水溶性维纶纤维的性能测试与分析

曹秋玲，杨中华，王 琳，2，陈莉娜，张龙鹏

(1.河南工程学院 纺织工程学院，河南 郑州 450007；2.郑州市君友纺织品织造有限公司，河南 郑州 450048)

维纶又称维尼纶，是聚乙烯醇(PVA)缩甲醛纤维的商品名称。目前，高强高模维纶、阻燃维纶和水溶性维纶等改性聚乙烯醇纤维成为维纶纤维发展的主流[1-2]。水溶性维纶纤维具有亲水性并且可以溶于水[3]。日本在20世纪60年代就开始了水溶性维纶纤维的工业化生产[4]，我国在20世纪90年代成功开发出一系列低温水溶性维纶纤维。本研究对溶解温度为20 ℃、40 ℃、70 ℃、80 ℃的水溶性维纶纤维的纵向形态、红外光谱、强伸度、卷曲性能和水溶性能进行测试，并与普通维纶纤维进行对比分析，以期全面了解水溶性维纶纤维的结构与性能特点，为其应用提供理论参考。

1 实验

1.1 实验试样及规格

水溶性维纶纤维和普通维纶纤维试样的长度为38 mm，线密度为1.5 dtex。

1.2 实验方法

利用SIGMA 500型扫描电子显微镜观测纤维的纵向形态。

利用Nicolet 6700 型傅里叶变换红外光谱仪对纤维进行成分分析，波数为600～4 000 cm-1，分辨率为32 cm-1。

利用XQ-2型单纤维强力实验仪测试纤维的强伸性能，强力机的夹持距离为20 mm，拉伸速度为 20 mm/min。

利用YG362B型纤维卷曲弹性仪测试纤维的卷曲性能，试样夹持长度为20 mm，加轻负荷0.3 mN、重负荷7.5 mN。

利用SHA-C型数字水浴恒温振动器、YG747型通风式快速八篮烘箱测试纤维的水溶性能。称取不同溶解温度的水溶性维纶纤维各5 g，将试样放入烧杯中，每份样品加入500 mL水，放在恒温水浴锅中，在20 ℃、40 ℃、70 ℃、80 ℃条件下进行处理，实验中需要不断搅拌以加速纤维溶解，水浴时间为30 min。将纤维取出沥干水分，在(105±3)℃的烘箱内烘至质量恒定，冷却至室温后称其质量，计算水溶性维纶纤维的水溶解度：

(1)

式中：A为维纶纤维的水溶解度，%；m1为处理前纤维的质量，g；m2为处理后纤维的质量，g。

2 结果与分析

2.1 纵向形态

观测到20 ℃、40 ℃、70 ℃、80 ℃水溶性维纶纤维和普通维纶纤维的纵向形态，分别见图1至图5。

图1 20 ℃水溶性维纶纤维的纵向形态Fig.1 Longitudinal morphology of 20 ℃water-soluble polyvinyl alcohol fiber

图2 40 ℃水溶性维纶纤维的纵向形态Fig.2 Longitudinal morphology of 40 ℃water-soluble polyvinyl alcohol fiber

图3 70 ℃水溶性维纶纤维的纵向形态Fig.3 Longitudinal morphology of 70 ℃water-soluble polyvinyl alcohol fiber

从图1至图5可以看出，各种水溶性维纶纤维的纵向形态基本相似，较平直光滑，呈圆柱体，普通维纶纤维纵向有明显沟槽。这与纤维的纺丝方法有关，水溶性维纶纤维采用溶剂湿法冷却凝胶纺丝，纤维结构均匀，有利于高倍拉伸，对空气湿度不敏感，物理机械性能好[5]；普通维纶纤维采用湿法纺丝，纤维截面为腰圆形。

2.2 红外光谱

水溶性维纶纤维和普通维纶纤维的红外光谱见图6。由图6可以看出，水溶维纶纤维和普通维纶纤维的红外光谱基本相同，在3 337 cm-1、1 240 cm-1和823 cm-1附近均出现维纶纤维的典型特征谱带。水溶性维纶纤维的醇解度低于普通维纶纤维，吸湿性能更好，在1 645 cm-1附近因吸收水分较多产生较强的H—O—H吸收带，且溶解温度越低，表现得越明显。

图6 纤维的红外光谱Fig.6 Infrared spectrogram of the fiber

2.3 拉伸性能

水溶性维纶纤维和普通维纶纤维的拉伸性能测试结果见表1。

由表1可知，水溶性维纶纤维的断裂强度小于普通维纶纤维，断裂伸长率大于普通维纶纤维。随着水溶温度的升高，水溶性维纶纤维的断裂强度增加。这是由于水溶性维纶纤维的溶解温度与其在生产加工过程中的拉伸倍数和热处理温度有关。拉伸倍数大，热处理温度低、时间短，则纤维的取向度低、结晶度低、水溶性能好，但纤维的强度下降、热收缩较大，所制成织物的耐用性和尺寸稳定性差。

表1 纤维拉伸性能测试结果Tab.1 Test results of the fiber tensile properties

2.4 卷曲性能

水溶性维纶纤维和普通维纶纤维的卷曲性能测试结果见表2。

表2 纤维卷曲性能测试结果Tab.2 Test results of the fiber crimp properties

由表2可知，水溶性维纶纤维的卷曲率、卷曲弹性率、卷曲回复率、卷曲数略高于普通维纶纤维。纤维卷曲数多，有利于纤维之间摩擦抱合，且能使纤维的横向体积增加，作为填充物时有更好的蓬松性和弹性。纤维的卷曲率越高，表示纤维卷曲程度越高，纤维之间的摩擦力和抱合力越大，对于纤维的卷绕和纤维加工中的成网、成条越有益。由此可知，水溶性维纶纤维可纺性能优良，制成的织物蓬松性与弹性较好。

2.5 水溶性能

20 ℃、40 ℃、70 ℃、80 ℃水溶性维纶纤维在不同水浴温度下的溶解程度见表3。

表3 纤维的水溶性能测试结果Tab.3 Test results of the fiber water solubility

由表3可知，随着水浴温度的升高，水溶性维纶纤维的溶解程度提升。在实验过程中，20 ℃水溶维纶纤维在20 ℃水中放置20 min左右就已经达到完全溶解状态，并且溶液不含细小杂质；40 ℃水溶性维纶纤维在20 ℃时可以少部分溶解，但溶解过程比较困难，40 ℃水浴30 min能够达到完全溶解；70 ℃水溶性维纶纤维在20 ℃时几乎不溶解，40 ℃水浴30 min有少量溶解，70 ℃水浴30 min基本溶解；80 ℃水溶性维纶纤维在70 ℃时产生熔融状态纤维，形成浓溶液胶层，当水浴温度升到80 ℃时，仍存在少量浓溶液胶层且不易取出，故认为溶解程度接近100%。

水溶性维纶纤维在水中的溶解程度受到纤维聚合度、结晶度，尤其是醇解度的影响。纤维的溶解过程是先溶胀后溶解，水分子通过毛细作用进入纤维分子内部引起纤维溶胀，加热过程使纤维内部温度升高，分子链的规整结构遭到破坏，纤维的结晶度降低，当纤维分子间的氢键完全被水分子与纤维分子中羟基形成的新的氢键取代后，纤维才能完全溶解[6]。

20 ℃和40 ℃水溶性维纶纤维可以用来制作高档绣花的底布，既便于绣花后清除，又节能环保，还可以用于面料假缝、花边分离、水溶性包装和卫生用品等材料。70 ℃水溶性维纶纤维添加到纸浆中，可以显著提高纸张的强度[7]。70 ℃和80 ℃水溶性维纶纤维被广泛用于无捻毛巾、浴巾的开发，其织物柔软且吸水性好，与羊毛等纤维伴纺后再溶解，可以开发轻薄的纺织产品。

3 结论

对20 ℃、40 ℃、70 ℃、80 ℃水溶性维纶纤维和普通维纶纤维进行纵向形态、红外光谱、强伸度、卷曲性能和水溶性能的测试和分析，得出以下结论：

水溶性维纶纤维采用溶剂湿法冷却凝胶纺丝，不同水溶温度的维纶纤维纵向形态基本相似，较平直光滑；普通维纶纤维采用湿法纺丝，纤维纵向有明显沟槽。水溶性维纶纤维和普通维纶纤维的红外光谱基本相同，表现出维纶纤维的典型特征谱带，水溶性维纶纤维的吸湿性能更好，产生较强的H—O—H吸收带。水溶性维纶纤维的溶解温度与其生产加工中的拉伸倍数和热处理温度有关，水溶性维纶纤维的断裂强度小于普通维纶纤维，断裂伸长率大于普通维纶纤维。水溶性维纶纤维的卷曲数、卷曲率、卷曲回复率、卷曲弹性率略高于普通维纶纤维，有利于纤维之间摩擦抱合，可纺性能优良。水溶性维纶纤维在水中的溶解程度受到纤维聚合度、结晶度，尤其是醇解度的影响，随着水浴温度的升高，水溶性维纶纤维的溶解程度提升。