纺丝、拉伸和热处理后的纤维,就其力学性能而言,已能符合应用的需要,特别是对那些不与水相接触的制品。但是,由于PVA亲水性强,纤维在接近沸点的水中,不仅会发生溶胀,还将发生部分溶解,因此作为衣料用纤维,显然不能满足要求。为了进一步改善对热水的稳定性,必须进行缩醛化处理。
所谓缩醛化,就是用醛处理聚乙烯醇纤维,使大分子链上的羟基与醛分子发生缩醛化反应,羟基部分地被封闭,并在PVA分子内和分子间形成交联点,从而进一步提高纤维对热水的稳定性。在缩醛化工艺中,使用最普遍的醛化剂是甲醛。
聚乙烯醇缩甲醛(PVF)纤维有相当好的耐热水性。例如,它的水中软化点已达到110~115℃,纤维的强度、断裂伸长率等指标与缩醛前相比,只是稍有变化,它能够满足一般民用和普通工业或技术应用的需要。但经缩醛化后,纤维的弹性有较大的降低,染色性能也明显下降。
(一)缩醛化的基本概念
1.缩醛化反应在聚乙烯醇大分子上,每个基本链节都含有一个羟基,经过纺丝、拉伸、热处理等加工工序后,纤维产生一定的结晶度。一部分大分子上的羟基被纳入晶格,成为被束缚的羟基,反映于纤维的耐热水性有所提高,在沸水中已不能使之充分溶解。但还含有一部分未被束缚的自由羟基,一般位于结构比较疏松的非结晶区,它们赋予纤维以良好的亲水性。为了进一步提高纤维的耐热水性,应使这部分羟基封闭掉。缩醛化反应的实质就是使用甲醛与这一部分羟基发生反应,构成分子内缩合,从而使纤维的耐热水性和玻璃化温度都有所提高,所发生的基本反应为:
当然也可能在两个大分子之间发生分子间缩合,反应如下:
当采用甲醛进行缩醛化时,主要发生分子内缩合反应,使大分子上相邻的两个羟基相连接,构成一个带亚甲基的含氧六元环。由此可知,孤立的羟基将不能被缩醛化。弗洛雷(Flory)按统计力学理论进行计算,得出聚乙烯醇长链分子上的最大缩醛度为86.47%,也就是说,在缩醛过程中将有13.53%的羟基成为孤立的自由羟基而不能被缩醛化。
2.缩醛度
(1)缩醛度(AD)是指进入缩醛化反应的羟基数与大分子所含全部羟基数之比(亦即缩醛化反应中进入大分子的甲醛对聚乙烯醇基本链节的摩尔比):
(2)纤维力学性能:缩醛化后纤维的强度基本不变,延伸度则在缩醛度40%以前呈明显下降,其后又有所增大,纤维的钩接强度则随缩醛度的增大而降低。通常,未经缩醛化纤维的结节强度与断裂强度之比为70%~80%,缩醛化后降至60%~70%。经缩醛化后纤维的弹性回复显著下降,但当缩醛度达10%以后,随着缩醛度增加,纤维的弹性回复几乎没有差异。(www.xing528.com)
(3)纤维染色性能:当缩醛度约为29%时出现染着量的高峰,这时因为硫酸的溶胀作用扩大了染料的吸收区,故使染着量增加,以后随着缩醛化的进行缩醛度提高,自由羟基减少又起主导作用,故染着量不断降低。
(二)缩醛化过程的主要参数
纤维的缩醛化反应通常都在含催化剂的醛化浴中进行,是一种非均相的液-固相反应。生产中用甲醛为缩醛化剂,硫酸为催化剂,硫酸钠为阻溶胀剂,配成一定浓度的水溶液。喷淋在切断状短纤维上,或使长束状的纤维在醛化浴中反复通过。主要参数如下:
(1)缩醛化浴组成:生产中所用缩醛化浴的组成见表6-2。
表6-2 缩醛化浴的组成
(2)缩醛化温度:随着温度的提高,缩醛化反应的速度加快。另外,温度提高有利于纤维溶胀,所以应与浴中所添加的硫酸钠量相配合而调节。同时温度升高,必然会导致甲醛的损失量增大,并恶化劳动条件,所以生产中缩醛化温度不宜过高,一般取70℃左右。
(3)缩醛化时间:在组成和温度一定的醛化浴中,所得纤维缩醛度在反应前期急速提高,随着时间的延续,其变化渐趋平缓,最后达到该条件下的平衡值。在生产中,喷淋式的缩醛化时间为20~30min。
(4)缩醛度:控制上述各项参数的目的是为了使纤维获得适当的缩醛度,使之既具有良好的耐热水性,又不太降低纤维的弹性和染色性能。如果纤维半成品的水中软化点高,则为保证纤维达到必要的耐热水性,其缩醛度可略低,如一般切断状短纤维缩醛化前的水中软化点为88℃,要求纤维的缩醛度应为30%左右;对于水中软化点已达到92.5℃的半成品纤维,其缩醛度可降至26%。
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