXIUARIES V01.28 No.6 Jun.201l 水溶性PVA纤维的溶解过程及其影响因素分析 徐斗峰 ,黄长根 ,唐文君2 7姚金龙 ,何瑾馨 (1.东华大学化学化工与生物工程学院纺织面料技术教育部重点实验室,上海201620; 2.江苏联发纺织股份有限公司,江苏南通226600) 摘 要:采用光学显微镜(OM)和X射线衍射(XRD),分析了完全醇解型聚乙烯醇(PVA)纤维的溶胀溶解过程.探讨了溶解温度、 时间、碱剂(Na0H)和氧化 ̄1](H202)对PVA纤维溶解性能的影响 古果表明:水分子渗入到纤维内部减弱无定形区的氢键作用引起纤维 溶胀,纤维结晶区吸收能量破坏晶格,使水分子渗入晶区内部发生溶胀溶解.影响水溶,性PVA纤维溶解性能的主要因素是溶解温度和 溶解时间;Na 生的凝聚作用抑制了PVA纤维的进一步溶解. 关键词:水溶性PVA纤维;溶胀溶解;氢氧化钠;离子凝聚;氢键 中图分类号:TQ342+.4 文献标识码:A 文章编号:1004—0439(201 1)06—0024—04 Study on the dissolution and influencing factors of water-soluble PVA fiber XU Dou-feng ,HUANG Chang—yen ̄,TANG Wen-jun2,YAO Jin—long ̄,HE Jin-xin (1.Key Laboratory of Textile Science&Technology,Ministry of Eduction,College of Chemisty,Chemircal Engineering and Biotechnology,Donghua University,Shanghai 201620,China; 2.Jiangsu Lianfa Textile Co.,Ltd.,Nantong 226600,China) Abstract:The swelling-dissolution process of fully alcoholysis PVA fiber was investigated by optical micro— scope(OM)and X—ray diffraction(XRD)The effects of dissolution temperature and time,sodium hydroxide and hydrogen peroxide concentrations on the dissolving capability of PVA fiber were discussed.The results showed that the water molecule penetration into the interior of PVA fiber,which weakened the hydrogen bond of amor~ phous region and caused the swelling of PVA fiber.The crystalline region of fibers absorbed the energy and de—— stroyed the crystalline lattice SO that water molecules penetrated into the crystalline region and the fibers com— pletely dissolved.The main factors influencing the PVA fiber dissolution were temperature and time.The agglom— eration resulting frOm the sodium ion within the PVA fiber would hinder its further dissolution Key words:water-soluble PVA fiber;swelling—dissolution;sodium hydroxide;ion agglomeration;hydro— gen bond 水溶性PVA纤维是当前技术水平下唯一能溶解 于水的合成纤维,因成本低、可水解、耐化学腐蚀等特 点被广泛应用于农业、医疗卫生、军事、材料和纺织 领域.[ 1水溶性PVA纤维在传统纺织领域主要应用于 成纱,在后整理过程中将其溶解去除,可以实现高支 轻薄面料的开发.国内外对PVA伴纺高支织物的开发 应用研究较早.I 1其技术关键为:保留纱线强力或织 物风格,实现伴纺PVA纤维的迅速有效溶解去除.目 无捻织物的开发、空心纱材料、无浆或低浆织造技术 以及高支轻薄面料的伴纺载体纱等. 前,文献对伴纺PVA纤维溶解过程及影响因素进行详 尽分析鲜有报道. 将水溶性PVA纤维与棉、麻和羊毛等纤维混纺 收稿日期:2010—08—26 本文以完全醇解型PVA纤维为例,对其溶解过程 作者简介:徐斗峰(1984一),男,陕西安康人,硕士研究生,主要从事新型纯棉超高支弹力色织面料染整理论研究 6期 徐斗峰,等:水溶性PVA纤维的溶解过程及其影响因素分析 及其影响因素进行了分析研究. 1试验 1.1材料与仪器 羞 凿 健 纤维:水溶性PVA纤维(醇解度99%,中国石化四 川维尼纶厂1. 溶胀时I司/min 试剂:氢氧化钠、氨水(均为分析纯),溶剂水(经过 图1 PVA纤维在水溶液中的溶胀比与时间的关系(25℃) 二次蒸馏纯化). 仪器:YS100一Nikon生物光学显微镜f上海精密仪 器仪表有限公司),D/Max一2550型x射线衍射仪(日本 理学电机株式会社),Sartorius BS224S型电子天平[赛多 利斯科学仪器(北京)有限公司】,HZ一8202S往复水浴 恒温振荡器(太仓市科教器材厂),DHG一9053A电热恒 温鼓风干燥箱(上海益恒实验仪器有限公司),PHST-4A 型pH计f上海精诺尔电子设备有限公司). 1.2 PVA纤维溶解工艺 将PVA纤维试样室温放人溶剂中,以1 ̄C/min升 温至预设温度,恒温溶解. 1.3测试 溶胀比=(d。/d0-1)x100%,式中,d。为单根PVA纤维 溶胀前直径,d。为单根纤维溶胀后直径.纤维溶胀情况 在光学显微镜下观察,直径变化通过图像测量软件测 量 ,试验结果取3次平均值;溶解率= 1/m。一1)x100%, 式中,mo为溶解前纤维试样质量,m 为溶解后纤维试 样质量,纤维试样每份2 g.样品溶解前后均在电热恒 温鼓风干燥箱中105℃烘干平衡1 h至恒重,再于硅胶 干燥皿中冷却30 min,在电子天平上精确称重;广角 x射线衍射分析:将纤维试样剪碎,采用粉末法制样, 在X射线衍射仪上分析,测试条件为Cu K 靶( ̄--o.154 nm),电压4O kV,电流200 mA. 2结果与讨论 2.1 PVA纤维溶解过程 PVA纤维的溶解过程分为2个阶段:溶胀和溶解. 表1为室温(25 qc)下PVA纤维在水溶液中溶胀过程 直径的变化.从中可以看出,随溶胀时间的延长,纤维 直径逐渐增加.且外形轮廓变模糊. 表1 PVA纤维溶胀过程中直径的变化 图1表明纤维在水溶液中吸湿溶胀5 min,溶胀 比迅速增加,溶胀30 min后溶胀比增加趋势减缓. PVA纤维是经PVA溶液纺丝牵伸形成,其结晶度 为60%~70%,结晶区分子链规整排列,能阻止溶剂水 分子的渗透,增加了纤维的溶解难度.PVA分子间和分 子内的羟基之间存在着很强的氢键作用,也会阻碍 PVA在水中的溶解.在水溶液中,水分子透过纤维的 毛细空隙扩散到纤维内部无定形区域,引起该区域的 链段溶剂化,削弱了该区域链段间及相邻区域链段间 的氢键作用,为水分子向相邻区域的渗人提供了条件. 随着水分子由外向内逐渐扩散,纤维的异向溶胀使其 直径逐渐增大.但是水分子受结晶区紧密排列结构的 而不能继续深入渗入,故溶胀一定时间后纤维溶 胀比增加趋势变缓. 由图2可知,未处理的PVA纤维主衍射峰出现在 20=19.8。,为(101)和(1Oi)晶面的衍射峰,次衍射峰出现 在20=11.5。(100)、16-3。(001)、22.8。(200)和32.7。(002), 表现出典型的聚乙烯醇单斜结晶结构.【 】PVA纤维经 9O 热水处理30 min后,(001)晶面的衍射峰几乎消 失,(2001晶面的衍射峰吸收强度减少了45%.根据面 积积分计算纤维溶解前后的结晶度分别为68.22%和 61.15%.说明PVA纤维在加热溶解过程中,结晶区吸 收能量,晶格破坏,部分晶区转变为无定形区,晶面的 衍射峰、吸收强度变化,结晶度减小.PVA纤维的结晶 区比重大,只有吸收足够的能量,使结晶区结构完全 破坏后,纤维才能完全溶解. 1o 2o 30 4o 5o 2x(。) a一未处理;b一90℃处理30 min 图2 PVA纤维溶解前后的广角x一射线衍射曲线 2.2影响PVA纤维溶解的因素 2.2.1 溶解温度 由图3可知,当溶解温度低于80℃时,PVA纤维 印染助剂 28卷 溶解率极低,纤维几乎不溶解.原因是PVA纤维的玻 璃化温度( 约85%t61,溶剂水的增塑作用使PVA纤 维的玻璃化温度降低.当温度低于玻璃化温度时,PVA 分子链段“冻结”,纤维不发生溶解.PVA纤维开始溶 解时的温度称为初始溶解温度,PVA纤维的初始溶解 温度约80℃.当溶解温度高于初始溶解温度时,PVA 纤维的溶解率开始增加,100℃时,纤维瞬间完全溶解. 温度对PVA纤维溶解性能的影响,主要从以下3方面 起作用:(1)随着温度升高,水分子热运动的动能增大, 水分子向PvA纤维内部渗透能力增强;f2)温度较高时 纤维膨胀,纤维内部空隙体积增加,促进了纤维的吸 湿溶胀,有利于进一步溶解;(3)PVA纤维具有一定的结 晶度,纤维要完全溶解必须先吸收足够的能量,使结 晶区的分子链摆脱晶格能的“束缚”,运动到非晶区中, 然后扩散溶解在水中发生完全溶解. 静 整 建 溶解温度/oC 图3溶解温度与PVA纤维溶解率的关系 2.2.2溶解时间 从图4可看出,在恒温溶解下,PVA纤维的溶解率 随着溶解时间的延长先迅速增加然后趋于平缓.原因 是PVA纤维的溶解首先在其表面和内部空隙处进 行,纤维溶解后,其表面和内部空隙处的PVA浓度高 于溶液中的PVA浓度,PVA分子链向水相扩散,溶解 率迅速增加.但是,当纤维的溶解速率大于PVA分子 链的扩散速率时,其表面和内部空隙处会形成PVA浓 溶液胶层_7J,这种胶层阻碍了水分子和能量向内部传 递,使溶解时间延长. 褂 堪 姓 溶解时间/min ■一预处理:●一未处理 图4溶解时间与PVA纤维溶解率的关系 另外,在相同溶解时间内,未处理纤维在9O℃水 中的溶解率明显低于预处理纤维(在水溶液中6O℃浸 润处理60 min,使其充分溶胀).原因是未处理PVA纤 维直接投入9O℃热水中,首先是在纤维的表面发生溶 胀,纤维内部还未来得及完全溶胀.而在高温下纤维 表面溶胀后即刻溶解,溶解后形成的PVA浓溶液胶层 抑制了水分子向纤维内部渗透,使纤维的溶解性能下 降.因此,PVA纤维在溶解前应使其内部充分溶胀均匀, 可以缩短溶解时间.采用缓慢升温方式,可以提高纤 维的溶胀均匀性,进而提高纤维溶解效率. 2.2.3碱剂 由表2可知,PVA纤维的溶解率随溶液中NaOH 浓度的增加先升高后下降.0.20 mol/L时,纤维的溶解 率最高,但此时纤维的溶解率较纯水中略低.原因是 PVA纤维的溶解实质是纤维溶胀溶解和溶解后溶液 中PVA分子链再聚集的一个动态平衡过程.在NaOH 溶液中,NaOH可被完全醇解PVA吸收,生成醇钠化合 物.[B1钠离子是水化能力很强的离子,当它与纤维结合 时,会有大量的水分子被带入纤维内部,促进纤维溶 胀,有利于纤维的溶解.同时,NaOH溶液离解出的Na 会形成强电场,使与溶液中PVA—OH结合的水分子脱 离羟基而聚集在Na 周围,PVA分子间羟基氢键的缔 合作用增强,PVA溶液发生凝胶.[91当NaOH浓度<0.20 mol/L时,Na 浓度较小,对PVA溶液的凝胶作用较弱, 此时Na 促进纤维发生溶胀起主导作用;>0.20 mol/L 时,Na 对PVA溶液的凝胶作用增强,Na 使PVA溶液 形成凝胶起主导作用;0.20 mol/L时,Na 对PVA纤维 的溶胀作用和对PVA溶液的凝胶作用趋向平衡. 另外,在氨水溶液中,PVA纤维的溶解率随着氨水 浓度的增大而升高.可能原因是氨水溶液中的NH 分 子与PVA分子链上的羟基之间形成新的氢键作用, 削弱了PVA分子链间原来的氢键作用,促进了纤维的 溶胀溶解.在氨水浓度<0.10 mol/L时,PVA纤维的溶 解率较纯水中低.可能原因是NH 分子除了能与PVA— OH之间形成氢键作用外,也能与溶液中的水分子形 成氢键结合,引起水分子团簇,使溶液中游离的水分 子个数减少,抑制了PVA纤维的溶解.当溶液中氨水 浓度较低时,NH,分子对水分子的团簇作用大于对 PVA纤维的溶解作用,PVA纤维在氨水溶液中的溶 解率较纯水溶液中低.随着氨水浓度的增大,其对纤 维的溶胀溶解作用增强,纤维的溶解率增加.氨水溶 液中的离子效应微弱,难以形成PVA溶液凝胶,因此 PVA纤维在氨水溶液中呈现出与NaOH溶液相反的 溶解现象. 6期 徐斗峰,等:水溶性PVA纤维的溶解过程及其影响因素分析 27 表2不同碱剂浓度与PVA纤维溶解率的关系 注:相同条件下PVA纤维在二次蒸馏纯化水中溶解率为26.50% 表3为PVA纤维在上述溶液中溶解前后的pH 值变化情况,从中可以看出,在NaOH和氨水溶液中, PVA纤维溶解后溶液的pH值较溶解前都有所下降, 原因是PVA纤维在溶解过程中,其端羟基与溶液中的 碱剂发生中和作用,消耗了部分碱剂. 表3 PVA纤维溶解前后溶液的pH值变化情况 3 结论 (1)水溶性PVA纤维的溶解过程是先溶胀后溶解. 溶剂水分子通过毛细空隙渗入到纤维内部引起纤维 溶胀.纤维受热结晶度减小,分子链的规整结构遭到破 坏,PVA分子间的氢键作用完全被水分子与PVA羟 基形成的新的氢键取代后,纤维才能完全溶解. (2)溶解温度和溶解时间对PVA纤维的溶解有较 大影响.纤维在溶解过程中表面会形成浓溶液胶层,阻 碍溶剂分子和能量向纤维内部渗透,PVA纤维内部均 匀溶胀可以缩短溶解时间. (3)NaOH溶液离解出的Na 离子通过水合作用, 可以促进PVA纤维溶胀溶解,同时使PVA溶液发生 凝聚.当溶液中NaOH浓度>O.2O mol/L时,PVA纤维 的溶解受到抑制. 参考文献: 【1]敖利民,唐雯,李向红,等冰溶性聚乙烯醇纤维在传统纺织领域 的应用『J].山东纺织科技,2003,44(1):8—1 1, 【2]吴李国.PVA纤维的应用现状及进展【J】.现代纺织技术,2001,9(4): 52—54. 【3]李龙.水溶性维纶(PVA)纤维及其与羊毛混纺物的水溶解性能 研究fJ1.西安工程科技学院学报,2003,17(1):1—4. [4】 FRANCUCCI G,RODRIGUEZ E S,V6ZQUEZ A.Study of saturated and unsaturated permeability in nature fiber fabrics IJJ.Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2010,41(1):16-21. [5]LEE Y M,KIM S H,KIM S J.Preparation and characteristics of chitin nad poly(vinyl alcoho1)blend[J].Polymer,1996,37(26):5 897-5 905. 【6]梁伯润.高分子物理学[M].北京:中国纺织出版社,2001:1. 【7]章娴君,柯锡明.从高分子结构理论认识PVA浆料的溶解性[J].棉 纺织技术,1982,10(10):17—20. [8】周永元,洪仲秋,施佩娟,等.PVA与碱的作用机理[J】.棉纺织技术, 1982.10(10):20—23. [9 陈友波.9]PVA浆料的退除工艺【J】_印染,2006,32(3):13—15. (上接23页1 参考文献: [1】尹志刚,宫过梁,赵德丰,等徘诱变性芳胺中间体及其偶氮染料【M]. 北京:化学工业出版社,2004. [2 罗钰言.2]德国禁用的偶氮染料及我们的对策[J1.染料工业,1995,32 (3):7-13. 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