[发明专利]高强高模聚乙烯醇纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚乙烯醇纤维的制备方法，特别是采用通用级聚乙烯醇制备高强高模聚乙烯醇纤维的方法。

背景技术

高强高模聚合物纤维是重要的高性能高分子材料，具有优异的力学性能、耐酸碱腐蚀性，重量轻等特点，是支撑高科技产业发展的重要基础材料。高强高模聚乙烯醇（PVA）纤维作为高性能聚合物纤维的一种，具有高强度、高模量、分散性好、耐酸碱、耐磨损、与基材界面的亲和性好等优点，广泛用作水泥增韧防裂材料、土工布、轮胎帘子线、以及作为塑料和橡胶的增强材料。因此，开发高强高模聚乙烯醇纤维具有良好的发展前景。

由于聚乙烯醇是结晶性聚合物，具有多羟基结构，分子内及分子间氢键作用强，熔点与分解温度过于接近，熔融和分解同时发生，无法直接进行熔融加工，因此传统的聚乙烯醇纤维采用湿法纺丝制备。纤维成型时凝固剂和溶剂发生双向传质，纤维的常规直径在15μm左右，无法制备直径较大的粗旦纤维；且纤维截面呈腰子型，有明显的皮芯结构，无法进行高倍拉伸，拉伸强度仅为500-700MPa，无法满足高强高模的要求。

为了提高聚乙烯醇纤维的强度和模量，克服传统湿法纺丝截面不均匀，拉伸倍数低的问题，国内外进行了大量的研究。如加硼交联纺丝（ZL981013643、JPH10-046428）是加入硼酸或硼砂等交联剂与PVA分子形成交联凝胶结构，克服传统湿法纺丝凝固时PVA分子间的过多缠结的问题，有利于提高总拉伸倍数和强度；干湿法纺丝（叶光斗《维纶通讯》1998年第4期、JPH07-207521)采用高温纺丝和低温凝固相结合的方法，经低温凝固浴后得到伸展分子链的初生纤维，降低了PVA分子间的缠结，提高纤维的后续拉伸，进而提高了纤维的强度和模量；凝胶纺丝（JP1987-90308、CN1092120A）使相互缠结的分子在溶剂中舒展解缠，纺丝后得到高度溶胀的冻胶体初生纤维，降低了链间的次价力和缠结，可用于超高分子量聚乙烯醇的纺丝，通过提高分子量降低大分子链末端缺陷，初生纤维经萃取后可高倍拉伸；聚醋酸乙烯酯（PVAc）直接醇解纺丝（叶光斗《合成纤维工业》1998年第3期）是将PVAc直接纺丝，在纺丝浴中醇解成PVA纤维，降低纺丝时形成氢键作用的羟基数目，得到结晶度较低的初生纤维，提高了纺丝速度和拉伸倍数。但以上所述的纺丝方法都是基于溶液纺丝，仍然需要溶剂和凝固剂，工艺复杂，溶剂、凝固剂等的排出易产生污染。

目前，采用熔融纺丝制备聚乙烯醇纤维也有一些报道，主要包括共聚熔融纺丝、共混熔融纺丝和增塑熔融纺丝。其中共聚熔融纺丝是针对聚乙烯醇的化学结构进行改性，工艺复杂；而共混熔融纺丝存在共混物与聚乙烯醇相容性的问题；增塑熔融纺丝通常是选用小分子增塑剂改性聚乙烯醇，如CN1786302A通过添加小分子含氮化合物、亲水性聚合物辅助剂、水与聚乙烯醇形成分子间氢键作用进行熔融纺丝，但存在小分子添加剂种类繁多，萃取复杂，成本较高的缺点，再例如CN102776597A、CN102797050A、CN102776598A采用水、酰胺类化合物、多元醇等作为塑化剂，但整个体系中所用的水含量较高，需要在其特制的水汽密封型双螺杆挤出机中熔融纺丝，对设备的要求高，不能在常规的熔融纺丝设备上进行纺丝，不具有普适性。

发明内容

本发明的目的解决现有技术的不足，提供一种利用常规的熔融纺丝设备制备高强高模聚乙烯醇纤维的方法，使工艺简单、成本低，并且不对环境产生污染。

技术方案

一种高强高模聚乙烯醇纤维的制备方法，包括如下步骤：

（1）将10-40份多羟甲基化合物与30-70份水混合，作为复合改性剂，再与0.01-5份无机碱性化合物和100份聚乙烯醇在高速混合机中混合均匀，得到改性聚乙烯醇；

（2）将步骤（1）制备的改性聚乙烯醇在熔融纺丝机上进行纺丝，制备聚乙烯醇初生纤维；

（3）将步骤（2）制备的初生纤维进行冷拉伸；

（4）将步骤（3）冷拉伸后的纤维进行干燥；

（5）将步骤（4）干燥后的纤维进行多级热拉伸，最后将纤维进行热定型，即得。

步骤（1）中，所述聚乙烯醇的聚合度为1700-2600，醇解度为88-99%。

以上份数均为重量份数。

步骤（1）中，所述多羟甲基化合物选自三（羟甲基）氨基甲烷、三（羟甲基）甲基甘氨酸、三羟甲基乙烷、三羟甲基丙烷、双（三羟甲基）丙烷、1,3-二羟基丙酮、2,2-二羟甲基丙酸或二羟甲基丁酸中的一种或两种以上任意比例的混合物。多羟甲基化合物和水与聚乙烯醇形成氢键作用，破坏聚乙烯醇的结晶结构，降低其熔点。